CMP Slurry 라인 구성 – 응집·침전 방지 설계 기준

CMP 공정에 공급되는 Slurry는 미세 연마 입자(실리카, 알루미나 등)가 포함된 고감도 화학 혼합물로, 라인 구성과 유량 조건이 조금만 틀어져도 침전, 응집, 막힘, 농도 변동이 발생한다. 이를 방지하기 위해 Slurry 라인은 전용 배관 재질, Loop 순환 방식, Agitation 방식, 압력·유량 제어 전략을 체계적으로 따라야 한다. 본 글은 반도체 FAB에서 실제 사용하는 CMP Slurry 라인의 구조와 설계 기준을 실무적으로 정리한다.

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1. CMP Slurry 특성

Slurry는 pH 변화, 고전단, Dead Zone 체류가 발생하면 나노 입자가 빠르게 응집하며, 이는 ΔP 상승과 라인 막힘의 주요 원인이 된다

1.1 구성 및 물성

• 연마 입자: Silica 혹은 Alumina 기반
• 입자 크기: 20 nm ~ 100 nm 중심
• Carrier: Ultrapure Water
• pH: 제조사마다 특정 범위 유지
• 민감 요소: pH 변화, 온도 변화, Shear Rate, 체류시간, 금속·유기 오염

1.2 설계 시 가장 중요한 위험 요소

• 응집(Agglomeration): 입자 간 정전기 변화, pH 변동으로 뭉침
• 침전(Settling): 라인 내 Dead Zone, 저유속 구간 발생
• 막힘(Clogging): Filter·Valve·Orifice 등에서 집중 발생
• 농도 변동: 라인 체류시간 증가, Loop 설계 오류

CMP Slurry는 단순 화학 공급이 아니라 “연마용 입자 분산 안정성”이 핵심이다.

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2. Slurry Supply 기본 구조

Slurry 라인은 밸브·압력·유량·입자 농도 센서가 직렬로 구성되어 공정 안정성을 유지하며, Dead Zone 방지와 유속 균일성이 핵심 설계 요소다.

Slurry 라인은 일반적으로 다음 흐름으로 구성된다.

Bulk Slurry Tank → Day Tank → Circulation Pump → Main Loop → Branch Line → POU Filter → CMP Tool

각 구간의 설계 기준이 CMP 품질 편차를 결정한다.

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3. Slurry 라인 설계 핵심 요소

3.1 배관 재질 선정 (PFA vs PVDF vs SUS)

재질	장점	단점	적용 구역
PFA	초순도, 표면 평활도 우수, 침전 최소	비용 높음	고순도 Slurry Main Loop
PVDF	기계적 강도 우수, 내약품성 양호	표면 조도 증가로 침전 가능성	대유량 혹은 비핵심 Slurry
EP 316L	설치성·강도 우수	금속 이온 용출 위험	Slurry Line에는 거의 미사용

CMP Slurry는 입자 분산 안정성을 위해 대부분 PFA 기반으로 구성된다.

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3.2 라인 구조 설계 (Loop 방식)

PFA 기반 Slurry Loop는 일정 유속을 유지하며 순환하는 구조로 설계되어, 침전·응집을 최소화하고 CMP Tool에서 안정된 Slurry 품질을 확보한다

Slurry 라인은 항상 Loop 방식을 사용한다.

Loop 방식 장점

1. 일정 유속 유지
2. 체류 방지
3. 온도 안정
4. 농도 균질화

Loop 미채용 시 침전·응집 속도가 매우 빨라진다.

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3.3 유속 및 Re 조건

Slurry는 Laminar 흐름으로 떨어지면 침전이 빠르게 발생한다.

반도체 FAB 기준:

• 권장 최소 유속: 1 m/s 이상
• 권장 Reynolds Number: 4000 이상
• Velocity Drop 20% 이상 구간 금지
• PFA Elbow·Tee 구간의 유속 차이 최소화

POU까지의 거리, 라인 높이, 밸브 구간까지 모두 포함해 유속 프로파일을 설계해야 한다.

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3.4 Dead Zone 방지

Slurry 라인에서 유속이 감소하면 파이프 하부에 체류구간이 형성되고, 입자가 먼저 침강하면서 Dead Zone이 발생한다.

Slurry는 Dead Leg 생성 시 바로 침전이 시작된다.

설계 기준:

• Dead Leg Length ≤ 1.5D
• Unused Branch 최소화
• Drain·Vent 위치 명확히 확보
• Loop Pressure 일정하게 유지

Dead Leg 규칙은 UPW보다 더 엄격하게 적용해야 한다.

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3.5 Pump·Shear Rate 관리

Slurry는 Shear Rate가 높으면 입자가 파손되거나 분산 상태가 불안정해질 수 있다.

따라서:

• Centrifugal Pump 중에서도 Low-shear 타입 사용
• Diaphragm Pump는 Slurry Grade 전용 모델만 허용
• 과도한 압력 변동 금지

Shear는 물성 변화를 일으키기 때문에 Slurry 품질 편차의 직접 원인이다.

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3.6 Agitation 전략

Slurry Stability는 Agitator 성능에 크게 의존한다.

추천 기준:

• Top-mounted 혹은 Bottom-mounted
• Low Shear Impeller
• Tank 내 Baffle 최소 4점
• 실리카계 Slurry는 온도 변화에 민감 → Tank 온도 안정 필요
• 농도 모니터링용 Inline Sensor 설치

Agitation 부족은 응집, 과도한 Agitation은 입자 Breakage를 일으킨다.

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4. POU 영역의 설계 기준

4.1 POU 필터

일반적으로 CMP Slurry는 다음 등급 사용:

• 0.1 μm
• 0.05 μm
• 특수 Slurry는 0.02 μm까지 사용

하우징 및 필터 구성:

• PFA 하우징
• High-flow 구조
• 차압 상승 기준 교체
• 세퍼레이터가 없는 구조 권장

4.2 유량 안정성

• POU 직전 유속이 0.8 m/s 이하로 떨어지면 침전 위험 증가
• Valve 조작은 Step 방식으로
• Flowmeter는 Non-invasive 타입 권장

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5. Slurry 라인의 운영 관리

5.1 ΔP 모니터링

Filter 막힘, 응집 발생 여부를 가장 신속하게 감지하는 지표다.

• ΔP 상승 속도 증가 → Slurry 품질 문제
• 일정 시간 ΔP 유지 → 안정 공급 상태

5.2 농도 모니터링

• Inline Turbidity
• Inline Solid Concentration Sensor
• pH Drift 모니터링
• Temperature Drift 확인

CMP에서는 Slurry 농도 흔들림이 바로 Defect로 이어지므로
센서 배치는 POU와 Loop 두 지점이 필수적이다.

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6. Slurry 공급 시스템 구성 예

아래 구성 방식이 가장 일반적이며 공정별로 수정된다.

Bulk Tank
→ Day Tank
→ Circulation Pump
→ PFA Main Loop
→ Branch Line
→ POU Filter
→ CMP Tool
→ Return Line (Optional)

POU 바로 앞에서 미세한 조정이 이루어지며
나머지 영역은 “항상 순환 유지”가 핵심이다.

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마무리

CMP Slurry 라인의 품질은
배관 재질, 유속, Agitation, Dead Leg 제어, 필터, ΔP 모니터링 등
복합 요소가 함께 맞물릴 때 안정적으로 유지된다.

Slurry는 단순한 케미칼이 아니라 “고분산 나노 입자 용액”이기 때문에
UPW나 일반 케미칼 라인보다 훨씬 엄격한 설계 기준이 요구된다.

 

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