Ceramic & Advanced Material News 한다 고 말했다. 권 교수팀은 이 소재로 LED 를 대체할 수 있는 제품을 만드는 것을 1차 목 표로 연구를 진행 중이다. 한국도자기, 경영난 타파 노력 국내 1위 도자기 제조업체인 한국

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1 Ceramic & Advanced Material News 한국세라믹연합회, 세라믹산업 자격설계 보완 한국세라믹연합회(회장 신재수)가 세라믹 산 업 분야 국가직무능력(NCS) 및 신직업자격 보완 을 진행한다. 지난달 25일, 한국세라믹 연합회는 세라믹 관련 전문가 10여 명과 함 께 사업 세부계획에 대해 논의했다. 연합회는 현재 국가직무능력 표준분야 단위에서 빠져 있는 유리가공제품제조, 시멘트가공제품제 조, 축로 분야를 추가하기로 했다. 한국세 라믹연합회 이준영 전무는 판유리가공품, 시 멘트 제조 종사자 수가 전통세라믹 산업 종사 자의 30%이상을 차지하고 있지만 이 산업에 관련된 직무 능력단위가 마련되지 않은 상태 였다 며 이번 보완을 통해 판유리가공품, 시 멘트 제조 종사자들도 세라믹 자격을 갖출 수 있게 될 것이라 본다 고 전했다. 이외에 연합 회는 국가직무능력의 종목별 능력단위를 실 정에 맞게 분할하고, 정비할 예정이다. 신직 업자격명도 실제 산업의 수요에 맞게 보완해 실질적으로 활용할 수 있는 자격으로 만든다 는 계획이다. 이 전무는 변화하는 산업현장 의 상황 기술변화 등에 맞게 자격이 보완될 수 있도록 노력하겠다 고 밝혔다. 한국도자문화협회, 2016년도 이사회 및 정기총회 개최 한국도자문화협회(회장 오유근)가 지난달 11 일, 세라믹회관에서 올해 이사회 및 정기총 회 를 개최했다. 제26회를 맞이한 이번 정기 총회엔 오유근 회장, 부회장을 맡고 있는 한 상목, 강원호 명예교수, 고문을 맡고 있는 신 세라믹 신재수 회장, 이삼평 14대손 이종 태 회장 등이 참석하였고, 이외에 자문위원, 이사 감사를 포함해 약 20여 명이 출석했다. 이 자리에서 오유근 회장은 협회 발전을 도 모하기 위해, 올해는 도자 관련 여러 단체와 활발하게 교류하며 신입회원 영입에 최선을 다하겠다 고 개회사를 전했다. 한국도자문화협회 정기총회 심의 안건으론 2015년도 사업보고 및 결산서보고서, 잉여 금처분(안)승인의 건, 2016년도 사업계획 및 예산서 심의의결 건, 2016년도 임원 추 가 선임 건 이 심의되었다. 작년에 협회는 이 삼평기념비 이전 논의, 일본 이삼평도조제 참관 및 도자문화 유적지 현지 답사 등의 사 업을 진행했다. 이날 전반적인 사업보고를 박 원숙 사무국장은 작년에 한국도자문화협회 홈페이지( 또한 개설되 어, 협회와 소통을 할 수 있는 창구가 마련되 었다 고 밝혔다. 올해 사업으로는 홈페이지 운영 및 관리, 2016 한국국제세라믹 산업 전 참가 지원, 일본 이삼평도조제 참관 및 사 업시찰, 도자 관련 세미나 및 심포지엄 공동 추진 등이 발표되었다. 임원 추가 선임의 건 에선 윤광호 전 대림요업 공장장을 고문으로, 이철태 단국대 교수를 부회장으로, 김형수 한 국도자학회 회장을 학술이사, 이종태 이삼평 연구회 회장을 홍보이사로 선임하는 건이 발 의되어 가결되었다. 부경대 권한상 교수팀 에너지 변환 나노복합재료 발견 부경대 신소재시스템공학과 권한상 교수팀이 에너지를 자유자재로 변환시켜 주는 신소재 를 발견했다. 권 교수팀이 개발한 신소재는 FGM(경사기능재료 functionally graded material)의 한 종류다. 이 FGM은 철, 세라 믹, 알루미늄, 플라스틱 같은 원료의 양을 서 로 다르게 혼합하여 특별한 기능을 구현할 수 있게 한 복합재료다. 권 교수팀은 전도성의 금속과 비전도성의 세라믹이라는 전혀 다른 성질의 이종( 異 種 ) 재료들을 각각 함유량을 달리하면서 수만 번의 혼합실험 끝에 에너지 변환 나노복합재료를 찾아냈다. 이 연구결과 는 에너지 변환 경사기능 금속 - 세라믹 나노 복합재료 연구 라는 제목으로 세계적 과학저 널인 네이처 자매지 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 최근호에 실렸다. 이 연구에는 권 교수와 함께 미래창조과학부 제 94호 연구소기업인 차세대소재연구소의 책임연구원 박재홍 박사 등이 참여했다. 권 교수는 이번 연구결과는 빛과 전기를 자유자 재로 변환시켜 산출하고, 특정한 빛을 다른 형태로 변형시킬 수 있는 소재개발의 가능성 을 처음으로 제시한 것 이라고 말했다. 그는 이 기술이 상용화되면 일상생활에 쓰이는 형 광등, 발광다이오드(LED) 등 광원들을 대체 할 수 있어 그 파급력이 매우 클 것으로 생각 46 ceramic korea

2 Ceramic & Advanced Material News 한다 고 말했다. 권 교수팀은 이 소재로 LED 를 대체할 수 있는 제품을 만드는 것을 1차 목 표로 연구를 진행 중이다. 한국도자기, 경영난 타파 노력 국내 1위 도자기 제조업체인 한국도자기가 해외시장 확대와 명품 식기 수입, 새로운 브 랜드 사업 진출 등을 통해 위기 돌파에 나섰 다. 한국도자기가( 家 ) 장남인 김영신 한국도 자기 사장을 비롯해 둘째 김영목 한국도자기 리빙 사장, 막내 김영은 한국도자기특판 사장 이 함께 노력한다. 한국도자기는 지난해 청주 공장 가동을 40여 일간 중단하는 등 어려움 을 겪어왔다. 한국도자기는 최근 영국 스틸라 이트그룹에 자사 최고급 브랜드인 프라우나 와 백지(하얀 도자기) 등을 300만달러(약 35 억6200만원)어치 수출계약을 진행했다. 스 틸라이트는 세계 3대 도자기회사 중 하나로, 명품 식기로 유명한 로열크라운더비 등의 브 랜드를 보유하고 있다. 국내 도자기 제조업체 가 해외 B2B 시장에 진출하는 것은 처음이다. 한국도자기는 스틸라이트를 통해 한국에 진 출한 외국계 호텔 등 국내 B2B 시장에도 역 ( 逆 )진출할 것으로 기대하고 있다. 국내 B2B 그릇시장은 연간 5000억원 규모로 일반 도 자기시장(3000억원)보다 크다. 유럽 일본 등 외국산 제품이 시장의 70%가량을 점유하고 있다. 동시에 스틸라이트의 최고급 식기를 수 입해 판매를 진행한다. 그동안 본차이나 제조 만 했던 한국도자기가 해외 브랜드를 들여오 는 것은 이번이 처음이다. 김 사장은 다양한 소비자를 끌어안기 위해선 제품 다각화가 필 요하다고 판단했다 고 설명했다. 협업도 확대한다. 73년 된 한국도자기를 젊 은 회사 로 탈바꿈하기 위해 예술인과 손잡 았다. 1호 매장이 있는 서울 연희동 인근에 작업실이 있는 신진 작가 20여명에게 매장 을 빌려줘 작품을 판매할 수 있도록 할 계획 이다. 연희동 프로젝트 로 이름 붙인 이 협업 은 김영은 한국도자기특판 사장이 이끈다. 김 영목 한국도자기리빙 사장은 다음달 패브릭 (천)과 도자기를 결합해 만든 새로운 리빙 브 랜드를 선보인다. 김영목 사장은 전공인 도예 를 사업에 활용할 계획이다. KAIST, 안정된 상태로 유지 가능한 단일원자 백금 촉매 개발 상온에서 1년 이상 안 정된 상태로 유지 가능 한 단일 원자 백금 촉 매가 개발됐다. 연료 전지 기술에 적용할 경 우 과산화수소 생산도 가능할 전망이다. KAIST는 최민기 생명화학 공학과 교수와 김형준 EEWS 대학원 교수 연 구팀이 공동으로 1년 이상 단일원자 형태가 유지되는 백금 촉매 개발에 성공했다고 밝혔 다. 연구진은 이번 연구에 금속과 강하게 결 합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이 트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성한 결과 이 물질 에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태 로 백금을 안정화시키는 것을 발견했다. 연구 진은 연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다 며 기존 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 연구팀이 개발한 촉매 는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분 촉매 가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다 고 설명했다. 연구진은 일반적인 단일 원자 백금 촉매를 수소와 산소를 이용해 연료전지 기술 에 적용할 경우 대부분 물이 형성되지만, 이 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과 산화수소(H 2O 2)가 95% 이상 만들어져 저렴 한 과산화수소 생산까지 기대했다. 백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 쓴다. 백금 촉매 입 자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이 뤄지고 있다. 고가 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해서다. 그동 안 과학계에서는 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(0.1nm 수준)를 개발 했으나 안정성이 떨어져 특정 금속산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 했 다. 그러나 이마저도 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이었다. 탄소 소재는 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점 을 갖고 있지만 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시 키기는 어려웠다. 최민기 교수는 다른 단일 원자 촉매군에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것 으 로 기대했다. 김형준 교수는 양자역학 시뮬 레이션을 이용해 단일 원자 백금 촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등 의 원인을 밝혔다 고 말했다. 연구 결과는 네 이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 3월 8일자 온라인 판에 게재됐다. April

3 Ceramic & Advanced Material News 전북대, 2000 견디는 세라믹 코팅기술 개발 전북대 고온 플라스마 응용연구센터의 문세 연 교수팀이 2000 이상의 고온에서도 견 딜 수 있는 세라믹 코 팅기술을 개발했다. 문 교수는 이번 기술은 기존 방법보다 비용 이 적게 들고 비교적 쉽게 적용할 수 있어서 첨단 우주항공산업 발전에 큰 역할을 할 수 있을 것 이라고 말했다. 이 기술은 고온에 잘 견디는 하프늄카바이드 분말을 플라스마에 직접 투입하는 진공 플라스마 용사코팅 방 법을 활용한 것이다. 탄소복합재 등에 수백 마이크로미터 두께의 균일한 하프늄카바이드 보호층을 코팅해 고온에 견딜 수 있게 했다. 실험 결과 2000도 이상의 고온에서도 탄소복 합재를 완벽하게 보호하며 안정성을 입증했 다고 연구진은 밝혔다. 이 기술은 고온을 견 뎌내야 하는 우주선 등의 우주항공 분야와 발 전소 터빈 블레이드, 원자로 내벽, 자동차, 산 업기계 분야에 널리 활용될 수 있다. 연구 결 과는 세라믹 분야에서 세계 최고 수준의 저널 인 유럽 세라믹학회지(Journal of European Ceramic Society) 온라인판에 실렸다. 이번 연구는 미래창조과학부의 핵융합연구개발사 업과 우주기술개발사업의 지원을 받아 대양 산업과 공동으로 진행됐다. 한국지질자원연구원, 탄소광물화 적정기술 사업단 가동 탄소광물화 적정기술 사업단 이 태국서 가동 기념식을 갖고 본격 운영에 들어갔다. 한국지 질자원연구원은 태국 방콕에서 한국형 기후 변화 대응 CCUS 기술 아시아-태평양 비즈 니스 포럼 을 개최했다. 이 포럼은 8일까지 이 틀간 태국 방콕에 위치한 풀만그랜드수쿰빗 호텔에서 진행된다. 한국지질자원연구원과 녹색기술센터, 한국-태국 상공회의소가 공동 주관했다. 탄소광물화 적정기술 사업단 은 한국지질자원연구원이 유네스코, 한국-태국 상공회의소, 아시아지질자원위원회(CCOP) 가 협력하고 있는 개도국 대상 기후변화 대응 적정기술 확산 사업을 펼친다. 사업단은 지질 자원연과 한일시멘트가 보유한 한국형 기후 변화대응 탄소광물화 원천기술인 저탄소 그 린시멘트 기술과 CO₂ 활용, 폐지 재활용 기 술을 상용화할 계획이다. 지자연은 발전소, 시멘트, 제지산업에서 발생하는 13% 이하 저농도 CO₂를 직접 활용할 수 있는 세계 최 고 수준 원천기술을 확보하고 있다. 발전소 등에서 배출한 산업부산물을 활용해 저탄소- 고기능성 시멘트를 만드는 기술도 보유 중이 다. 이 기술은 지난 2012년 실증화에 성공했 다. 석탄화력발전 의존도가 높은 개발도상국 형 적정기술로 각광받고 있다. 제지공장에서 발생되는 이산화탄소를 직접 활용해 폐지를 고급용지로 재활용하는 기술도 실증화에 성 공했다. 사업단은 이 기술 국내외 상용화를 위해 UNFCC 기술메커니즘 이행기구인 기후 기술센터-네트워크(CTCN)을 활용해 개도국 수요 맞춤형 적정기술(생활쓰레기, 물 부족, 화장실 용수, 녹조 문제 해결 등)과 함께 패키 지화해 아시아-태평양 지역 개도국에 기술 이전한다는 계획이다. CTCN(Climate Technology Centre and Network)은 유엔기 후변화협약(UNFCC)에 따라 선진국과 개도 국 간 기술협력 지원을 위해 설립된 기술메커 니즘 이행기구다. 개도국에 온실가스 감축 기 술 이전을 하기 위해 2013년 설립된 국제기 구다. 개도국 온실가스 감축 관련 사업요청을 접수받고 관리하는 기후기술센터(CTC) 와 실제 사업을 수행하는 전문기관(Network) 으로 구성돼 있다. 안지환 사업단장은 주민 과 학생이 직접 수거한 폐지를 CO 2 마일리지 화해 도서구매 등에 활용할 수 있는 카본머니 (Carbon-Money) 시스템 구축과 IT를 융합 한 폐지 수거자판기 보급 등 세계시민교육 관 련 사업을 국내에 시범 적용 후 개도국 기술 지원을 통해 확대, 적용해 나갈 예정 이라고 말했다. 김규한 한국지질자원연구원장은 저 성장 늪에 빠진 세계 경제에 기후협약에 따른 온실가스 감축 행동은 부담이 아닌 새로운 기 회 라며 가능성이 무궁무진한 탄소광물화 시 장을 선점하기 위해 독보적인 세계 최고 기술 을 바탕으로 국내 기술 및 산업의 개도국 진 출을 위한 체계적인 기반을 조성해 나갈 것 이라고 밝혔다. 이 포럼에는 빌 게이츠의 빌 앤드멜린다게이츠재단에서 주최한 화장실 재발명 대회(Reinvent the Toilet Challenge) 에서 태양광을 이용해 물을 재생해 사용 하는 기술로 최고상을 수상한 미국 캘리포니 아공과대학 마이클 호프만 교수를 비롯한 하 버드대학, 일본 도쿄대학, 호주 퀸즐랜드대학 등 사업단 협력기관 인사가 참석해 기후변화 선진기술을 소개했다. 태국 지방정부 대표단 을 비롯한 동남아시아 각계 관계자도 참석해 기후변화 해결을 위한 정부, 산업계, 학계 노 력을 소개하고, 국제 협력체계 구축 방안을 논의했다. 지질자원연과 녹색기술센터, 한- 48 ceramic korea

