Technology Brief

  첨단세라믹스 해외기술정보

초임계 유체 이용, 실리콘 웨이퍼 위에
결정질 산화물 박막 합성
上智대학의 幸田淸一郞 교수와 內田實 조교 등은 초임계이산화탄소(CO2)유체를 이용한 산화물 박막의 제작기술을 개발하여 그 기술을 응용함으로써 실리콘웨이퍼 위에 결정질인 산화티탄(TiO2)박막을 성막하는데 성공했다. 반도체 디바이스 제조의 분야에서는 실리콘웨이퍼 위에 형성되는 집적회로에 대한 열손상을 줄이기 위해 저온성막기술의 개발이 중시된다. 그러나 현재 이용되는 ‘용액법’및 ‘기상법’ 등의 성막방법에서는 모두 재료결정화를 위해 최저 400℃정도의 열처리가 필수여서 열 손상에 의한 회로열화를 완전히 해결하는 수준에서의 저온결정화의 조건(실온~300℃정도)을 만족시키는 데에는 이르지 못하고 있다. 저온에서의 박막합성을 실현하려면 종래법과는 원리가 다른 신규 기술에 기초한 프로세스의 개발이 필요하다.
上智大 연구팀은 저온에서의 박막형성을 실현하기 위해서 ‘초임계유체’의 이용을 시도하고, 이들을 반응장으로 한 장치의 시작 및 박막제작에 성공했다. 초임계유체는 임계온도·압력을 넘은 영역에 존재하는 상(相)상태로, H2O, CO2, 여러 가지 유기용매 등으로 그 상태를 실현할 수 있다. 이들 초임계유체는 다양한 화학반응을 촉진할 수 있는 다기능 반응장으로써 화학프로세스에 대한 반응이 최근 폭넓게 검토되고 있다. 이번에 박막합성에 사용한 성막장치는 기존의 플로식 CVD장치를 베이스로 하여 설계되었다. 초임계 CO2유체에 용해된 유기금속원료를 기판 표면에 연속적으로 공급함으로써 박막을 퇴적시킨다. 원료의 공급, 반응 및 기판 위에 대한 석출과 같은 일련의 성막 프로세스가 모두 초임계 CO2유체 하에서 진행하도록 구성되어 있다. 이 장치를 이용한 실리콘웨이퍼 위에 대한 산화티탄 박막을 합성한 결과, 기판온도 100℃~의 조건에 있어 결정질 TiO2(Anatase)의 평평한 판상 퇴적물의 형성이 확인되었다. 초임계유체를 이용한 박막합성법은 종래와는 다른 특징을 가진 박막재료의 합성을 실현할 수 있는 신규 기술로서 기대된다. 앞으로는 초임계유체 속에서의 결정화 촉진의 메커니즘을 해석함과 동시에 다른 재료계의 박막합성 가능성에 대해서도 연구를 추진할 예정이다.  (CJ)
 
세라믹스 입계에 있어 도펀트 원자의 직접 관찰에 성공
東京大學대학원공학연구과·總合硏究機構(東京都 文京區)의 幾原雄一 교수 연구팀은 세라믹스 속의 첨가원자(도펀트) 하나하나의 직접 관찰에 성공하여 첨가 원자에 의한 세라믹스의 강화 메커니즘을 세계 최초로 해명했다. 이 성공으로 지금까지 밝혀지지 않았던 세라믹스의 여러 가지 특성발현기구가 밝혀져 세라믹스 분야에 있어 새로운 재료개발에 박차를 가할 수 있으리라 기대되고 있다.
세라믹스에 미량의 첨가제를 더하면 그 여러 특성(경도(硬度), 강도(强度)와 전기특성 등)을 크게 바꿀 수 있으나, 그 상세한 메커니즘에 대해서는 밝혀지지 않은 상태였다. 지금까지의 세라믹스 재료와 신소재의 개발은 팽대한 데이터에 기초한 경험칙에 의해 주로 이루어져 왔는데 최근의 프로세스의 치밀화에 의해 그 방법은 점차 벽에 부딪치고 있다. 이번에 원자직시형 주사투과전자현미경(STEM, Scanning Transmission Electron Microscope)을 이용함으로써 알루미나 세라믹스에 미량 첨가한 이트륨 원자 한 개 한 개를 직접 관찰하는데 성공했다. 또한 이 결과를 토대로 이론계산(제1원리계산)을 실시함으로써 결정입계의 특정 사이트에 편석한 이트륨 원자가 주위의 화학결합상태(전자밀도분포)를 변화시켜 입계강도를 효과적으로 높일 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이 방법을 응용함으로써 어떠한 세라믹스라도 그 강도를 높일 수 있는 첨가원소를 이론적으로 선택할 수 있게 된다. 이번 성과는 구극의 원자구조해석과 최첨단의 이론계산을 병용함으로써 목적으로 하는 재료기능에 맞추어 첨가제의 종류와 양을 결정할 수 있어 온디멘드한 재료의 설계가 재료의 설계가 가능하게 된다는 것을 나타낸 것이다. 이 방법은 앞으로 민간 기업에도 보급할 계획인데, 신소재 개발 분야의 장애를 극복할 수 있는 가능성을 내포하고 있다. (CJ)