Update2024.05.19 (일)
플라즈마 표면처리, 반도체·D/P·LED 핵심기술
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의 및 분류
플라즈마는 가스 원자 또는 분자 등이 전기에너지를 공급받은 자유전자에 의해 이온화, 해리 등의 반응을 일으켜 이온, 반응성 라디칼 등이 생성돼 군집해있는 상태를 지칭하며 플라즈마 응용 표면처리 기술은 플라즈마를 이용해 부품이나 소재의 표면 상태를 목적에 따라 가공(예 : 변형, 개질)하는 기술이다.
이 기술은 그 활용 목적에 따라 건식 식각(Dry Etch), 플라즈마 화학증착(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 표면 개질(Surface Treatment) 등으로 구분할 수 있다. 통상적으로 플라즈마를 발생시키는 방식(공정압력)에 따라 상압 플라즈마와 저압 플라즈마로 분류한다.
상압 플라즈마는 공정 압력이 수백Torr~대기압(760Torr)인 상태에서 형성되므로 고가의 진공부품은 필요치 않으며 구조가 간단하고 저렴한 것이 특징이다. 하지만 공정 균일도 및 플라즈마의 제어가 용이치 않으며, 저압 플라즈마에 비해 외부 환경 및 날씨 등에 영향을 받아 공정 결과가 변할 가능성이 있다.
이에 비해, 저압 플라즈마는 고가의 고성능 진공펌프를 이용해 10-5~10-7Torr 이하의 초기 진공(Base Pressure) 환경을 만든 후, 원하는 공정 가스를 이용해 수mTorr~수Torr의 공정 압력에서 플라즈마를 발생시킨다. 상압 플라즈마에 비해 고진공을 요구하기 때문에 이에 적합한 진공용기(Vacuum Chamber)를 사용해야 하며, 진공 상태를 모니터링 할 수 있는 게이지(Gauge) 및 각종 방전 가스 조절장치(Mass Flow Controller)등을 사용해야 하는 단점이 있다. 하지만 모든 공정이 초기 진공 상태에서 가공 목적에 적합한 공정 가스를 주입해 사용하기 때문에 공정 재현성이 우수하며 고품위 표면 처리에 많이 응용되고 있다.
◇ 작동원리 및 적용부품
플라즈마 응용 표면처리 장치는 플라즈마 발생장치와 가공 부품, 소재의 받침대로 구성된다. 플라즈마 발생장치는 내부 압력을 대기압 이하의 진공으로 유지해야 하므로 진공용기와 진공펌프로 구성된 진공장치가 필요하다. 또한 플라즈마 발생장치는 진공용기 내에 가스를 유입하는 가스 공급장치와 플라즈마 발생을 위해 전기에너지를 공급하는 전력 공급장치 등이 필요하다. 플라즈마 응용 표면처리에 사용되는 진공용기의 구조, 전력 공급장치의 주파수, 사용되는 가스 및 공정 압력 조건은 표면처리 목적에 따라 매우 다양하다.
반도체 제조 공정 중 플라즈마 응용 표면처리의 대표적인 방법인 건식식각의 개략도를 아래 그림에 나타내었다. 시료 받침대에 시료를 올려놓은 상태에서 진공용기 내에 반응에 필요한 가스를 주입한다. 이후 RF(Radio Frequency) 전력을 공급하면 진공용기 내에 강한 전기장이 형성된다. 이 전기장에 가속돼 높은 에너지를 얻은 자유전자가 가스 분자를 이온화하거나 해리해 또 다른 전자와 양이온 및 반응성 라디칼을 생성하게 된다. 이와 같은 자유전자 가속, 이온화 및 해리 반응에 의한 전자·이온·라디칼 등의 생성이 반복되면서 진공용기 내에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마 내의 이온과 반응성 라디칼이 시료 표면에 입사해 물리·화학적 반응을 일으킨다.
플라즈마 응용 표면처리는 현대의 모든 주요 산업 분야, 즉 반도체·LCD· 태양전지·LED 제조 등에 활용되고 있어서 산업 전반에 걸친 주요 핵심 기술로 인정받고 있다.
