Special 첨단소재 및 공정기술 국제표준화 최신 동향(2)

산화이트륨계 내플라즈마 소재의 평가기술 국제표준화

이연숙_한국산업기술시험원 재료기술센터 주임연구원

1. 서론

최근 반도체 산업의 핵심기술은 선폭의 미세화와 고집적화를 추구하며, 이를 위해 플라즈마 에칭기술, CVD 코팅 기술 등 반도체 제조공정 장비를 사용한다[1]. 반도체 제조용 공정장비(EVD, Etch)는 다양한 플라즈마를 활용하기에, 장비의 각 부품은 내플라즈마 특성이 우수한 재료로 구성되어야 한다[2-5]. 우수한 내식성, 내열성 및 내플라즈마 특성을 지닌 산화이트륨계 소재(산화이트륨(Y2O3, 이트리아), YAG(Yttrium Aluminum Garnet), 옥시불화이트륨(YOF), 불화이트륨(YF3) 등)가 플라즈마 공정 장비용 부품 및 코팅 소재로 많이 사용되는 것은 이 때문이다[6-7].
  2000년대 초반까지는 내플라즈마성 소재로 저가(低價)의 산화알루미늄(Al2O3)이 일반적으로 사용되었지만, 최근에는 관리가 엄격한 반도체 공정을 위해서는 산화이트륨계 내플라즈마 소재로 대체되는 추세다. 이 소재가 오염입자를 저감시켜 최종제품 수율을 극대화는데 용이하기 때문인데, 특히 고순도 내플라즈마 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 웨이퍼 공정의 수율 향상을 위해 고밀도 플라즈마 활용이 증가하고, 장비 부품에서 생기는 오염입자를 최소화하려는 요구에서 비롯된 것이다. 고순도 산화이트륨계 내플라즈마 소재는 우수한 내플라즈마성외에도 오염입자의 포집력도 있는 소재다[8].

그림 1. 산화이트륨계 내플라즈마 소재의 용도

  이런 고순도 산화이트륨계 내플라즈마 소재는 반도체 공정 선폭의 미세화 및 고집적화를 위해서도 필요하다. 이 소재의 우수한 내플라즈마 특성이 박막증착이나 식각용 공정장비 제조 기술의 수준을 향상시키기 때문이다. 그렇기에 이 소재의 고품질화에 대한 요구가 커지고 있다. 
  더불어 부가가치의 측면에서 소재의 국산화에 대한 요구도 증가하고 있다. 근래 고순도 산화이트륨의 대부분은 일본의 Shinetsu, NYC 등으로부터 수입되고 있다. 이 기업들은 분말 입자의 미립화를 통해 소결체와 코팅의 밀도를 높임으로써, 반도체/디스플레이 제조공정에서 생기는 오염을 최소화하는 원천기술을 보유하고 있다. 일본발 수출규제로 원료･소재 수입국 다변화 노력이 있었고 그 일환으로 중국산 산화이트륨이 수입되었으나 원천기술의 부재나 낮은 기술 수준 같은 국내 상황으로 인해 일본산 고순도 소재와의 질적 차이를 좁히지 못했었다. 하지만 최근 몇 년 연구상황이 개선되어, 고부가가치 고순도 산화이트륨을 국산화는 기술개발이 진행되었고, 최근에는 선진사보다 높은 성과를 내고 있다.

그림 2. 산화이트륨 원료 국내 시장 구조 (출처: 화학경제연구원 2019)

  그러나 객관적 비교평가를 위한 필수요소인 ‘표준’의 ‘부재’라는 어려움이 여전히 지속되고 있다. 이런 이유에서 산화이트륨계 내플라즈마 소재의 특성평가를 위한 연구개발뿐만 아니라, 표준화 연구개발 또한 요구되는 실정이다.
  이 요구에 상응하여 한국산업기술시험원(KTL)은 ① 2020년부터 고순도 산화이트륨의 순도와 불순물 분석을 위한 화학분석 방법의 단체 및 국제표준화를 진행시키고 있다. ② 내플라즈마 소재의 코팅 밀도를 향상시키기 위해, 산화이트륨계 분말의 응집 특성을 평가할 수 있는 평가방법을 정립하고 표준화시키는 연구를 하고 있다. ①과 ②를 토대로 반도체/디스플레이 공정용 산화이트륨계 내플라즈마 소재의 특성을 객관적으로 비교 평가할 수 있는 기술을 정립하고 이를 표준화한다면, 국산 세라믹 원료소재의 고품질화는 물론 국내·외 시장진입 장벽을 낮추는 데 기여할 것이다.

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