= 순수제조장치의 종류 =

1. 증류수 제조장치 (Distillation)

2. 역삼투압 순수제조장치 (Reverse Osmosis System)

3. 이온교환 순수제조장치 (Mixed-Bed Pure water System)

- 물의 오염물질 -

물은 source에 따라 서로 다른 오염물질을 갖고 있다. 즉 강이나 호수 등 지표수의 경우는 상대적으로 유기물 오염이 높으며, 지하수의 경우는 반대로, 무기이온의 오염이 많다. 그러나 이들을 크게 대별하면 물의 오염물질은 다음과 같이 분류 할 수 있다.

- 무기 이온 : 무기이온이란 칼슘, 마그네슘, 철등을 포함하여 이온상태로 존재하는 중금속 등을 말한다.

이들은 조직 배양 시 효소반응을 방해하기도 하며 반도체 제조 공정에 있어서 수율 을

저하시키는 중요한 요인중의 하나이다.

- 유기물 : 유기물이란 비나 토양으로부터 주로 오염되는 성분으로 동식물의 분해산물들이 여기에 속함.

- 입자 : 입자오염은 물 중의 분유입자 또는 콜로이드 성분을 말하며, 일반 실험에 있어서 기기의 정밀도

와 성능을 떨어트리고, 미생물 오염을 유발시키게 됨.

- 미생물 : 미생물은 주로 박테리아를 말하며 박테리아 부산물로서 발열성 물질인 Pyrogens도 미생물

오염에 분류 할 수 있다. 미생물은 반응중의 효소 성분을 분해하기도 하며 특히 제약생산공정에 있어서는 이들 박테리아중 인체 내에서 발열성 물질 Pyrogens을 분비하는 오염이 매우 심각

하게 작용한다.

1. 초순수의 필요성

일반적으로 순수란, 간단한 전처리를 거친 원수(Feed water)를 이온교환수지를 통과시켜, 비 저항 값을 어느

수준까지 올린 물(이 경우 미생물, 유기물, 미립자는 거의 고려되지 않는다.)또는 증류장치로 얻어진 물을

말하였다. 그러나 최근에 미세가공 기술에 사용되는 순수한물의 경우 종래의 수질로는 원료에 대한 제품의

질을 높이는 것이 불가능하기 때문에 물 중에 불순물을 최대한 제거하는 것이 요구되고 있다.

특히 반도체 공장에 있어서는 각종 금속이온은 물론, 유기물, 미립자, 미생물까지도 극하 까지 제거된 초

순수가 사용된다. 이렇게 하여 생산성의 향상은 물론,LSI Pattern을 보다 세밀화 하는 것도 가능하게

되었다. 또 이 분야에서는 초순수의 사용량이 많기 때문에 생산비용을 낮추기 위해 RO(reverse Osmosis)

System이 일차 처리에 사용되고 있다.

- RO System -

Reverse Osmosis System에 의한 제조과정은 Cellulose Acetate 또는 Polyamide등의 반투막을 사용하여

사용 원수 중에 포함되어 있는 무기이온, 유기물, Pyrogen, 1um이상의 콜로이드 또는 미립자, 미생물 등의

오염물을 분리 제거한다. 원수는 10Kg/cm2-42Kg/cm2으로 가압 되어 반투막을 통과하지만 반투막의 작은

Pore를 통과하는 과정에서 오염물(무기이온, 유기물, 입자, 미생물, Pyrogen등)은 분리되어 순수한 물만이

통과한다. 그리고 분리된 오염물은 배수와 더불어 방출된다. RO 방법은 무기이온의 85 ~ 98%, 유기물의

99% 이상을 제거하며 Pyrogen, Bacteria 및 그밖의 미생물을 제거하는데는 매우 효과적인 방법이다.

현재 순수 제조에 사용되는 역 삼투막은 재질별로 2종류가 있고 모양별로 2종류가 있다.

재질로는 Cellulose Acetate와 Polyamide이고 모양으로는 Spiral과 Hollow Fiber 가 있다.

- 초순수의 수질 -

초순수의 수질로는 다음과 같은 정도의 값들이 일반적으로 요구되고 있다.

아래와 같이 수질관리는 비저항, 미립자, 유기물, 미생물의 4항목을 들 수 있다. 최근 미국의 시험연구규격

(ASTM)은 반도체 Grade용 초순수의 수질을 아래와 같이 규정하여 제조공정의 개선을 추진 장려하고 있다

* 초순수 요구수질

- 비저항 (MegOhm at 25'C) : 10 ~ 18.3

- 유기물 TOC : 0.1 이상

- 미립자 0.2um 이상 : 10 ~ 50 이하

- 미생물 ea/ml : 0.01 ~ 0.1 이하

1) 비저항(전도율)

비저항과 전도율은 반비례의 관계가 있다.