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 급속한 대면적화 대응 기술 개발
플라즈마 응용 표면처리 기술이 활용되고 있는 산업들은 설비 및 시설의 초기 투자와 유지, 관리에 천문학적인 비용을 소요하기 때문에 단위 기판에서 만들어지는 완성품의 개수가 원가 경쟁력을 좌우한다. 따라서 기술 개발의 방향은 단위 완성품의 크기를 줄이고, 단위 기판의 면적을 넓히는 데 집중된다. 반도체 산업의 경우 평균 10년 안팎의 비교적 짧은 기간을 주기로 기판의 크기가 2배 이상씩 증가하고 있어 기판 대면적화에 대응할 수 있는 공정장치와 장치 활용 기술의 확보 여부가 산업의 성패를 판가름 할 정도로 중요하다. 플라즈마 응용 표면처리의 경우 플라즈마의 균일도가 공정 결과와 직결되기 때문에 대면적 조건에서 높은 균일도를 가지는 공정장치와 공정 기술의 개발이 필요하다.
◇ 기술 개발 및 상용화의 높은 난이도 및 진입 장벽
플라즈마 응용 표면처리 기술은 수μm(사람 머리카락 굵기의 10분의 1)에서 작게는 수nm(머리카락 굵기의 1만분의 1의 극미세 구조 형성에 활용되기 때문에 기술 개발이 매우 어렵다. 또한 공정장치의 초기 개발에서 상용화까지 걸리는 시간인 타임 투 마켓(Time to Market)도 수 년 이상으로 길기 때문에 기술 진입 장벽도 매우 높다. 그럼에도 불구하고 최근 10여년의 짧은 기간 동안에 국내 업체들이 개발한 공정장치가 국내는 물론 해외에까지 다양한 산업 현장에 널리 활용되고 있는 것은 대단한 성과이다. 그러나 일부 공정 분야 이외에는 후발 주자로서 선진국의 기업들을 쫓아가는 데 급급한 상황으로 플라즈마 응용 표면처리 공정장치의 개발에 박차를 가해야 한다.
◇ 전략적 협업을 통한 경쟁력 확보가 중요
최근의 플라즈마 응용 표면처리 공정장치는 높은 개발 난이도에 따라 개발 비용이 상승하고 필요한 자원의 종류가 급속히 증가하는 추세이다. 이로 인해 공정장치 개발 업체가 단독으로 연구하는 경우 실패 위험성이 대단히 높다. 따라서 대학과 연구소, 공정장치 개발업체와 활용 업체 등을 중심으로 전략적 협업 체계를 구축하고, 정부의 집중적 지원이 요구된다. 산학연 협력하의 상생형 기술 개발을 통해 필요한 공정장치와 관련 기술이 적시에 개발되고 제조 현장에 활용됨으로써 국내 산업의 경쟁력을 극대화할 수 있다.
■ 기술분야별 동향-상압 플라즈마
대기압 플라즈마 발생 기술은 오존(Ozone) 발생장치의 일부로 개발됐으며 유럽에서는 상수 처리시설 및 환경 플랜트 사업 등에 많이 사용됐다.
최근에는 활용 분야가 확대돼 반도체 공정뿐만 아니라 디스플레이 공정에서도 사용된다. 대기압 플라즈마는 발생 특성상 진공 플라즈마의 사용이 어렵거나 불가능한 분야에 사용돼 왔으며, 환경 분야에서 많은 기술 수요가 존재한다.
대기압 플라즈마는 금속·섬유·세라믹·폴리머 등의 표면 세정에도 사용되고 있다.
◇ 디스플레이로의 응용 기술 반도체·D/P분야 플라즈마 표면처리 韓기술력 세계 최고
평판형 디스플레이 제조 공정의 단위 패널 크기가 점차 증가함에 따라 진공 플라즈마 장비 제조 가격이 상승하게 됐다. 진공 플라즈마 장비 가격 상승에 대응하기 위해 대기압 플라즈마 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행됐다.
대기압 플라즈마의 장점은 고가의 진공 장비를 사용하지 않기 때문에 진공 플라즈마 장비 대비 약 1/3 수준으로 투자비용이 절감되며, 디스플레이 생산라인의 세대별 유리 기판 넓이 증가에 따른 장비 확장에 기술적으로 쉽게 대응할 수 있다는 점이다.