4 Ceramic & Advanced Material News 태 상공회의소 간에 기후변화대응 기술의 지 속가능한 산학연 국제협력 네트워크 구축을 위한 양해각서(MOU) 교환도 이루어졌다. 세 기관은 한국형 기후변화대응 기술의 개도국 이전 협력을 강화할 계획이다. 재료연구소, 바이오세라믹 3D프린팅 기술 이전 재료연구소는 바이오알파(대표이사 유현 승)에 맞춤형 의료기기 제조를 위한 바이오 세라믹 3D프린팅 공정 기술을 이전했다고 지 난달 8일 발표했다. 재료연구소 김해두 소장 과 연구책임자인 윤희숙 박사, 바이오알파 유현승 대표이사 등이 참석한 가운데 연구소 본관 대회의실에서 기술 이전 조인식을 가졌 다. 이전된 기술은 윤희숙 박사팀이 국내 최 초로 개발한 것으로 다양한 세라믹 소재를 3D 프린팅 할 수 있는 공정기술이다. 바이 오알파는 이전 받은 기술을 토대로 그동안 형 상 가공이 어려워 세라믹 골대체재를 적용하 지 못했던 턱뼈, 안면골, 두개골 결손 부위에 끼울 수 있는 환자 맞춤형 세라믹 골대체재를 상용화할 계획이다. 바이오알파는 국내 합 성 골대체재 전문 기업으로 뼈와 직접 결합하 는 고강도 생체 활성 세라믹 원천소재(BGS- 7)를 개발해 수년간의 임상시험 끝에 척추 추 간판(척추뼈 사이에 존재하는 원반 형태의 구 조물) 대체 의료기기를 제조, 식약처의 허가 를 받아 시판 중이다. 윤희숙 박사는 바이오 세라믹을 이용해 3D프린팅 기술로 제작된 의 료기기는 정형화된 기존 이식물과 달리 환자 의 수술부위 형상, 곡률 및 사이즈 등을 고려 해 제작할 수 있다 며 수술 시간과 회복시기 를 단축시키고 심미적 만족도를 향상시키는 등 긍정적인 효과가 많다 고 말했다. 연대 김현재 교수, 차세대 플렉시블 디스플레이용 공정기술 개발 김현재 연세대 전기전 자과 교수 연구팀이 동 시적 자외선-열처리 와 고압 열처리를 이용 해 저온에서 산화물 박 막 트랜지스터를 제조 하는 데 성공했다. 진공 공정으로 제작된 인 듐-갈륨-징크 산화물(InGaZnO) 박막 트랜 지스터는 모니터, OLED TV, 애플 아이패드 등 여러 제품에 광범위하게 적용되고 있다. 하지만 InGaZnO 박막 트랜지스터는 300 이상 고온 열처리 과정을 진행해야 본래 반도 체 특성을 가지므로 녹는점이 낮은 다양한 유 연 기판에 적용하기 어렵다. 연구팀은 고온 열처리 대신 동시적 자외선-열처리와 고압 열처리를 가해 각각 150 와 100 에서 InGaZnO 박막 트랜지스터를 제작했다. 자외 선 에너지와 기체 운동 에너지가 각각 InGaZnO 박막이 활성화되기 위한 에너지원 역할을 하는 것을 확인했다. 이렇게 제작한 InGaZnO 박막 트랜지스터는 기존 300 에 서 제작한 것보다 전기적 특성이 우수하고 신 뢰성이 높은 것으로 나타났다. 연구 책임자인 김현재 교수는 이번 연구에서 사용한 저온 공정 기술로 산화물 박막 트랜지스터를 다양 한 유연 기판 위에 직접 제작할 수 있고 차세 대 유연 전자 소자를 개발하는 데 응용 가치 가 매우 높다 고 설명했다. 또 이번 연구 결 과를 기반으로 다양한 유연 기판에 적용함으 로써 향후 유연 전자 소자 시장에서 가격 경 쟁력을 확보할 수 있다 고 내다봤다. 미코, SOFC 글로벌 시장 진출 기대감 높다 SOFC(고체산화물연료전지) 개발 기업 미코 가 지난달 도쿄에서 개최된 신재생&스마트 에너지 전시회 SOFC 시스템 부문으로 참가 했다. 미코 관계자는 이번 전시회 참가 목적 은 글로벌 네트워킹 기반 구축 이라면서 시 장 반응이 긍정적인 만큼 글로벌 진출에 대한 기대감이 높다 고 밝혔다. 미코는 SOFC 원 자재인 스텍(STACK)을 국내 기술로 완성했 다. 2KW 시스템은 필드테스트가 완료돼 상용 화 단계에 있고 5KW도 상용화 준비 중에 있 다. 미코 관계자는 어제 하루만 두바이, 네 덜란드, 미국, 홍콩 등 다양한 기업이 부스를 찾아 관심을 표했다 면서 분야도 선박, 항공 기, 연료전지 등으로 다양하다 고 전했다. 또 이번 전시회를 통해 기술력이 세계적인 수 준임을 확인했다 면서 해외 시장에서 경쟁 해도 SOFC 시스템이 결코 뒤지지 않는다 고 말했다. 한편 정부는 일반 가정집에 연료전지 1KW 납품 대중화를 목표로 하고 있다 년에서 2025년까지 에너지 자립성을 위해 울 릉도와 독도에 연료전지를 보급한다. 울릉도 에만 32000KW 연료전지를 지정했다. 1KW 당 1000만원 규모로 추산, 수천억에 달하는 April

5 Ceramic & Advanced Material News 시장이다. 미코 관계자는 올해 필드 테스트 진행이 완료되면 내년에는 사업화가 가능할 전망 이라며 내년부터는 본격적으로 매출을 기록할 수 있을 전망 이라고 밝혔다. KIST, 섬유형 트랜지스터 개발 실 형태의 전자섬유가 개발되면서 차세대 웨 어러블 컴퓨터 시대에 한층 다가섰다. 임정 아 한국과학기술연구 원(KIST) 광전소재연 구단 박사팀은 전자섬유를 실 형태로 만들어 엮는 기술을 개발했다. 전도성 실을 한번 코 팅하면 절연막과 반도체 막이 형성돼 실 형태 의 전계효과 트랜지스터를 구현된다. 전계효 과 트랜지스터란 반도체 내 전기전도 과정에 전자 또는 정공만 관여하는 반도체 소자를 뜻 한다. 연구진은 유기반도체와 절연체 고분자 의 혼합물 용액을 전도성 실 표면에 1회 코팅 했다. 혼합물에서 자발적으로 상분리를 일으 켜 유기반도체가 실 가장 바깥쪽 표면에 막을 형성하고 그 안쪽에는 절연체 막이 형성돼 절 연막과 반도체 이중층으로 감싸진 전도성 섬 유 구조체를 제작하는데 성공했다. 전도성 섬 유는 트랜지스터의 게이트 전극(전류를 제어 하는 금속접속자)으로 사용된다. 이후 소스 (Source)와 드레인(Drain) 전극을 반도체 층 위에 형성해 섬유형태 트랜지스터를 제작했 다. 제작된 섬유형 트랜지스터는 기존 평평한 기판에 제작됐던 유기박막 트랜지스터와 유 사한 성능을 가진다. 연구진이 개발한 절연막 과 반도체 이중층 기반 전도성 섬유 구조체는 절연막과 반도체층 계면접착성이 우수해 소 자를 3mm까지 접은 후에도 소자 성능이 80% 이상 유지된다. 섬유 표면 전체에 절연막과 반도체가 고르게 형성돼 트랜지스터 성능이 균일하게 나옴을 알 수 있었다. 전도성 실을 소스와 드레인 전극으로 사용하고 일반 면사 와 직조해 옷감 안에 트랜지스터 소자를 직접 삽입할 수 있는 전자섬유를 제작할 수 있게 됐다. 임정아 박사는 전자섬유로도 옷을 만 들 수 있는 섬유형 트랜지스터로서 기존 평면 상에 제작한 유기반도체 트랜지스터와 유사 한 특성과 성능을 구현할 수 있음을 보여준 의미 있는 결과 라며 차세대 웨어러블 컴퓨 터, 인체신호 모니터링 기능을 가지는 스마트 의류 등 한층 똑똑해진 차세대 웨어러블 제품 을 개발하는 데 응용 가능할 것 으로 기대했 다. 다만 연구는 초기단계며 상용화를 위해서 는 전극실과 계면안정성, 세탁 등 외부 자극 내구성을 향상시키기 위한 더욱 많은 연구가 필요하다고 설명했다 대구국제섬유박람회 개최 대구시와 경북도가 주최하고, 대구경북섬유 산업연합회(회장 이의열)가 주관하는 섬유소 재 전문박람회인 2016 대구국제섬유박람회 (Preview in Daegu, 이하 PID) 가 지난달 9 일부터 11일까지 사흘간 대구 엑스코에서 열 렸다. 올해로 15회를 맞는 대구국제섬유박 람회는 국내외 326개 업체가 참가해 고감 성 복합기능성 섬유, 산업용 융합 소재, 친 환경 바이오헬스 소재 등 창조적인 아이디 어로 개발된 다양한 신소재들을 선보였다. 이 번에 전시되는 주요소재로는 세계 섬유시장 을 주도하는 발열 냉감 소재를 중심으로 항 균, 소취, 정전기 방지 등 새롭게 주목되는 기 능성 소재들이 대거 전시됐다. 이밖에 니트, 천연염색, 디지털 프린팅, 텍스타일 디자인 분야의 대표 제품들도 전시돼 최근 세계적인 변화와 소재분야의 시장 트렌드를 반영했다. 특히, 이번 박람회엔 지역을 거점으로 한 섬 유 패션 브랜드의 육성을 위해 처음으로 브 랜드 홍보관 을 운영해 참가한 기업과 참관객 들의 호응을 얻었다. 패션의류, 스포츠 아웃 도어, 기능성 유니폼, 침장 등 전략 분야별 27 개사의 브랜드 제품을 전시함으로서 국내외 바이어들에게 Made in Daegu 브랜드의 우 수성을 알리는 동시에 글로컬(Glocal) 브랜 드 로서의 성장 가능성을 확인해 보는 기회가 되었다. 최근 주목받고 있는 산업용 섬유는 융합섬유 산업관 을 통해 만나볼 수 있었다. 한국섬유개발연구원, 다이텍연구원, 천연염 색재료연구소, 부산신발피혁연구원, 한국산 업용섬유협회 등 관련 연구기관과 분야별 주 요업체들의 참여로 구성됐으며, 자동차 선 박, 토목 건축, 전기 전자, 환경 에너지, 바이오헬스 등의 다양한 산업 분야에서 요구 되는 복합소재제품들을 만날 수 있었다. 행사 관계자는 40여 개 해외 유명회사 바이어들 과 국내 업체 간 섬유수출상담회를 마련하는 등 국내 업체가 실질적인 성과를 얻을 수 있 도록 향후 지원을 아끼지 않겠다 고 전했다. 포스텍 기존 리튬 배터리 대체할 연료전지 개발 지난달 7일 포스텍은 신소재공학과 최경만 교수 통합과정 김건중씨 팀이 기존 리튬 배 터리를 대체할 소형 고체산화물 연료전지를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 네이처 자매 지인 사이언티픽 리포트 3월호에 실렸다. 이 50 ceramic korea

