한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연) 나노재료연구본부 마호진 박사 연구팀이 부산대학교 이정우 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 반도체 제조 공정 중 식각 장비 내부 부품의 수명을 늘리고 오염 입자를 줄이는 투명한 내플라즈마성 고엔트로피 세라믹 신(新) 조성과 공정 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

세라믹은 반도체 식각 장비 내부 소재에서 90% 이상을 차지한다. 그 이유 중 하나는 다른 소재보다 플라즈마 저항성이 높기 때문이다. 배가 바닷물과 부딪혀 녹슬 듯 식각 공정 과정에서 사용되는 플라즈마가 장비 내부 부품과 꾸준히 반응해 부식과 오염을 발생 시킨다.

따라서 이 같은 문제를 줄이는 소재로 세라믹이 사용된다. 하지만 반도체의 고집적화에 따라 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. 또 연구팀은 고엔트로피 세라믹을 구성하는 원소의 결정 구조 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. 기존 소재와 다르게 ▲높은 내열성 ▲우수한 내마모성 ▲낮은 열전도성 등 새로운 특성을 발휘하는 것으로 알려져 ▲열 차폐 재료 ▲촉매 및 에너지 저장 물질로 주목받고 있다.

하지만 지금까지 플라즈마 저항성에 대한 연구는 진행되지 않아 연구팀이 이에 주목 및 연구를 진행해 세계 최초로 연구 개발에 성공한 것이다.

반도체 공정에서 식각률이 낮은 소재는 오염 입자가 적고 내구성이 높다는 것을 의미한다. 연구팀이 개발한 고엔트로피 투명 세라믹은 사파이어와 비교했을 때 1.13% 수준으로 낮은 식각률을 나타냈다.

또 플라즈마 저항성이 우수하다고 알려진 이트리아에 비교했을 때는 8.25% 수준에 불과할 정도로 식각률이 낮아 뛰어난 내구성을 입증했다.

재료연 마호진 선임 연구원은 "반도체 공정 중 플라즈마 식각 공정은 미국과 일본의 소재·부품·장비가 90% 이상을 장악하고 있어 국내 산업계에서 대외 의존도가 심각한 상황"이라며 "이번 연구 성과는 지금까지 연구된 적 없는 고엔트로피 세라믹을 개발해 세계 최고 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 독자 기술로 개발한 대표적 사례임과 동시에, 소재 자립화를 통해 부품 국산화를 이루는 초석이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 성과는 한국재료연구원 자체 사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 세라믹 재료 분야에서 세계적으로 영향력 높은 학술지 '저널 오브 어드밴스드 세라믹스(Journal of Advanced Ceramics, IF: 18.6)'에 1월 13일 자로 온라인 게재됐다