비저항(MegOhm) = 1 / 전도율 (us/cm)

이것은 수용액 전해질(무기이온)의 합계량의 지표이다.

측정비 저항은 수온에 따라 다른데 보통 25'C 온도 보정의 값이 In-line으로

사용된다. (공기중의 CO2 gas의 영향을 받지 않기 위하여)

2) 유기물 (TOC)

TOC는 총 유기탄소의 약자로서 유기물의 양을 측정하는 지표중의 하나이다.

최근에는 이 값을 내리려는 노력이 각Device Maker에서 추진 되고 있다.

이 값을 ppb 수준까지 내리는 것이 졸래의 방식(증류기)으로는 불가능하다.

따라서 최근에는 UV (자외선)산화방식으로 발생한 CO2량을 측정하는 TOC

Meter가 만들어져 50 ppb 정도까지 검출할 수 있게 되었다.

3) 미립자

미립자 측정에는

a. Membrane Filter 직접 검경법(광학현미경, 전자현미경)

b. 액체용 Particle Count법

c. Wafer 표면 광 산란법

의 3가지 방법이 일반적으로 쓰이고 있다.

Membrane Filter 직접 검 경법은 직접 눈으로 관찰하기 때문에 입자의 종류도 판별할 수 있는 편리한 방법

이지만, 그 밖의 방법에 비교하여 작업환경의 영향을 받기 쉽다. 여기에 대하여 particle count방법은 In-line

으로 측정이 가능하고 계측도 입자크기에 따른 자동계측이 가능하여 편리한 점이 있지만 기포와 입자의 식

별이 어렵고 측정 가능한 최소입자의 크기가 일반적으로 0.5um이기 때문에 보다 작은 입자에 대하여는 사

용할 수 없는 단점이 있다. 위 2가지 방법이 실제의 입자 수를 측정하는 방법인데 대하여 Water표면 광

산란법은 단위 체적당 입자수 측정은 어렵지만, 한번 상관관계가 얻어지면 각 현장에서 사용순수 중의 입자

추이를 간단하게 알 수 있는 방법이다.

4) 미생물

현재 초순수 중의 미생물 측정에 가장 많이 쓰이고 있는 방법은 Membrane Fiter(MF)여과법 이다. 이것은

평판법(한천배지배양)의 경우 검수가 적은 미량의 미생물 계측에는 신뢰성이 떨어지고 배지의 조성, 온도 등

의 어려움이 있는 등 많은 단계를 거치는데 비하여 안정되고 신속한 것이 특징이다.

- 초순수 제조 System에 대하여 -

오늘날의 초순수 제조System이란 어떠한 조합으로 되어 있는 것인가?

System은 크게 3개의 Block으로 나누어진다.

1) Reverse Osmosis System 및 그 전처리

2) 일차 이온 교환장치

3) 초순수 제조장치

일차 순수의 제조법은 이전에는 이온 교환법으로 처리되었지만, 현재에는 Reverse Osmosis 방법이 가장 일

반적으로 사용되고 있다. 이 방법은 Fiter, 이온교환에 드는 비용을 절감할 수 있고 Maintence가 간편하며

미생물, 입자, 유기물Level을 낮추는데 매우 효과적이기 때문이다.

- 초순수 장치

앞의 RO System과 이온교환수지를 통과시킨 순수한 물은 비저항값이 2~10MegOhm정도이다.

따라서 17MegOhm 이상의 초순수를 제조할때는 2차 처리가 필요하다.

여기에는 Ultrafiltration Membrane(U.F막)을 사용한 System과 사용하지 않은 System을 생각할 수 있다.

현재 Membrane Filter의 최소 Pore Size는 0.2um 전 후 이다. 이것은 이 Pore size 이상의 입자에 대하여는

거의 100% 제거할 수 있지만 이 Pore size이하에 대하여는 90% 정도이다. 따라서 특수한 경우

(Angestrom 단위의 입자 및 Colloid가 문제로 되는경우) Membrane filter 앞에 UF막을 부착하는 경우가 있

다. UF막의 뒷부분에 Membranefilter를 붙이는 이유중의 하나는 UF막의 제거율 때문이다.

UF막은 확실히 0.2um 이하의 입자도 포착하지만 그이상의 것도 빠져나가는 위험성도 많이 갖고 있다.

또 중요한 이유중의 하나는 UF막은 세척공정이 필요하다.

