클린룸

Cleanroom
이 기사는 제조 또는 연구 환경에 관한 것입니다.저작권 침해를 피하기 위해 사용되는 방법은 클린룸 설계를 참조하십시오.소프트웨어 프로젝트 방법에 대해서는 Cleanroom 소프트웨어 엔지니어링을 참조하십시오.TV 에피소드는 클린룸을 참조하십시오.
마이크로시스템 생산에 사용되는 클린룸.포토 리소그래피에서는, 단파장의 빛에 포토 레지스트가 불필요하게 노출되는 것을 막기 위해서, 황색(적-녹색) 조명이 필요합니다.
외부 클린룸
에어샤워가 없는 클린룸 입구
천장 그리드에 팬 필터 유닛이 설치된 마이크로 일렉트로닉스 제조용 클린룸
정밀측정도구 클린룸 캐빈
일반적인 클린룸 헤드 의복

클린룸 또는 클린룸은 매우 낮은 농도의 대기 미립자를 유지하는 엔지니어링된 공간입니다.잘 분리되고 오염으로부터 잘 관리되며 능동적으로 세척됩니다.이러한 공간은 일반적으로 과학 연구와 반도체 제조와 같은 모든 나노 규모의 공정의 산업 생산에 필요합니다.클린룸은 먼지, 공기 중 유기체, 기화 입자 등 모든 것을 그 안에서 취급되는 모든 물질로부터 멀리하도록 설계되어 있습니다.

반대로, 클린룸은 또한 물질이 클린룸에서 빠져나가는 것을 막을 수 있습니다.이것은 종종 위험한 생물학과 핵 연구, 약학 및 바이러스학에서 주요 목표이다.

클린룸은 일반적으로 미리 정해진 분자 측정에서 입방미터당 입자 수로 정량화된 청결 수준을 가지고 있습니다.일반적인 도시 지역의 외부 공기에는 ISO 9 인증 클린룸에 해당하는 0.5μm 이상의 크기 범위에서 입방 미터당 35,000,000개의 입자가 포함되어 있습니다.이에 비해 ISO 14644-1 레벨 1 인증 클린룸은 해당 크기 범위의 입자를 허용하지 않으며 0.3μm 이하 입방미터당 입자는 12개뿐입니다.반도체 설비는 레벨 7로 그럭저럭 버티는 경우가 많지만 레벨 1 설비는 극히 드물다.

역사

현대의 클린룸은 미국의 물리학자 윌리스 휘트필드에 [1]의해 발명되었다.Sandia National Laboratories의 직원으로서 Whitfield는 [1]1960년에 클린룸의 초기 계획을 작성했습니다.Whitfield가 발명되기 전에, 초기의 클린룸은 종종 입자와 예측할 수 없는 공기 흐름에 문제가 있었습니다.Whitfield는 [1]불순물을 씻어내기 위해 지속적으로 고도로 여과된 공기 흐름으로 클린룸을 설계했다.1960년대에 발명된 지 몇 년 만에 Whitfield의 최신 클린룸은 전세계적으로 500억 달러 이상의 매출을 올렸습니다(현재 [2][3]약 4,300억 달러).

실리콘 밸리의 집적회로 제조 설비의 대부분은 다음 3개사에 의해 제조되었습니다.MicroAire, PureAire 및 주요 플라스틱.이러한 경쟁업체들은 집적회로의 '습윤 프로세스' 건물에 사용되는 약액 탱크와 벤치와 함께 층류 장치, 글로브 박스, 클린 룸 및 에어 샤워기를 만들었습니다.이 세 회사는 공기총, 화학 펌프, 스크러버, 물총 및 집적회로 생산에 필요한 기타 장치에 테플론을 사용한 선구자였다.윌리엄(빌) C.McElroy Jr.는 3사 모두에서 엔지니어링 매니저, 제도실 관리자, QA/QC 및 설계자로 일했으며, 그의 디자인은 45개의 원천 특허를 당대 기술에 추가했습니다.McElroy는 또한 Micro Iflusion Journal, 습식 가공 훈련 매뉴얼 및 습식 가공 [4]및 청정실 기기 매뉴얼에 4페이지 분량의 기사를 작성했습니다.

