반도체·LCD용 구조세라믹 제품의 연구개발 및 시장동향

국내외 반도체용 구조세라믹스 개발동향

이 상 철 (주)에스엔티 세라믹스연구소 선임연구원

인류가 존재하면서 토기의 형태로 사용되어온 세라믹스는 현대에 이르러서 다양한 특성을 이용하여 산업 전반에 광범위로 사용되고 있다. 이러한 세라믹스는 전기적 특성(유전성, 절연성, 이온전도성, 압전성 등), 자기적 특성(강자성, 연자성), 기계적 특성(고강도성, 내마모성, 고경도성 등), 열적 특성(내열성, 단열성, 열전도성 등), 생체적 특성(생체친화성, 내부식성, 생체 융합성), 화학적 특성(내식성, 내부식성)을 최대한 발현할 수 있도록 고순도의 원료 제조 및 성형, 소성과정을 통해 다양한 형태의 제품으로 산업의 기반이 되는 차세대 핵심소재로서 각광받고 있다.
세라믹스가 가지고 있는 다양한 특성들에 따라 활용 분야도 결정되며, 그에 따라 세라믹스는 구조세라믹스, 환경세라믹스, 전자세라믹스 등으로 분류되고 있으며, 특히 반도체에서는 후막 및 박막화를 통해 반도체 칩 생산에 직접적으로 활용하고 있다. 이 중에서 구조세라믹스는 세라믹스가 가지고 있는 기계적인 특성 및 열적 특성, 화학적 특성, 절연특성을 폭넓게 사용하고 있는 분야를 의미한다. 현재 국내에서 이러한 구조세라믹스는 반도체 장비에 들어가는 부품으로서 많은 부분이 활용되고 있으며, 그 대표적인 재료로서 알루미나를 들 수 있다. 알루미나는 아래와 같이 고강도, 내마모성, 고경도성, 내열성, 내식성 등을 가지고 있으며, 다른 고순도의 재료에 비해 상대적으로 낮은 비용으로 반도체 공정 장비의 부품 뿐만 아니라 다양한 산업에서 현재 폭넓게 사용되고 있다.

