[KoMiCo Lab] 반도체 부품 세정의 기초, Ultrasonic Cleaning 기술

반도체 공정에서는 아주 작은 오염도 제품 불량이나 수율 저하로 직결됩니다.
이때 사용되는 세정 공정 중 하나가 Ultrasonic Cleaning(초음파 세정)이며, 특히 복잡한 구조를 가진 반도체 부품의 표면 및 내부 오염물 제거에 탁월한 효과를 발휘합니다.

 

■ Ultrasonic Cleaning의 정의 및 원리

Ultrasonic Cleaning은 초음파의 음압(Negative Pressure) 효과와 공동(Cavitation) 현상을 활용해, 용매(Solvent)를 매체로 표면의 Particle을 제거하는 세정 공정입니다.

 

▲ 음파 주파수 영역 비교

 

초음파는 액체에 고주파 진동 에너지를 전달하여, 압력이 주기적으로 변하는 환경을 만들어냅니다.

이때 음파는 압축기(compression)와 희박기(rarefaction)를 반복적으로 생성하며, 특히 희박기 구간에서는 액체 내의 압력이 국소적으로 급격히 낮아집니다. 압력이 일시적으로 액체의 증기압 이하로 떨어지게 되면, 액체는 기화되어 미세한 기포를 형성하게 됩니다. 이러한 현상을 음압 효과(Negative Pressure Effect)라고 합니다.

 

▲ Cavitation Effect

 

초음파에 의해 형성된 이 수많은 미세 기포들은 초당 약 25,000~30,000회의 진동을 통해 수축과 팽창을 반복하다가, 특정 임계 조건에 도달하면 급격하게 붕괴됩니다.

 

이때 발생하는 국소적인 고온·고압의 충격파는 액체 전체에 강한 물리적 에너지를 전달하며, 그 미세한 충격이 반도체 부품 표면에 부착된 이물질을 효과적으로 탈착시킵니다. 이러한 일련의 과정을 공동현상(Cavitation)이라고 하며, 초음파 세정이 작동하는 핵심적인 물리적 원리입니다.

 

■ 초음파 세정에 영향을 미치는 주요 인자

 

초음파 세정은 다음과 같은 물리적 요인들이 Cavitation 효과의 강도 및 세정 효율에 큰 영향을 미칩니다.

첫 번째로 온도(Temperature)입니다.
액체의 온도가 상승하면 분자의 운동 에너지가 증가해 Cavitation 발생이 유리해집니다. 적정 온도에서는 기포 형성 및 붕괴가 활발해져 세정 효율이 증가하지만, 기화점에 너무 근접할 경우 과도한 기화로 인해 공동현상이 약화되기도 하므로, 세정 목적에 맞는 최적 온도 설정이 중요합니다.

두 번째로 용존 가스(Dissolved Gas)입니다.
세정액에 녹아 있는 공기나 불순 가스는 기포 내부에서 충격 에너지를 흡수하고 분산시켜 Cavitation 강도를 약화시킵니다.

따라서 효과적인 세정을 위해선 용액 내 가스를 줄이는 것이 필요합니다. 이는 초음파의 단속적인 조사, 가열 등을 통해 수행됩니다.

다음으로 표면장력(Surface Tension)입니다.
액체의 표면장력이 높을수록 기포가 더 큰 에너지를 축적할 수 있어, 붕괴 시 더 강한 Cavitation 효과를 유도할 수 있습니다. 하지만 오염물이 유기오일 등 점성이 강한 물질인 경우, 기포의 형성 자체가 어려워 세정 효율이 저하될 수 있습니다. 따라서 표면장력과 용액 조성 또한 중요한 설계 변수입니다.

또한, 초음파의 주파수는 기포의 크기, 붕괴 강도, 에너지 전달 방식을 결정하는 주요 요소입니다.

 

항목	28kHz	40KHz	Ultra-sonic
세정 원리	Cavitation	Cavitation	분자의 가속도
입자 가속도	1500G	2500G	10000G이상
특징	에너지가 큼	에너지가 큼	직진성이 높음
제거가능입자	3μm 이상	2μm 이상	1μm 이상
용도	일반세정	일반세정	정밀세정

 

낮은 주파수(예: 28~40kHz)는 강한 Cavitation 효과를 일으켜 큰 입자나 고착성 오염물 제거에 효과적이며, 높은 주파수(예: 100kHz 이상)는 미세한 기포를 생성하여 민감한 구조물에 적합한 정밀 세정을 가능케 합니다.

초음파 세정은 반도체 공정에서 널리 사용되는 핵심 세정 기술이지만, 공정의 고도화와 구조의 복잡성 증가에 따라 더 정밀하고 효율적인 세정 방식이 요구되고 있습니다.

 

이에 따라 코미코 초음파 세정 기술도 다양한 형태로 발전해왔으며, 목적에 맞게 특화된 세정 솔루션들을 개발하고 있습니다.

다음 글에서는 경도가 낮고 상온에서 바로 승화되는 드라이아이스의 특성을 이용한 CO2 Blasting에 대해 소개드리겠습니다. 다음 글도 많은 관심 부탁드립니다.

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<About KoMiCo>

KoMiCo는 1996년 국내 최초로 반도체 장비 부품의 세정 및 코팅 서비스를 사업화한 기업으로, 미국, 중국, 대만, 싱가포르 등 글로벌 거점을 기반으로 세계 유수 반도체 기업들로부터 품질을 인증받은 Global No.1 기업입니다.

KoMiCo는 세정·코팅 신기술을 바탕으로 기존 사업의 고도화는 물론, OEM 반도체 장비용 핵심 부품 개발과 시장 확대를 통해 사업 영역을 지속적으로 확장하고 있습니다. 앞으로도 고객의 생산성과 수율 향상에 기여하며, 반도체 장비 부품 분야의 글로벌 선도 기업으로 나아가겠습니다.