반도체·LCD용 구조세라믹 제품의 연구개발 및 시장동향

반도체용 구조세라믹의 연구개발 및 시장동향

한 선 구 쿠어스텍코리아(주) 이사

근래 들어 반도체용 구조세라믹의 그 역할과 활용방안은 다각도로 모색되고, 그 특성을 이용하기 위한 여러 노력들이 실제로 반도체 제조 라인을 위주로 이루어지고 있다. 또한 치열한 반도체 칩의 단가 경쟁 구도 하에 각 생산업체의 생산성 향상을 모티브로 한 노력에 상응하기 위하여 국내의 여러 반도체용 구조세라믹 생산업체들과 더불어 일정분야에서 국내보다 우수한 기술을 보유한 외국 업체들이 함께 경쟁하며 발전하고 있다.
반도체용 구조세라믹은 도자기, 유리, 시멘트 등의 종래의 요업제품과는 구별되는 Fine세라믹으로 통칭될 수 있다. 이는 전자와 비교하여 파우더 선별작업부터 시작해서 제품 기능을 최대한 발휘할 수 있도록 치밀하게 온도가 제어되는 소성로에서 수일간 소성 과정을 거쳐 제작되게 되는데 이는 기존 요업제품에 비하여 원자간 결합력이 강하기 때문에 열팽창 계수가 작고 급열, 급랭에 견딜 수 있으며 더욱 높은 온도에서도 사용 가능하다. 산화물 세라믹(Al2O3, ZrO2)이 아직 반도체용 세라믹 소재의 주를 이루는 가운데 최근에는 천연에 없는 AlN, SiC, BN 나 Si3N4를 원료로 하는 것과 전기적인 특수한 성질을 가지고 있는 제품도 개발되었다.
현재 각 반도체 생산 공정에 적용되고 있는 세라믹의 각 소재적 특성과 이를 통한 각 업계의 수율 향상의 노력을 통해 점진적으로 발전되고 있는 국내 반도체용 구조세라믹의 시장동향에 대해 알아보려고 한다.

