반도체·LCD용 구조세라믹 제품의 연구개발 및 시장동향

반도체용 세라믹 정전척·히터의 연구개발 및 시장동향

안 호 갑 (주)코미코 기술연구소 부장

1. 서 론
반도체 제조 공정은 실리콘이라는 반도체 물질 위에 여러가지 도전성을 갖는 물질과 절연성을 갖는 물질을 증착하고 식각하는 공정을 반복하며 내부에 필요한 전기적 소자인 트랜지스터,  커패시터 및 저항 등을 배열하여 필요한 디바이스를 제조한다.
여러 공정 중에서도 진공 프로세스 및 플라즈마를 사용하는 ETCH 및 DEPOSITION 공정에서는 웨이퍼 온도 조절이 매우 중요한 요소이며 균일하고 재현성 있는 웨이퍼 온도 조절은 진공 프로세스에서 수율과 직접적인 영향을 미치고 있다. 
진공 프로세스에서는 균일도(UNIFORMITY), 단면 형상(PRO FILE CONTROL), 식각률, 증착률 등과 같은 필요한 디바이스 조건을 얻기 위해서는 온도 제어가 필수 불가결하며 또한 고주파수의 RF POWER를 이용하여 플라즈마 상태를 만들어 공정을 진행하게 된다.
웨이퍼 온도 제어를 위해 초기에는 Non-Clamping  방식(Chuck  위에 얹혀 있는 상태), 또는 세라믹 기계적 클램핑 방식(Ceramic Clamp Ring)이 적용되었으나 웨이퍼 사이즈가 6인치에서 8인치로 대구경화 되고 수율의 극대화를 위해 웨이퍼 최외각 Edge 부분의 Chip도 살리려는 노력이 더해지며 웨이퍼 최외각 부분에서의 이물에 의한 수율 감소도 방지하기 위해 정전력(Electro-Static Force)을 이용한 정전척(Electro-Static Chuck)이 1980년대부터 식각 장비를 기준으로 채택되기 시작하였으며 이 기술은 다른 전기적 전위를 가진 물체 사이에서 Electro-Static Attraction  성질을 이용한 것이다.
고온용 히터의 경우는 초기는 500℃ 이하를 적용하여 알루미늄 등 금속 내부에 발열체를 삽입한 제품이 적용되었으나 공정 온도가 점점 높아짐에 따라 금속히터의 한계가 나타나기 시작함에 따라 고온에서 변형이 적고, In-situ Cleaning 시 내부식성이 우수한 질화알루미늄(AlN) 재질로 변경이 이루어지고 있는 상태이다.

2. 정전척의 이론적 배경
정전력이란 정전척 내부의 전극과 웨이퍼 전극 사이에 전위차를 두면 그 사이에 있는 유전체 (Dielectric Material)에 전기적 유전 분극 현상이 일어나고 대응하는 전극과 반대되는 전하가 그 표면에 생겨 흡착물(웨이퍼)과의 사이에 정전기력이 생기는 것을 이용하는 것이다.
정전력에 대해 이론적인 기본 방정식은 정전력의 힘을 지배하는 방정식인 Electro-Static Lorentz Force 방정식에서부터 시작한다. 즉, 힘은 분극에 의해 형성된 전하량과 인가된 전압에 의해 형성된 전기장에 비례하며 이 공식을 기초로 하여 정전력 배열 방법에 따라 단극형(Unipolar), 쌍극형(Bipolar)  및 다극형(Multipolar) 방식의 정전척으로 분류되며 유전체 물질이 가지고 있는 여러가지 물리적 특성 중 특히 체적 저항의 범위에 따라 Johnsen-Rahbe
ck Force Effect, Coulomb Force Effect 및 Gra
dient Force Effect로 분류되며 각각의 방식에 따라 정전척의 개발에서 완전히 다른 특성을 나타내게 된다.
정전척이 갖추어야 할 필수 조건은 필요한 정전력을 얻을 수 있어야 하고 인가 전압이 제거되었을 때 쉽게 탈착이 되어야 한다는 것이다. 이것을 충족시키기 위해서는 많은 개발 요소들이 고려되어야 하며 열, 전기장 등을 이용한 Simulation을 통한 최적 제작 조건을 개발할 수 있어야 한다.

3. 정전척으로서의 세라믹
초기 정전척 제조 시에는 내전압 특성이 매우 우수하고 얇은 박판 제조가 가능한 고분자 물질인 폴리이미드, 폴리에스테르 등이 적용되고 아직도 많은 부분에서 실용적으로 사용되고 있으며 그 밖에도 양극산화를 이용한 비정질 산화 알루미늄, 분말을 이용하는 플라즈마 스프레이 코팅 정전척도 널리 사용되고 있으며 모든 유전체 물질은 특성 영역의 체적 저항 범위 내에 있어야만 정전척으로써 기능을 할 수 있으며 너무 낮으면 누설 전류에 의한 웨이퍼 Radiation Damage  문제가 심각하게 발생하고 너무 높으면 정전력이 약하여 원하는 힘을 얻을 수가 없게 된다. 이것을 조절할 수 있는 것이 기술이 되는 것이다.
폴리이미드 필름 정전척은 내전압이 탁월한 장점으로 현재까지 사용하고 있으나 웨이퍼의 직경이 대구경화됨에 따라 필름이 가지고 있는 원천적인 취약점인 내플라즈마 취약, 열전도도 취약 특성 때문에 응용에 한계가 있으며 비정질 산화 알루미늄은 내전압특성이 취약하고 체적 저항 조절이 어려운 한계가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 소결처리된 세라믹 제품들이 최근 각광을 받고 있으며 제조가 용이한 알루미나 및 열전도도 특성이 우수한 질화 알루미늄 세라믹이 정전척 시장을 거의 양분하고 있으며 차세대 대응용으로 대체 세라믹들이 연구되고 있으나 아직까지는 획기적인 시장의 요구는 없는 상태라 제품화 및 상용화된 다른 세라믹 정전척은 아직 없다.  현재 각광을 받는 물질로는 내플라즈마성이 우수한 이트리아, YAG 계열이 있으나 제조 공법의 어려움 및 상용화에 따른 장점이 크게 부각되지 않아 연구 단계에 머무르고 있는 상태이다.