개요

클린룸은 반도체 제조, 축전지 산업, 생명과학 등 환경오염에 매우 민감한 모든 분야에서 필수품이다.

클린룸은 매우 작은 것부터 매우 큰 것까지 다양합니다.한편, 1개의 사용자 실험실은 수 평방미터 이내의 클린룸 기준에 따라 건설할 수 있으며, 다른 한편으로 공장 바닥이 수천 평방미터에 이르는 클린룸 내에 전체 제조 시설을 수용할 수 있습니다.큰 것과 작은 것 사이에 모듈러형 [5]클린룸도 있습니다.테크놀로지의 확장 비용을 삭감해, 치명적인 장해에의 영향을 경감한다고 하는 주장이 있습니다.

이렇게 응용 범위가 넓으면 모든 클린룸이 같지는 않습니다.예를 들어, 반도체 제조에 사용되는 방은 멸균(즉,[6] 제어되지 않은 미생물이 없는) 상태일 필요는 없지만, 생명공학에 사용되는 방은 일반적으로 멸균 상태여야 합니다.반대로 생명공학에 사용되는 것은 나노기술이 절대적으로 필요한 반면 녹과 같은 나노 크기의 무기염이 절대적으로 순수할 필요는 없다.모든 클린룸에서 공통적으로 볼 수 있는 것은 공기, 표면, 방에 들어오는 작업자, 기구, 화학 및 기계의 2차 오염 제거와 함께 공기 중의 미립자를 엄격하게 관리하는 것입니다.

위험한 바이러스에 대한 연구나 방사성 물질의 취급 장소 등, 격납고에서 배출되는 미립자도 염려되는 경우가 있습니다.

기본 구조

첫째, 클린룸으로 들어가는 외부 공기는 먼지를 배제하기 위해 점진적으로 미세한 필터를 사용하여 여러 개의 실외 공기 핸들러에 의해 여과되고 냉각됩니다.

내부에서는 공기가 고효율 미립자 흡수 필터(HEPA) 및/또는 초저입자 공기(ULPA) 필터를 포함한 팬 유닛을 통해 지속적으로 재순환되어 내부에서 발생한 오염물질을 제거합니다.특수 조명 기구, 벽, 장비 및 기타 재료를 사용하여 공기 중 입자의 발생을 최소화합니다.클린룸 설계가 층류형인 경우 플라스틱 시트를 사용하여 공기 난류를 제한할 수 있습니다.[7][8][9]

청정실 내부의 공기 온도와 습도 수준은 공기 여과의 효율성과 수단에 영향을 미치기 때문에 엄격하게 통제됩니다.정전기가 우려될 정도로 낮은 습도를 필요로 하는 특정 실내도 코로나 방전을 사용하여 제어된 양의 하전 이온을 공기 중에 도입함으로써 제어됩니다.정전기 방전은 컴포넌트와 회로를 즉시 파괴할 수 있는 전자업계에서 특히 우려되는 사항입니다.

클린룸 내의 기기는 공기 오염을 최소화하도록 설계되어 있습니다.클린룸을 건설하기 위한 재료를 선택할 때 미립자가 발생하지 않아야 하므로 모노리식 에폭시 또는 폴리우레탄 바닥 코팅이 선호됩니다.녹슬고 박리되기 쉬운 철 합금 대신 완충 스테인리스강 또는 분체 코팅 연강 샌드위치 칸막이 패널과 천장 패널을 사용합니다.벽에서 벽, 벽에서 바닥, 벽에서 천장과 같은 모서리는 곡면 표면을 제공함으로써 피하고 모든 조인트는 진동과 마찰에 의해 접합부에 입자가 쌓이거나 생기는 것을 방지하기 위해 에폭시 실란트로 밀봉해야 합니다.