1. 반도체용 구조세라믹의 소재 특성
가. Alumina
반도체용 구조세라믹의 80% 이상을 차지하고 있는 소재로서 아직까지 상용성을 관점으로 이보다 더 많은 활용성을 기초로 일반 산업체용과 같이 대체할만한 세라믹 소재는 없어 보인다. 파우더 분말자체에 대하여 타 소재와 비교하여 대량 확보가 가능하고, 세라믹의 기본적 성질인 내 화학성 및 우수한 절연적 특성 등을 보유하여 반도체 장비 내에서 세라믹 소재에 필요로 하는 기본적 물성치를 만족하고 있다. 이는 장비 내에서 직접적으로 플라즈마에 노출되어 사용하는 환경 속에서도 타 소재에 비하여 긴 사용주기를 가지며, 특히 파티클(먼지) 발생을 적게 제어할 수 있는 등 여러 측면에서 가장 우수하고 비교적 다른 세라믹 소재보다 저렴한 가격으로 보편적인 소재로 인식되고 있다. 또한 알루미나 소재는 비록 경도가 높으나 기계 가공에 대한 업계 기술 향상이 지속적으로 이루어져, 현재는 복잡한 형상의 기계 가공이 가능한 우수한 가공성을 지닌 소재로 인식되게 되었다. 실제로 반도체 분야에서 세라믹을 일컫는다면 통상적으로 알루미나 세라믹을 통칭하는 것일 정도이다.
하지만, 이러한 기본적 성질이 우수함에도 반도체의 고집적 기술 개발의 필요성에 따라 좀더 나은 소재 특성을 실현하기 위하여 새로운 조합을 통한 다양한 알루미나 소재의 개발이 시도되고 있으며, 실제로 현재 반도체 산업에 다양하게 적용되고 있다.
Micro-structure의 크기를 제어한다던가 일부 함량의 성분비를 변형하는 방법으로 고객이 요구하는 물성치를 가진 세라믹으로 개발하고 있다.
일반적으로 반도체 장비에 적용되는 알루미나는 고순도 (99.5% 이상)이지만 이를 더욱 세분화시키고 기술적으로 Sodium 함량을 조정하는 등을 통하여 보다 뛰어난 기능을 가진 재질의 사용이 늘어나고 있다. 일례로 최근 쿠어스텍에서 개발된 순도 99.8%의 소재는 기존 제품보다 강한 Plasma 환경에서 파티클 발생을 최소화하고 제품 식각을 최대한으로 줄여 실제 제품 사용기간을 약 2배 정도 연장 시킬 수 있는 것으로 실험되었다.
이와는 반대로 간혹 낮은 순도의 제품이 실제 반도체 공정에 사용되고 있는데, 이는 96% 정도의 순도를 가진 소성된 세라믹 제품을 또 한번의 소성(Co-firing)을 거치게 되면 유기, 무기 접착제의 사용없이 완전 접착되는 기술이 시도된다. Vacuum을 이용하여 Wafer를 흡착한 후 이동시키는 파트가 고온에 노출될 때 Bond를 사용하지 않아서 고온에서 사용이 가능한 장점을 이용하고 또한 제품 내부에 긴 Vacuum Line을 형성해야 할 때 사용된다.
절연체인 알루미나 세라믹의 조성을 인위적으로 변화시켜 특수한 전기적 성질(ESD Cearmics, Titan or metal dopped)을 띄게 하는 제품도 있다. 이는 웨이퍼를 얹어서 이동시키는 Blade 제품의 경우 간혹 웨이퍼와 세라믹 제품간의 정전기현상이 발생으로 인한 일시적으로 달라붙는 현상을 미연에 방지하게 된다.
나. Zirconia
지르코니아 세라믹은 MgO 부분 안정화 지르코니아와 Y2O3 부분 안정화 지르코니아등이 있으며 이는 Alumina에 비하여 약 1.5배의 밀도를 가지는 소재이다. 지르코니아 세라믹 특징은 그로 인해 구현된 제품의 강도 및 경도 등의 물리적 특성이 우수하여 일반 산업체용으로 많이 사용되는 세라믹이지만 최근에는 그러한 물리적 특성 이외에 알루미나 세라믹과 비교하여 구분되는 특성, 예를 들면 15배나 낮은 열전도도나 높은 열 충격 저항성을 이용하여 그 효용성이 차츰 모색되고 시도되어지고 있다. 급격한 온도 변화에 견딜 수 있으므로 급열과 급랭이 반복되어 이루어지는 반도체 제조 공정부분에서 그 활용도가 커질 수 있을 것으로 기대된다.
지르코니아 소재의 대부분은 일반적으로 높은 경도로 인해 제품 가공시간 소요가 늘어나는 부분이 있으나 알루미나 세라믹과 비교하여 비슷한 정도의 정밀 가공이 가능하여 반도체부품으로 활용되기에 치수나 형상으로 인한 제약은 없다.
다. SiC
SiC는 반도체 제조 공정에 필요한 특성(고강도ㆍ내열충격성ㆍ열전도성 등)을 두루 갖춘 재료로, 반도체 웨이퍼 크기가 200mm에서 300mm로 전환되면서 장비를 구성하는 세라믹 재료 중 절연특성을 필요치 않은 부품으로 주목 받고 있다. 또한 기존 반도체 웨이퍼 캐리어로 사용됐던 쿼츠 등을 향후 세라믹이 대체할 것으로 예상되어 LCD 유리기판 및 반도체 웨이퍼 대형화에 따라 앞으로 SiC 세라믹의 사용은 더욱 증가할 전망이다.
그중 SiC 제품의 표면에 CVD 코팅을 하여 제작하는 CVD-SiC 제품은 CH3SiCl3 → SiC solid + 3HCl gas와 같은 화학적 반응에 의하여 제조되며, 99.9995%의 고순도를 가진다. 또한 입자 경계면에 이질 입자면이 존재하지 않을 정도의 치밀한 밀도 (Full Density)를 가지게 된다. 이와 같은 요소로 인한 제품특성은 높은 강도와 경도 (High Strength, Stiffness & Hardness)를 가진다. 또한 고온(급열, 급냉)과 Corrosive process에서 안정하고 인위적으로 빛을 투과량을 조절할 수도 있어 반도체 공정 중 꼭 필요로 하는 소재이며, 이 소재는 Polishing 연마에 있어서 극도로 유리하므로 광학자재(Optical applica
tions)로도 주로 활용되고 있다. 최근에는 CVD-SiC 소재의 특성을 조절하여 특정 온도에 대하여 Resistivity를 제어할 수 있도록 개발되어 상용화되기도 하였다. 이외에도 Reaction Bonded SiC, Directed Sintered SiC 등 여러 가지 제조 방법에 따라 그 특성이 나뉘어지는데 이 또한 다른 일반소재에 비하여 높은 경도와 낮은 열적 변형률을 보인다.
이러한 소재 특성은 PHOTO공정에서 사용되는 STEPPER CHUCK과 같이 아주 정밀한 제품 공차 (평면도)를 가진 제품이 온도에 의해, 혹은 물리적인 요인들에 의해 제품치수가 흐트러지는 것을 방지하기 위하여 사용되어진다.
라. 기타
이외에도 다양한 소재의 세라믹 제품들이 이미 많은 반도체 공정에서 사용되고 시험되고 있다. BN 소재는 고온 윤활성을 이용한 로내의 Roller나 구조물로 유용하게 사용되고 있으며, AlN 소재의 경우 열 충격 저항성 혹은 열전달성이 높아 이러한 특성을 필요로 하는 제품에 사용되고 있으나, 소재수급이나 그 비용은 이미 보편화되어 있는 파트에 비해 경쟁력을 가지고 있지 못하다. Si3N4는 급격한 온도상승에 견딜 수 있으며, 고온에서도 높은 강도를 유지할 수 있다. 이밖에도 반도체 산업의 지속적 성장 속에서 여러가지 특성을 지닌 세라믹 소재들은 계속적으로 요구되고 있으며 우수한 상업성을 가진 소재들은 점차적으로 그 비중을 높이고 있다.
최근에는 Ceramic(Alumina) body 혹은 Alumin
umbody에 Yttria coating을 하여 제품의 수명연장 및 파티클 문제를 해결하는 기술이 소개되고 적용이 늘어나고 있다.

