클린룸의 공기는 어디에서 올까?

클린룸의 공기는 대부분 내부를 계속 순환하는 같은 공기다. 천장을 가득 메운 팬 필터 유닛(FFU, fan filter unit)이 공기를 여과해 아래로 불어 내리면, 공기는 바닥의 구멍으로 흘러 내려갔다가 다시 천장으로 돌아와 한 번 더 여과된 뒤 불어 내려진다. 외부에서 들어오는 공기는 일부에 불과하다. 장비가 계속 배기하는 만큼 외조기(MAU, makeup air unit)가 외부 공기를 보충하는데, 먼저 여과·제습·온도 조절을 거치고, 조금 더 보충해 클린룸의 압력을 바깥보다 높게 유지한다. 공기를 차갑고 건조하게 만드는 냉수는 칠러가 만들고, 열은 마지막에 옥상의 냉각탑에서 빠져나간다. 이 전체가 클린룸의 공조(HVAC) 시스템이며, 인프라(설비·유틸리티) 부서가 관리한다.

클린룸의 공기는 어떻게 흐를까? 단계별로 따라가 보자

가정용 에어컨은 시원하기만 하면 되지만, 클린룸 공조는 청정도, 온도, 습도, 압력을 동시에 지켜야 하고 1년 내내 멈추지 않는다.

1단계: 외부 공기는 먼저 외조기로 들어간다

• 하는 일: 외부 공기를 끌어들여 몇 단계의 필터를 거친 뒤, 냉수로 이슬점 아래까지 냉각한다(공기를 이슬점까지 식히면 수증기가 물방울로 응결한다). 물방울이 빠져나가면 공기는 건조해진다. 너무 차가우면 다시 가열하고, 너무 건조하면 가습한다.
• 이유: 외부 공기에는 먼지가 있고, 온도와 습도도 수시로 바뀐다. 클린룸의 습기는 주로 외부 공기를 타고 들어오므로, 가장 어려운 제습을 여기서 먼저 끝낸다.
• 하지 않으면: 습한 공기가 그대로 들어가 클린룸의 습도가 날씨를 따라 오르내린다. 비가 오거나 안개가 낄 때 가장 두드러진다.

2단계: 클린룸의 큰 순환으로 보충된다

• 하는 일: 처리된 공기는 클린룸 안을 계속 도는 큰 순환 경로로 보내져, 바닥에서 돌아오는 공기와 섞인다. 이 순환 경로의 풍량은 보충되는 양보다 훨씬 크다.
• 이유: 청정도는 새 공기로 계속 바꾸는 것이 아니라 같은 공기를 계속 여과하는 데서 나온다. 외부 공기는 제습과 온도 조절에 가장 많은 에너지가 들기 때문에 필요한 양만 보충한다.
• 하지 않으면: 모두 외부 공기로 채우면 제습과 온도 조절의 부하가 감당하기 어려울 만큼 커진다. 공조는 원래 팹에서 전력을 많이 쓰는 부분이다(‘반도체 팹은 왜 그렇게 전력을 많이 쓸까?’ 참고).

3단계: 천장의 팬 필터 유닛(FFU)이 아래로 불어 내린다

• 하는 일: 팬 필터 유닛은 작은 팬과 아주 촘촘한 필터를 합친 것으로, 천장 그리드의 한 칸에 하나씩 설치한다. 클린룸 하나의 천장에는 수백에서 수천 대가 늘어서 있다. 공기는 필터를 통과해 아주 느리고 고른 바람처럼 아래로 내려가고(초속 0.x미터 정도로 사람이 걷는 속도보다 느리다), 바닥의 구멍으로 돌아간다.
• 이유: 사람과 장비에서는 끊임없이 파티클이 떨어진다. 위에서 아래로 부는 바람이 이를 바닥 쪽으로 쓸어 가서 웨이퍼 위로 떠다니지 못하게 한다. 한 칸에 한 대씩이므로 한 대가 고장 나도 주변 유닛은 계속 바람을 보낸다.
• 하지 않으면: 한 대가 멈추면 그 아래 칸의 바람이 약해진다. 새로 설치한 유닛의 프레임과 천장 사이에 틈이 있으면 여과되지 않은 공기가 틈으로 새어 내려온다. 그래서 설치 후에는 ‘리크 스캔’을 한다. 프로브를 필터와 프레임에 바짝 대고 천천히 한 번 훑는 것이다.

필터와 클린룸 등급은 ‘클린룸은 얼마나 깨끗할까? Class 100, ISO 5 같은 등급을 정하는 방법’를 참고하면 된다.

4단계: 압력을 바깥보다 조금 높게(양압)

• 하는 일: 배기되는 양보다 조금 더 많은 공기를 보충하면 클린룸의 압력이 바깥보다 높아진다. 이를 양압이라고 한다. 대기압의 약 1만분의 1 정도만 높으며, 청정한 구역일수록 더 높다.
• 이유: 문이 열리면 공기가 안에서 밖으로 흘러 나가므로 외부의 먼지가 따라 들어오기 어렵다. 많은 출입구에는 동시에 열리지 않는 문이 두 겹 있어서(에어샤워도 마찬가지다) 차압이 한꺼번에 사라지지 않는다.
• 하지 않으면: 차압이 없어지면 문이 열리거나 벽 틈으로 공기가 샐 때 외부 먼지가 공기를 타고 들어온다. 반대로 독성 가스가 새어 나가면 안 되는 가스 캐비닛은 일부러 바깥보다 압력을 낮게 만든다(‘팹에서는 어떤 가스를 쓸까?’ 참고).