6 Ceramic & Advanced Material News 연료전지는 고체산화 물을 전해질로 사용해 다른 연료전지보다 구 조가 간단하고 전해질 손실이나 부식 문제가 없어 3세대 연료전지 로 불린다. 연구팀은 열과 기계적 충격에 강하 고 산화, 환원 반응에 안정성이 높은 스테인리 스를 다공성 지지체로 만들고 여기에 열용량 을 최소화한 박막을 코팅해 성능과 내구성을 동시에 높였다. 활용되는 기판은 테이프캐스 팅-압착-동시소결 방식을 이용해 대형화와 상용화에도 대응할 수 있도록 했다. 이 연료전 지를 사용하면 드론을 1시간 이상 띄우는 것 은 물론 스마트폰을 1주일에 한 번만 충전해 도 될 것이라고 연구팀은 설명했다. 최 교수는 고속 구동과 고성능을 필요로 하는 이동용 전자기기뿐 아니라 차세대 자동차용 대형 연 료전지로도 개발할 수 있다 고 말했다. KIST, 내구성 효율성 높이는 연료전지 촉매 기술 개발 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사팀이 연료전지에 쓰이는 기존의 백금-전이금속 합 금 촉매에 아미드 (질소 원자와 연결된 카보 닐기를 이루는 작용기를 포함한 유기화합물) 기를 가진 고분자를 이용해 이처럼 성능과 내 구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. 연구 결과는 네이처의 자매지이자 에너지 및 나노 분야 국제 학술지인 NPG 아시아 머티 리얼즈 1월호에 실렸다. 특히 이달의 가장 많이 내려받은 논문 톱 10에도 선정됐다. 연 구진은 이번 연구 결과를 국내외에 특허 출원 한 상태다. 연료전지의 전극에는 값비싼 백금 촉매를 대 량으로 써야 한다. 하지만 그러다 보니 경제 적 효용성이 낮았고, 이 때문에 고가의 백금 사용량을 줄이면서 촉매의 산소 환원 반응 활 성을 극대화하기 위해 니켈, 코발트, 철 같은 전이금속을 백금과 합금하는 연구가 활발히 진행됐다. 다만 전이금속은 쉽게 산화되는 물 리적 특성 탓에 이론적으로 가능한 촉매 활성 을 충분히 발휘하지 못하는 단점을 안고 있 다. 또 이런 산화 현상으로 인해 내구성도 약 화됐다. 연구팀은 아미드기를 가진 고분자를 이용해 나노 촉매입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화함으로써 산소 환 원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연 료전지 촉매를 개발했다. 새로 개발된 촉매는 기존 백금계 합금보다 촉매 활성을 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능 화에 따른 안정화 효과로 내구성은 4배 정도 향상됐다. 유 박사는 유무기 하이브리드 나 노 구조 제어기술을 통해 백금계 산소 환원반 응 촉매의 치명적인 단점을 효과적으로 보완 한 연구 라며 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당기게 될 것으로 기대된다 고 말했다. 대만, 한국 반도체 웨이퍼 생산량 제치고 1위 반도체 시장조사기관 IC인사이츠 는 2015년 12월 월간 기준으로 지역별 웨이퍼 생산량을 점유율을 환산해 따져본 결과 대만(21.7%) 이 한국(20.5%)을 근소하게 제치고 1위를 차지했다고 밝혔다. 3위는 일본(17.3%)이 고 이어 북미(14.2%), 중국(9.7%), 유럽 (6.4%) 순이다. 이번 조사는 웨이퍼가 생산되는 지역별로만 집계한 것이다. 기업별로 계산하면 순위가 다 르게 매겨질 수 있다. 삼성전자 의 북미 반도 체 공장이나 SK하이닉스 의 중국 공장에서 생산되는 웨이퍼는 한국 몫이 아니라 북미와 중국내 생산량으로 잡혔다. 대만의 반도체 산 업은 TSMC를 비롯해 수탁생산을 하는 대형 파운드리 업체가 많은 점이 특징이다. 대만은 웨이퍼 생산량에서 2011년 일본을 제친 이후 4년 만에 한국마저 추월했다. 구형 200mm 웨 이퍼는 대만과 일본이 생산을 주도하고 있지 만 300mm 신형 웨이퍼는 한국이 최대 생산국 이다. 삼성전자 기흥 화성사업장, SK하이닉 스 이천 청주사업장은 신형 웨이퍼를 주력 으로 생산한다. 중국은 지난 2010년 유럽을 추월한 이후 웨이퍼 생산량을 점차 늘려 두 자릿수 비중에 근접했다. 충북 첫 연료전지 발전소 LG화학 청주공장에 건설 청주시에 따르면 지난해 11월 투자협약을 맺 은 서브원과 LG화학, 충청에너비서비스 가 총 600억 원을 투입해 컨소시엄사업으 로 진행 중이다. 서브원이 발전시설 설치와 운영을 담당하고 충청에너비서비스 가 발 전에 필요한 천연가스를 공급한다. 부지를 제 공하는 LG화학 청주공장은 연간 사용량의 약 30%에 해당하는 4만8300톤의 스팀에너지 April

7 Ceramic & Advanced Material News 를 저렴한 가격에 공급받을 예정이다. 청주공 장 내 4000m2 부지에 4기를 건설하는 발전소 의 발전용량은 10MW 규모다. 현재 용지 조성 공사를 완료하고 조만간 발전 설비 설치 공사 에 들어가 빠르면 올해 8월 중으로 완공할 예 정이다. 발전소가 완공되면 연간 8만 600MW h의 전기를 생산해 전력거래소에 판매할 계 획이다. 발전소가 가동되면 온실가스 감축과 신재생에너지 활용으로 LG화학은 기존연료 비 대비 15% 절감과 더불어 연간 4800톤의 CO 2를 절감하는 효과를 기대하고 있다. 이는 사업 기간인 20년간 약 105억 원의 경제창출 효과를 거둘 것으로 전망된다. 또 20년간 지 방세 세수확보 40억 원과 사업자 전력판매 수 익 100억 원 등의 경제유발 효과가 발생할 것 으로 청주시는 보고 있다. 청주시 관계자는 이번 연료전지 발전소는 국내 최초의 산업시 설구역 내 설치사례로 친환경 산업단지 이미 지에도 이바지할 것 이라고 말했다. 한편 현 행 법령상 연료전지 발전소는 산업단지 내 산 업시설구역으로 지정된 지역에는 투기 방지 등을 위해 임대가 제한됐으나 지난해 12월 산 업통상자원부의 규제개혁으로 사업추진이 가 능해졌다. 연료전지 발전소는 자연환경에 크 게 영향을 받는 태양광이나 풍력과 달리 1년 내내 쉬지 않고 발전할 수 있다는 장점이 있 다. 발전소 설치 공간도 1MW당 180m2로 태 양광이나 풍력보다 100분의 1 수준으로 공간 효율성이 매우 뛰어나다는 평가를 받고 있다. 차세대 유기전자 소재 적용 가능한 공정기술 개발 유연한 디스플레이, 착용형 센서 등 차세대 전 자소자의 소재로 주목받는 고성능 유기반도 체를 수십나노미터(nm=10억분의 1m) 크기 단결정으로 만들면서 동시에 수십nm 간격의 패턴으로 집적할 수 있는 기술을 국내 연구진 이 개발했다. 포항공대 화학공학과 박찬언 교 수와 영남대 화학공학부 김세현 교수 연구팀 은 고성능 유기반도체 단결정을 성장시키는 동시에 수십나노미터 수준의 미세한 패턴을 형성하는 공정기술을 개발했다고 밝혔다. 유기반도체 단결정 나노패터닝 동시 공정 설명 그림. (a)유기반도체 단결정 성장과정 (b)선형 나노구조패턴 몰드의 전자현미경 사진 (c)모세관력에 의한 유기반도 체 결정성장 모습 (d)생성된 유기반도체 단결정 전자현 미경 사진. [포항공대 제공] 유기반도체는 실리콘 같은 무기반도체와 달 리 가볍고 유연해 플렉서블 디스플레이, 전자 종이, 웨어러블 센서 등 다양한 전자소자의 소재로 사용할 수 있고 생산비용도 저렴하다. 하지만 낮은 성능과 집적기술의 한계로 아직 상용화에는 어려움이 있다. 연구팀은 액체가 좁은 관을 타고 상승하는 모 세관 현상에 착안해 유기반도체 단결정 생성 과 수십nm 수준의 패턴 형성을 동시에 만들 수 있는 공정기술을 개발했다. 하부 기판 위 에 50nm 간격의 패턴이 있는 틀(몰드)을 제작 해 모세관 형태를 만들고 여기에 유기반도체 용액을 공급하면 액체가 모세관 현상으로 몰 드로 흘러가면서 나노구조패턴이 형성된다. 이어 용매가 증발하면 결정이 성장하면서 나 노미터 단위로 정렬된 유기반도체 단결정을 얻을 수 있어 50nm의 유기반도체 단결정이 50nm 간격으로 정렬된 대면적 유기 반도체를 제작할 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 연구팀은 또 이렇게 제작된 반도체는 박막트랜지스터 성능 평가지표인 최대 전하이동도가 9.71cm2 /Vs를 기록하는 등 학계에 보고된 최고 성능 에 근접한 우수한 성능을 보였다고 설명했다. 김선국 교수, 초고이동도 2차원 나노반도체 물질 대면적 성장 기술 확보 한국연구재단은 미래부 미래유망융합기술파이 오니어 사업 등에 지원 을 받은 김선국 교수팀 (경희대학교)이 차세대 디스플레이 및 웨어러 블 소자로 활용 가능한 초고이동도 2차원 나 노판상 신성장법 개발했다고 전했다. 최근에 연구 추세로는 사람과 전자기기간의 상호작 용을 돕는 오감(시각, 촉각, 청각, 후각, 미각) 증강 전자소자 시스템 개발이 대두되고 있다. 이를 위해 전이금속 칼코겐 화합물이 제안되 고 있으나 이 물질은 낮은 이동도와 대면적 성장에 한계를 갖고 있어서 이를 극복하기 위 한 연구가 필요한 실정이었다. 김선국 교수팀은 이를 극복하고자 높은 압력 에서 MoSe 2 분말을 실리콘 웨이퍼에서 직성 장하는 단결정 성장법을 통하여 차세대 초고 이동도 박막물질인 전이금속 칼코겐 화합물 중 MoSe 2의 단결정 대면적 성장을 세계 최초 로 성공했다. 김선국 교수는 오감증강 전자 소자 구현을 위한 이번 연구를 통하여 전이금 속 칼코겐 화합물 MoSe 2 개발에 성공함으로 써 웨어러블 기기의 핵심소재의 원천기술을 확보했다 고 밝혔 다. 52 ceramic korea

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11 Special Contents Special II Ceramic korea 2016년 3월호 게재 (p62~85) 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(1) 디스플레이용 산화물 반도체 소재, 공정, 응용 기술개발 동향 황치선_ETRI 부품소재연구소 책임연구원 반도체용 세라믹 정전척/히터 연구개발 및 시장 동향 안덕원_미코기술연구소 차석연구원 외 1인 용액기반 산화물 및 Ag NWs 하이브리드 투명전극 및 플렉서블 기판 적용 현황 홍성제_전자부품연구원 디스플레이부품소재연구센터 책임연구원 Special II Ceramic korea 2016년 4월호 게재 (p57-89) 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 반도체 제조 공정용 탄화규소(SiC) 부품 소재 기술 및 산업 동향 박상환_한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 책임연구원 반도체 공정용 소재부품의 식각기구 및 최근 세라믹코팅 기술 개발 동향 이성민_한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터 책임연구원 외 1인 GaN 파워반도체 글로벌 기술개발 동향 및 시사점 문재경_한국전자통신연구원 GaN전력소자연구실 책임연구원 56 ceramic korea

12 Special ΙΙ 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 반도체 제조 공정용 탄화규소 부품 소재 기술 및 산업 동향 박 상 환_ 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 책임연구원 1. 서 론 대에는 1971년과 비교하여 107~8 증가되어 그림 1에 서 보여주는 것과 같이 소비되는 반도체 소자의 수 Si 기반 반도체 산업은 인텔의 공동 창업자 무어에 도 무어의 법칙에 따라 꾸준히 증가하고 있다. 의해 1965년에 반도체 직접회로의 성능이 18~24 지난 50여년간 이루어진 Si 기반 반도체 공정 기 개월 마다 2배로 증가한다는 무어의 법칙(Moor 술의 발전은 실리콘 웨이퍼에 생산되는 반도체 소 d law)1)에 따라 실리콘 공정 기술의 발전과 더불어 자의 직접도를 높여 반도체 소자의 크기뿐만 아니 눈부시게 성장해왔다. Si 반도체 직접회로의 성능의 라 반도체 소자 가격을 현격하게 감소시켜 현재 우 발전으로 집적화된 반도체 소자의 개수는 2000년 리가 맞고 있는 스마트폰 등 모바일 컴퓨터 시대와 그림 년~2011년 기간에 생산된 트랜지스터 생산량 변화2) April

13 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 자율 주행 차량 및 알파고와 같은 새로운 AI 산업의 출현에 크게 기여하게 되었다. 이제까지 Si 기반 반 도체 공정 기술 개발은 이론적으로 설명할 수 없는 기술 개발이 적절하게 이루어지면서 넘어야 할 기 술 장벽을 넘을 수 있었으며 아직까지 우리 세대의 산업 발전 및 신산업 창출은 Si 반도체의 기술과 함 께 하고 있다. 세계 반도체 시장은 가격 하락에 따른 세계시장 점 유율 확보를 위한 치열한 경쟁이 진행되고 있다. 그림 2에서 보여주는 것과 같이 고집적화 및 Si wafer의 그림 2. 반도체 집적도 및 적용 Si 웨이퍼 크기에 따른 트랜지스터 단가 변화3) 크기가 대형화 될수록 반도체 단가는 수백분의 일로 감소되기 때문에 세계 반도체 시장에서 가격 경쟁력 폭 감소가 꾸준하게 증가되어 2020년경에는 10nm 을 확보하기 위하여 반도체의 고집적화 기술 개발 및 이하에 이를 것으로 예측하고 있다.4) Si wafer의 대구경화 공정 기술 개발이 활발히 이루 인텔도 그림 4에서 보여주는 것과 같이 선폭 변 어지고 있다. 2009년 ITRA(International transistor 화를 2012년에 예측하였으나 현재 인텔 및 삼성은 roadmap association)에서 발표된 로드맵(그림3) 16nm급 선폭 기술을 개발하여 상용화 기술 개발 에 따르면 lithography 기술 발전에 따라 반도체 선 이 이루어지고 있으며 10nm 이하 선폭의 반도체 그림 ITRS 로드맵5) 58 ceramic korea