- 이온교환

이 온 교 환 (Ion- Exchange)

이온교환이란 비드같은 구형 레진에 물을 통과시켜 물중에 포함된 이온과 비드에 고정된 다른 이온을 새로 교환시키는 것이다. 이와같은 이온교환 원리를 이용하는 것에는 연수화(Softening) 와

탈이온(Deionization) 이 있다. 연수화는 주로 역삼투 순수제조 장치에 앞서 물의 경도를 낮추기 위한

전처리 단계로 칼슘, 마그네슘이온 등을 소디움이온으로 치환하는 과정을 말한다. 또 탈이온 과정은 양이온

레진으로 하이드로겐이온을 음이온 레진으로 하이드록실이온을 사용하여 이온을 제거하는 과정이다.

이 같은 탈이온 과정을 통하여 무기이온들은 가장 효과적으로 제거될 수 있다.

또한 탈이온 과정은 증류 방식에 비하여 가동비가 적게드는 장점이 있으나 입자, 미생물 등은 거의

제거하지 못하며 유기물의 경우도 이온을 띠지 않는 것은 거의 제거하지 못하는 단점이 있다.

또 DI 장치에서는 레진 입자가 오염원으로 발생하기도 하며 미생물이 번식하기 쉬운 결점도 갖고 있다.

- 활성탄 흡수 (Active - Carbon)

유기물은 양이온성, 음이온성 물질과 비이온성 물질로 나눌 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 이온교환

레진이 물중의 유기이온을 제거할수 있으나 비이온성 유기물은 레진을 덮어 씌워 레진의 성능을 떨어뜨리

기도 한다. 따라서 유기물 제거에 가장 효과적인 방법은 활성탄 흡수 방법이다

활성탄에 의한 유기물의 흡수과정은 탄소여과재의 구멍에 유기 분자가 확산에 의하여 흡착되는 과정으로

유기물의 분자량과 크기에 따라 달라진다. 이 활성탄은 Chloramics뿐 아니라 염소도 제거하므로 활성탄

여과의 뒷부분에는 미생물이 번식할 위험성이 있다. 또 활성탄 흡수의 경우도 유기물을 제외한 무기이온,

입자, 미생물은 거의 제거하지 못하므로 다른 여과방법과의 조합에 의하여 만 사용이 가능하다.

- 마이크로 포러스 막 여과

마이크로포러스 여과에는 뎁스(Depth) 필터와 스크린(Screen) 필터가 있는데 막여과는 후자에 속한다.

뎁스 필터가 여재의 위나 중간에도 오염성분을 포착할수 있는데 비하여 막의 표면에만 포착할수 있다.

따라서 막의 구멍크기에 따라 미생물 입자등을 제거할수 있는 망이크로포러스 막 여과는 입자와 박테리아

등 미생물을 제거하는데는 가장 효과적이나 무기물, 콜로이드 성분, 발열성 물질인 Pyrogen의 제거는

불가능 하다.

- 역삼투(REVERSE OSMOSIS)

역삼투막은 한외여과 (UF)막보다 조밀한 구멍으로 이루어져 있으며 거의 모든 입자, 비생물,

분자량 300 이상의 유기물을 제거할수 있다. 역삼투막에 의한 순수제조 원리는 반투막에 의하여 분리되어

있는 서로 다른 농도의 순수가 고농도 쪽으로 이동하는데 비하여 반대로 고농도 측에 압을 가하여 순수

성분을 저농도 쪽으로 이동시키는 것이다. 이 역삼투방식은 한외여과에서 불가능했던 무기 이온까지도

제거 할수있고 유지보수에 거의 인력이 필요하지 않는 등 종래의 증류장치의 결점을 대부분 해결하고 있다.

또 막의 면적을 늘려감으로써 순수의 생산량을 쉽게 증가시킬 수 있어 생산공정에까지 다양하게 도입되고

있는 역삼투 순수제조 방법은, 막의 수명연장을 위하여 입력수(Feed water)의 수질이 전 여과를 통하여

조정되어야 한다. 현재 순수 제조에 사용되는 역삼투막은 재질별로 2종류가 있고 모양별로 2종류 가 있다.

재질로는 Cellulose Acetate 와 Polyamide 이고 모양으로는 Spiral Hollow Fiber가 있다.

순수도 의 개념

1. 순수의 일반적 개념

간단한 전처리를 거친 원수 (Feed water) 를 증류장치나 Reverse Osmosis

시켜 비저항을 일정수준까지 올린 물을 말한다.