1. 구조세라믹스 국내외 기술 개발 전망
1970년대 들어 국내 반도체 산업의 급속한 발전에 따라 고기능성을 가지는 소형화된 제품이 생산되고 있으며, 대량 생산을 위한 장비는 상대적으로 거대화 되고 있다. 특히 반도체 분야에서는 기존 12인치 공정라인이 운영되고 있으며, 향후 16인치를 기준으로 공정라인을 준비하고 있으며, LCD 분야의 경우 현재 7세대를 거쳐 8세대로 가고 있다. 이에 따라 요구되는 장비의 크기는 기하급수적으로 커지고 있으며, 요구되는 세라믹스 부품의 크기 또한 커지고 있는 실정이다. 이러한 요구에 부응하기 위해 기존 소재는 보다 높은 수준의 성형, 소성 기술 개발과 기존 소재를 대체하기 위한 신소재 개발을 통해 고강도 및 열 충격성, 내열성, 내식성 등을 만족하는 기술 개발이 시급한 실정이다.
가. 일본의 세라믹스 기술 개발 현황
1980년대부터 ‘파인세라믹스실´을 신설하고 10년 단위의 장기 연구개발사업을 지속적으로 추진하고 있으며, 매년 세라믹스 제품의 생산량 및 수출량을 제품별로 분류하여 향후 기술 개발에 활용하고 있다. 2003년도 일본의 세라믹스 제품에 생산 및 판매에 대해 조사한 자료를 보면 수출한 제품의 종류에 따라 산화물 및 비산화물 계열 제품이 각각 425.4억엔 및 86.8억엔, 특정 형태에 대한 제품이 598억엔으로 대부분을 차지하고 있다. 또한 2004년에는 이러한 산화물 계열 및 비산화물 계열의 제품이 각각 452.4억엔, 90.8억엔으로 높은 수출을 이루었으며, 특정 형상에 대한 제품 또한 604.8억엔으로 수출되었다. 이러한 수출 현황을 통해 산화물 계열 및 비산화물 계열, 특정 형태의 제품 군에 대한 지속적인 수출 증대가 이루어질 것으로 보고하고 있다. 이에 일본 세라믹스 업계에서는 매년 전년대비 20% 이상의 연구개발비를 사용하여 새로운 형상의 제조를 위한 성형 및 소성기술 개발과 차세대 신소재 개발을 진행하고 있다[파인세라믹스 산업동향조사, 2004년 12월, 일본 파인세라믹스협회]. 이러한 기술 개발을 위해 일본에서는 2004년도에 향후 10년 계획으로서 소재산업기술대책을 수립하여 차세대 반도체 소재, 부품 소재, 광촉매 소재, 의학용 소재, 환경용 소재로 구분하여 활발한 연구를 진행하고 있다. 또한 구조세라믹스 분야에서는 기존의 소재를 대체할 수 있는 고기능의 소재 개발과 기존 소재를 포함하여 새로이 개발된 소재에 대해 다양한 형상 제조를 위한 성형 기술, 소성 기술 개발 사업을 목표로 하여 점진적으로 개발 연구가 진행되고 있다[소재산업기술조사, 2004년 3월, 일본 파인세라믹스협회].
나. 국내 세라믹스 기술 동향
반도체 산업 및 IT 산업의 급속한 발전에 따라 구조세라믹스 보다는 전자세라믹스의 연구, 개발이 상당 부분 이루어졌으나 구조세라믹스 분야에서는 많은 투자에 의한 소재 및 기술 개발 보다는 수입에 의존하고 있는 실정이다. 1990년대 들어 구조재료는 항공우주, 에너지 환경, 의료 산업의 발달에 따라 연평균 14% 이상의 성장세를 나타내고 있다. 또한 세라믹스의 자급도는 1990년에 35%에서 1997년 48%로서 점차 증가하고 있다. 하지만 이러한 세라믹스의 생산에 필요한 부자재 및 원료의 국내 생산은 전체 소비량의 20% 이하이며 대부분이 일본에서 수입되는 문제점을 안고 있다[파인세라믹스 산업동향, 2005년, 요업(세라믹)기술원]. 이러한 국내의 문제점을 해결하고자 최근 들어 국가에서 국책 사업으로 부품소재사업을 통해 구조세라믹스 소재 개발 및 그에 따른 부품의 국산화를 위해 노력하고 있다.

2. SNT 기술 개발 현황
이러한 다양한 제품 개발을 위한 성형 및 소성 기술 개발과 우수한 특성을 가지고 기존 제품을 대체하기 위한 신소재 개발을 위해 SNT에서는 다양한 연구를 진행하고 있으며, 일부 개발된 소재들은 올해로 양산화 구축 및 생산을 전망하고 있다.
 