국가 핵융합 연구소에서 개발된 대기압 플라즈마 기술은 디스플레이 공정 중 세정 과정에서 사용되고 있다. 이 밖에도 반도체 세정 및 감광막 제거(PR Stripping) 공정 기술도 개발 중이다.
◇ 바이오 및 환경 분야로의 응용기술
상압 플라즈마를 활용한 다양한 기술이 생물학 및 의학 분야에 적용되고 있다. 종래에는 에틸렌 옥사이드(Ethylene Oxide)를 이용해 소독해왔는데 이 물질은 인체에 다양한 부작용을 유발하는 유해물질이기에 그 사용이 제한됐다. 따라서 제약품과 의료기기를 저온에서 소독할 때 에틸렌 옥사이드를 대체할 수 있는 새로운 방법이 요구됐다. 상압 플라즈마의 경우 플라즈마 소독을 위해 사용하는 방전가스인 산소가 에틸렌 옥사이드보다 저렴하기 때문에 소독비용이 적게 들고, 에틸렌 옥사이드가 유발하는 부작용에 대해 걱정할 필요가 없다는 장점이 있다.
환경 분야의 주요 응용으로 물을 이용한 수방전(Water Plasma)을 들 수 있다. 일반적으로 원양선이 짐을 싣고 나갔다가 빈 배로 돌아올 때 무게중심을 맞추기 위해 배에 물을 가득 싣고 돌아오게 된다. 그러나 이 물에 포함된 여러 미생물 및 외래종들에 의해 생태계가 혼란되고 파괴되는 경우가 많다.
이러한 피해를 최소화하기 위해 플라즈마 방전을 물의 살균에 이용하는 방법이 최근 각광받고 있다. 플라즈마는 자동차 매연저감장치에도 사용할 수 있다. 종래의 자동차 매연저감장치에 플라즈마를 이용해 이차적으로 매연을 저감시킬 수 있다.
◇ 표면 처리 기술
대기압 플라즈마를 이용해 금속이나 폴리머의 표면에 쌓여있는 유기물들을 플라즈마 세정 작업을 통해 씻어내는 기술이다. 또한 접착력(Adhesion)을 향상시키기 위해 표면에 거칠기(Roughness)를 부여, 다른 물질과의 접착력을 향상시키기도 한다.
■ 기술분야별 동향-저압 플라즈마
저압 플라즈마는 플라즈마를 발생시키는 전원의 방식에 따라 직류전원을 사용하는 직류 플라즈마(DC Plasma)와 고주파를 사용하는 고주파 플라즈마(RF Plasma)로 나누어진다.
또한 플라즈마의 발생 형태에 따라 유도결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma)와 정전용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma)로 분류할 수 있다.
저압 플라즈마는 발생 방식, 방전 주파수, 공정압력, 전극 형태 등에 의해 플라즈마의 밀도, 전자온도, 전위, 플라즈마 균일도 등이 변화하기 때문에 반도체 및 디스플레이 공정과 같은 미세공정에 많이 이용된다.
플라즈마를 이용하는 질화처리는 표면의 산화피막을 없애고 금속표면에 확산 침투시키는 방법으로 기존의 질화법으로는 불가능한 공정에 적용된다.
D/P·PV 분야 대면적 플라즈마 기술 개발이 핵심 경쟁력
◇ 반도체 공정으로의 응용기술
반도체 제조 시 한정된 웨이퍼 상에서 더 많은 수율을 얻기 위해 플라즈마 공정에는 고밀도의 균일한 플라즈마 기술이 수반돼야 한다. 예를 들어, 식각가스(Etching Gas)를 이용해 방전한 뒤 플라즈마에 피식각물을 노출시켜 원하는 형상으로 만들기도 하고, 전극을 형성하기 위해 플라즈마를 이용해 타겟 물질을 스퍼터링(Sputtering)시켜 일정 두께만큼 원하는 금속을 쌓아 전극을 형성할 수도 있다. 반도체 분야에서 고집적화·대구경화 추세에 대응하기 위해 식각 및 증착 공정에서 플라즈마의 특성을 조절하기 위해 다양한 주파수 영역대(수kHz~수GHz)를 사용하기도 하며, 이를 펄싱(Pulsing)함으로써 플라즈마 내 이온과 전자, 라디칼 등의 양을 조절하는 연구가 활발히 진행 중이다.