2. 반도체용 구조세라믹의 활용 현황
가. BLADE & VACUUM ARM
각 공정 내에서 WAFER CARRIER 역할을 하는 파트이다. 웨이퍼를 실제적으로 얹고 움직이는 파트를 흔히 BLADE라고 통칭하며, 진공 압력을 주어 웨이퍼를 흡착시켜 이동시키는 방식의 파트를 ARM이라고 한다. 이러한 파트들은 알루미늄으로 제작되어 사용되기도 하나, 고온에서 사용됨으로 인해 발생하는 휨 문제를 해결하고, 장비 오작동 시 파트자체가 깨져 다른 피해를 막을 수 있는 세라믹을 사용하는 것이 현재의 추세이다.
나. RINGS
대부분의 RING 형상을 가진 제품들은 내경의 치수에 따라 어떤 크기의 웨이퍼에 사용될지 구분이 된다. 그러므로 6″, 8″ 혹은 12″ 용의 각각의 CERAMIC RING제품들은 그 웨이퍼 치수의 내경을 갖게 된다. 이러한 RING제품들은 ETCH 공정, CVD공정에 주로 사용되며, 웨이퍼 EDGE SIDE를 클램핑 해주거나 정전 척에 결합되어 절연기능의 재료로서 사용되어진다. 이러한 제품들은 PLASMA에 직접적으로 노출되며 화학적 안정성을 필요로 하기 때문에 각 공정에서 우수한 성능으로 반도체 산업에 이바지하고 있다.
다. CERAMIC DOME
형태는 돔 구장의 지붕과 같은 형상으로 ETCH 공정과 CVD 공정의 챔버에 장착되어 PLASMA에 직접적으로 노출되어 사용된다. 제품 자체의 크기 형상 구현의 어려움 및 높은 정밀도가 요구되는 점 때문에 이와 같은 형상의 제품을 생산할 수 있는 회사는 전 세계적으로 몇 군데 되지 않는다.
라. STEPPER CHUCK
반도체 PHOTO 공정에서 각 단위 Chip마다 정렬 및 노광을 실시하며 정교한 현상화가 필요한 스테퍼 장비에서 WAFER를 매우 정밀한 평탄도로 잡아주는 역할로 사용된다. 이는 재질의 온도 변화에 의한 열적 변형률이 매우 적어야 하며, 제품은 High Stiffness를 가져야 한다. 이와 같은 특성에 맞추기 위하여 Silicon Carbide, Al2O3-TiC 등의 재질로 제작되고 있다.

