반도체 및 제약 UPW 시스템을 위한 스테인리스강: 미세 표면 마감이 제품 수율에 미치는 영향

반도체 및 제약 UPW 시스템을 위한 스테인리스강: 미세 표면 마감이 제품 수율에 미치는 영향

반도체 제조 및 제약 생산 공정에서 초순수(Ultra-Pure Water, UPW)는 생산의 핵심 요소입니다. 백만 분의 일(ppm) 또는 심지어 10억 분의 일(ppb) 수준의 오염조차도 제품 수율에 막대한 영향을 줄 수 있습니다. 초순수 처리 공정이 중요하지만, 이를 이송하는 재료(일반적으로 스테인리스강) 역시 동등한 비중을 차지합니다. 스테인리스강 부품의 미세 표면 마감은 오염 위험, 생체막 형성, 그리고 궁극적으로 제품 수율에 직접적인 영향을 미치게 됩니다. 왜 표면 마감이 중요한지, 그리고 이를 어떻게 최적화할 수 있는지에 대한 자세한 분석을 아래에서 살펴보겠습니다.

? 1. UPW 시스템에서 표면 마감이 필수적인 이유

초순수는 다음과 같은 극도로 높은 순도 기준을 충족해야 합니다:

• 반도체 : 비저항(Resistivity) ≥18.2 MΩ·cm, 총유기탄소량(TOC) <1 ppb.

• Pharma : USP <643> 및 EP <2.2.29> 규정 준수.

거친 표면은 다음과 같은 문제를 유발합니다:

• 세균 부착 부위 : 나노미터 수준의 미세 결함조차도 생체막(biofilm)을 유발할 수 있습니다.

• 입자 이탈 : 미세한 봉우리(peak)가 떨어져 나가면서 금속 오염 물질을 유발합니다.

• 부식 개시 : 거칠기가 틈부식을 가속화하여 이온(Fe, Cr, Ni)을 방출합니다.

? 2. 표면 마무리 측정: Ra 대 Rmax

• Ra(산술 평균 거칠기) : 가장 일반적으로 사용되는 지표이지만 초순수 시스템(UPW)에는 부적합합니다. Ra ≤0.5 µm라도 여전히 "봉우리 및 골짜기" 결함이 숨어 있을 수 있습니다.

• Rmax(최대 봉우리-골짜기 높이) : 초순수 시스템에 매우 중요합니다. Rmax ≤0.5 µm를 명시함으로써 극단적인 이상치가 없음을 보장합니다.

• 전해연마 마무리 : 최고 기준입니다. 미세한 봉우리를 평탄화하고, 불활성층 형성을 개선하며, 유효 표면적을 감소시킵니다.

⚙️ 3. 표면 마무리가 오염에 미치는 영향

A. 세균 정착

• 거친 표면(Ra >0.8 µm)은 페도모나스 또는 Ralstonia 와 같은 세균이 서식할 수 있는 보호 공간을 제공합니다.

• 결과 : 생물막은 물속에 세포와 엔도톡신을 방출하여 웨이퍼 결함 또는 주사제 오염의 위험을 초래할 수 있습니다.

B. 입자 생성

• 연마되지 않은 표면은 유체 난류 중에 입자를 방출합니다.

• 반도체에서는 이러한 입자로 인해 웨이퍼 긁힘 또는 포토리소그래피 결함이 발생할 수 있습니다.

C. 금속 이온 침출

• 미세 균열에 물이 고여 국부적인 부식과 이온 방출(예: Fe³⁺, Cr⁶⁺)이 발생합니다.

• 영향 : 금속 이온은 제약 산업에서 원치 않는 반응을 촉진하거나 반도체의 유전율을 저하시킬 수 있습니다.

?️ 4. 완벽한 마감을 위한 방법: 기계 연마 대비 전해 연마

기계 연마

• 공정 : 연마 패드를 이용한 단계적 연마 (예: 80~600 그릿).