공기 흐름 원리

'흔들리는 클린룸'의 공기 흐름 패턴
"Layer Flow Cleanroom"의 공기 흐름 패턴

클린룸은 층상 또는 난류 공기 흐름 원리를 사용하는 HEPA 또는 ULPA 필터를 사용하여 미립자 없는 공기를 유지합니다.층상 또는 단방향의 공기 흐름 시스템은 여과된 공기를 지속적으로 아래쪽 또는 수평 방향으로 청정실 바닥 근처 벽면 또는 높은 다공 바닥 패널을 통해 재순환되도록 필터 쪽으로 유도합니다.층상 공기 흐름 시스템은 일반적으로 청정실 천장의 80%에 걸쳐 사용되어 일정한 공기 처리를 유지합니다.스테인리스강 또는 기타 비탈락성 재료는 공기 유입을 방지하기 위해 층상 공기 흐름 필터 및 후드를 구성하는 데 사용됩니다.난류 또는 단방향 공기 흐름은 층상 공기 흐름 후드와 비특이 속도 필터를 모두 사용하여 클린룸의 공기를 모두 같은 방향은 아니지만 일정한 운동으로 유지합니다.거친 공기는 공기 중에 있을 수 있는 입자를 가두어 바닥으로 몰고 가서 필터로 들어가 클린룸 환경을 빠져나갑니다.미국 FDA와 EU는 의약품의 [10]미생물 오염으로부터 자유로울 수 있도록 매우 엄격한 미생물 오염에 대한 지침과 제한을 정했습니다.에어 핸들러와 팬 필터 유닛 사이의 플레넘과 스틱매트를 사용할 수도 있습니다.

클린룸은 에어필터 외에도 자외선을 이용해 공기를 [11]소독할 수 있다.UV 장치는 천장 조명 장치에 장착하여 공기를 조사하여 공기 중의 미생물과 곰팡이 오염물질의 [12]99.99%를 포함한 잠재적으로 감염성 미립자를 죽일 수 있습니다.자외선은 이전에 병원 수술실과 같은 멸균 환경에서 표면 오염 물질을 청소하는 데 사용되어 왔습니다.장비의 가격이 저렴해짐에 따라 다른 클린룸에서의 사용이 증가할 수 있습니다.UV 기반 오염 제거의 잠재적 이점으로는 화학 소독제에 대한 의존도가 감소하고 HVAC 필터 수명이 연장됩니다.

다양한 종류의 클린룸

일부 클린룸은 양압으로 유지되므로 누출이 발생할 경우 여과되지 않은 공기가 유입되는 대신 챔버에서 공기가 누출됩니다.이것은 반도체 제조에서 가장 일반적인 경우로, 미세량의 미립자라도 전체 공정을 오염시킬 수 있고, 유출되는 것은 주변 지역사회에 해가 되지 않습니다.그 반대는 예를 들어, 고레벨 바이오 실험실의 경우, 오염 바이러스를 취급하는 경우입니다. 오염 바이러스는 항상 음압으로 유지되며, 배기 가스는 고효율 필터를 통과하며, 추가적인 살균 절차를 거칩니다.내부 입자 수치가 매우 낮은 범위 내에서 유지되기 때문에 두 곳 모두 클린룸입니다.

일부 클린룸 HVAC 시스템은 습도를 너무 낮게 제어하기 때문에 정전기 방전 문제를 방지하기 위해 공기 이온화 장치 등의 추가 기기가 필요합니다.정전기 방전은 현대 회로 설계를 쉽게 손상시킬 수 있기 때문에 이는 반도체 사업에서 특히 우려되는 사항입니다.한편, 공기 중의 활성 이온은 노출된 구성 요소에도 해를 끼칠 수 있습니다.이 때문에 첨단 전자 및 반도체 시설에서 일하는 대부분의 근로자들은 작업 중에 전도성 부츠를 신어야 한다.낮은 레벨의 클린룸에서는 특수 신발만 필요할 수 있으며, 바닥이 완전히 매끄럽고 먼지나 흙에 뒤지지 않습니다.그러나 안전상의 이유로 신발 밑창이 미끄러질 위험이 있어서는 안 됩니다.클린룸에 대한 접근은 일반적으로 필요한 기계를 포함하여 클린룸 정장을 착용한 사람으로 제한됩니다.

대기 오염 기준이 덜 엄격한 클린룸에서는 클린룸 입구에 에어샤워가 없을 수 있습니다."회색 방"으로 알려진 안테룸은 클린룸 옷을 입는데 사용됩니다.이러한 관행은 예를 들어 저급 역압 클린룸으로 운영되는 많은 원자력 발전소에서 일반적이다.