3. 반도체용 구조세라믹의 시장 전망
지난해 수출액 300억 달러를 넘긴 수출 효자 품목인 반도체의 수출 전망은 올해도 비교적 밝은 편이다. 지난해 대비 올해 수출 증가 예상 폭은 연구기관에 따라 8.9%(삼성경제연구소)에서 17%(무역협회 무역연구소)까지 다양하지만, 두 자릿수 성장을 내다보는 곳이 많다. 최근 들어 디지털 TV와 MP3가 주도하는 메모리 반도체 시장은 그 수요가 다양해지고 확대되면서 안정적 성장세를 이어나갈 전망이다.
웨이퍼 생산량의 증가는 소모성 세라믹 파트의 소모를 증가시키며 이로 인하여 반도체 구조용 세라믹 파트의 판매가 증가할 수 있을 것으로 조심스럽게 예상된다.
최근에는 국내 유수의 반도체 칩 생산회사들이 12″ WAFER 생산량을 늘리거나 증설을 하고 있는데, 12″ 반도체 장비들 역시 8″ 장비와 마찬가지로 대부분 세라믹을 채용하고 있다. 기물이 상대적으로 커지는 12″ 용 파트 공급이 가능한 세라믹 제조 업체들이 유리한 고지를 선점할 것으로 예상된다. 하지만 웨이퍼 한 매당 더욱 많은 수량의 칩을 만들 수 있는 12″ 반도체 제조 장비는 소모성 파트의 주기당 생산량을 증가시키기 때문에 전체적인 파트 소모는 더 적어질 수 있다. 이와 더불어 국내 반도체 제조 회사들 내에서 치열하게 경쟁을 벌이는 국내 중소 세라믹 제조업체들의 과열 경쟁도 이 부분의 시장 전망을 밝게 하지는 못하고 있다. 
현재 매출 구조 및 경쟁상황에서는 무엇보다도 각 관련 공급업체들이 반도체 산업에서 세라믹의 활용 정도를 극대화 시키기 위해 각종 세라믹의 재질 특성을 적재적소에 활용할 수 있도록 제안하고 실현하는 것이 새로이 모색되어야 할 반도체 산업에서의 구조용 세라믹 부품의 최대 활용 방안으로 보인다.

 사진1. Typical Average Grain Size Between 4 and 6 Microns ( Al2O3 99.5%)
 사진2. BLADE
 사진3. VACUUM ARM
 사진4. CERAMIC RING
 사진5. CERAMIC DOME 
 사진6. STEPPER CHUCK 8″

필자약력
·인하대 무기재료공학과
·선광세라믹스 영업부
·동아제약 세라믹스사업부
·미국 Coors Ceramic Co. 대리점
·쿠어스텍코리아 영업이사

<일부표가 생략되었음. 자세한 내용은 월간세라믹스 2월호 참조>