가. 다양한 형태 및 거대제품 생산을 위한 기술 개발
알루미나는 구조세라믹스에서 가장 잘 알려져 있는 소재로서 높은 강도 및 내마모성, 내식성 등의 우수한 특성으로 많은 부분에서 부품으로 제작되어 사용되고 있으며, 기존 금속 재료를 이용한 부품에서 생기는 내마모 문제나 내식성 문제 때문에 지속적으로 대체 재료로서 사용되고 있다. 제조 방법으로는 일축 프레스 및 CIP 장비를 이용한 성형과 Slip-Casting을 이용한 성형이 대표적이다. 하지만 국내에서 대형 CIP 장비를 가지고 있는 업체가 미비한 실정이고 또한 Slip-Casting 방법으로는 제품의 크기에 제한이 있어 거대화 시키는데 어려움을 겪고 있다. 따라서 SNT의 경우에는 2003년도에 성형 공간이 높이 2m, 지름 1m인 대형의 CIP 장비를 구비하였고, CIP 성형 기술을 이용하여 최대 지름 900mm까지의 성형체를 제작할 수 있게 되었다. 또한 다양한 모양의 성형을 위해서 각종 핀 및 고무 몰드, 보조 도구 들을 자체 제작하여 다양한 홀 및 곡면, 단면을 가지는 형태를 최소한의 그린 가공을 통해 제작하였다. 더 나아가서는 8인치 및 12인치 반도체 장비에 들어가는 돔 생산을 위해 보다 많은 노력을 하고 있다. 거대화되고 있는 LCD 기판의 대형화에 대응하기 위해 Slip-Casting 방법을 이용하여 최대 3000mm 이상의 알루미나 제품을 개발, 생산하고 있다.
또한 보다 큰 제품을 생산하기 위한 기반 시설로 기존 가스로에 2배 크기의 가스로를 2005년도에 도입하여 소성과정에 이상없이 진행되도록 하였으며, 압출성형, Gel-Casting 기법 들에 대한 연구를 통해 기존 제품에 비해 높은 고밀도 및 거대 제품 제조에 노력하고 있다.
나. 기존 소재 대체를 위한 소재 개발
이러한 기존 제품의 거대화 및 다양한 형태의 성형 기술의 개발 뿐만 아니라 특성 개선을 위해 기존의 용사코팅 방법과는 다른 새로운 코팅 방법을 개발하여 제품화를 준비하고 있다. 특히 알루미나의 경우, 장시간 사용에 의해 플라즈마나 공정상 사용되는 가스에 의해 표면이 부식되고 이러한 부식된 알루미나 입자들이 반도체 공정에서 문제시 되는 부분을 새로운 코팅 방법과 알루미나에 비해 보다 우수한 내식성의 재료(이트리아 등)를 선택하여 알루미나 표면에 코팅함으로써 보다 안정적인 내식 특성을 유도할 수 있다. 이러한 방법은 Quartz나 기존에 사용되는 제품에 적용하므로 제품 적용에 어려움을 가지고 있는 문제들을 해결할 수 있으리라 생각된다.
앞서 설명한 성형, 소성 방법의 개선 및 새로운 코팅 방법 개발을 통해 다양한 제품의 생산 뿐만 아니라 SNT에서는 기존 소재를 대체하고 보다 나은 특성을 가지는 제품의 개발 및 수입 대체를 위해 소재 개발에 대해서도 지속적으로 진행하고 있다. 이러한 소재로서 현재 생산 공정이 완료되어 생산을 하고 있는 Si-SiC 소재와 생산을 위한 기초 연구가 완료되어 생산 공정을 구축하고 있는 AlN 소재를 들 수 있다. Si-SiC 소재 제품은 이미 개발이 완료되었으며 다양한 제품을 생산하여 2005년도부터 매출에 공헌하고 있다. Si-SiC 소재의 경우 기존의 알루미나에 비해 가볍고 보다 높은 내식성 및 내구성을 가지고 있다. 또한 열충격에 강하여 알루미나가 열충격 문제로 사용되지 못하던 부품 군에 사용이 가능하다. 다른 개발 제품으로서 AlN 소재는 기존 알루미나에 비해 높은 열전도도 및 내열성, 열충격에 강한 장점을 가지고 있다. 하지만 AlN은 기존의 산화분위기에서 소성되던 알루미나에 비해 질소 분위기에서 소성하여야 하는 생산 공정상의 어려움이 있었다. 따라서 SNT에서는 질소분위기 소성을 위해 카본로를 준비하였으며, AlN 소성에 필요한 조건들을 1년에 걸친 연구를 통해 시제품 생산을 완료하였으며, 판매 실적을 올리고 있다.
이상과 같이 구조세라믹스 분야에서는 고품질의 소재 개발 및 소재에 대한 다양한 형태의 제품 개발을 목표로 많은 비용과 노력이 투자되고 있다. 특히 소재 개발의 경우에는 국내보다는 일본 및 미국을 중심으로 개발 생산되고 있는 실정이다. 앞으로의 구조세라믹스 분야의 발전을 위해서는 보다 우수한 인력 및 그에 따른 지원을 통해 지속적으로 연구 개발이 진행되어야 할 것이다.

사진1 알루미나의 내식성 특성 개선을 위해 이트리아 코팅 공정을 진행한 제품
사진2 Quartz 위에 Zn를 코팅한 제품
사진3 SNT에서 생산되는 Si-SiC 12인치 Long Boat 제품
사진4,5 AlN 소재로 제조된 Injector와 Plate 형태의 제품

필자약력
·광운대학교 전자재료공학과 석사
·광운대학교 전자재료공학과 박사 수료
  (세라믹스 신소재 전공)
·광운대학교 전자공학부 강사
·여주대학교 전자공학과 강사
·(주)에스엔티 세라믹스연구소 선임연구원