반도체공정용 AlN 히터모듈 상용화 기술개발 동향

김 봉 수_ (주)보부하이테크 연구소 소장
이 주 성_ (주)보부하이테크 연구원

1. 머리말
질화알루미늄(AlN)은 이론상 열전도도가 320W/m・K로서 알루미나(Al2O3)보다 10배 이상 높고 전기절연성은 9ⅹ1013Ω・㎝ 정도로 우수하며 열팽창계수가 4ⅹ10-6 로서 알루미나(Al2O3)보다 작고 Si 반도체와 비슷하다. 또한 높은 기계적강도(430MPa)와 할로겐계 가스에 대해서 실리콘(Silicon), 알루미나(Al2O3), 쿼츠(Quartz), 탄화규소(SiC) 등의 세라믹 재료에 비해 뛰어난 플라즈마 내식성을 보임으로 반도체 공정 장비용 Heater로서 많이 사용되고 있는 소재이다.
질화알루미늄(AlN) 히터는 반도체 제조 장비 중에서 증착 공정 장비에 소요되는 핵심 부품으로서 반도체 재료인 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)를 고온으로 유지시켜 증착 공정을 보다 활성화시켜 주는 역할을 한다.
최근 반도체 소자 공정 기술에서 선폭이 수십 nm이하로 미세화 되면서 기존 알루미늄 메탈 히터에서는 단점으로 인지되는 극심한 열팽창 계수의 차이와 미세 불순물 입자가 발생하는 한계를 극복하기 위해 세라믹 중에서 열전도율이 월등히 뛰어나고 내열충격이 우수하며 상대적으로 가공성이 좋은 질화알루미늄(AlN) 재질의 히터를 선호하게 되었으며, 특히 500℃이상의 초고온용은 알루미늄 금속 히터로는 사용 자체가 불가하므로 전량 세라믹재료인 질화알루미늄(AlN) 히터로 대체되어 사용되고 있다.

2. 질화알루미늄(AlN) 히터의 개발의 중요성
반도체 소자의 안정적 동작과 높은 신뢰성 유지를 위해서 소자의 동작에 영향을 주지 않으면서 신속하게 열을 방출 할 수 있는 재료와 반도체 공정에서 발생되는 플라즈마에 내구성이 있는 재료의 기술개발이 중요하고 또한 실리콘 웨이퍼의 대면적화로 인해 소자 제조공정상에서 웨이퍼의 온도 균일도를 확보하는 것이 중요한 문제로 대두되었으며, AlN 히터의 사용 중 내구성 향상을 위해 모듈(지지대, 전극)의 소재 선택과 Bonding 및 용접에 대한 기술 개발이 체계적으로 이루어지지 못하고 있어 그 필요성이 절실한 실정이다.
AlN 히터는 반도체 공정에 따란 일반 고온용 AlN 히터(400℃용)와 초고온용 AlN 히터(500~700℃)로 나눌수 있는데 일반 고온용 AlN 히터(400℃용)는 초기 단계의 AlN 히터를 개발하여 일부 간단한 공정에 적용 중이나 기술적 완성도가 떨어져 일정기간 사용하면 표면에 크랙(Crack) 등이 발생되며, 이로 인하여 현재 사용 중인 외국 제품 대비 절반 이하의 수명을 보이므로 조속한 기술 개발 완성도가 요구되고 있다. 또한 초고온용 AlN 히터(500~700℃)는 반도체 기술의 미세화로 고온 공정이 늘어나는 추세이나 국내에서는 초고온에 사용에 적합한 제품제작에 필요한 원료의 조성 및 소결 조건에 대한 기술의 미확보로 인해 국내 반도체 제조회사 및 장비회사에서 초고온용 AlN 히터는 전량 수입품으로 대체되고 있는 실정이다. 현재 및 향후 반도체 공정 반응로 내의 핵심부품 및 주변 부품이 점차 비산화물 구조세라믹 소재로 변화하여 가는 추세이므로 세라믹 선진국가인 일본 제품에 대응한 기술적 접근 노력이 필요하며 소재 기술의 기술 자립도를 높이고 신소재 개발 분야 및 고순도 원료 제조 분야에도 기술의 활용이 가능하며 더 나아가 한국 반도체 및 전자 산업의 기반 역할이 필요하다. 이러한 관점에서 가장 대표적인 핵심 부품인 AlN 히터를 국산화하여 일본 제품을 대체 한다면 막대한 수입비용을 절감할 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.
반도체 산업의 발전 경향으로 보면 우선 반도체 제조 기술의 이동 경로를 따라 제조장치 산업의 발전이 뒤따르는 경향을 보이고 있으며, 반도체 제조기술이 미국에서 시작되어 일본을 거쳐 한국을 경유하여 대만이나 중국, 동남아로 이어지는 것처럼 장치 산업의 발전도 같은 추세를 따르고 있다. 미국과 일본의 반도체 장치 수출을 이제는 한국이 역할을 해야 하며, 그러기 위해서는 장치의 핵심 부품이 필수적으로 국내에서 개발되어야 하고, 그에 대한 유기적인 제도적, 인적, 기술적 인프라 구축을 통하여 구조세라믹 및 파인세라믹 산업이 우리나라 보다 20년 이상 기술적 우위를 바탕으로 세계시장에서 높은 시장점유율을 유지하고 있는 일본을 앞설 수 있을 것이다. 이에 ㈜보부하이테크에서는 수도권 권역에 소재한 반도체 부품 생산 중소기업으로서 국내 반도체 업체의 요구수준을 누구보다 잘 이해하고 있는 기술적 역량을 바탕으로 세라믹 기술이 집약된 지방 산업단지(강릉 과학 산업단지)와의 연계를 통하여 세라믹 소재 산업의 기반시설과 기술력을 바탕으로 소재산업 발전을 꽤하려 하고 있으며 ㈜보부하이테크는 현재 강릉 과학 산업단지에 공장을 신축하여 국가 신성장 동력사업의 일환인 소재산업 인프라를 강원지역 내 확보함으로써 지역발전에 기여하고 인력고용 효과를 증대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