14 미 이루어져 있기 때문에 삼성 또는 인텔 중 누가 선두로 나설지는 모르겠지만 2020년 전에 450 Si 웨이터 적용 반도체 공정 개발 및 생산라인 구축이 시작될 것으로 생각되며, 반도체 시장 환경이 450 Si wafer 도입 시기를 결정하게 될 것으로 생각한다. 현재까지 이루어진 Si 반도체 기술의 발전은 Si 공 그림 4. 인텔사 기술 로드맵6) 정 설비 및 공정 기술 개발이 주도적인 역할을 해왔 기술을 구현하기 위해서는 새로운 lithography 기 기 때문에 대표적인 고부가가치 장치 산업으로 알 술, 식각 기술, 소재 기술 및 interconnect 기술 개 려져 있다. 또한, 반도체의 고집적화 및 반도체 Si 웨 발이 꾸준히 이루어져야 할 것으로 판단하고 있다. 이퍼의 크기가 200 에서 300 로 대형화로 추진 Si 반도체 공정에 사용되는 Si wafer의 크기는 현 됨에 따라 새롭게 개발되는 공정 설비 및 공정 기술 재 200 에서 300 로 커지고 있으나 반도체 공정 의 높은 수율 및 높은 가격 경쟁력을 달성할 수 있 에서 사용되는 Si 웨이퍼의 크기가 100 에서 200 기 위해서는 부품 소재 기술 개발이 큰 부분을 차 증가되는 소용되는 시간 보다 많이 걸리고 있다. 지하고 있다. 반도체 공정에 적용되는 Si 웨이퍼 크기 변화에 예 Si 반도체 제조공정은 개략적으로 그림 6에서 보 상보다 많은 시간이 요구되는 것은 한 번의 공정으 여주는 것과 같이 크게 Si wafer 표면에 회로 형성 로 많은 Si 반도체를 생산함으로써 그림 2에서 보여 단계(전공정) 및 마지막 제품화 단계(후공정) 2단 주는 것과 같이 반도체 생산 단가를 낮출 수 있으 계로 나눌수 있다. 특히 전공정인 반도체 회로 제 나 생산 설비를 구축하는데 많은 비용이 요구되기 조공정에서는 식각 공정, 산화공정, 이온주입공정, 때문이다. 확산공정 및 화학증착공정(CVD, chemical vapor 인텔사에서 예측한 반도체 소자 생산라인 구축에 deposition) 등 대부분 일반 재료가 견디지 못하 요구되는 비용은 그림 5에서 보여주는 것과 같이 Si 는 가혹한 환경 하에서 이루어지기 때문에 장비 웨이퍼의 크기가 200 에서 450 로 증가됨에 따 및 부품 소재의 손상/오염 및 그것으로 인하여 제 라 생산설비 구축에 요구되는 비용은 10배 이상 증 조되는 반도체 회로에 오염이 발생되기 때문에 공 가되는 것으로 나타났다. 450 Si wafer 용 반도 정 및 장비 특성에 따라 최적의 부품 소재 선정이 체 관련 공정 장비 및 부품 개발은 일정 부분이 이 요구되고 있다. Si 반도체 제조공정의 전공정 단계에서 사용되는 주요 부품들은 다음과 같이 process tube, liner tube, wafer 이송을 위한 wafer carrier, baffle 및 boat류, dummy wafer, shower head(cathode), focuss ring, edge ring, fork과 cantilever와 같 은 loading 부품, susceptor, heater등이 있다. 반 도체의 고집적화 및 반도체 공정용 Si 웨이퍼의 대 형화가 추진됨에 따라 우수한 내 화학 특성, 내열 특성, 내 플라즈마 특성, 열 기계적 특성 및 고순도 와 같은 물리적 특성 등이 요구되기 때문에 반도 체 공정 장비 부품 소재로 세라믹스 재료의 적용 그림 5. 반도체 공정에 사용되는 Si 웨이퍼 크기 변화에 따라 요구되는 생산설비 구축에 요구되는 비용6) 이 많이 이루어지고 있다. April

15 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 그림 6. Si 기반 반도체 공정 개략도7) 반도체 공정에서 사용되고 있는 부품의 주요 소 온공정 및 고밀도 플라즈마 환경 하에서 사용되는 재로 공정에서 요구되는 특성에 따라 석영(Quartz), 부품 소재의 정밀 제어 필요성이 확대되고 있다. 이 탄화규소(SiC), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄 에 따라 반도체 공정장비용 부품 소재로 지금까지 (AlN) 및 Si 단결정 등이 주로 사용되고 있으며, 이 많이 사용되어 왔던 Si 단결정, 석영 및 알루미나를 들 세라믹 부품의 세계 시장은 매년 7%정도 성장 대체하는 세라믹 소재로 탄화규소의 적용이 점진적 하는 반도체 시장 규모의 성장으로 증가되고 있다. 으로 확대되고 있으며, 특히 대형 Si 웨이퍼를 사용 탄화규소는 매우 강한 Si-C 공유결합 특성을 갖 하여 고집적 Si 반도체 소자를 제조하는 반도체 공 고 있기 때문에 다른 세라믹 재료에 비교하여 우수 정에서 탄화규소 부품의 채택은 크게 증가되고 있 한 열기계적 특성, 내화학 특성, 내마모 특성, 고온 다. 따라서, 최근 반도체 산업에서 300 Si 웨이퍼 안정성 등 반도체 공정용 부품 소재로 우수한 특성 공정 비율이 증가되고 2020년 내에 신규로 450 을 보유하고 있다.(표 1) Si 웨이퍼를 사용하는 반도체 제조공정의 도입이 이 최근 반도체 공정에서 선폭 미세화를 위하여 고밀 루어질 것으로 예상되며 10 이하 선폭을 갖는 초 도 플라즈마를 적용 에칭 공정 및 플라즈마 세척과 고집적화 공정 개발이 병행하여 추진됨에 따라 탄 같은 새로운 공정 도입이 이루어지고 있으며 300 화규소 부품 소재가 반도체 공정 장비에서 차지하 Si 웨이퍼 공정의 도입이 확산되고 있기 때문에 고 는 비중이 높아질 것으로 예상된다. 표 1. 반도체 공정에 사용되는 세라믹 소재의 특성 구분 silicon Quartz glass Alumina 상압소결 SiC 반응소결 SiC 밀도 (g/ ) 열팽창계수 (10-6K) 곡강도 (Mpa) ~ 열충격 저항성 ( T ) - > 전기저항(RT.) (Ω ) > 열전도도(RT.) (W/mK) ceramic korea

16 2. 반도체 공정 장비용 탄화규소 소재 기술 고집적화 되고 Si 웨이퍼 대형화가 진행됨에 따라 확 산, 산화, 및 이온주입 등 고온 공정 및 플라즈마 식 Si 반도체 제조 공정에는 비교적 높은 순도로 제조할 각 공정에서 사용되고 있는 석영 및 Si 단결정 소재 수 있는 석영, 알루미나, 탄화규소, 질화알루미늄 등 는 낮은 내부식 특성에 따른 수명 단축, Si 웨이퍼와 세라믹스 소재 및 Si 단결정 소재가 반도체 공정 장 반응성, 입자 오염 및 낮은 고온 기계적 특성 등의 비용 치구 및 부품 소재로 일반적으로 사용되어 왔 단점으로 그 사용이 제한되고 있다. 최근에는 300 다. 이제까지 집적도가 낮고 200 이하의 Si 웨이퍼 Si wafer를 사용하는 고집적 반도체 공정에서는 내 를 사용하는 고온 반도체 공정 또는 식각 공정에서 열성, 열, 기계적 특성 및 내 화학 특성뿐만 아니라 는 순도가 높고, 내화학성, 내열성 및 기계 가공성이 내 입자 오염 특성이 우수한 탄화규소는 높은 가격 대체로 우수하고 경제성이 높은 석영 및 Si 단결정 에도 불구하고 고온 반도체 공정용 플라즈마 엣처용 이 폭 넓게 많이 사용되어 왔다. 반도체 제조 공정이 부품 소재로 적용이 급속히 이루어지고 있다. 표 2. Bridgestone사에서 개발된 초고순도 탄화규소 소결체(PureBeta-S grade)내 불순물 함량12) 반도체 공정용 탄화규소는 반도체 공정 요구 특 성에 맞게 다양한 기술 개발되고 있다. 반도체용 탄 화규소 제품 제조공정에서는 불순물 제어 및 제품 Element Bulk(ppm) by GD-MS Surface (1010 atoms/cm2) by X-ray fluorescence analysis B Na < Al 되는 탄화규소는 반응소결 탄화규소(Si-SiC), 소 K < 0.01 < DL(minimum limit of detection) 결 탄화규소(sintered SiC), 재결정화 탄화규소(re- Ca 0.07 < DL crystallized SiC), 화학변환 소결 탄화규소 및 화학 Ti 0.01 < DL 증착 탄화규소 등이 있으며 개략적인 제조공정 및 Cr < 0.03 < DL 특성은 아래와 같다. Mn < < DL Fe Ni Cu < < DL Zn < 0.01 < DL 탄화규소의 소결 방법으로는 고상소결과 액상소결 W < < DL 이 있으며, 고상소결 조제로는 B4C, Al, AlN 등이 의 대형화를 위하여 다양한 소결체 제조 공정이 사 용되고 있다. 대표적인 반도체 공정 부품에 사용 2.1. 소결 탄화규소 표 3. Coorstech사의 CERASIC 탄화규소 및 Bridgestone사의 PureBeta-S grade 탄화규소의 특성을 비교 12,13) 사용되며 탄화규소의 액상소결에 사용되는 소결조 제는 금속산화물로서 Al2O3-Y2O3,8,9) Al2O3-Y2O3- Company BRIDGESTONE Coorstech CaO,10) Al2O3-Y2O3-MgO11) 등이 사용되고 있다. 액 Product name PUREBETA-S CERASIC 상소결에 의해 제조된 탄화규소는 소결온도가 고 Structure β-sic α-sic 상소결에 비해 낮고, 기계적 특성이 고상소결에 의 Density(g/cm3) Vickers Hardness Bending strength(mpa) Elasticity(GPa) Poisson's ratio 소 제품은 치수 제어 및 대형 제품을 경제성이 높 Thermal expansion(10-6/k) 게 제조하기가 어렵고 탄화규소 소결체내의 불순 Thermal conductivity(w/m k) 물 함량 제어가 어렵기 때문에 반도체 고온공정에 Electrical/volume resistivity(ω m) 적용되지 않았다. 그러나 일반적인 엣칭 공정에서 해 제조된 탄화규소보다 우수한 것으로 알려져 있 다. 탄화규소 분말과 소결조제를 사용하여 상압 또 는 가압 소결방법으로 제조되는 일반적인 탄화규 April

17 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 우수한 내 부식 특성을 갖기 때문에 일반적인 식 각 공정용 plate 및 edge ring등 치구류에 한정되 어 사용되고 있다. 또한, 고순도 β-탄화규소 분말을 사용하여 금속 성분의 소결조제를 첨가하지 않고 2200 이상의 고온에서 가압소결 방법으로 초고 순도 탄화규소 소결체를 제조하는 기술이 개발되었 다. Bridgestone사에서는 개발된 초고순도 탄화규 소의 불순물의 함량은 표 2에서 보여주는 것과 같 이 ppb 수준으로 높은 것으로 나타났다. 표 3은 반 그림 7. 반응소결 탄화규소의 미세구조 도체 공정용 소재로 개발된 탄화규소 소결체의 특 성을 보여준다. 조공정과는 달리 Si의 융점(1420 ) 이상의 온도에 서 기공이 없는 탄화규소 소결체를 짧은 시간 내에 제조할 수 있으며, 반응소결 후 성형체의 치수와 형 2.2. 반응소결 탄화규소 상을 그대로 유지하기 때문에 최소한의 가공만으로 반도체 제조공정에서 사용되는 반응소결 탄화규소 원하는 형태의 탄화규소 제품을 제조할 수 있어 높 는 카본과 탄화규소로 이루어진 성형체에 용융 Si 은 경제성을 갖기 때문에 반도체 공정용 탄화규소 을 침윤시켜 그림 7에서 보여주는 것과 같이 용융 로 가장 많이 사용되고 있다. Si과 카본과의 반응으로 형성되는 β-sic과 잔류하 반도체 공정용 반응소결 탄화규소 제품을 제조하 는 Si이 함께 탄화규소 입자 사이에서 결합을 이루 기 위해서는 높은 순도의 출발 원료를 사용하여야 게 하여 기공이 없는 탄화규소 소결체를 제조하는 하며 반응소결 탄화규소 내에는 미반응 카본이 잔 방법이다. 용융 Si의 침투방법을 이용한 반응소결 류되지 말아야 한다. 반응소결 탄화규소 제품의 순 탄화규소 제조공정은 일반적인 탄화규소 소결체 제 도는 99.9% 이상으로 일반 소결 탄화규소 제품보다 표 4. 반응소결 탄화규소 소재의 물성 및 불순물 함량 비교12,13) 제조회사/제품명 불 순 물 농 도 (ppm) Coorstek/TPSS-U Coorstek/TPSS-alpha Coorstek/ TPSS-CU(CVD SiC coating) Bridgestone /PureBeta-R Fe Al Ni Ca Cu <0.01 <0.4 < Na <0.2 < α-sic+si α-sic+si CVD SiC/α-SiC+Si B SiC + Si 결정상 3 밀도(g/cm ) 기공율(%) 0 곡강도(MPa, RT) 230 열팽창율(RT-1000 ) / / / / 열전도율(W/mK) RT specific heat(j/g K) 저항율(ohm cm) ceramic korea

18 엣칭 장비 부품 및 Si wafer handling 제품에 응용 되고 있다. 대표적인 반도체 공정용 반응소결 탄화 규소 제품은 Coorstek사의 TPSS 소재이며 일반 순 도를 갖는 TPSS-alpha 와 고순도 TPSS-U가 있다. 또한, Bridgestone사에서도 PureBeta-R grade 초 고순도 반응소결 탄화규소가 고순도 β-sic 분말을 사용하여 생산되고 있다. 표 4는 개발된 반도체 고 그림 8. LP-CVD 공정시 쿼츠 및 SiC 웨이퍼 boat 표면에서 형성되는 입자 형성 13) 온 공정용 반응소결 탄화규소의 순도 및 물성을 보 여준다. 개발된 반응소결 탄화규소 제품은 쿼츠와 (a) (b) 비교하여 열 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 열 팽창 계수가 증착공정에서 형성되는 규소 또는 질 화규소와 유사하여 그림 8에서 보여주는 것과 같 이 증착된 필름의 벗겨지는 현상으로 발생되는 입 자 생성을 감소시킬 수 있다. 또한, HF 및 HF-질산 용액 환경하에서 내부식 특성은 그림 9에서 보여주 는 것과 같이 쿼프와 비교하여 우수하였으며 CVD SiC 코팅된 반응소결 탄화규소의 내부식 특성은 반 응소결 SiC 보다 우수하였다. 그림 9. 반응소결 탄화규소, CVD SiC 및 석영의 내부식 특성 (a) HF 분위기 (b) HF-질산 용액13) 2.3. 재결정화 탄화규소 높지만 대부분 CVD SiC로 표면 코팅을 한 후 process tube, liner tube, wafer boat 및 paddle등 반 반도체용 재결정화 탄화규소 제품은 고순도의 탄 도체 고온 공정용 부품으로 사용되고 있으며 CVD 화규소 분말을 다양한 성형법을 사용하여 제품 형 SiC 코팅되지 않은 반응소결 탄화규소는 일반적인 태로 고밀도 성형한 후 성형체를 2000~2400 온 표 5. 반도체 공정용 Si infiltrated recrystallized SiC 특성 13,14) 제조사 (제품명) 불 순 물 농 도 (ppm) AGC ASAHI GLASS (Roiceram HS-U) AGC ASAHI GLASS (Roiceram HS-U) CVD SiC Coorstek (Utraclean SiC) Fe Al Ni Ca Cu < Na < 결정상 Ti α-sic+si CVD SiC/α-SiC+Si α-sic+si 밀도(g/cm3) 곡강도(MPa) 열전도율 (W/mK) RT 저항율(ohm cm) 0.1 April