고집적화에 의한 미세공정의 증가와 플라즈마에 의한 하전입자 손상(Charging Damage)이 큰 이슈로 대두됨에 따라 종래의 플라즈마로는 해결할 수 없는 새로운 패러다임의 공정방식이 제안됐다. 이 중 하나가 바로 중성빔을 이용한 공정이다. 중성빔은 플라즈마 내에 존재하는 이온에 에너지와 방향성을 주어 금속성물질의 반사판에 조사시킨 뒤 이를 중성화시켜 빔 상태로 공정에 이용하는 것이다. 미세공정 및 종래의 플라즈마 공정에서의 문제점이 증가하면서 중성빔을 이용한 공정은 더욱 늘어날 것으로 전망된다.
◇ 디스플레이 및 박막형 태양광 제조공정으로의 응용기술
디스플레이 및 박막형 태양광 제조에 이용되는 플라즈마 기술의 가장 큰 이슈는 대면적화이다. 평판형 디스플레이 산업에서 각종 디스플레이가 대면적화하는 추세 하에서 수율 향상을 위해서는 한 번에 큰 면적의 글라스를 빨리 처리할 수 있는 대면적 고밀도 플라즈마원 확보가 매우 중요한 요소이다. 불과 2~3년 전만 하더라도 대형 업체들을 중심으로 기판 사이즈 2m×2.3m 정도를 처리할 수 있는 8세대 급 플라즈마 처리장치를 양산에 사용하었으나 현재는 10세대 급 이상의 장치를 각 부품업체와 장비업체들이 준비 중이다.
박막형 태양광 제조에서도 대면적화에 대한 요구는 끊임없이 제기되고 있으며, 특히 태양전지의 면적이 전체적인 수율을 좌우하는 주요 요소이기 때문에 대면적 플라즈마원 개발이 핵심 경쟁력 요인이다.
◇ 표면 처리 기술
플라즈마 방전을 이용해 표면을 처리하는 방법으로 최근 티타늄 합금이나 인코넬 계열의 내열강의 질화에 사용되는 방법이 있다. 고온에서 합금의 표면에 있는 강력한 산화피막을 스퍼터링(Sputtering)하고 세정해 금속표면에 확산 침투시켜 원하는 경도의 경화막을 생성시킨다.
■ 기술개발 주요이슈-상압 플라즈마
◇ 공정 자유도 확보기술
대기압 플라즈마의 장점에도 불구하고 산업체에서 대기압 플라즈마를 기피하는 이유는 대기압 플라즈마의 발생과 동작에 엄청난 비용이 소모되기 때문이다. 즉, 방전 압력이 대기압에 가까워지면 전자 자유운동 거리가 급격히 줄어들어 전기방전을 일으키는 극단적인 요구 조건이 바로 그 이유이다. 따라서 이러한 방전의 난제 해소, 공정의 재현성 확보, 대면적화 방향으로 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.
◇ 바이오 및 환경분야 적용 기술 개발
앞서 언급했듯이 바이오 분야에서의 대기압 플라즈마를 이용한 살균과 수방전, 환경 분야에서의 자동차 매연 저감장치 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 아직까지 연구실 수준의 실험단계이며 상용화의 단계에 진입하기 위한 기술개발이 이루어져야 한다.
■ 기술개발 주요이슈-저압 플라즈마
◇ 다양한 플라즈마원 개발기술
플라즈마는 반도체 및 디스플레이와 같이 플라즈마의 미세조절이 필요한 분야에 주로 쓰이기 때문에 플라즈마의 형태 및 성격을 자유자재로 조절하는 것이 매우 중요하다. 고집적화가 진행됨에 따라 선폭이 좁아지고 플라즈마에 의한 손상을 고려할 정도로 공정이 복잡해짐에 따라 플라즈마 제어기술 확보를 위해 다양한 형태의 플라즈마원 개발에 관한 연구가 진행되고 있다.
