한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 나노재료연구본부 마호진 박사 연구팀이 부산대학교 이정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 반도체 제조 공정 중 식각장비 내부 부품의 수명을 늘리고 오염 입자를 줄이는 투명한 내플라즈마성 고엔트로피 세라믹 신 조성과 공정 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
반도체 공정 중 플라즈마 식각 공정은 미국과 일본의 소재.부품.장비가 90% 이상을 장악하고 있어 국내 산업계에서 대외의존도가 심각한 상황이다.
이번 연구성과는 지금까지 연구된 적 없는 고엔트로피 세라믹을 개발해 세계 최고 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 독자기술로 개발한 대표적 사례임과 동시에 소재 자립화를 통해 부품 국산화를 이루는 초석이 될 것으로 기대된다.
연구팀은 기존에 주로 활용한 세라믹 소재인 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3), 야그(YAG) 조성의 한계에서 벗어나 새로운 고엔트로피 세라믹 조성을 설계하고 밀도가 높은 고체 상태의 무기공 재료 소결 공정 기술을 통해 99.9% 밀도의 투명한 세라믹을 개발했다. 이는 플라즈마 내성을 요구하는 식각 공정 장비에 활용된다.
이와 함께 고엔트로피 세라믹을 구성하는 원소의 결정구조 변화를 확인하고 기공을 제어하는 기술로 가시광선과 적외선을 투과할 수 있는 투명 세라믹을 개발했다.
고엔트로피 세라믹은 일반 소재와 달리 5개 이상 원소를 혼합해 불순물을 형성하지 않고 하나의 균일한 구조를 형성하는 세라믹이다. 기존 소재 대비 높은 내열성과 우수한 내마모성, 낮은 열전도성 등 새로운 특성을 발휘하는 것으로 알려져 열차폐 재료, 촉매 및 에너지 저장 물질로 주목받고 있다.
연구팀은 지금까지 플라즈마 저항성에 대한 연구가 진행되지 않은 점에 주목하고 연구를 진행해 세계 최초로 연구개발에 성공했다.
반도체 공정에서 식각율이 낮은 소재는 오염 입자가 적고 내구성이 높다는 것을 의미한다. 연구팀이 개발한 고엔트로피 투명 세라믹은 사파이어와 비교했을 때 1.13% 수준으로 낮은 식각율을 나타냈다. 플라즈마 저항성이 우수하다고 알려진 Y2O3과 비교해도 8.25% 수준에 불과할 정도로 식각율이 낮아 뛰어난 내구성을 입증했다.
이번 연구 결과는 세라믹 재료 분야에서 세계적으로 영향력 높은 학술지 '저널 오브 어드밴스드 세라믹스'에 1월 13일자로 온라인 게재됐다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
