Special(1) 소재 자립화를 위한 세라믹 소재혁신 선도 프로젝트

“오염입자 저감 내플라즈마 소재 기술 개발” 사업 소개

이성민_한국세라믹기술원 이천분원장

1. 서 론

반도체 공정이 극자외선(EUV) 공정을 채용함에 따라 5nm 이하 초미세공정으로 패러다임 쉬프트가 일어나고 제조공정장비의 혁신뿐만 아니라 공정소재의 혁신이 요구되고 있다. 또한 반도체 제조공정이 입체화/다단화됨에 따라 초고직접 반도체 제조를 위한 고종횡비 제조가 필수적으로 요구되면서 고에너지 플라즈마에 대응할 소재의 개발이 필요하게 되었다.
  플라즈마를 사용하는 다양한 반도체 장비의 내부는 거의 대부분 세라믹으로 구성되어 있다. 그림 1은 식각장비의 내부를 보여주는 사진으로 Al2O3, Y2O3, SiO2 등의 세라믹 소재가 정전척, 전극, 포커스링, 챔버월, 로봇암 등 부분품에 적용되고 있는 것을 알 수 있다. 2020년 세라믹산업 주요통계에 따르면 ‘반도체 및 디스플레이제조장비용 부품(세라믹재에 한함)’의 2018년 국내 생산액은 1조 4594억원으로 2017년의 1조 292억에 비하여 급격한 성장을 이루고 있는 것을 알 수 있다. 전체 첨단세라믹 매출액 대비 약 5%의 비중이며 사업체수로는 55개 업체로 조사되어 있으나 실제적으로 더 많은 기업이 참여하는 것으로 추정되고 있다.

그림 1. 식각장비 내부 및 사용소재, 부품

  반도체 공정에서 사용되는 플라즈마는 일반적으로 탄소와 불소의 화합물로 구성되어 있는 가스가 플라즈마 방전에 의하여 분해되고 활성화 되어 반응성이 높은 라디칼과 양이온을 생성하고 세라믹 소재와의 화학적반응을 일으킨다. 동시에 플라즈마 방전에 의하여 생성된 양이온은 외부에서 가해지는 전압, 즉 바이어스 전압에 의하여 가속되어 운동에너지를 가지게 되고 운동에너지를 가진 이온이 실리콘 웨이퍼 혹은 장비의 내부부품과 충돌하여 물리적 식각을 동반하게 된다. 대표적으로 식각장비가 플라즈마를 사용하여 다양한 공정조건에서 웨이퍼의 식각공정을 진행한다.
  플라즈마환경에서 세라믹의 성능은 크게 식각에 따라 부품의 형상이 변화하는 것에서 기인하는 부품의 수명향상과 플라즈마공정에서 발생하는 웨이퍼상의 오염입자의 발생을 억제하는 성능으로 나누어 볼 수 있다. 통상 웨이퍼와 거리를 두고 있는 outer ring, 챔버월 등의 경우에는 오염입자가 발생하더라도 직접적으로 웨이퍼위에 떨어질 확률이 낮기 때문에 내식각 특성이 우선되어 소재의 선택이 좌우되는 반면에 웨이퍼에 인접하고 있는 포커스 링의 경우 오염입자의 발생이 바로 웨이퍼의 오염입자 불량으로 연결됨으로 극단적인 오염입자 미발생 조건이 우선시 된다. 일반적으로 식각율이 낮은 소재는 두 가지 관점에서 높은 내플라즈마성을 가짐을 의미한다. 높은 내플라즈마성은 플라즈마에서 낮은 식각율을 가지고 있음으로 더 오랜 시간 동안 부품으로서의 형상을 유지할 수 있어 장수명을 보장한다는 관점과 식각부산물의 양이 적음으로 오염입자를 적게 만들어낸다는 두 가지 관점을 모두 포함하고 있다. 엄밀한 의미에서 이 두 가지는 서로 일치하는 것은 아니며 어느 경우에나 오염입자의 발생은 웨이퍼에 떨어지는 오염입자의 관점에서 보아야 한다. Si 소재의 포커스링의 경우 상대적으로 식각율이 매우 높아 형상의 관점에서 보면 내플라즈마성이 낮다고 할 수도 있으나 웨이퍼위의 오염입자 발생을 극단적으로 억제하는 장점이 있다. Y2O3의 경우 식각율은 Si 소재 대비 매우 낮으나 포커스링에 적용될 경우 웨이퍼상 오염입자를 만들 가능성이 있기 때문에 포커스링 소재로 사용이 불가능하다고 할 수 있다.
  따라서 본 사업에서는 크게 두 분야로 나누어 소재 개발을 진행하고 있다. 먼저 오염입자의 발생이 일어나는 것을 전제로 오염입자의 크기를 최대한 줄여 웨이퍼의 오염을 줄이는 소재를 개발하는 것이다. 이 경우 플라즈마 환경에서 식각율이 기존 산화물 소재 대비 동등 이하이면서도 세라믹의 구조와 조성설계로 오염입자의 크기를 줄이는 데 주안점을 둘 것이다. 한편 오염입자가 근본적으로 억제되어야 하는 영역 예를 들어 포커스링과 같은 부품에 응용될 소재로 고에너지 플라즈마에서 식각율이 산화물, 불화물보다는 높지만 현재 사용되고 있는 Si, SiC와 같이 오염입자의 발생이 원천적으로 억제된 미래소재를 개발하고자 한다. 동시에 원천소재 개발을 뒷받침할 평가기술 및 표준화기술을 개발할 것이다.

그림 2. ‘오염입자 저감 내플라즈마 소재기술 개발’의 원천소재 및 평가기술

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