고주파 영역대의 주파수를 사용함으로써 플라즈마 내 특정 에너지를 갖는 이온을 생성시켜 식각 선택비를 높이거나, 펄스의 개념을 도입해 플라즈마내 이온·전자·라디칼들을 조절해 식각공정의 선택비를 높이거나 또는 무한대로 만드는 것이 중요한 요소가 됐다. 또한 종래의 플라즈마 공정에서 플라즈마 빛에 의한 손상이나 이온입자들로 인한 하전에 따른 손상(Charging Damage)은 소자의 수명 및 재현성에 큰 영향을 주며 이를 감소시키는 방향으로 저압 플라즈마에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
앞서 언급했듯이 종래의 이온들을 이용한 형태의 플라즈마 공정은 플라즈마에 의한 손상이 많이 보고되기 때문에 이러한 현상을 근본적으로 해결하고자 플라즈마 내 이온들을 추출해 중성화시켜 이를 증착 및 식각에 이용하는 차세대 플라즈마 연구가 활발히 진행되고 있다.
◇ 대면적 플라즈마원 개발기술
한편 반도체 산업에서의 웨이퍼의 대구경화, 디스플레이 및 박막형 태양광 산업에서의 대면적화를 위해 다양한 형태의 대면적 플라즈마원 개발이 시급하다. 대면적화에 대한 요구는 반도체 및 디스플레이의 수율 및 경제성과 밀접하게 연관되며 반도체 및 디스플레이가 앞으로 나아가야 할 방향을 결정해주는 중요한 요소이다.
현재까지 종래의 방법을 이용해 대면적화에 따른 대응 공정을 마련하고 있지만 차세대 대면적 플라즈마의 적용 시 현재의 방법들은 대부분 플라즈마의 균일도, 낮은 효율 등의 문제로 인해 사용하기가 어렵다. 따라서 새로운 개념의 플라즈마원 개발이 매우 시급한 이슈이다. 현재 대부분의 플라즈마원에 대한 원천기술 및 관련 기술 개발이 미국, 일본 등을 중심으로 활발히 이루어지고 있기 때문에 이 분야에 대한 기술개발 및 원천 특허확보가 매우 중요하다고 사료된다.
◇ 고기능성 질화막 개발기술
표면처리 분야에서도 플라즈마 질화 처리 시 다양한 가스들의 역할 및 좀 더 다양하고 기능성이 부여된 경화막 생성(내마모성, 내식성, 내열성, 피로강도)에 대한 연구가 진행되고 있다. 부품의 경우 질화막 처리에 의해 마찰계수를 획기적으로 줄이고, 효율을 높이는 등의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
■ 국가별 동향-미국
◇ 연구개발 현황
○ 상압 플라즈마
최근 미국을 중심으로 대기압 플라즈마를 활용한 많은 연구들이 보고되고 있으며 이들 연구는 주로 바이오 및 환경 분야에 집중돼 있다. 특히 의료용도의 활용을 위해 많은 연구기관들이 활발히 연구를 진행 중이다. 수 년 전 Drexel 대학에서 혈액에 플라즈마를 쪼이면 응고된다는 사실이 발견된 이후 아르곤 플라즈마를 이용한 지혈 장치가 상용화돼 있다. 대기압 플라즈마가 지혈 작용을 보이는 것은 플라즈마 내 이온, 전기장, 자외선뿐만 아니라 RNS(Reactive Nitrogen Species)가 지혈에 큰 작용을 하기 때문이다. 또한 플라즈마를 이용한 수술용 칼(Plasma Knife), 휴대용 세정기, 정수기 등에 대한 연구가 진행되고 있다. 환경 분야 응용으로 물 속에 사는 미생물을 플라즈마를 이용해 정수하는 기술 연구와 자동차의 매연저감장치에 플라즈마 처리장치를 부착해 환경오염을 줄이는 연구도 활발히 진행 중이다.
