한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환, 이하 재료연) 엔지니어링세라믹연구실 마호진, 박영조 박사 연구팀이 반도체 제조 장비 내부의 오염 입자를 줄이는 소재 및 기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다.

재료연은 ‘내플라즈마성 세라믹 나노복합체 신조성 및 공정 기술’ 개발했다고 22일 밝혔다. 이는 치밀한 밀도를 가진 소재를 활용해 반도체 식각 공정에서 발생하는 오염물질을 크게 줄일 수 있다.

주요 반도체 공정 중 하나가 플라즈마를 이용한 식각 공정이다. 식각 공정은 웨이퍼에 그려진 회로의 불필요한 부분을 깎아내는 과정이다. 이 과정에서 실리콘 웨이퍼는 물론, 장비의 내부 부품까지 플라즈마에 노출돼 오염 입자가 만들어진다. 오염 입자는 칩 불량의 원인이 된다. 이로 인해 장비 내부 소재의 90% 이상을 차지하는 세라믹 부품의 잦은 교체 수요가 발생하고 이는 반도체 생산성을 저해하는 주요 원인 중 하나다.

연구팀은 기존의 단일 조성 세라믹이 아닌 나노복합체를 이용해 이트리아-마그네시아(Y2O3-MgO) 소재를 10나노미터(㎚) 크기의 입자로 합성하고, 무기공 치밀체 소결 공정 기술을 통해 100% 밀도의 완전 치밀체를 제작했다. 식각율이 작을수록 우수한 소재인데, 개발된 나노복합체는 사파이어와 비교하면 6.5%, 플라즈마 저항성이 가장 우수하다고 알려진 이트리아(Y2O3)와 비교해서도 40% 정도에 불과했다.

마호진 재료연 선임연구원은 “반도체 전 공정 중 식각 공정은 미국과 일본의 장비·부품이 90% 이상을 장악하고 있으며 중국이 빠르게 추격하고 있다”며 “이번 연구성과는 세계 최고 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 기술로 개발한 대표적 사례임과 동시에 소재 자립화를 통해 부품을 국산화하는 초석이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 ‘나노 및 소재기술 개발사업(국가핵심소재연구단)’의 지원을 받아 진행됐으며, 재료연은 본 기술을 ㈜맥테크(대표이사 김병학)에 기술이전 했다. 연구 결과는 한국표준과학연구원 이효창 박사 연구팀과 공동연구를 통해, 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces, IF: 10.383)에 2022년 9월 22일자로 게재됐다.

1시간 플라즈마 식각 시 소재별 평균 식각 깊이. 초록색이 재료연이 개발한 나노복합체./재료연/

조규홍 기자 hong@knnews.co.kr