19 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 도 범위, 통상적으로 2200, 에서 가열하여 다공 응소결 SiC 보다 높은 순도를 갖고 graphite 성형체 질 재결정화 탄화규소 소결체를 제조한 후 가공 후 단계에서 가공하기 때문에 경제성이 우수할 것으로 또는 잔류 기공을 고순도 용융 Si으로 침윤시킨 후 생각된다. SUPERSIC 내부의 대표적 불순물은 Fe, 고순도 CVD SiC로 표면을 치밀하게 코팅시켜 산화, Cr, Ni, V, Al, K, Ca 등이며 각각의 농도는 0.3ppm 확산로, 이온 주입로 및 LP-CVD 장비 등 반도체 이하이다. SUPERSIC SiC 내부에는 SiC 합성 반응 고온공정용 부품에 주로 사용되고 있다. 대표적인 후 내부 기공이 20% 정도 되기 때문에 반도체 고온 제품은 Asahi ceramics의 Roiceram HS-U grade 공정에서 입자 오염을 방지하기 위하여 용융 Si 침 탄화규소 제품 및 미국 자회사인 Agem Corp.의 윤 공정 또는 CVD SiC 코팅 공정을 적용하여 반도 Agem 탄화규소 제품이다. 표 5는 용융 Si이 침윤된 체 고온 공정에 적용할 수 있는 다양한 SiC 소재를 재결정화 탄화규소 제품의 특성 및 불순물 함량을 개발하였다. 표 8는 Entegris사에서 개발된 대표적 비교하여 보여준다. 인 SUPERSIC 소재의 물성을 보여준다. 2.4 화학변환 소결 탄화규소 2.5. 벌크 CVD 탄화규소 Poco graphite로 알려진 Entegris사는 화학적으로 화학기상 증착 방법으로 제조된 탄화규소는 Si 및 특수하게 제조된 graphite 성형체를 사용하여 정밀 C을 포함하는 SiCl4/CH4 혼합가스, MTS(CH3SiCl3) 15) 가공 및 다양한 고순화 공정 을 거친 후 SiO 가스 및 (CH3)2SiCl2 기체상 또는 기상 SiC 전구체를 사용 와 반응시켜 10ppm이하의 불순물 함량을 갖는 반 하여 직접 탄화규소를 화학증착하기 때문에 고순 도체 고온 공정용 소재로 상품명이 SUPERSIC인 고 도이면서 이론 밀도에 근접하는 치밀한 탄화규소를 순도 SiC 소재를 개발하였다. 제조할 수 있다. 벌크 CVD 탄화규소는 표 9에서 보 SiO(g) + 2C SiC(s) + CO(g) 여주는 것과 같이 고순도이면서 열/화학/기계적 특 SUPERSIC SiC 소재는 일반적으로 제조되는 반 성 및 내 오염이 우수하고 저항 제어를 할 수 기 때 표 8. 화학변환 소결방법으로 제조된 SUPERSIC SiC 소재 특성 제품명 불 순 물 농 도 (ppm) SUPERSIC SUPERSIC-Si SUPERSIC-SP Fe Al Ni Ca V Na Cr SiC SiC+Si CVD coated SiC/SiC+Si 밀도(g/cm ) 기공율(%) 20 4 <1% 곡강도(MPa) 영율(GPa, RT) 열팽창율 (RT-1000 ) / / / 열전도율(W/mK) RT 결정상 3 64 ceramic korea

20 는 장점을 요약하였다. 최근 개발된 벌크 CVD SiC 표 9. 벌크 CVD SiC 소재의 물성13,16,17) 소재는 Si 단결정 또는 쿼츠의 순도와 비교하여 대 제품사 (제품명) ROHN&HASS (CVD silicon carbide) Coorsteck (Pure SiC) Morgan (CVD SiC) 순도 (%) 결정상 b-sic b-sic b-sic 밀도(g/cm3) 기공율(%) 곡강도(MPa) 입자 오염이 감소되어 세정 횟수를 줄일 수 있다. 또 영율(GPa, RT) 한, 내 식각 특성이 우수하기 때문에 플라즈마 엣처 열팽창율 (RT-1000 ) / / 열전도율(W/mK) RT ~300 저항(ohm cm) < 1ohm > 1000ohm < 0.1 ohm > 1,000,000ohm < 0.1ohm 등하거나 낮으며, 열전도도 및 파괴강도는 우수한 것으로 나타났다. 또한, 벌크 CVD SiC 소재의 열팽 창계수는 반도체 공정에서 증착되는 물질의 열팽창 계수와 유사하기 때문에 장시간 공정 사용 후에도 및 LP-CVD 공정 에 적용하였을 때 초기 투자비용 은 크게 증가되나 연간 소요되는 치구 단가, 공정단 가, 수율을 고려하면 단결정 Si 대비 높은 경제성을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있다. 문에 가혹한 환경하에서 사용되는 반도체 공정, 특 히 플라즈마 환경하의 식각 및 증착 공정 용 부품 3. 반도체 공정 장비용 탄화규소 부품 및 치구로 최근 많이 사용되고 있다. 벌크 CVD 탄 화규소는 반도체 Si 웨이퍼 대구경화 및 고집적화 반도체 제조공정 중 탄화규소 제품이 공정용 부품 가 진행됨에 따라 가혹한 플라즈마 환경하에서 사 또는 치구로 사용되는 공정은 고온 공정, 고밀도 플 용되는 공정에서 Si 단결정 부품 대비 현격한 수명 라즈마 엣칭 공정, 일반 엣칭 공정, handling 공정 증가 및 입자 오염의 감소가 이루어지고 있기 때문 으로 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 각 공정에서 에 대체 소재로 많이 적용되고 있다. 따라서, 최근 사용되는 탄화규소 제품의 특성, 종류 및 형상은 다 Morgan, AGC Asahi Glass, Coorstek 및 Rohm 음과 같다. and Hass사 등 많은 회사에서 벌크 CVD SiC 제품 을 생산하고 있다. 표 10은 벌크 CVD 탄화규소를 반도체 공정 장비용 부품에 적용함으로써 나타나 고온 공정 : 확산/산화 공정, CVD 공정, ion implantation 공정 표 10. 반도체 공정용 부품소재로서 벌크 CVD 탄화규소 제품의 장점 적용처 Plasma Etch Rapid Thermal Epitaxy Rapid Thermal Processing 특성 Low Etch Rate High purity No secondary phase Low Resistivity High purity High Thermal Conductivity High Specific Stiffness High Chemical Resistance High purity High Thermal Conductivity High Specific Stiffness Elastic Modulus nearly independent of Temp 적용 효과 Longer component life Longer component life No aluminum contamination Low particle generation, No matallic contamination No contamination of processing chamber High thermal shock resistance, Exellent wafer temperature uniformity Allows very thin cross sections and low mass Flatness retained during and after high temp. use, No or little degradation No contamination of wafer or processing chamber High thermal shock resistance Allows very thin cross sections and low mass, resulting in increased wafer thru-put Flatness retained during and after high temp. use, aids in even heating and processing of wafer April

21 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 확산/산화 공정로는 수직로 및 수평로가 사용되고 있으며 이에 따라 공정용 부품도 수평 및 수직 형태 두 가지 형태로 구분되며, 탄화규소 제품이 사용되 는 부품은 processing tube, liner tube, cantilever paddles system, pedestals, Si wafer carrying boat(or conti boat), dummy wafer, thermocouple sheath 등이며, CVD SiC coated 반응소 결 탄화규소 및 CVD SiC coated 재결정화 탄화규 소가 소재로 사용되고 있다. 반도체 공정용 탄화규 그림 10. CVD SiC 코팅된 Si 침윤 재결정화 탄화규소 보트 13,14) 소 튜브 및 보트 부품의 형태는 그림 10 및 11에서 보여주며, 취급하는 Si wafer 크기에 따라 길이는 1000~2500mm 이며 직경은 150~450mm 범위이다. CVD 공정에서 사용되는 탄화규소 제품은 산화 및 확산로에서 사용되는 제품과 유사하지만 크기 및 형 태에서 차이가 있다. Si wafer boat는 산화, 확산로 및 CVD 공정에서 사용되는 공정온도 및 공정 조건 에 따라 Si wafer의 수율 및 boat 수명을 향상시키고 Si wafer의 slip을 방지하기 위하여 그림 12에서 보여 주는 것과 같이 맞춤 설계로 제조하여야 한다. 그림 11. CVD SiC 코팅된 반응소결 탄화규소 processing 튜브 및 보트 13) Si dummy wafer는 그림 13에서 보여주는 것과 같이 bulk CVD SiC, 초고순도 소결 SiC 및 CVD coated SiC가 사용되고 있으며, dummy wafer 는 대량의 고온에서 Si wafer를 열처리 공정 시 Si wafer carrying boat의 처음과 끝 그리고 일정 간 격을 두고 위치시켜 각각의 Si wafer가 균일한 공정 온도 및 공정 조건을 유지하기 위하여 사용된다. 고밀도 플라즈마 식각 공정 : 그림 12. 수직 확산로 및 LPCVD 공정용 탄화규소 vertical wafer boat의 적용 온도에 따른 설계 18) 엣칭(etching) 공정 고밀도 플라즈마 Si wafer 엣칭 공정에서는 가혹 한 플라즈마 부식 분위기 환경하에서 부품 소재 의 식각에 의한 수명 감축 및 입자 발생에 의한 Si wafer 오염을 최소화하기 위하여 이제까지는 Si 단 결정 소재를 사용하였으나 최근 벌크 CVD SiC의 적용이 크기 증가되었다. 벌크 CVD 탄화규소 부 품의 종류는 guide ring, edge ring, focus ring, shower head 등에 적용되고 있으며 그림 14에서는 Coorstek 사의 edge ring 의 사진을 보여준다. 66 ceramic korea 그림 13. 벌크 CVD SiC dummy wafer 14)

22 반도체 공정 개발이 시도될 것으로 예측되지만, 미 래 반도체 시장 분위기가 450 Si wafer 도입 시기 를 결정할 것으로 생각된다. 450 Si wafer 적용 반 도체 공정에는 신규 장비 수요에 따른 탄화규소 소 재 부품의 수요도 증가될 것으로 예상되기 때문에 국내 탄화규소 업체에서는 대구형화에 따른 부품 대형화 기술 개발과 더불어 탄화규소 부품을 요구 그림 14. 벌크 CVD SiC edge ring 13) 하는 외국의 반도체 장비 회사와 긴밀한 협력관계 를 만들어 나가야 할 것이다. 현재 반도체 산업에서는 Si wafer 대구경화와 달 저온 공정 : 엣칭(etching) 공정, handling 공정 리 선폭 감소에 의한 수율 증대가 핵심 로드맵을 이 루고 있으며, 선폭을 줄이기 위한 새로운 공정 기술 일반적인 Si wafer 엣칭 공정 및 handling 공정에서 이 개발되고 있다. 반도체 산업에서는 선폭 감소에 도 탄화규소의 우수한 내부식성, 내 마모 특성 때문 따른 반도체 제조 단가 감소를 위한 경쟁이 매우 치 에 CVD SiC coating 되지 않은 상압소결 탄화규소, 열하게 이루어지고 있다. 반도체 선폭을 줄이기 위 Si 함침 화학변환 소결, 소결 탄화규소 소재가 사용 해 개발되는 새로운 공정기술은 기존의 부품 소재 되고 있으며, 탄화규소 부품의 종류는 guide ring, 가 견디기 힘든 가혹한 분위기를 요구하고 있다. 최 edge ring, wafer chamber, fork, arm, focus ring, 근 반도체 공정에서는 고밀도 플라즈마 또는 플라 electrode, holder 등 다양하다. 즈마 적용 식각 및 증착 공정개발이 추진되었으며 그에 따라 고품질 탄화규소 부품의 수요가 증가되 고 있다. 대표적인 예가 고밀도 플라즈마 식각공정 4. 반도체 공정 장비용 탄화규소 부품 소재 산업 동향 에 도입되고 있는 벌크 CVD SiC 부품 소재이며 벌 크 CVD SiC의 가격이 기존에 사용되는 Si 단결정 소재보다 10배 이상 높은데도 불구하고 긴 수명, 긴 2004년부터 반도체 제조공정용에 300 Si wafer 세척 싸이클 및 Si wafer의 입자 오염 저감 등의 이 적용이 시작되면서 반도체 고온 공정용 탄화규소 유로 기존에 사용되어온 Si 단결정 제품을 대체하고 부품 소재의 개발이 활발히 진행되어 현재는 안정 있다. 외국에서는 거의 모든 반도체 공정용 탄화규 적으로 300 Si wafer 공정에 진입했으나 2015년 소 부품을 제조하는 회사에서는 저항 제어가 가능 까지도 인텔 및 삼성 전자등 4~5개 업체를 제외한 한 벌크 CVD SiC 제품을 생산하고 있으며 새로운 대부분의 반도체 제조업체에서 높은 비용 때문에 기술 개발 및 경제성 확보를 위한 적극적인 기술 개 300 Si wafer 전환을 위한 설비 투자가 진행 중 발이 이루어지고 있다. 국내에서도 SKC 솔믹스 및 에 있다. 300 Si wafer로 공정 전환을 하지 못하 티시케이에서도 벌크 CVD SiC 제품 생산을 하 는 하위권 반도체 제조업체는 높은 제조 단가로 퇴 고 있으나 외국 제품과의 기술적 차이에 의한 세계 출 위기에 직면해 있다. 현재까지 450 Si wafer 공 시장에서 경쟁력은 높지 않은 것으로 생각된다. 또 정 도입이 많이 지체되고 있으나 450 Si wafer 개 한, 최근 반도체 공정에는 히터류 등에 저항 제어 기 발이 이루어져 있고 450 Si wafer 공정 기술 및 능을 갖는 초고순도 소결 SiC 부품 소재 사용이 이 장비 개발이 일정 수준에 도달해 있기 때문에 2020 루어져 히터의 성능뿐만 아니라 수명을 획기적으로 년 까지는 인텔 또는 삼상전자에서 450 Si wafer 증가시키고 있다. April

