[렛유인 KDC 교육] 반도체 장비 5일차 : 유틸리티(Utility)와 배관 설계 (Tube vs Pipe)

1. 반도체 장비의 생명선, 유틸리티(Utility)

지난 시간까지는 장비 내부에 집중했다면, 오늘은 장비를 가동하기 위해 외부에서 공급되는 유틸리티(Utility)와 이를 연결하는 배관(Piping)에 대해 학습했다.

Fab 내에는 Grating(Fab의 바닥) 아래로 수많은 배관이 지나가며, 각 장비에 필요한 소스들을 공급한다. 주요 유틸리티는 다음과 같다.

• CDA (Compressed Dry Air): 공압 밸브(Pneumatic Valve) 등을 구동하는 데 사용되는 압축 공기.
• PCW (Process Cooling Water): 장비 냉각수. 단순히 식히는 용도뿐만 아니라, 과열로 인한 센서 오작동을 방지하는 역할도 한다.
• DI Water (De-ionized Water): 초순수. 주로 세정(Cleaning) 목적으로 사용된다.
• Gas: Bulk Gas(He, Ar, O2, N2)와 Special Gas(SiH4, NH3)로 나뉜다.
• Exhaust: 공정 후 남은 유해 가스를 외부로 배출하는 배기 라인. Purge를 위해 필요하다.
• Vacuum Line: 펌프와 챔버를 연결하여 진공을 형성하는 라인.

배관 설계는 크게 Fab 메인 배관(1, 2차)과 장비까지 연결되는 Hook-up(3차 배관)으로 나뉜다. 보통 1, 2차는 Fab 운영 주체(삼성, 하이닉스 등)가 관리하지만, 장비와 직접 연결되는 3차 배관은 장비 엔지니어가 핸들링해야 하는 영역이다. 

1차, 2차, 3차배관

2. 배관 재질의 이해 : STS304 vs STS316L

반도체 배관은 부식에 강한 스테인리스강(STS)을 주로 사용한다. 하지만 흐르는 유체의 성격에 따라 등급(Grade)을 엄격히 구분해야 한다.

(1) STS 304 (General Purpose), 일본회사들은 SUS 304라고도 부른다.

• 성분: Fe + Cr(18%) + Ni(8%). 오스테나이트계 스테인리스강으로 분류한다. (Fe에 Cr, Ni, Mn등의 첨가물을 넣은 것을 의미한다)
• 특징: 크롬(Cr)이 산소와 만나 표면에 부동태 피막(Passivation Layer)을 형성하여 녹을 방지한다. 단, 이때 Cr의 함량이 10.5%를 넘겨야 한다. 기준을 10.5%에 딱 맞추기보다는 12%, 15% 등등으로 안전하게 더 높여서 제조한다고 한다. 부동태막 덕분에 부식에 강하다. 텀블러들 내부를 보면 304라고 적혀있는 스테인리스로 되어 있는데, 그와 같은 소재인지 궁금해서 검색해보니 같은 것이었다.
• 용도: 부식성이 적은 PCW, Vacuum, CDA, Exhaust 배관에 사용된다.
• 단점: 주변의 Cl 이온 등 할로겐족 원소에 취약하여 국부적으로 구멍이 뚫리는 공식(Pitting Corrosion)이 발생할 수 있다.

부동태막

(2) STS 316L (High Corrosion Resistance), 일본에서는 SUS 316L이라고도 부른다.

• 성분: STS 304에 몰리브덴(Mo)을 첨가하여 내식성을 강화했다.
• 특징: 몰디브덴 덕에 비슷한 강도를 지니면서 피팅부식에 좀 더 강하다. 염산, 황산 등 환원성 환경에서도 강하며, 특히 'L (Low Carbon)' 등급이 중요하다. 304보다 더 고가의 배관이다.
  • 탄소(C) 함량 0.03% 이하: 탄소 함유량이 0.03~0.08 사이에서 500~900도 정도로 가열하면 탄소가 탄화물 형태로 석출된다. 이때의 탄화물이 Cr을 포함하고 있기에 스테인리스의 Cr함유량을 떨어뜨려 부동태막을 약화한다.
• 용도: 고순도와 내식성이 요구되는 Process Gas 라인에 필수적으로 사용된다.

 

3. 표면 처리 : Grade가 나뉘는데 표면 거칠기 순으로 가장 높은것 부터 AP, BA, MP, EP이다.