재순환과원패스 클린룸

재순환 클린룸은 낮은 벽면 공기 리턴을 통해 음압 플레넘으로 공기를 되돌립니다.그런 다음 HEPA 팬필터 유닛에 의해 공기가 클린룸으로 흡입됩니다.공기는 지속적으로 재순환되고 지속적으로 HEPA 필터를 통과하여 매번 공기에서 입자를 제거합니다.이 설계의 또 다른 장점은 에어컨을 통합할 수 있다는 것입니다.

원패스 클린룸은 클린룸 외부에서 공기를 흡입하여 HEPA 팬필터 유닛을 통해 클린룸으로 들어갑니다.그러면 공기는 배기 그릴을 통해 청정실 밖으로 배출됩니다.이 접근방식의 장점은 비용 절감입니다.단점은 HEPA 팬필터의 통전 시간이 짧고, 같은 재순환 클린룸보다 미립자 수가 적어 에어컨에 대응할 수 없다는 것입니다.

조작 절차

클린룸으로 이동하는 사람의 미립자 운반을 최소화하기 위해 직원은 에어록(때로는 에어샤워 단계 포함)을 통해 출입하고 후드, 안면 마스크, 장갑, 부츠 및 커버올과 같은 보호복을 착용합니다.

천연 섬유로 만든 종이, 연필, 직물과 같은 일반적인 재료는 사용 중인 미립자를 제거하기 때문에 종종 제외된다.

일반적으로 입자 농도는 입자 계수기와 환경 모니터링 [13][14]방법을 통해 검출 및 계수된 미생물을 이용하여 시험한다.클린룸에서 사용되는 폴리머 공구는 클린룸 처리액과 화학적으로 호환되며 입자 [16]발생 수준이 낮음을 확인해야 합니다.

청소할 때는 특수한 걸레와 양동이만 사용합니다.사용되는 세척 화학물질은 먼지를 가두는 데 끈적끈적한 요소를 사용하는 경향이 있으며, 이를 제거하기 위해 가벼운 분자량 용제를 사용한 두 번째 단계가 필요할 수 있습니다.클린룸 가구는 입자가 최소가 되도록 미리 설계되어 청소가 용이합니다.

클린룸은 그만큼의 과정이며, 공간인 만큼 세심한 문화이다.

클린룸의 인적 오염

클린룸 오염의 가장 큰 위협은 사용자 [17]자신입니다.의료 및 제약 분야에서는 미생물, 특히 피부 탈피로 인해 공기 중에 침전될 가능성이 있는 미생물에 대한 관리가 중요합니다.청정실 미세 꽃의 연구는 미생물학자 및 품질관리 직원이 트렌드의 변화를 평가하는 데 있어 매우 중요합니다.미세 플로라 유형의 변화는 내성 균주나 세척 관행의 문제 등 "규범"에서 벗어난 것을 나타낼 수 있습니다.

클린룸 미생물을 평가할 때 대표적인 균류는 주로 인간의 피부와 관련된 균류(Gram-positive cocci)이지만 환경(Gram-positive rodes)과 물(Gram-positive rodes) 등 다른 소스의 미생물도 검출된다.일반적인 세균속에는 Micrococcus, Staphyloccus, Corynebacterium, Bacillus가 있으며, 곰팡이속에는 Aspergillus, Penicillium이 [14]있다.

클린룸 분류 및 표준화

KCSpace 스테이션 처리 설비의 클린룸 처리 베이.NASA는 SSPF에서[18] 10만 등급의 기준을 유지하고 있습니다.

클린룸은 공기 부피당 허용되는 입자의 수와 크기에 따라 분류됩니다."class 100" 또는 "class 1000"과 같은 큰 숫자는 FED-STD-209E를 의미하며, 공기의 입방피트당 허용되는 0.5μm 이상의 입자 수를 나타냅니다.이 규격에서는 보간도 가능합니다.예를 들어 SNOLAB는 클래스 2000 클린룸으로 유지됩니다.

이산형 빛 산란 부유입자 카운터는 지정된 샘플링 위치에서 지정된 크기 이상의 부유입자 농도를 결정하기 위해 사용된다.

