재료연구원, 반도체 제조장비용 세라믹 신소재 개발

그림3. 단일상 Y₂O₃와 복합재료 Y₂O₃. MgO의 전자현미경 미세구조(a,b) 및 식각 모식도(c,d) (자료제공: KIMS)

국내 연구진이 반도체 선폭 미세화의 장애물인 파티클 이슈를 해결할 수 있는 내플라즈마성 나노구조 복합세라믹 제조기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다.
한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)은 엔지니어링세라믹연구실 박영조 박사 연구팀이 ㈜미코세라믹스(대표 여문원)와 공동연구를 통해 반도체 제조장비 내부의 오염입자 저감이 기대되는 내플라즈마성 세라믹 신소재를 국내 최초로 개발했다고 지난달 3일 밝혔다.
반도체 제조 시 일반적으로 플라즈마를 이용한 식각 공정을 실시한다. 이때 실리콘 웨이퍼는 물론 장비 내부의 구성 부품도 플라즈마 조사에 노출되어 오염입자를 발생시킴으로써 칩 불량의 주요한 원인이 되고 있다.
반도체 선폭이 미세화될수록 고출력의 플라즈마 식각이 요구되기 때문에 오염입자 발생을 최소화하기 위한 내플라즈마성 신소재 개발이 절실히 요구되는 추세이다. 소재의 식각을 위해 플라즈마를 조사할 때 오염입자를 방지하기 위한 두 가지 변수는 ‘낮은 식각율’과 ‘작은 표면조도’의 유지이다.
연구팀은 이미 확보된 투명 세라믹 개발 과정에 사용된 무기공 이론밀도 치밀화 소결기술을 이트리아·마그네시아(Y₂O₃·MgO) 복합세라믹에 적용해 잔류 기공이 없는 완전 치밀체 소결을 달성해 식각률을 최소화했다.
또한, 내플라즈마성이 검증된 이트리아(Y₂O₃)와 마그네시아(MgO)를 복합해 소결과정에서의 결정립 성장을 최소화시켜 300나노미터(㎚) 수준의 미세구조를 달성함으로써 최저 표면조도의 구현을 확인했다.
반도체 산업은 우리나라가 퍼스트무버의 지위를 확보한 국가의 기간산업이다. 하지만 제조 라인의 첨단공정장비 중에는 여전히 높은 비율로 해외에 의존하는 부분이 상당수 자리한다. 이번 연구결과는 세계 최고 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 기술로 개발해 동 소재를 적용한 공정장비의 고도화를 이루고 세계시장에서의 선폭 미세화 경쟁에서 기술적 우위를 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다.
연구팀의 김하늘 선임연구원은 “이번 연구결과는 서로 다른 물질이라도 균일한 작은 크기의 결정립으로 치밀한 소재와 부품을 제조하면, 오히려 단일 물질의 소재 및 부품보다 반도체 공정장비의 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 사실을 최초로 입증하고 이를 국제적으로 인정받았다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘나노 및 소재기술 개발사업(국가핵심소재연구단)’의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 ‘Scientific Report’지에 5월 13일자로 게재됐다. 한편 관련 기술은 PCT 특허출원이 완료됐다.