▲ 세라믹 소재의 플라즈마 식각 평가 모식도(출처: 한국재료연구원)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진, 이하 재료연)이 내플라즈마성 소재를 국내 기술로 개발해 소재 자립화를 통한 부품 국산화에 기여할 전망이다.

재료은 나노재료연구본부 마호진 박사 연구팀이 부산대학교 이정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 반도체 제조 공정 중 식각장비 내부 부품의 수명을 늘리고 오염 입자를 줄이는 투명한 내플라즈마성 고엔트로피 세라믹 신(新)조성과 공정 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

배가 바닷물과 부딪혀 녹슬 듯 식각공정 과정에서 사용되는 플라즈마가 장비 내부 부품과 지속적으로 반응해 부식과 오염을 발생시킨다. 이 때문에 세라믹은 다른 소재보다 플라즈마 저항성이 높아 반도체 식각장비 내부 소재에서 90% 이상을 차지한다. 하지만 반도체의 고집적화로 인해 점점 가혹한 환경에서 식각 공정이 진행됨에 따라 일반적으로 활용되는 세라믹 부품 교체 빈도가 잦아지고 반도체 생산성이 저해되고 있다.

연구팀은 기존에 주로 활용되는 세라믹 소재인 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3), 야그(YAG) 조성의 한계에서 벗어나 새로운 고엔트로피 세라믹 조성을 설계하고, 무기공 치밀체 소결 공정 기술을 통해 99.9% 밀도의 투명한 세라믹을 개발했다.

이와 같은 치밀체는 플라즈마 내성을 요구하는 식각 공정 장비에 활용된다. 또한, 연구팀은 고엔트로피 세라믹을 구성하는 원소의 결정구조 변화를 확인하고 기공을 제어하는 기술로 가시광선과 적외선을 투과할 수 있는 투명 세라믹을 개발했다.

고엔트로피 세라믹은 일반 소재와 달리 5개 이상 원소를 혼합해 불순물을 형성하지 않고 하나의 상을 형성하는 세라믹이다. 고엔트로피 세라믹은 기존 소재와 다르게 높은 내열성과 우수한 내마모성, 낮은 열전도성 등 새로운 특성을 발휘하는 것으로 알려져 열차폐 재료, 촉매 및 에너지 저장 물질로 주목받고 있다. 하지만 지금까지 플라즈마 저항성에 대한 연구는 진행되지 않아 이에 주목 및 연구를 진행해 개발에 성공했다.

반도체 공정에서 식각율이 낮은 소재는 오염 입자가 적고 내구성이 높다는 것을 의미한다. 연구팀이 개발한 고엔트로피 투명 세라믹은 사파이어와 비교했을 때 1.13% 수준으로 낮은 식각율을 나타냈다. 또한, 플라즈마 저항성이 우수하다고 알려진 이트리아(Y2O3)에 비교했을 때는 8.25% 수준에 불과할 정도로 식각율이 낮아 뛰어난 내구성을 입증했다.

재료연 마호진 선임연구원은 “반도체 공정 중 플라즈마 식각 공정은 미국과 일본의 소재·부품·장비가 90% 이상을 장악하고 있어 국내 산업계에서 대외의존도가 심각한 상황”이라며, “이번 연구성과는 지금까지 연구된 적 없는 고엔트로피 세라믹을 개발해 세계 최고 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 독자기술로 개발한 대표적 사례임과 동시에, 소재 자립화를 통해 부품 국산화를 이루는 초석이 될 것"이라고 말했다.