5단계: 온도와 습도를 늘 안정적으로

• 하는 일: 센서가 계속 측정하고, 신호는 중앙 제어실로 보내진다. 순환 경로에서는 결로가 생기지 않는 냉각 코일(드라이 코일)로 온도를 미세 조정하는 경우가 많고, 제습과 가습은 외조기가 맡는다.
• 이유: 포토 구역이 가장 민감하다. 습도가 바뀌면 포토레지스트가 얼마나 잘 붙는지, 일부 포토레지스트는 빛을 받은 뒤 얼마나 빨리 반응하는지가 함께 바뀐다. 또 노광에서는 위아래 두 층을 나노미터 수준으로 맞춰야 하는데, 물체는 온도가 오르면 아주 조금 팽창하므로 온도도 안정적이어야 한다. 너무 건조하면 정전기가 생기기 쉽고, 너무 습하면 금속이 부식되기 쉽다.
• 하지 않으면: 같은 조건으로 만들어도 오늘과 내일의 결과가 달라진다.

포토 공정과 포토레지스트는 ‘포토 구역은 왜 노란색일까?’ ‘포토레지스트란?’, 정전기는 ‘정전기 방전(ESD)이란?’을 참고하면 된다.

6단계: 장비는 계속 배기하고, 배기한 만큼 보충한다

• 하는 일: 모든 장비에는 배기 덕트가 연결되어 내부 공기를 계속 빨아낸다. 배기는 성분에 따라 나누어 처리하며, 흔히 일반 배기, 산 배기, 알칼리 배기, 유기 용제 배기로 나눈다. 독성이나 가연성 가스는 먼저 장비 옆에서 배기가스 처리를 거친다. 산·알칼리 배기는 다시 물로 세정하고(세정탑), 유기 용제 배기는 흡착·농축한 뒤 소각하는 경우가 많으며, 그런 다음에야 외부로 배출한다.
• 이유: 화학 물질의 가스가 장비 안에 남거나 클린룸으로 새어 나와서는 안 된다. 나누어 처리하는 이유는 산과 알칼리가 만나면 염 성분의 미세한 분말이 생겨 덕트 안에 쌓이고, 처리 방법도 서로 다르기 때문이다.
• 하지 않으면: 배기가 부족하면 가스가 장비 안에 남는다. 너무 많이 빨아내면 같은 메인 덕트에 연결된 다른 장비의 배기가 줄어들고, 클린룸의 공기도 줄어들어 외조기가 더 많이 보충해야 한다. 세정탑의 물도 처리해야 한다(‘팹에서 쓴 물은 어디로 갈까?’ 참고).

7단계: 칠러와 냉각탑이 열을 내보낸다

• 하는 일: 외조기와 순환 경로의 냉각 코일은 모두 칠러가 만든 냉수를 쓴다. 냉수는 공기의 열을 가지고 칠러로 돌아가고, 칠러는 이 열을 또 다른 물 계통에 넘겨 옥상의 냉각탑으로 보낸다. 냉각탑에서는 뜨거운 물을 위에서 뿌리고 팬이 공기를 위로 빨아올리며, 물의 일부가 증발하면서 열을 가져간다.
• 이유: 장비가 쓴 전력은 결국 거의 모두 열이 되므로, 이 열을 계속 내보내야 한다.
• 하지 않으면: 냉각탑의 팬이 멈추면 돌아가는 물이 충분히 식지 않고, 칠러 내부의 압력이 올라 칠러가 스스로를 보호하기 위해 멈춘다. 냉수가 충분히 차갑지 않으면 외조기가 제습을 하지 못한다. 그래서 칠러는 흔히 예비 한 대를 더 갖춰 둔다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 인프라 엔지니어를 찾는다. 이름 아래 한 줄로 늘어선 색 블록 중 공조 블록(‘인프라 · 공조’라고 적혀 있다)을 누르면 공조팀 엔지니어가 된다. 네 근무 중 어느 근무가 나오는지는 게임을 연 시간에 따라 정해진다.

• 심야 근무 ‘안개 낀 밤’: 집에서 온콜 대기 중이다. 밖에는 안개가 끼고 포토 구역의 습도가 서서히 올라간다. 한밤중에는 야간 설정에 따라 냉수 온도를 조금 높여 두었기 때문에 외조기가 제습을 하지 못한다. 중앙 제어실에 주간 온도로 되돌려 달라고 할지, 설정대로 두고 지켜볼지는 내가 정한다. 4시 반에는 전화가 한 통 더 온다(받지 않아도 된다). 천장의 팬 필터 유닛 한 대가 멈췄다는 내용이다.
• 오전 근무 ‘한 대 교체’: 클린룸에서 그 유닛을 교체한다. 리크 스캔은 생략할 수 있는데, 생략하면 어떻게 되는지는 ‘이어서 오후 근무’를 누르면 알 수 있다. 이어서 7일 밤 동안의 습도를 보고, 야간 설정이 바깥 이슬점을 따르도록 바꿀지 결정한다.
• 오후 근무 ‘새 장비 배기’: 새 장비가 반입구로 들어오고, 두 문이 열릴 때의 차압을 지켜본다. 이어서 배기 라인 두 개를 연결한다. 장비사는 조금 더 크게 열고 싶어 하는데, 연결표를 따를지, 풍량을 측정할지는 내가 정한다.
• 저녁 근무 ‘옥상의 팬 한 대’: 2번 칠러가 트립되고, 예비인 3번 칠러가 저절로 기동한다. 원인은 옥상 냉각탑의 팬 한 대에 있고, 벨트를 확인하는 단계도 생략할 수 있다.

게임 속 팹, 인물, 장비 번호, 시간은 모두 가상이며, 온도, 습도, 차압의 수치도 적지 않았다. 공기가 어떻게 흐르고 왜 그렇게 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 특정 회사의 방식을 나타내지 않는다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.