23 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 최근 세계 반도체용 탄화규소 부품 시장에 중국 10. Y.-W. Kim, M. Mitomo, and H. Hirotsuru, 업체의 진출이 활발히 이루어지고 있으며 본격적 Microstructural Development of Silicon 인 국내 시장으로 진출이 2020년 이전에는 이루어 Carbide Containing Large Seed Grains, J. Am. 질 것으로 예상된다. 국내에서는 삼성전자와 SK하 Ceram. Soc. 80 [1] (1997). 이닉스 두개의 세계적인 반도체 기업이 있기 때문에 11. D. Foster and D. P. Thompson, The Use of 국내 반도체 공정용 탄화규소 부품 소재 산업체에 MgO as a Densification Aid for α-sic, J. Eur. 서는 일정 수준의 구매 우선권을 가질 수 있겠지만 Ceram. Soc. 19[16] (1999). 중국 제품의 품질, 신뢰성 및 가격 경쟁력이 높아지 면 국내 시장 잠식이 불가피 할 것이다. 향후 국내 의 반도체 공정용 탄화규소 업체의 발전을 위해서 는 세계시장 진출이 필요하며 이를 위하여 우선적 15. Japan Patent th , 1987 으로 기술 경쟁력을 높이는 것이 요구된다. 국내 산 업체의 대부분이 영세한 자본력을 갖고 있기 때문 에 국가 주도하에 긴밀한 산학연 협력을 통하여 체 18. www. saintgovain.com 계적인 기술 개발 로드맵을 구축하여 효율적인 기 술 개발을 추진할 수 있는 국가 기술개발 프로그램 박상환 박사 - 펜실베니아 주립대학교 박사 - 한국과학기술연구원 세라믹연구부 선임연구원 - 현재 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 책임연구원 이 요구된다. 참고 문헌 1. https //ko.wikipedia.org On the Moore s law hot seat : Intel s Mike Mayberry(Q&A) 4. Mark Neisser and Stefan Wurm Adv. Opt. Techn. 2015;4(4) ITRS roadmap 6. http : // Intel roadmap to 2015 and beyond 5nm technology Y.-W. Kim, M. Mitomo, H. Emoto, and J. G. Lee, Effect of α/β Phase Ratio on Densification and Microstructure of Silicon Carbide, J. Am. Ceram. Soc (1998). 9. A. Can, M. Herrmann, D. S. McLachlan, I. 공동기획 Sigalas, and J. Adler, Densification of Liquid Phase Sintered Silicon Carbide, J. Eur. Ceram. Soc. 26[9] (2006). 68 ceramic korea

24 Special ΙΙ 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 반도체 공정용 소재부품의 식각기구 및 최근 세라믹코팅 기술 개발 동향 이 성 민_ 한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터 책임연구원 오 윤 석_ 한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터 책임연구원 1. 서 론 치의 경우 플라즈마에 전력을 인가하는 코일 아래 부분은 kv 수준의 높은 인가전압을 가지고 있어 물 반도체 공정이 10nm대로 미세화 됨에 따라 제품수 리적 식각의 정도가 매우 높은 반면에 그 주변부의 율을 결정하는 가장 중요한 요소 중의 하나로 공정 경우 인가전압이 낮아 물리적 식각보다는 화학적 중 발생하는 오염입자를 제어하는 것이 주요한 산 반응이 우세하게 된다. 따라서 코일 아래 부분의 세 업의 관심사가 되고 있다. 특히 플라즈마 공정이 진 라믹은 높은 침식을 받는 반면에 주변부는 침식보 행되는 챔버에서 오염입자의 발생을 줄이는 것이 매 다는 오히려 플라즈마로부터 기인한 폴리머가 증착 우 중요하다. 반도체 공정에서 사용되는 플라즈마 되는 경우가 많다. 또한 웨이퍼의 식각을 유도하는 는 일반적으로 탄소와 불소의 화합물로 구성되어 정전척에는 수 kv 수준의 높은 전압이 가해지는 반 있는 가스가 플라즈마 방전에 의하여 분해되고 활 면에 챔버 벽면의 경우 인가전압이 수십 V 수준의 성화 되어 반응성이 높은 라디칼과 양이온을 생성 낮은 전압이 가해진다. 따라서 플라즈마 장비내부 하여 세라믹 소재와의 화학적 반응을 유도하게 된 에서 세라믹과 플라즈마의 반응은 위치에 따라 플 다. 동시에 플라즈마 방전에 의하여 생성된 양이온 라즈마의 조건에 따라 크게 달라진다고 할 수 있다. 은 외부에서 가해지는 전압, 즉 바이어스 전압에 의 이러한 이유로 반도체 공정장비에 적용되는 세라믹 하여 가속되어 운동에너지를 가지게 되고 운동에 의 경우 플라즈마 조건과 위치에 따라 세심한 소재 너지를 가진 이온이 실리콘 웨이퍼 혹은 장비의 내 선택이 필요하게 된다. 부부품과 충돌하여 물리적 식각을 동반하게 된다. 세라믹소재의 내플라즈마성은 플라즈마 환경에서 흔히 반도체 공정장비의 내부는 일정한 플라즈마 식각율의 차이와 오염입자 발생이라는 두 가지 관점 환경이라고 생각하기 쉬우나 실제로는 위치에 따라 에서 이해될 수 있다. 가장 일반적인 관점인 식각율 매우 다양한 플라즈마 환경을 가지고 있다. 부품의 이 낮은 소재가 내플라즈마성이 높아지는 것은 낮 위치에 따라 이온에 가해지는 전압이 달라지고 따 은 식각율을 가지고 있음으로 더 오랜 시간 동안 부 라서 화학적 반응과 물리적 식각의 정도가 위치별 품으로서의 역할을 수행할 수 있다고 보는 것이다. 로 크게 달라지게 된다. 대표적으로 대부분의 플라 또 다른 관점은 오염입자를 적게 만들어 내는 소재 즈마 식각장비가 채택하고 있는 ICP형태의 식각장 가 내플라즈마성이 높다고 판단하는 것이다. 동일 April

25 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 한 정도의 식각율을 가지고 있는 소재라고 하더라 라믹소재가 사용된다. 한편 내플라즈마 소재는 소 도 챔버내에서 오염입자를 만들어내는 정도가 낮은 결품 혹은 코팅품의 형태로 사용된다. 다양한 형태 것이 내플라즈마성이 높은 소재라고 보는 것이다. 의 세라믹이 플라즈마 환경에서 사용됨에도 불구하 엄밀한 의미에서 이 두 가지는 완전히 독립적이지는 고 세라믹 소재가 플라즈마와 반응하는 기구에 대 않지만 그렇다고 서로 완전히 의존하는 것도 아니 한 연구는 지금까지 충분히 이루어지지 않고 있다. 다. 일반적으로 식각율이 낮은 소재가 플라즈마 환 실리콘, 산화실리콘, 질화규소의 경우 반도체 소자 경에서 플라즈마 장치 내부로 방출하는 식각부산 제조에 필요한 이유로 광범위한 연구가 이루어져 왔 물의 양이 적고 따라서 오염입자가 발생될 원천적 지만, 상대적으로 소자 제조와 직접적인 상관관계 인 요인이 적을 가능성이 높기 때문이다. 그러나 한 가 부족한 알루미나, 이트리아 등의 산화물과 플라 편으로는 동일한 식각율을 가지는 소재라 하더라도 즈마와의 반응기구는 거의 알려진 것이 없는 상황 식각부산물이 어떤 방식으로 방출되는냐에 따라 이다. 또한 내플라즈마 소재로 사용되는 세라믹은 오염입자의 발생정도가 크게 달라질 수 있다. 예를 순도와 기공율 등 미세구조에서 다양한 변화를 가 들어 동일한 화학조성을 가지고 밀도가 동일하다고 지고 있고 이러한 특성이 내플라즈마성에 미치는 할지라도 표면의 미세구조에 따라 오염입자의 발생 영향에 대한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 정도가 달라질 가능성이 있다. 따라서 단순히 식각 율을 기준으로 오염입자발생을 평가하는 것은 주의 를 필요로 한다. 또 한 가지 주의할 점은 오염입자가 모두 세라믹에 기인하는 것은 아니라는 점이다. 많 2. 세라믹스의 플라즈마에 의한 식각기구 및 오염입자 발생 양상 은 경우 플라즈마장비에서 발생하는 오염입자는 공 정가스의 반응에 의하여 발생하는 폴리머 기반의 먼저 대표적인 내플라즈마 소재인 알루미나, 이트리 입자인 경우가 있다. 이럴 경우 폴리머 입자가 발생 아의 조성에 따른 불소계 플라즈마에서의 식각속 되지 않도록 하는 것이 중요한 기술이 된다. 예를 들 도를 측정하였다. 알루미나와 이트리아사이에는 모 어 공정부품의 표면이 너무 매끄러운 경우 폴리머 두 3가지의 화합물이 존재한다. 그림 1은 이트리아 증착이 이루어질 때 쉽게 폴리머가 탈착될 가능성 의 함량에 따른 식각속도를 보여주고 있다. 알루미 이 있다. 이런 경우에는 동일한 소재라 하더라도 폴 나에 이트리아가 포함될수록 급격히 식각속도가 감 리머를 표면에 유지할 수 있는 표면조도를 제어하 소하며 이후의 이트리아 함량의 증가에 따라 식각 는 것이 오염입자를 적게 발생시키는 데 중요한 요 속도는 매우 천천히 감소함을 볼 수 있다. 이트리아 소가 된다. 따라서 단순하고 특정한 소재의 지표가 있어 오염입자의 발생이 개선된 다기 보다 플라즈마 공정 조건, 소재의 위치 등 다양한 요소가 고려되어 야 한다. 대표적인 내플라즈마 세라믹 소재로는 일반적으 로 산화물 소재가 널리 사용되고 있다. 알루미나 (Al2O3)는 기존의 대표적인 내플라즈마 소재이며 최근에는 이트리아(Y2O3)를 포함한 소재가 널리 사 용되고 있다. 이외에도 열전도도가 필요한 경우 질 화알루미늄, 전기전도도가 필요한 경우 탄화규소 등 기능성을 필요로 하는 경우 그 에 따른 특정한 세 70 ceramic korea 그림 1. 이트리아 함량에 따른 Al-Y 산화물의 식각속도

26 100% 인 경우가 가장 식각속도가 낮았는데, 식각속 존재하고 그 아래에 10nm 정도 두께의 불소함량 도가 낮을수록 내플라즈마성이 높다고 한다면 이트 이 높은 세라믹반응층이 존재하며 더 깊이 들어갈 리아가 가장 내플라즈마성이 높고 상대적으로 알루 수록 산소의 양이 증가하여 원래 산화물 세라믹의 미나가 가장 내플라즈마성이 낮다고 할 수 있다. 그 형태로 되돌아감을 알 수 있다. 이렇게 만들어진 불 러나 식각율의 관점에서 본 내플라즈마 차이는 이 소의 농도가 높은 표면 반응 층은 실리콘불화물과 트리아의 함량이 40mol%를 넘는 경우 이트리아의 는 달리 휘발성이 매우 낮다. 이는 AlF3 혹은 YF3가 함량의 증가분만큼 크지는 않음을 알 수 있다. 상온에서 안정된 고체로 존재하며, 녹는점이 모두 알루미나와 이트리아 등의 산화물 소재의 식각기 1000 가 넘는 것으로부터 추정할 수 있다. 즉 세라 구를 고찰하기 위하여 단결정 YAlO3를 동일한 조 믹 표면이 플라즈마에 노출될 때 표면은 단순히 플 건에서 식각하고 XPS(X-ray photoelectron spec- 라즈마와 반응하여 휘발되며 식각되는 것이 아니라 troscopy)를 이용하여 표면의 반응을 고찰하였다. 불소와의 반응에 의하여 안정한 세라믹반응층이 그림 2는 식각된 YAlO3의 표면을 Ar 이온으로 스 만들어지고 이 반응층이 물리적인 방법으로 제거 퍼터링하면서 음이온의 성분을 조사한 것이다. 표 되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 불소계 플라 면층은 카본을 포함한 폴리머층이 약 1nm 두께로 즈마에서 세라믹의 식각기구는 2단계 과정으로 설 명될 수 있다. 먼저 불소와의 반응에 의한 표면 불 소화단계와 이후 불소화층의 스퍼터링과 같은 물리 적 제거단계로 구성되어 있음을 의미한다. 이러한 식각기구를 검증하기 위하여 산화물과 불 화물의 스퍼터링 속도를 정량적으로 측정하고 비교 하였다. 그림3은 Al2O3, Y2O3, AlF3, YF3을 인위적으 로 실리콘 기판위에 증착하고 Ar이온의 에너지에 따른 스퍼터링 속도를 정량적으로 측정한 것이다. 산화물의 형태일 경우 Al2O3와 Y2O3의 실질적인 스 그림 2. 불소계 플라즈마에 노출된 YAlO3의 표면으로부터 깊이에 따른 성분분석 [8] 퍼터링 속도는 낮고 그 차이도 크기 않았다. 그러나 불화물인 AlF3와 YF3의 경우 산화물과 비교하여 스 퍼터링의 속도가 크게 높아 졌을 뿐만 아니라, AlF3 가 YF3보다 월등히 높은 스퍼터링 속도를 보여주 고 있다. 그림 1에서 Al2O3가 불소계 플라즈마에서 Y2O3보다 높은 식각율를 보여주고 있다는 것을 감 안하면, 이러한 결과는 산화물의 식각이 표면불소 화에 의하여 촉진되며, 식각속도가 표면 불소화 층 의 물리적 제거 속도에 의존한다는 것을 잘 보여 주 고 있다. 표면의 불소화와 불소화층의 물리적 제거 속도가 식각속도를 좌우한다는 실험결과는 식각율을 측정 하여 구하는 내플라즈마성이 소재의 화학적 조성과 밀도에 크게 의존하고 미세구조와 미량의 불순물 그림 3. 산화물 및 불화물의 Ar 이온에 의한 스퍼터링 속도 에는 큰 영향을 받지 않을 것이라는 것을 시사한다. April

