[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 마호진 박사 연구팀이 부산대 이정우 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 반도체 제조 공정 중 식각장비 내부 부품의 수명을 향상시키고 오염 입자를 줄이는 투명한 내플라즈마성 고엔트로피 세라믹 신조성과 공정 기술을 세계 최초로 개발했다고 15일 밝혔다.

세라믹은 반도체 식각장비 내부 소재에서 90% 이상을 차지하며, 이는 다른 소재보다 높은 플라즈마 저항성 때문에 가능하다. 식각공정 과정 중 사용되는 플라즈마는 장비 내부 부품과 지속적으로 반응해 부식과 오염을 유발한다. 이로 인해 반도체의 고집적화 환경에서 세라믹 부품의 교체 빈도가 증가하고 있으며 이는 반도체 생산성에 영향을 미치고 있다.

제작된 투명 내플라즈마성 고엔트로피 세라믹 사진과 결정 구조 모델 [자료=한국재료연구원] 2025.01.15 biggerthanseoul@newspim.com

연구팀은 기존의 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3), 야그(YAG) 조성의 한계를 극복하고 새로운 고엔트로피 세라믹 조성을 설계했으며, 이를 통해 무기공 치밀체 소결 공정 기술을 활용해 99.9% 밀도의 투명 세라믹을 개발했다.

해당 세라믹은 플라즈마 저항성이 필요한 식각 장비에 적용될 수 있다.

연구팀은 고엔트로피 세라믹의 결정구조 변화를 확인하고 기공을 제어하는 기술로 가시광선과 적외선을 투과할 수 있는 투명 세라믹을 개발했다.

고엔트로피 세라믹은 5개 이상의 원소를 혼합해 불순물 없이 균일한 구조를 가진다. 이 세라믹은 높은 내열성, 우수한 내마모성 및 낮은 열전도성 등의 새로운 특성을 지니며 열차폐 재료, 촉매 및 에너지 저장 물질로 주목받고 있다. 그러나 지금까지 플라즈마 저항성에 대한 연구는 없었던 만큼, 이번 연구팀의 성과는 의미가 크다.

식각율이 낮은 소재는 오염 입자가 적고 내구성이 높다는 것을 말한다. 연구팀이 개발한 고엔트로피 투명 세라믹은 사파이어에 비해 1.13% 수준의 낮은 식각율을 기록했으며, 이트리아와 비교했을 때는 8.25% 수준으로 낮은 수치를 보인다. 이는 뛰어난 내구성을 증명한 것이다.

마호진 선임연구원은 "반도체 공정 중 플라즈마 식각 공정은 미국과 일본의 소재·부품·장비가 90% 이상을 차지하고 있어 국내 산업계의 대외의존도가 심각하다"며 "이번 연구 성과는 고엔트로피 세라믹을 개발해 세계 수준의 내플라즈마성 소재를 국내 기술로 개발한 사례로, 소재 자립화를 통한 부품 국산화의 초석이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

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