3. 반도체 산업에 대한 구조 분석
반도체 산업에서 ‘기술 경쟁력’ 확보는 그 기업의 목줄과도 같다. 연구개발(R&D) 성과가 원가 경쟁력으로 직결되기 때문에 말 그대로 연구원들은 ‘졸면 죽는다’ 식 각오로 일한다. 반도체 공정에서 회로 선폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다. 1㎚(나노미터)는 10억분의 1ｍ. 사람 머리카락 10만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려 넣는 초미세 가공 기술이 승부를 좌우한다.
국내 반도체 업계의 삼성전자나 하이닉스는 메모리 중심으로 성장해 왔는데 세계 전체 반도체 시장에서 메모리가 차지하는 비중은 약 30%에 불과하며, 나머지 70%는 비메모리(시스템LSI)다. 또한 메모리 형 반도체는 산업 내 경쟁이 치열하고 자금력에 의한 진입장벽이 높으나 기술측면이 낮고 전세대 반도체와 대체적 관계를 이루며 일상재의 성격으로 구매자의 힘이 강하고 과점적인 공급자의 힘이 강하다.
비메모리 형 반도체는 특허와 기술에 의한 독점 체제가 강하고 진입장벽이 높으며, 호환성 문제로 대체제가 적고 차별화된 전략이 필요한 특징을 가진다.
2011년 Memory시장의 현황을 살펴보면 메모리 형 반도체의 경우 삼성전자와 SK하이닉스가 65%를 점유하고 있으며, 비메모리 반도체의 경우 삼성전자와 SK하이닉스가 51%를 점유하고 있다.
메모리 업체는 공정 전환경쟁으로 생산 효율성 증대와 미세공정화에 앞서면서 원가 경쟁력 우위 확보 등의 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있으며 공정 전환 경쟁을 통한 가격하락은 가격 경쟁력이 뒤쳐진 업체들의 감산을 압박하고 있다. 

그림 1. 2011년 Memory 시장점유율

그림 2. 메모리 응용분야 출처:SK 하이닉스 홈페이지

<더 자세한 내용은 세라믹코리아 1월호 참조>

김 봉 수
1980,2 성균관 대학교 전자공학과 졸업(학사)
1985,2 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 졸업(석사)
2009,5~ 현재 (주)보부하이테크 연구소 소장

이주성
1999.2
강릉대학교 재료공학과 졸업(학사)
2008.1~현재
(주)보부하이테크 연구원