27 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 식각이 10nm의 정도의 불소화층을 형성하고 그 층 의 제거속도가 식각속도를 제어하는 경우 그 보다 큰 스케일의 미세구조는 소재의 평균적인 식각속도 에 영향을 주기 어려울 것이라고 보기 때문이다. 이러한 표면 불소화와 물리적 제거에 의한 세라믹 식각기구는 세라믹표면에서의 오염입자 발생과정에 여러 가지 시사점을 주고 있다. 예를 들어 유사한 밀 도를 가지고 있으나 미세구조 혹은 표면조도가 크 게 다른 경우 스퍼터링에 의한 불화물층 제거가 세 라믹 표면에서의 오염입자발생에 영향을 끼칠 수 있 다는 점이다. 예를 들어 대표적으로 널리 사용되는 이트리아 소결체와 플라즈마 용사코팅한 이트리아 를 비교할 수 있다. 두 소재 모두 99.7% 이상의 순도 그림 4. 식각실험전 Y2O3 코팅 및 소결체 표면, 식각 후 표면에서 발생된 입자 를 가지고 있고 밀도의 경우 소결체가 높으나 평균 세구조에 따라 크게 달라 질 수 있음을 보여준다. 적인 식각속도는 측정오차의 범위 내에서 유사하였 본 실험의 경우 플라즈마 노출 후 인위적으로 초음 다. 식각속도가 낮은 소재를 내플라즈마성이 높은 파처리를 실시하였고 초음파가 표면에 충격을 주어 소재라고 한다면 소결체와 용사코팅된 이트리아는 입자를 탈락시킨 경우에 해당한다. 실제 반도체 공 유사한 내플라즈마성을 가지고 있다고 할 수 있다. 정챔버 내부에서는 진공배기, 가스도입, 웨이퍼 흡 그러나 오염입자에 의한 불량 발생율의 관점에서 보 착과 탈착, 장비의 진동, 열싸이클 등 세라믹에 가 면 용사코팅된 이트리아를 사용하는 경우가 소결체 해지는 물리적인 충격이 존재하고 그 정도도 다양 를 사용하는 경우와 비교하여 오염입자가 크게 높 하다. 따라서 이러한 물리적 충격을 고려하면 초음 게 나타난다는 것이 대체적인 반도체생산현장 현장 파 처리에 의한 입자탈락의 정도가 실제 오염입자 엔지니어의 의견이다. 용사코팅된 이트리아는 표면 의 발생을 어느 정도 대변한다고 할 수 있다. 그 결 구조가 거칠 뿐만 아니라 표면균열을 포함하고 있 과 동일한 화학조성, 따라서 유사한 식각속도에도 다. 두 시험편 모두 사전에 충분히 초음파 세정을 실 불구하여 표면으로부터 오염입자를 방출하는 정도 시한 후 불소를 포함한 플라즈마에 장시간 노출시 가 소재의 미세구조에 따라 매우 다름을 알 수 있 켰다. 이후 식각된 시험편을 알코올 용매속에서 다 다. 낮은 식각속도가 높은 내플라즈마성을 가진다 시 초음파 처리를 한 뒤 이 용매를 희석하고 사파이 는 과점에서 보면 두 소재는 유사한 내플라즈마성 어 단결정위에 정해진 양을 떨어뜨리고 건조하고 전 을 가졌다고 할 수 있다. 그러나 오염입자의 발생관 자현미경으로 표면의 오염입자를 조사하였다. 그림 에서 보이듯이 소결체에서 용사코팅보다 오염입자 의 발생량이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 시 험편의 표면적 cm2당 입자의 발생빈도를 보면 소결 체의 경우 약 10만개로 용사코팅된 시험편에서 발생 된 입자 빈도 약 100만개의 10분의 1 수준이었다. 위의 실험은 여러 가지 정량적인 불확실성을 포 함하고 있으나 산화물 세라믹이 플라즈마에 노출 된 이후 발생할 수 있는 오염입자의 수가 소재의 미 72 ceramic korea 그림 5. 낮은 바이어스 전압의 플라즈마에 노출 시킨 후 세라믹의 표면: (a)y2o3, (b)yf3

28 점에서 보면 두 소재의 내플라즈마성은 크게 다르 소결체로 내플라즈마 소재를 만드는 것은 비용적인 다고 할 수 있다. 측면이 아니라면 가장 좋은 내플라즈마 소재라고 소재의 식각속도는 유사하다고 할지라도 소재의 할 수 있다. 현장 엔지니어의 의견을 들어보면 밀도 화학성분이 달라지면 세라믹표면에서 입자의 발생 가 높은 Y2O3 소결체가 일반적으로 가장 적은 오염 이 크게 달라질 수 있다. 대표적인 예로 Y2O3와 YF3 입자를 만들어내는 것으로 알려져 있다. 그러나 소 를 비교할 수 있다. 바이어스 전압이 높은 경우 두 결체의 제조비용은 코팅과 비교하여 매우 높을 뿐 소재의 식각속도를 측정하면 식각율이 YF3가 약 만 아니라, 열 충격에 의하여 부품이 파손됨으로 30% 정도 더 높게 나타난다. 따라서 식각율의 관점 써 심각한 챔버오염의 사례가 보고되고 있다. 따라 에서 보면 Y2O3가 더 우수한 내플라즈마 소재라고 서 이러한 비용적인 측면과 예상치 못한 파손에 따 할 수 있다. 그러나 이온에 인가되는 바이어스 전압 른 위험을 경감하기 위하여 코팅방법이 적용되고 이 50V 이하로 낮은 경우 표면에서 불화층이 물리 있다. 가장 경제적이고 일반적으로 적용되는 코팅법 적으로 제거되기 어려운 조건임으로 입자의 발생정 은 Y2O3 플라즈마 용사코팅이나 최근에는 오염입자 도가 화학조성에 따라 크게 달라진다. YF3의 경우 발생 문제가 심각해지면서 다양한 새로운 코팅법이 이미 불화물임으로 불소계 플라즈마와 반응하여도 시도되고 있다. 표면반응을 일으키지 않으며 또한 입자의 발생 또 최근 대표적으로 많이 시도되고 있는 것이 에어로 한 무시할 수 있는 수준이다. 그와 비교하여 Y2O3의 졸 코팅(Aerosol Deposition), 흔히 AD 코팅으로 경우 표면에 수백nm의 무수한 불화물 입자가 생성 불리는 방법이다. AD 코팅은 수 um 이내의 원료분 되는 것을 알 수 있다(그림 5). 만약 세라믹이 열싸 말을 진동과 가스를 이용하여 에어로졸로 제작하고 이클을 받는 경우 불화물입자와 세라믹모재사이의 이를 노즐을 통하여 저압 분위기에서 고속으로 기 열팽창계수의 차이로 인하여 응력이 발생하고 불화 판에 분사함으로써 고밀도의 코팅막을 제조하는 기 물 입자가 탈락하는 현상이 일어날 수 있다. 따라서 술이다. 이때 고속으로 진행하는 입자는 기판과 충 높은 바이어스 전압의 조건이라면 Y2O3가 좋은 소 돌하면서 나노입자화되며 고밀도 코팅층을 형성하 재가 될 수 있으나 낮은 바이어스 전압에서는 YF3 게 된다. 그림 6은 이렇게 생성된 코팅막의 미세구 가 오염입자를 적게 발생시키는 내플라즈마 소재가 조를 보여주고 있다. 될 수 있다. AD법은 상온에서 코팅이 이루어지고 밀도가 매 우 높다는 장점을 가지고 있지만 성막속도가 전통 적인 플라즈마 용사와 비교하여 느리고, 원료의 사 3. 내플라즈마 코팅 용효율이 낮으며, 대면적화에 상당한 어려움이 있다 는 단점이 있다. 하지만 최근 재료연구소 박동수 박 사팀은 이러한 AD 코팅의 단점을 개선한 상온진공 과립분사 기술을 개발하였다. 이 방법은 기존의 um 크기의 원료를 사용하는 대신 과립화한 원료를 사 용함으로써 성막속도의 개선 및, 원료 사용효율 개 선, 대면적화 등에서 상당한 성과를 달성하였다. 상 온진공과립분사코팅의 경우에도 일반적인 AD 코팅 과 유사하게 높은 밀도의 코팅층을 보여주는 것으 로 알려져 있다. 그림 6. AD법으로 제조된 고밀도 Y2O3 코팅층 (한국세라믹학회지 46[5] p. 441(2009)) 최근에는 전통적인 플라즈마용사코팅과는 다른 April

29 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 그림 7. 서스펜션 용사의 모식도 새로운 기술로 코팅층의 밀도를 개선하려는 연구 교하여 대형화가 어렵고, 장비가격이 고가이며, 공 가 진행되고 있다. 전통적인 플라즈마 용사의 경우 정단가가 높은 단점이 있다. 그러나 표면구조가 매 수 십 um의 Y2O3 그래뉼을 플라즈마용사의 원료 우 평탄하고, 내열충격성이 좋으며, 코팅소재의 제 로 사용하고 있다. 따라서 코팅층의 미세구조를 보 한이 비교적 적은 장점이 있다. 대표적으로 전자빔 면 수 um의 큰 기공과 수 백 um 크기의 큰 splat이 혹은 이온빕을 이용한 증착법을 들 수 있다. 원하는 존재하는 불균일한 구조를 관찰할 수 있다. 따라서 소재로 구성된 타깃을 전자빔 혹은 이온빔으로 가 기공과 splat의 크기를 줄이기 위하여 um 크기의 열하여 휘발시키고 모재위에 코팅하는 것이다. 코 원료를 사용하려는 연구가 진행되었는데 유동성의 팅소재의 제한이 거의 없기 때문에 YF3 코팅 등 새 문제를 해결하기 위하여 서스펜션의 형태로 플라즈 로운 소재를 코팅하기에 적합하다. 그림 9는 아노다 마 용사에 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이징된 제품위에 전자빔 증착법으로 YF3를 코팅한 이를 특별히 서스펜션 플라즈마 용사(suspension 것을 보여주고 있다. 10nm 정도의 입자가 치밀하게 plasma spray, SPS)라 부르고 모식도를 그림7에 나 코팅을 구성하고 있다. 일반적으로 아노다이징 제품 타내었다. SPS에서는 입자크기, 서스펜션의 조건, 은 바이어스가 약한 조건에서 사용되는 데, 만약 불 플라즈마 용사 조건 등 일반 용사 보다 다양한 변수 소이온과의 반응으로 오염입자의 문제가 발생할 경 가 존재하며 이를 최적화할 경우 일반 용사 코팅과 우 수 um 이내의 YF3 코팅이 반응층 생성을 억제 비교하여 매우 치밀한 코팅을 얻을 수 있다(그림 8). 하여 아노다이징 제품의 수명을 연장할 수 있을 것 SPS 코팅의 경우 일반 용사코팅의 대면적, 고속 성 막의 장점을 그대로 계승하지만 상대적으로 높은 으로 기대된다. 최근에는 일본 TEL사에서 불화물을 중심으로 한 플라즈마 파워를 요구하고 플라즈마 노즐과 기판사 이의 거리가 50~100mm 정도로 일반용사보다 가 a a 까워 모재가 과열되어 열충격으로 파손되는 경우가 많다. 따라서 SPS 코팅은 코팅구조의 측면뿐만 아니 라 플라즈마 용사건의 운영측면에서도 상당한 기술 이 요구된다. 또 다른 새로운 코팅기술로는 PVD법을 이용한 코 팅기술이 시도되고 있다. PVD기술은 AD, SPS와 비 74 ceramic korea 그림 8. 일반용사코팅과 SPS용사코팅된 Y2O3의 단면구조

30 4~10MPa 정도의 수준인데 비하여 AD 코팅은 40 MPa 이상, SPS의 경우 20MPa이상의 접합력을 가지 고 있다. 또한 AD 코팅과 SPS 코팅의 경우 높은 밀 도와 미세한 입자크기로 인하여 코팅층의 경도가 치밀한 소결체의 약 90% 수준까지 도달하는 것으 로 보고되고 있다. 최근에는 AD 코팅의 장점과 용사코팅의 장점을 그림 9. 전자빔 증착법을 이용한 YF3 코팅 및 미세구조 결합한 하이브리드기술도 개발되고 있다. 밀도가 높 지만 성막속도가 느린 AD 코팅을 밀도가 낮지만 코팅소재에 관한 특허가 출원되었다(그림 10). 이 성막속도가 높은 용사코팅층위에 올리는 것이다. 특허는 YF3 코팅을 한 경우 불소계 플라즈마에서 100um 이상의 일반용사코팅층위에 약 10~20um 코팅층 표면의 화학적 반응에 의한 불화물의 생성 의 치밀한 AD 코팅을 올리는 방식이다. 이 방식은 이 어려워 오염입자의 발생이 적다고 명시하고 있다. 반응성 가스가 코팅층을 통과하여 모재에 영향 또한 산소가 포함된 환경에서는 표면층에 Y-O-F 을 주는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 기술이라 층이 생성되는 것을 보여준다. 이 같은 특허 출원 고 할 수 있다. 또한 최근에는 단순히 Y2O3 코팅에 내용은 이미 학술적으로 검증되고 알려지 내용이지 서 벗어나 Y2O3와 Al2O3 혼합체 혹은 고용체를 코 만 세계 2위의 장비회사인 일본의 TEL사가 오염입 팅하는 기술도 개발되었다. Y2O3에 Al2O3가 첨가 자제어를 위하여 코팅층의 화학조성을 제어하고자 될 경우 용융점이 낮아져 더 치밀한 코팅이 가능하 하는 시도를 보여주는 것이다. 고 따라서 오염입자의 발생도 줄어들 뿐만 아니라, AD 혹은 SPS공정으로 코팅한 Y2OS의 경우 일 breakdown전압도 상승하는 장점이 발견되었다. 이 반적인 용사코팅과 비교하여 매우 뛰어난 접합력 코팅은 디스플레이 산업에서 사용하는 정전척에도 을 가지고 있다. 일반적인 용사 코팅의 접합력이 이용되고 있다. 그림 10. 일본TEL사의 출원 특허(출원 번호 ) April