• 제한사항 : 금속 표면을 으깨면서 산화물을 함침시키고 향후 입자 방출을 유발할 수 있는 '플러킹(plucking)' 지점을 생성합니다.

• 최대 달성 가능 : Ra ≈0.3 µm (양호하지만 UPW에는 이상적이지 않음).

전기 닦기

• 공정 : 산 욕에서의 양극 용해 (예: 인산-황산 혼합액)를 통해 표면 약 20~40 µm를 제거합니다.

• 장점 :

  • Ra를 ≤0.15 µm 이하, Rmax를 ≤0.5 µm 이하로 감소시킵니다.

  • 두껍고 균일한 크롬 산화층으로 표면을 밀봉합니다.

  • 내장된 오염물질과 미세 균열을 제거합니다.

• 요구되는 표준 : 스테인리스 강의 경우 ASTM B912 표준을 따르고 전해 연마의 경우 SEMI F19를 따르십시오.

✅ 5. 재료 선택: 316L 이상

316L이 표준이지만 고려해야 할 사항:

• 저탄소 계열 : 용접 중 감도화를 방지하기 위해 탄소 함량 0.02% 미만의 316L 사용

• 전해 연마용 등급(EP) : 제조사는 황 함량 0.001% 미만과 같은 포함물 통제가 더 엄격한 316L-EP를 공급합니다.

• 대체 합금 : 극한의 응용 분야에서는 904L 또는 6% Mo 합금(예: 254 SMO)이 부식 저항성이 더 뛰어납니다.

? 6. 검증 및 테스트

표면 거칠기 측정

• Ra/Rmax 확인을 위해 접촉식(프로브) 또는 비접촉식(레이저) 거칠기 측정기를 사용하십시오.

페록실(Ferroxyl) 시험

• 기계적 연마 후 흔히 발생하는 유리 철(free iron) 오염을 검출합니다.

수질 시험

• 방출수의 TOC(총유기탄소량), 엔도톡신, 입자 수를 모니터링하십시오.

• 수용 기준 : 입자 크기 ≥0.1 µm 기준, 입자 수 ≤5 개/mL 및 엔도톡신 <0.001 EU/mL

? 7. 유지보수: 표면을 깨끗하게 유지하기

• 비활성화 : 크롬층을 재생하기 위해 ASTM A967에 따라 주기적으로 질산 또는 구연산 피막 처리를 수행하십시오.

• 화학적 세정 : 염소가 함유된 세제는 사용하지 마십시오. 생물막 제거에는 오존 또는 과산화수소를 사용하십시오.

• 검사 : 파이프와 탱크 내부의 로그(산화철) 생성 여부를 정기적으로 보어스코프 점검하십시오.

? 8. 사례 연구: 표면 마감 개선으로 수율 증가

• 문제 : 7nm 웨이퍼에서 반복적으로 입자 결함이 발생한 반도체 팹 사례.

• 근본 원인 : Ra ≈0.6 µm(기계 연마)의 UPW 파이프가 유량 급증 시 입자를 방출함.

• 솔루션 : 전해 연마된 316L-EP(Ra ≤0.15 µm) 제품으로 교체.

• 결과 : 입자 수가 70% 감소했고, 웨이퍼 수율이 5% 증가함.

? 9. UPW 부품의 주요 사양

✅ 10. 결론: 마감 처리에 투자하여 수율 보호하기

UPW 시스템에서 고수율과 대규모 고장 사이의 차이는 마이크로 단위의 표면 거칠기에 달려 있습니다. 전해연마는 비용이 아니라 보험입니다. 낮은 Ra/Rmax 마감을 명시하고, 프로파일로미터로 검증하며, 엄격한 청정성 기준을 유지함으로써 스테인리스강 설비가 생산 목표를 방해하는 것이 아니라 뒷받침하도록 보장할 수 있습니다.

전문가 팁 구매 부품의 경우, 표면 거칠기에 대한 인증된 시험 성적서를 요구하고, SEMI F19 기준에 따라 감사받은 업체로부터 전해연마 처리를 반드시 진행하도록 하십시오.