○ 저압 플라즈마
반도체 산업에서 장치가 차지하는 비중은 매우 크며 관련 장치 산업의 대부분이 미국에 위치해 있다. 따라서 미국은 반도체 및 디스플레이 산업에서 저압 플라즈마의 연구를 선도하는 국가라고 볼 수 있다. 최근 미세선폭 가공에 대한 플라즈마 제어기술이 큰 이슈가 되면서 미국의 장치 업체들은 관련 연구를 활발히 진행하고 있다. 다양한 주파수를 이용해 특정 에너지를 가진 이온들을 생성하고 이중 주파수 혹은 세 개 이상의 주파수를 한꺼번에 사용해 발생시킨 플라즈마를 다양하고 복잡다단한 공정에 적용하는 연구가 진행 중이다. 또한 미국의 학계에서는 플라즈마 관련 연구를 뒷받침하기 위해 실험을 직접 하지 않고도 결과를 예상할 수 있는 시뮬레이션 코드를 만드는 연구를 진행 중이다.
SEMATECH과 IBM처럼 여러 업체들이 단일 컨소시엄을 형성해 차세대 반도체 및 디스플레이에 대해 활발히 연구하고 있다. 차세대 디스플레이에 관해 일리노이 주립대의 John Rogers 교수의 연구그룹이 많은 연구 성과를 내고 있다. 한편, 디스플레이의 대면적화를 위해 미국의 Lieberman 교수의 연구그룹이 일찍이 대면적 플라즈마원 개발을 위해 연구 활동을 수행해 왔다. 현재 디스플레이 공정에 쓰이는 대부분의 장치들은 몇몇 미국의 선도업체들에 의해 연구개발된 것으로 원천특허도 미국의 일부 업체에 종속돼 있다.
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구개발 현황
○ 상압 플라즈마
국내의 상압 플라즈마 관련 연구는 국가 기간산업인 반도체 및 디스플레이 산업을 중심으로 발전해 왔다. 특히 디스플레이 산업의 경우 대면적 기판 세정 공정, 식각 공정에 관한 연구가 폭넓게 진행돼 왔다.
핵융합 연구소는 상압 플라즈마를 이용한 표면 처리 및 세정 장비 개발을 수행해 왔다. 서울대 김곤호 교수 연구팀은 상압 플라즈마를 이용한 다양한 물질의 식각 공정개발에 대한 연구를 진행했다. 성균관대 염근영 교수 연구팀은 상압 플라즈마를 통한 표면 세정 공정부터 식각, 유기물 소자를 위한 비활성화층(Passivation Layer) 증착 공정, 탄소나노튜브 합성까지 다양한 분야에서 상압 플라즈마를 공정에 적용하기 위한 기술 개발을 수행했다. 최근 들어 POSTECH 이재구 교수 연구팀을 비롯한 여러 연구팀에서 상압 플라즈마를 이용한 의료용 장비 및 공정 기술을 개발 하고 있다. 특히 상압 플라즈마를 이용한 암세포의 살균에 관한 연구가 이목을 끌고 있다. 생산기술연구원에서는 부품 표면에 나노 입자를 형성하는 질화처리를 통해 마찰손실을 크게 줄이는 연구를 수행했으며, 해당 기술은 상용화됐다.
환경·의료·바이오 상압 플라즈마 관련 기술개발 시급
기초 연구 통한 기술 집약 및 産·學·硏 공동연구 필요
○ 저압 플라즈마
국내 저압 플라즈마를 연구·개발의 중심은 주로 학계와 장치 개발 업체이다. 성균관대 염근영 교수의 플라즈마 장치 및 공정연구실에서는 다양한 플라즈마원의 개발 및 이를 이용한 식각·증착공정 연구를 진행하고 있다. 특히 테라급 나노소자 개발을 위한 중성빔 식각에 관한 연구가 활발하다. KAIST 장홍영 교수와 한양대 정진욱 교수는 플라즈마를 Langmuir Probe, LIF 등을 이용해 분석하고 있으며 양산장비나 실제 공정에서 사용 가능한 수준을 목표로 연구 활동을 하고 있다. 주성엔지니어링은 반도체 및 디스플레이에 관한 전공정 장비에 관한 연구개발 및 양산을 하고 있다. 그 밖의 세메스, 디엠에스, 아이피에스, 원익시스템 등이 저압 플라즈마를 이용한 반도체 및 디스플레이 장치를 개발·양산 중이다.