작은 숫자는 ISO 14644-1 표준을 참조하며, 이 규격은 공기 m당3 허용되는 0.1μm 이상의 입자 수에 대한 소수 대수를 명시합니다.예를 들어 ISO 클래스 5 클린룸은 최대5 10개의 파티클/m를3 가집니다.

FS 209E와 ISO 14644-1은 모두 입경과 입자의 농도 사이의 로그 로그 관계를 상정하고 있다.그 때문에, 제로의 입자 농도는 존재하지 않는다.일부 클래스는 농도가 너무 낮거나 너무 높아 테스트할 수 없기 때문에 일부 입자 크기를 테스트할 필요가 없지만, 이러한 빈칸은 0으로 읽으면 안 됩니다.

1m는3 약 35ft이기3 때문에 0.5μm 입자를 측정할 때 시험기준은 다르지만 두 규격은 대부분 동일하다.일반 실내 공기는 약 100만 등급 또는 ISO [19]9입니다.

ISO 14644-1 및 ISO 14698

ISO 14644-1 및 ISO 14698은 국제 표준화 기구(ISO)[20]가 개발한 비정부 표준입니다.전자는 일반적으로 클린룸(아래 표 참조)에 적용되며 후자는 바이오 오염이 문제가 될 수 있는 클린룸에 적용됩니다.가장 엄격한 기준은 우주 응용 분야에 대해서만 달성되었기 때문에 진공 상태에서 달성되었는지 표준 조건에서 달성되었는지 알 수 없는 경우가 있습니다.

ISO 14644-1은 다음과 같은[21] 공식으로 클래스별 및 입자 크기별 최대 농도를 정의합니다.

서 은 디스플레이 스타일 ^{의 부피에서 3개 의 유효 수치를 사용하여 가장 가까운 정수로 반올림한 입자 크기와 같거나 큰 입자의 최대 은 ISO 클래스 번호(\입니다.은 입자의 크기 {\ ), 0.1은μ {\} 로 나타낸 상수입니다.표준 입자 크기에 대한 결과는 다음 표에 나와 있습니다.

학급 최대 입자/m3 a FED STD 209E
등가
0.1μm 이하 0.2μm 이하 0.3μm 이하 0.5μm 이하 1μm 이하 5μm 이하
ISO 1 10개b d d d d e
ISO 2 100 스물네b 10개b d d e
ISO 3 1,000 237 102 서른다섯b 살 d e 클래스 1
ISO 4 10,000 2,370 1,020 352 83b e 클래스 10
ISO 5 100,000 23,700 10,200 3,520 832 d, e, f 클래스 100
ISO 6 1,000,000 237,000 102,000 35,200 8,320 293 클래스 1,000
ISO 7 c c c 352,000 83,200 2,930 클래스 10,000
ISO 8 c c c 3,520,000 832,000 29,300 클래스 100,000
ISO 9 c c c 35,200,000 8,320,000 293,000 실내 공기
a 표의 모든 농도는 누적됩니다. 예를 들어 ISO Class 5의 경우 0.3μm에서 표시된 10200개의 입자는 이 크기 이상의 모든 입자를 포함합니다.

b 이러한 농도로 인해 분류를 위한 공기 샘플 부피가 커집니다.순차 샘플링 절차를 적용할 수 있습니다. 부록 D를 참조하십시오.
c 입자의 농도가 매우 높기 때문에 테이블의 이 영역에는 농도 한계가 적용되지 않습니다.
d 저농도의 입자에 대한 표본 추출 및 통계적 한계로 인해 분류가 부적절하다.
e 농도가 낮고 크기가 1μm 이상인 두 입자에 대한 샘플 채취 제한은 샘플링 시스템의 잠재적 입자 손실 때문에 이 입자로 분류하는 것이 부적절하다.
f 이 입경을 ISO 클래스 5와 관련지어 특정하기 위해 매크로 입자 기술자 M을 적응시켜 적어도 하나의 다른 입경과 함께 사용할 수 있다.(C.7 참조).

