공기에 포함된 극미량의 수분을 잡아낸다

이슬점은 공기 중 포함된 수증기가 물로 응축되는 온도를 말하는데, 이슬점을 안다고 하는 것은 공기 속에 얼마나 많은 수분이 존재하고 있는가, 혹은 얼마나 건조한 상태인가를 알 수 있는 수분의 척도입니다.

일상생활과 산업공정에서 적정한 습도의 존재는 매우 고마운 존재이지만, 반도체 등 첨단산업에서는 수분은 불청객으로 취급 받습니다.

반도체 공정에서 극미량의 수분 일지라도 이는 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치는데, 특히 반도체 제조과정 가운데 식각 공정에 쓰이는 각종 가스의 수분이 정상치를 넘을 경우 박막의 전기 광학적 성질이 바뀌어 제품의 불량률을 높이는 요인이 됩니다.

때문에 최근 첨단 산업공정에서는 ppb 정도의 극미량 수분의 측정 및 조절이 필수적입니다.

이 영역에서 수분을 측정할 수 있는 계측기가 최근 개발되어 반도체 공정 등에 설치되어 품질을 책임지고 있지만, 이런 계측기들의 정확도를 평가할 수 있는 극미량 수분표준이 없어 그동안 측정 신뢰성 및 품질 관리에 문제점으로 작용했습니다.

■ 한국표준과학연구원(KRISS) 온도센터 최병일 박사팀이 반도체 수율 향상에 핵심 요소인 ppb 수준의 극미량 수분표준을 국내 최초로 확립했습니다.

이번에 확립한 수분표준 영역은 이슬점으로 -105 ℃, 5 ppb(10억 분의 5) 수준으로, 일반 가정용 가습기 습도의 100만 분의 1에 해당하는 극미량의 수분양입니다.

현재 5 ppb 수준까지 수분을 정확히 측정하고 제어할 수 있는 기술을 보유한 나라는 미국, 영국, 독일, 일본 등에 불과합니다.

연구팀은 극미량의 수분을 정확하게 제어하고 발생시킬 수 있는 장치를 개발해 수분표준을 확립했습니다.

연구팀인 극저온인 -95 ℃를 유지하며 내부가 얼음으로 코팅되어 있는 용기(포화조) 내에 건조가스를 주입해 고압 상태에서 얼음과 수증기가 열적 평형상태인 포화된 습공기를 만들고, 이를 다른 압력과 온도로 방출시키는 방법으로 온도와 압력과의 열역학적 관계식을 응용했습니다.

이를 통해 정밀하게 조절된 극저수분 공기를 만들어 수분의 양을 100억 분의 5개(0.5 ppb)이내로 정밀하게 측정하는데 성공했습니다.

현재 산업체에서 필요로 하는 극미량 수분계측기 교정의 하한 영역은 이슬점 -120℃ 인 0.2 ppb(100억분의 2)입니다.

앞으로 연구팀은 산업체가 필요로 하는 수분 영역까지 극미량 수분표준을 확립하거, 확립한 극미량 수분표준을 보급하기 위해 산업체에서 사용하고 있는 수분계측기에 대해 교정을 실시할 계획입니다.

극미량 수분표준 발생장치로 수분계측기를 교정하는 최병일 박사.