◇ 기술경쟁력분석
○ 상압 플라즈마
국내의 환경·의료 분야에서 대기압 플라즈마 관련 기술개발은 미미한 상황이다. 그러나 디스플레이 제조 산업에서 국내 상압 플라즈마 기술력은 이미 세계적인 수준에 올라 있다. 특히 디스플레이 제조 산업에 응용되는 여러 상압 플라즈마 공정의 경우 세정 및 다양한 박막 공정(식각 및 증착) 부문에서 일본과 함께 세계 최고 수준의 기술을 보유하고 있다.
하지만 디스플레이 산업을 제외한 물질 표면 처리, 생물·의학 분야 등 상압 플라즈마 기술을 활용할 수 있는 다른 분야에서는 상대적으로 연구 착수 시점이 늦어져 최고 기술 보유국보다 기술력이 많이 뒤쳐져 있다. 기술력이 낮은 해당 분야에 지속적인 연구와 투자가 산학연 합동으로 이루어진다면 그 격차를 단시간 내 좁혀 세계적인 기술을 확보할 것으로 예상 된다.
○ 저압 플라즈마
국내의 저압 플라즈마에 대한 연구는 산학 협력을 통해 활발히 연구되고 있다. 그러나 메이저급 반도체 및 디스플레이 회사에서는 국내 업체에서 생산한 장치들에 대한 불신을 갖고 있어 오랜 기간 외국 유수 업체들의 장치를 사용해 왔다. 따라서 저압 플라즈마를 이용한 국내 장치 산업은 매우 열악한 실정이다. 이러한 상황을 극복하기 위해서는 플라즈마 및 관련 원천기술에 대한 확보와 산학연 협력을 통한 연구개발이 시급하다.
■ 국내외 주요 기업의 생산활동
◇ 상압 플라즈마
외국의 경우 다양한 영역에 상압 플라즈마를 적용하기 위한 공정들을 연구해 왔다. 특히 미국과 EU에서는 생물 및 의료 분야에서 다양한 상압 플라즈마 공정을 적용하는 연구가 활발하다. 미국 Rhytec사에서는 상압 플라즈마를 이용한 피부 재생용 장치를 실용화했다. Portrait의 PSR3 라는 제품은 국내 피부과에도 도입된 장치로 피부 재생효과가 있으며, 주름·여드름 상처·기미·주근깨·잡티 등의 제거에 효과가 있다고 알려져 있다. 독일의 다국적 회사인 ERBE에서는 알곤 플라즈마를 이용한 지혈 장치를 판매하고 있다.
일본의 경우 디스플레이 제조 과정에 상압 플라즈마를 이용한 다양한 공정을 활용하려고 노력하고 있으며 그 중 대표적인 업체로 SEKISUI CHEMICAL을 들 수 있다. SEKISUSI CHEMICAL은 표면 처리 시스템, 식각장비, 화학기상증착기 등 다양한 상압 플라즈마 박막 공정 제품을 출시했다.
국내에서는 반도체 및 디스플레이 제조 시 기존에 사용하던 전형적인 플라즈마 공정을 공정 단가가 저렴하고 생산성이 높은 대기압 플라즈마로 대체하기 위한 다양한 연구가 진행됐다. 특히 박막 공정(Thin Film Process) 및 표면 세정 공정에 적용하기 위한 대기압 플라즈마 공정이 우선적으로 연구·개발돼 현재 이 분야에서는 세계적인 기술력을 보유하고 있다. 특히 대기압 플라즈마 발생장치를 개발하는 전문 업체인 SE플라즈마, PSM, APP는 표면 세정 공정을 위한 상용 제품을 시판하고 있다. 케이씨택의 경우 대기압 플라즈마 모듈을 이용한 LCD 8세대에 적용가능한 대기압 플라즈마 세정기를 개발하는데 성공했다. 표면 개질 분야에서는 ‘제4기 한국’에서 폴리머·세라믹·금속재질의 물질을 상압 플라즈마를 이용해 표면 개질을 수행하는 장치를 개발해 상용화에 성공했다.