US FED STD 209E

US FED-STD-209E는 미국 연방 표준이었다.2001년 [22][23]11월 29일 General Services Administration에 의해 공식적으로 취소되었지만 여전히 [24]널리 사용되고 있습니다.

학급 최대 입자/피트3 ISO
등가
0.1μm 이하 0.2μm 이하 0.3μm 이하 0.5μm 이하 5μm 이하
1 35 7.5 3 1 0.007 ISO 3
10 350 75 30 10 0.07 ISO 4
100 3,500 750 300 100 0.7 ISO 5
1,000 35,000 7,500 3000 1,000 7 ISO 6
10,000 350,000 75,000 30,000 10,000 70 ISO 7
100,000 3.5×106 750,000 300,000 100,000 830 ISO 8

현재 규제 기관에는 ISO, USP 800, US FED STD 209E(이전 표준, 여전히 사용)가 포함됩니다.

  • 약물 복합 사망 및 심각한 부작용에 대응하여 2013년 11월에 제정된 의약품 품질 및 보안법(DQSA).
  • 연방식품의약품화장품법(FD&C Act)은 인간 복합화에 대한 구체적인 지침과 정책을 만들었다.
    • 503A는 면허가 있는 직원(약사/의사)이 주 또는 연방에서 허가한 시설별로 복합물을 취급합니다.
    • 아웃소싱 시설과 관련된 503B는 공인 약사의 직접 감독이 필요하며 공인 약국이 될 필요는 없습니다.미국 식품의약국(FDA)을 통해 허가된 시설

EU GMP 분류

EU의 GMP 가이드라인은 다른 가이드라인보다 엄격하여 클린룸은 가동 시(제조공정 중) 및 정지 시(제조공정이 수행되지 않지만 룸 AHU가 켜져 있는 경우) 입자 수를 충족해야 합니다.

학급 최대 입자/m3[26]
정지중 가동중
0.5μm 5μm 0.5μm 5μm
A등급 3,520 20 3,520 20
B등급 3,520 29 352,000 2,900
C등급 352,000 2,900 3,520,000 29,000
D등급 3,520,000 29,000 정의되어 있지 않다 정의되어 있지 않다

BS 5295

BS 5295는 영국 표준 규격입니다.

학급 최대 입자/m3
0.5μm 이하 1μm 이하 5μm 이하 10μm 이하 25μm 이하
클래스 1 3,000 0 0 0
클래스 2 300,000 2,000 30
클래스 3 1,000,000 20,000 4,000 300
클래스 4 200,000 40,000 4,000

또한 BS 5295 클래스 1은 샘플에 존재하는 최대 입자가 5μm를 [27]초과할 수 없음을 요구한다.BS 5295는 2007년부터 대체되어 폐지되었으며 "BS EN ISO 14644-6:2007"[28]로 대체되었습니다.

USP <800> 표준

USP 800은 미국 약국 협약(USP)에 의해 개발된 미국 표준으로,[29] 발효일은 2019년 12월 1일이다.

영향 및 기타 응용 프로그램

병원에서 극장은 환자의 감염을 방지하기 위해 절개를 한 수술실 수술실과 유사하다.

또 다른 경우, 심각한 면역 결핍 환자는 감염을 우려하여 주위로부터 장기간 격리되어야 한다.궁극적으로는 클린룸 환경이 필요합니다.공기 중 감염성 질환을 갖고 있는 환자도 마찬가지지만 양압이 아닌 음압으로 처리될 뿐이다.

우리가 다른 행성과의 접촉을 모색할 때, 두 가지 모두 생물학적 위험이 있다: 우리는 다른 별에서 나온 샘플 반환 임무를 육지 미생물로 오염시켜서는 안 되며, 다른 행성에 존재할 수 있는 다른 생태계를 오염시켜서는 안 된다.따라서 국제법으로도 우주에 보내는 모든 탐사선은 멸균 상태여야 하며, 따라서 청정실 환경에서 취급되어야 합니다.

대규모 클린룸은 수십억 달러 규모의 산업이 일어날 수 있는 매우 민감한 제어 환경이기 때문에 때로는 비용이 많이 드는 [30]기기 오작동을 방지하기 위해 수많은 내진 기반 격리 시스템까지 갖추고 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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