4. 기술적 장벽
정전척이나 세라믹 히터를 제조하기 위해서는 많은 이론적 기술의 습득 및 요소 기술들이 필요하지만 국내 Infra Structure가 일본에 비해 취약하여 많은 어려움이 있으며 특히, 세라믹이 정전척 및 히터에서 핵심인 유전체 기능을 하는 물질이지만 국내에서 대구경 제품을 균일하게 그리고 정밀하게 제조하는 기술이 매우 부족한 상태이다.
따라서, 단순한 부품으로서의 세라믹 시장은 경쟁력을 잃고 있는 상태에서 고기능성을 요하는 정전척 및 히터 시장은 아직도 시장이 무궁무진하지만 그 기술적 장벽은 매우 높은 편으로 NGK, SHINKO, KYOCERA 등 대부분 일본 세라믹 업체들이 세계 정전척 및 히터 시장을 장악하고 있는 실정이다.

5.  시장의 흐름
반도체 제조 공정용 히터와 정전척은 온도 영역과 사용 목적이 다른 개별 핵심부품으로 현재까지 사용되어 왔으며, Display용 부품 역시 고온용 히터는 적용된 적이 없는 부품이다.  반도체 제조 공정용 히터 및 정전척 제품의 발전 경향을 살펴보면, 히터의 경우 메탈히터 위주에서, 고온에서 변형이 적고, 열전도도가 우수한 질화알루미늄(AlN) 재질로 변경이 이루어지고 있으며, 정전척도 알루미나(Al2O3)에서 열전도도 특성이 우수한 질화알루미늄(AlN)으로 재질이 변경되고 있다.
반도체 제조 공정이 200mm에서 300mm 제조공정으로의 전환과 기존라인(200mm)에서의 생산수율의 향상을 위해 대면적에서 온도 균일성이 우수한 고온용(500℃) 히터의 필요성이 부각되고 있으며, 세계 최초로 AMAT社가 정전척 기능을 가진 고온용 히터를 개발하여 전세계 반도체 Device 업체에 공급하고 있으며, Particle에 대한 해결방안을 제시하고 있다. 또한, TFT-LCD 및 OLED 제조 공정에서 화면의 빠른 응답속도에 대응하기 위한 High Quality TFT(Thin Film Transistor)의 필요성이 부각됨에 따라 넓은 유리기판의 온도 균일성이 우수한 고온용(500℃) 히터와 정전척이 빠르게 대체되고 있다.

6. 세라믹 소결 기술
질화알루미늄(AlN)은 1800~1900℃에서 소결이 이루어지며, 국내에서 당사가 12″의 대구경 Al 제조 공정 기술을 확보하고 있으며, 이를 바탕으로 AlN 정전척을 2003년 국내 최초로 개발하였다. 상온 및 고온에서 정전척 기능을 발휘하기 위한 전기적 특성이 우수한 세라믹 조성 개발이 가장 큰 핵심 기술이다.
대구경 세라믹 소결 기술을 확보함에 따라 이러한 기능성 핵심부품을 상용화하여 수입 대체 효과, 수출 향상, 장비 개발 기술 향상의 효과를 기대할 수 있다.

7. 결론 - 최근의 내수 및 세계시장의 규모
세계시장에서 반도체 및 디스플레이용 제조 공정 부품인 ESC와 Heater 부품의 시장 규모는 Dry Etch  공정용 장비 및 CVD, PVD, ALD, Diffusion 공정용 장비 시장의 성장과 더불어 2003년 5,000억원, 2004년 5,500억원, 2005년 6,050억원, 2006년 7,320억원으로 매년 10% 이상의 시장 성장률을 기록하고 있다.
한편 반도체와 LCD, OLED 제조 공정에서 ESC  기능이 없는 Heater 부품을 사용하는 기술에서 ESC  기능을 갖는 Heater 부품을 사용하는 방향으로 기술적 변화가 이루어지고 있는데, 이는 식각 및 박막 균일도를 향상시켜 제품의 Yield를 올리고, 공정 시간을 줄여 생산량을 증가시키며 장비 유지 비용을 절감시키는 역할을 기대하기 때문이다. 세계 시장은 산업자원부 2003년 12월 발간된 ‘산업기술혁신 5개년 계획’ 산업별 보고서에 따르면, 반도체 장비용 Hea
ter의 경우 한 Set 당 1억원의 높은 부가가치와 함께 수명 2년의 내구 소모품으로, 2002년 기준 년 1,500억원을 추산하고 있으며, 정전척의 세계 시장 규모는 연간 5천억원 및 히터의 경우는 3천억으로 추산되고 있다. 국내시장의 경우, 정전척 500억, 히터 300억으로 추정되며 300mm Wafer까지 가세하면 그 수요는 상당히 많이 늘어나게 될 것이며 현재는 300mm Wafer 공정용 Fab.이 삼성전자(주)와 Hynix(주)를 중심으로 활발히 증설되고 있다.

사진. AIN ESC

필자약력
·인하대 졸업
·(구)LG반도체, ETCH공정/장비 엔지니어
·하이닉스반도체 청주공장 ETCH 장비 업무
·코미코 기술연구소 ESC/HEATER 연구 개발