◇ 저압 플라즈마
국내에서는 주성엔지니어링이 반도체 및 디스플레이 제조용 전공정 장비를 자체 개발해 보유하고 있다. 반도체 공정에 쓰이는 다양한 식각 장치 및 증착 장치를 자체 개발했으며, 화학기상증착장치(CVD)의 연구개발 및 생산 활동이 활발하다. APTC와 IPS 등은 다양한 식각 장치를 자체 개발해 보유하고 있으며 디스플레이 관련 기술개발을 진행 중이다. 그 밖의 세메스, 디엠에스, 원익시스템 등 여러 업체들이 반도체 및 디스플레이 관련 플라즈마 장치를 생산하고 있다.
■ 시장규모 및 전망
한국 반도체 산업협회와 한국디스플레이 장비재료 산업협회에 따르면 2011년 국내 반도체 및 디스플레이 관련 장비 시장은 15조원에 이른다고 보고됐다. 또한 우리나라 Top 10 반도체 장비기업 매출은 3조원에 달하며 매년 증가추세를 보이고 있다. 그러나 국내 장비 업체는 해외 메이저 업체에 비해 영세한 규모를 갖고 있으며, 관련 장비 산업에 대한 업계와 정부의 늦은 투자가 장비시장을 전망을 더욱 어둡게 한다. 하지만 LAM Research와 같은 다국적 기업이 국내에서 조달하는 가공품 및 모듈이 늘어나는 추세이고 정부 R&D 전략도 부분품 및 연관 산업 등에 집중된다면 국내의 반도체 및 디스플레이 장치시장은 새로운 성장 동력을 확보할 수 있을 것이다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
플라즈마는 반도체 및 디스플레이 산업에 있어 매우 중요한 요소 기술로 관련 연구의 성패가 국가의 판도를 결정한다고 해도 과언이 아니다. 플라즈마는 고부가가치 사업으로 기술 선진국이 되기 위해 기술적 종속성을 없애야 하는 부분이다. 또한 플라즈마 관련 연구는 미비한 수준으로 연구 방향은 무궁무진하다고 볼 수 있다.
저온 플라즈마 기술은 향후 반도체 및 PCB 산업 뿐 아니라 플라스틱 및 유리제품의 표면처리기술, 의료 기기 및 식료품 등의 살균·소독기술 등에 적용할 수 있을 것으로 전망된다. 또한 대기압 저온 플라즈마의 발생 및 응용 연구를 통해 여러 가지 기술적인 데이터를 얻을 수 있으며, 연구 결과는 효율적인 살균장치·표면처리장치·산업폐기물 처리장치 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 대기압에서 대량으로 플라즈마를 발생시키는 방법에 대한 연구 결과는 광범위한 산업에서 널리 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
한편 반도체 및 디스플레이 산업의 경우 산업화의 발전과 맞물려 고직접화·대구경화 추세는 주요 고려 사항이 됐다. 특히 고직접화를 달성하기 위해서는 종래의 플라즈마 방식에서 발생했던 플라즈마에 의한 손상, 하전입자에 의한 손상 등을 줄이기 위해 새로운 패러다임을 갖는 플라즈마의 개발이 시급한 과제이다. 한편으로는 고직접화에 따라 민감한 공정의 숫자가 증가하기 때문에 플라즈마 특성 변화 및 제어기술에 대한 근본적인 연구가 선행돼야 한다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
플라즈마는 일상생활과 밀접한 관계를 갖는 용어이다. 우주의 자연적인 현상으로부터 인류를 더욱 풍요롭게 만드는 것까지 플라즈마의 영역은 매우 넓다고 할 수 있다. 하지만 플라즈마에 관한 기본 연구가 진행되지 않았기 때문에 아직까지 플라즈마는 정체를 잘 파악할 수 없는 블랙박스로 인식된다.
향후로는 플라즈마에 대한 체계적인 연구를 바탕으로 복잡한 공정에서 요구하는 특성들을 분석·대응할 수 있는 능력을 함양하는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 산학연을 중심으로 플라즈마에 대한 기초 연구가 수반된 연구 활동이 필요하다. 기초 연구가 수반되지 않은 연구개발과 기획은 사상누각에 불과할 것이며 이는 국가 장래를 위해서도 바람직하지 않다. 연구개발을 통해 플라즈마 연구의 초석들이 하나씩 쌓여져 나갈 때 이는 국가발전에 있어 하나의 큰 주춧돌이 될 것이다.