31 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 4. 결 론 산화물 세라믹이 불소를 포함한 플라즈마에 노출 과 이를 개량하여 코팅속도, 코팅효율, 대면적화를 되었을 때 활성이 높은 플라즈마와 화학적, 물리적 크게 개선한 상온진공과립분사공정을 소개하였다. 반응을 동반하게 된다. 식각된 세라믹의 표면구조 또한 기존 플라즈마용사의 대면적, 고속의 코팅속 를 면밀히 관찰한 결과 표면층에는 약 10nm 두께 도의 장점을 가지면서도 치밀한 구조를 얻을 수 있 의 불소함량이 높은 불소화 층이 관찰되었다. 알루 는 SPS 코팅이 있다. SPS 코팅은 기존 용사와는 달 미나와 이트리아의 경우 불소를 포함한 표면의 불 리 um 크기의 입자를 사용함으로써 용사코팅으로 소화 층이 실리콘의 경우와 달리 매우 안정하기 때 도 치밀한 코팅을 제공할 수 있었다. 이외에도 용사 문에 불소화 층의 물리적 제거과정이 식각속도를 코팅의 장점과 AD 코팅의 장점을 결합한 hybrid 코 좌우하는 것으로 나타났다. 실제 미세구조, 순도의 팅을 소개하고 진공증착법을 이용한 코팅의 예제를 변화에 따라 평균 식각속도를 측정하면 크게 변화 소재하였다. 코팅의 구조 뿐만 아니라 코팅의 화학 하지 않는다. 그러나 미시적인 영역에서 식각과정중 적 조성을 제어하여 오염입자를 제어하는 최근 기 에 스퍼터링 되는 원자의 재증착에 의해 오염입자 술 동향을 소개하였다. 의 발생은 미세구조에 크게 영향을 받게 된다. 대표 적으로 동일한 순도를 가지는 이트리아 소결체와 용 사코팅품을 비교하였을 때 평균적인 식각속도는 유 사하여 식각율의 관점에서 본 내플라즈마성은 유사 하나 플라즈마 노출후의 오염입자 발생가능성의 관 점에서는 두 소재가 크게 다름을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 최근 연구되고 있는 다양한 내플라즈마 코팅기술을 소개하고자 하였다. 상온에서 치밀한 미세구조를 얻을 수 있는 AD 코팅 이성민 박사 - 한국과학기술원 재료공학과 박사 - (주)대구텍 중앙연구소 연구원 - 오크리지국립연구소 방문연구원 - 현재 한국세라믹기술원 책임연구원 오윤석 박사 - 고려대학교 재료공학과 박사 - SE plasma 선임연구원 - 올리콘발저스코팅코리아 연구소장 - 현재 한국세라믹기술원 책임연구원 공동기획 76 ceramic korea

32 Special ΙΙ 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) GaN 파워반도체 글로벌 기술개발 동향 및 시사점 문 재 경_ 한국전자통신연구원 GaN전력소자연구실 책임연구원 1. 파워반도체 개요 어) 등에 주로 사용된다. 그림 1은 발전소에서 가전 제품까지의 전력 흐름속에 사용되는 파워반도체(또 파워반도체란 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시스 는 전력반도체)를 쉽게 도식화하여 나타내었다.1) 템 반도체나 메모리 반도체와 달리 전자기기에 들 파워반도체는 크게 다이오드와 트랜지스터로 구 어오는 전력을 그 전자기기에 맞게 변환, 저장, 분 분되며, 사용되는 반도체 물질에 따라 실리콘(Si) 배 및 제어를 수행하는 핵심 반도체부품이다. 컴퓨 파워반도체, 실리콘카바이드(SiC) 파워반도체, 갈륨 터, 휴대폰, 가전, 자동차, 태양광, 풍력, 스마트그리 나이트라이드(GaN) 파워반도체 등으로 분류할 수 드 등에서 전력변환(AC DC, DC AC), 전력변압 있으며, 시스템에서 사용되는 형태에 따라 웨이퍼, (강압, 승압), 전력안정화, 전력효율 최적화(분배, 제 개별소자(discrete), 집적회로 및 다중소자를 함께 패키지 한 파워모듈(power module)등이 있다. 그 림 2에 전체 기술에 대한 개념도를 나타내었다. 이처럼 다양한 형태의 파워반도체는 시스템에서 전력을 배분하거나 그 형태를 변환하는 과정에서 발 생하는 전력손실(power loss)을 줄여주기 위하여 고효율/저손실 파워반도체 기술의 개발을 요구하고 있다. 기존의 실리콘 파워반도체는 재료의 특성으 로 인하여 고효율 및 초소형 파워시스템 적용을 위 한 기술적 한계점에 이르렀으며, 이를 극복하기 위 하여 전자의 이동도가 빠르고 반도체 저항이 낮은 차세대 와이드밴드갭(wide bandgap) 파워반도체 의 개발을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그림 3은 전력용량과 스위칭 주파수에 대한 다양 한 파워반도체 기술의 응용 분야를 도식화한 것2)으 그림 1. 발전소에서 가전제품까지의 전력 흐름속 파워반도체 로 주로 실리콘 파워반도체인 IGBT(Insulated Gate April

33 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) Bipolar Transistor)는 저주파수 고전력용으로 사 용되며, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 저전력 중간주파수 대역 을 커버하고 있으나, GaN 파워반도체는 100kW 이 하의 중간전력과 100kHz 이상의 고주파수에 적합 하여 차세대 고속/고효율 초소형 전력변환 시스템 개발을 위한 핵심부품으로서 그 역할이 점점 커질 것으로 예상하고 있다. 그림 2. 파워반도체 웨이퍼, 개별소자 및 파워모듈에 대한 개념도 2. GaN 파워반도체 기술 2.1. GaN 파워반도체 소재 특성 파워반도체의 전기적 성능은 반도체 재료의 물리적 특성에서 기인하며, 밴드갭이 넓은 화합물 반도체 소재인 GaN(Gallium Nitride)는 실리콘 소재 대비 우수한 물성으로 인하여 차세대 파워반도체에서 요 구되는 고내압 및 고전류 구동이 가능하며, 특히 높 은 전자이동도와 채널층의 높은 전자농도 특성으 그림 3. 전력용량과 스위칭 주파수에 대한 파워반도체 기술의 응용분야 로 인하여 저손실 고속 스위칭이 가능한 장점을 가 그림 4는 일반적으로 사용되는 파워반도체 소재 지고 있어 현재 사용 중인 실리콘 소재의 물성적 한 의 형상과 주요 특징을 비교하여 나타낸 것이다. 가 계를 극복할 수 있는 차세대 고효율 파워반도체 재 장 널리 사용되는 실리콘 파워반도체 소재는 잉곳 료로 각광을 받고 있다. 과 16인치 웨이퍼가 상용화 되어 있으며, SiC는 밥공 표 1은 현재 사용 중인 파워반도체 재료의 종류 기 형태의 벌크(bulk) 소재와 6인치 크기의 전도성 별 특성을 비교하여 나타낸 것으로써, 실리콘, 갈륨 및 반절연성 웨이퍼가 공급되고 있다. 그러나 GaN 비소, SiC와 비교할 때 GaN 반도체는 밴드갭(Eg= 의 경우 2인치 이상의 대면적 벌크 웨이퍼가 아직 3.4eV)이 넓은 특성을 가져 고온 안정성과 고전력을 대량생산이 어려워 Si, SiC, Sapphire등 여러 종류 가능하게 하여 전력시스템에 사용되는 인버터, 컨버 의 기판위에 성장된 에피 웨이퍼를 이용하여 파워반 터 등의 전력모듈에 필요한 냉각장치를 최소화 할 도체 소자를 제작하고 있는 실정이다. 따라서 실리 수 있다. 특히 높은 포화속도와 높은 전자이동도는 콘과 SiC는 벌크 수직형 파워반도체 소자의 제작이 GaN 파워반도체가 낮은 온-저항 특성을 가질 수 표 1. 파워반도체 재료의 종류별 물리적 특성 비교 있게 할 뿐만 아니라 파워반도체의 스위칭 주파수 를 증가 시킬 수 있어 전력변환 시스템 동작 시 스 위칭 손실을 최소화하고 시스템의 소형화 및 경량 화를 가능하게 하여 기존 실리콘 기반 IGBT에 비 해 30% 이상의 에너지 절감을 가능하게 할 수 있는 장점을 가진다.3,5) 78 ceramic korea

34 그림 4. Si, SiC, GaN 파워반도체 소재의 형상 및 주요 특징 표 2. GaN 반도체 및 에피 성장용 기판재료의 물성 쉬우나 GaN는 벌크 웨이퍼의 성장기술이 어려워 수 직형 파워반도체 소자 보다는 수평형 구조의 소자 가 더 보편화되어 있다. GaN 반도체 소재는 고온 안정성, 고출력 및 높은 항복전압을 갖는 우수한 물성으로 인하여 기존의 실리콘 기반의 전력반도체를 대체할 차세대 반도체 로 각광받고 있다. 그러나 격자 정합된 동종 기판의 공급과 고품질의 GaN 반도체 소재특성을 확보하 는 것이 어려운 단점을 가지고 있다. 표 2는 GaN 에 피를 성장할 때 사용되는 다양한 기판 재료의 물질 특성을 나타낸다. GaN 에피소재 기술은 이종기판의 사용에 따른 격자 불일치를 해소하기 위하여 S. Nakamura에 의 해 도입된 저온 완충층(buffer layer) 기술의 개발 로 에피 소재의 특성 향상 및 본격적인 소자 개발 이 이루어지게 되었다. GaN 반도체를 이용한 발광 다이오드(LED) 개발은 휴대폰 키패드 및 디스플레 이 광원으로 응용분야가 확대되면서 에피소재 기 술의 급속한 발전을 이루게 되었다. 그림 5에서와 같이 Ga-face를 가지는 GaN 파워 반도체의 AlGaN/GaN 이종접합의 경우 격자상수 차이에 의한 strain과 분극현상(polarization)으로 인하여 높은 전자밀도 및 이동도를 가지는 2-DEG 를 형성하는데 이러한 2-DEG 특성은 GaN 반도체 소재 기반의 고주파 및 고전력용 반도체의 성능을 그림 5. AlGaN/GaN 이종접합의 분극특성 좌우하는 중요 성능지수가 된다. April

35 반도체 공정용 세라믹 소재부품 개발 최신 동향(2) 파워반도체용 GaN 에피소재 기술에서는 고전류 에서는 고온의 AlN 또는 AlN/GaN 초격자층을 이 구동 및 고내압성 특성을 확보하는 것과 대면적 기 용하는 에피기술이 주로 개발되었으며, 대표적으 판 위에 crack-free 표면특성을 확보하는 것이 가 로 Sanken사는 50층 이상의 AlN/GaN 초격자층 장 중요하다. 지금까지 다양한 기판 재료들을 이용 을 적용하여 4인치급 LED 에피웨이퍼 및 전자소자 하여 연구개발이 이루어지고 있으나, 본 기술동향 구조를 개발하였다. 국내에서는 대기업을 중심으 에서는 가장 많이 이용되는 사파이어(Sapphire), 실 로 2009년부터 LED용 MOCVD에 대규모 투자가 리콘 및 SiC 기판을 이용한 GaN 에피 소재 성장기 이루어졌다. 삼성종합기술원에서는 2010년 해외 선 술에 관하여 기술하고자 한다. 진사(IMEC,벨기에)와의 기술협력을 통하여 crackfree 8인치 GaN-on-Si 에피기술을 확보하였다. LG 가. GaN-on-Sapphire 에피성장 기술 전자기술원은 2010년 AIXTRON사의 장비 도입 2000년 초반부터 개발되기 시작한 GaN-on-Sap- 및 공동기술 개발을 통하여 6인치 GaN-on-Si 에 phire 기반의 전자소자는 통신용 및 군사용 부품 피 기술을 개발하였다. 경북대에서는 2005년부터 개발을 위하여 선진국을 중심으로 진행되었다. 미 GaN-on-Si 에피 기술 개발을 진행하였으며, 다양 국의 UCSB 대학은 MOCVD, MBE 및 HVPE등 다 한 버퍼층 기술과 구조개발을 통하여 2인치와 4인 양한 성장장비와 복합적인 에피기술과 Fe, C 등의 치 에피성장 기술을 확보하였다. 도핑원소를 이용하여 누설전류를 방지하는 에피 기술을 개발하였다. 일본의 나고야 대학은 고온의 다. GaN-on-SiC 에피성장 기술 MOCVD 장비기술을 이용하여 높은 Al 조성비를 GaN와 격자상수 차이가 작고, 열전도 특성이 우수 가지는 에피구조 및 AlN 기반의 다양한 에피구조 한 SiC는 고휘도 LED 및 고출력 전자소자에 적합한 를 개발하였으며, 이는 NTT 및 Furukawa등의 기 기판으로 알려져 있다. 우수한 물성에도 불구하고 업을 중심으로 양산화 기술이 개발되었다. 국내에 높은 성장온도, 대구경화의 어려움 및 마이크로 파 서는 2000년 국책과제를 통하여 전자소자 개발이 이프라는 결함의 존재는 SiC 기판의 상용화에 걸림 시작되었으며, 경북대에서 AlGaN/GaN 에피기술을 돌이 되고 있다. SiC 기판의 경우 우수한 열전도 특 기반으로 수십 GHz 동작 주파수를 가지는 증폭기 성으로 인하여 고출력 및 고전류 구동이 필요한 전 소자 성능을 확보한 단계이다. ETRI에서는 2011년 자소자 및 전력반도체 개발에 응용되고 있으나, 기 GaN-on-sapphire를 이용한 전력반도체 에피 기 판 가격은 아직도 높은 편이다. 미국은 2005년부터 술을 개발하였다. 나. GaN-on-Si 에피성장 기술 실리콘 기판의 경우 대구경 및 저가격화의 장점으로 인하여 GaN을 성장하기 위한 연구개발이 활발히 진행되었으나, 격자상수 및 열팽창계수의 차이가 심 하여 양질의 GaN 에피 소재를 확보하기 어려웠다. Crack-free GaN-on-Si 기판을 개발하기 위하 여 다양한 에피기술이 개발되었다. 미국의 Nitronix 사는 고온의 AlGaN 다층구조를 이용하여 4인치 GaN on Si 에피 기술을 확보하였으며, 고주파용 소 자 및 전력반도체용 웨이퍼를 양산중에 있다. 일본 80 ceramic korea 표 3. 벌크 GaN과 에피 GaN 웨이퍼의 물리적 특성 비교