 

배관은 재질뿐만 아니라 내벽의 표면 처리 방식도 중요하다. 미세한 요철은 가스와 반응하거나 파티클의 안식처가 될 수 있기 때문에 표면의 거칠기가 중요하다. 당연하게도 거칠기가 낮아질수록 더더욱 비싸진다.

• AP (Annealed & Pickled) / BA (Bright Annealed): 일반적인 열처리 및 산세 처리. 표면이 상대적으로 거칠다. PCW, CDA 등 대부분 영역에 사용한다.
• EP (Electro-Polishing, 전해 연마): 전기화학적으로 표면을 깎아내어 거울처럼 매끄럽게 만든 상태.
  • 장점: 표면적을 최소화하여 가스 흡착을 줄이고, 표면에 Cr 함량을 높여 부동태 피막을 강화한다. Fe와 Ni원자들은 Cr원자에 비해 결정격자에서 쉽게 추출된다. 따라서 표면에 Cr과 Mo함량이 높은 층이 형성되고 더 높고 강한 보호막이 형성된다.
  • 용도: 파티클 제어가 생명인 Process Gas 라인은 반드시 STS 316L + EP 조합을 사용해야 한다.

 

4. Tube와 Pipe의 차이

현업에서 혼용하기 쉽지만, 기구 설계 관점에서는 명확히 다른 개념이다.

구분	Tube (튜브)	Pipe (파이프)
용도	열교환, 계측, 구조용	유체 수송 (Mass Transfer)
치수 기준	외경 (OD) 기준	내경 (ID) 기준 (호칭경 사용)
특징	두께가 얇고 외경 공차가 정밀함	유량과 내부 압력이 중요함
규격 예시	1/4 inch, 6mm 등 실제 치수	65A, Sch 40 (Schedule No.로 두께 결정)
연결 방식	Fitting(Swagelok 등), 용접	나사, 플랜지, 용접

 

Pipe는 유체가 흐르는 양(Volume)이 중요(양에 따라 내부 압력이 달라지므로)하므로 내경(ID)이 기준이 되고, 압력에 따라 Schedule Number(Sch)로 두께를 결정한다(외경은 정해져 있고, Sch number에 의해 관의 두께가 결정된다). 반면 Tube는 외경(OD)이 정밀하게 관리되어야 피팅 체결 시 누설(Leak)이 없다.

Tube는 주로 보일러, 열교환기, 냉각관 같은 곳에, Pipe는 Gas, Water, Steam, Slurry 등에 쓰인다. 반도체 장비에서는 pipe가 더 중요하게 여겨지는듯 하다.

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5. Insight 

강의를 들으면서 계속 들었던 생각은 이 이후의 강의도 그렇고 이전의 강의도 그렇고 대부분 문제를 해결하거나 초기에 방법을 설정할 때 두가지 정도의 방법이 있었다. 하나는 단순, 저가의 방법이지만 단점이 있고 다른 하나는 복잡하고 고가의 방법인 대신 단점을 극복한 방법이었다. 엔지니어로서는 이럴 땐 어떤 것을 선택하는게 정답이다라고 하기엔 애매한 부분들도 생기리라 생각했다. 이후에 프로젝트같은 것을 할 때 그런 모호한 부분들을 어떻게 해결할지 대해 고민해보면서 진행해야겠다라는 생각이 들었다.

오늘 강의를 통해 배관이 단순한 연결 통로가 아님을 알 수 있었다. 특히 STS 316L에서 L의 의미가 인상 깊었다. 용접 열에 의해 크롬 탄화물이 석출되어 내부식성이 깨지는 메커니즘을 이해하지 못하면, 아무리 비싼 소재를 써도 가스 누설이나 오염 사고를 막을 수 없다.

또한 Process Gas 라인에 EP 처리된 튜브를 쓰는 이유는 유체 역학적 효율 때문이 아니라, 표면 요철에 의한 Contamination 방지가 주목적이라는 점도 중요하다. 이후 강의에서 Leaking에 대한 것도 배웠는데 그것과도 관련이 있는지 의문이 들었다.

결국 반도체 설비의 신뢰성은 챔버 내부의 하이테크 기술뿐만 아니라, 이를 뒷받침하는 배관의 소재 선정과 표면 처리 등 기초적인 Utility Infra의 견고함에서 시작된다. 기구 설계 엔지니어라면 Tube와 Pipe의 차이, 그리고 유체 특성에 맞는 재질 선정 기준을 명확히 정립해 두어야 할 것이다.