2. 순수의 표시단위 1

. 비저항 (M -cm) = ---------------

전도율( s/cm)

. 비저항 (Specific Resistivity) : ohm.cm = . cm

. 전기 전도율 (Conducitivity) : mho/cm = / cm

= siemens/cm

= S/cm

비저항/전도율은 물속의 이온수와 하전량과의 관계이며 물속의 이온수가 증가되면 전도율 값은 증가하고

비저항은 낮아진다.

3. 순수도와 오염원인 물질과의 관계

. 순수의 일반적인 표시단위는 비저항/전기전도율이며 이들 값에 영향을 미치는 것은 물속에 존재하는

용존 이온이고 기타의 성분 (유기물. 미립자. 미생물.무기산화물.클로이드물질.용존가스류 등) 은 거의

고려되지 않은 상태이다. 따라서 실질적인 순수는 물소거에 존재하는 용존이온 이외에도 기타의

오염원인 물질도 제거범위에 포함시켜야 할것이다.

4. 순수와 온도와의 관계

1. 물의 전리상수는 온도 상승에 따라 증가하므로, 물의 전기전도율 값도 온도상승에 따라 증가한다.

2. 온도에 따라 전기전도율 / 비저항이 달라지기 때문에, 일반적으로 순수도를 표시 할 때는 온도를 명시

하거나, 25'C 를 기준으로 한 환산 값으로 표시한다.

- 반도체 집적도에 따른 요구수질

항 목 단 위 반도체 집적도에 따른 요구수질의 변화

64K 256K 1M 4M 16M 64~128M

Resitivity ㏁.㎝ >15~17 >17~18 >18 >18 >18.1 >18.2

Particles >0.2㎛<100~200 <50 <10~20 <5 <5 <10

>0.1㎛

>0.05㎛

>0.03㎛

Bacteria[EA/100㎖]<50~100 <2~20 <0.01 <0.005 <0.001 <0.001

TOC[ ㎍/ℓ <200~500 <50~100 <30~50 <10~20 <2 <1

SiO2 ㎍/ℓ - <10 <3~5 <1~3 <1 <0.1

Na ㎍/ℓ - - <0.5 <0.1 <0.01 <0.001

Fe ㎍/ℓ - - <0.5 <0.1 <0.01 <0.001

Zn ㎍/ℓ - - <0.5 <0.1 <0.01 <0.001

Cu ㎍/ℓ - - <0.5 <0.1 <0.01 <0.001

Cl- ㎍/ℓ - - <0.5 <0.1 <0.01 <0.005

O2 ㎍/ℓ - <100 <50~100 <20~50 <2 <1

- 역삼투 현상

역삼투란 물속에 용해된 물질을 반침투성막인 필터를 통해 분리 제거하는 과정으로 주로 식수 공급용,

제약용의 고순도 용수, 반도체 생산 및 수력발전용수 처리용, 농업용수, 식품처리 및 기타 산업용으로 쓰인

다.

삼투현상은 저농도 용액에서 고농도 용액으로 액체가 세포막을 통해 흐르는 자연현상이다. 예로서

오얏열매를 햇볕에 두면 열매내부의 습기는 외부의 건조한 대기속으로 표피를 통해 빠져나가서 말라버린다.

반대로 뜨거운 물이 담긴 그릇속에 말린 오얏열매를 넣어두면 열매의 당분용액속으로 물이 침투작용을

일으켜 열매는 다시 부풀어 오른다. 압력차와 같이 농도의 차이가 오얏열매의 세포막을 통해 수액이

흐르도록 해주는 원인이 된다.

그예로 순수한 물과 분리한 용수용액의 막을 통하여 순수한물에 용해된 염수용액으로 환원시키는데

수압이 100PSI의 기계압이 필요하다.

농도의 차이 대신 압력을 이용하여 세포막에 수액을 흐르게 할수 있다.

압력에 의해 자연계의 삼투현상과는 반대방향으로 수액이 흐르는 현상을 역삼투 현상이라 부른다.

- TDS 미터

TDS 는 Total Dissolved Solids 즉, 물속에 용해된 총 용존 무기화학물 질량을 말한다. 무기화학물질들은 물속에 소량이 녹아 있을때는 이온상태로 존재하는데 이 이온들은 전기를 띠는 전해질들이므로 전류를 통하게

한다. 따라서 물에 전류를 흘렸을때 전류의 세기로 물속의 총 용해된 무기화학물질의 존재량을 측정할수 있다. (순수한 물은 거의 전기 전열체 이기때문임) TDS 미터로는 물속에 용해된 무기화학물질의 총량만을 측정할수 있고 입자량, 유기화학물질 존재량 및 세균 존재량은 측정되지 않으나 무기화학물질의 존재량으로 순수도의 기준으로 삼을수 있다.