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201806.20

“얇게 더 얇게” 플라즈마로 만드는 얇은 세상

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/820

 얇고 가늘고 가벼운 게 대세인 세상입니다. 신형 스마트폰이나 TV, 노트북이 나오면 얼마나 얇고 가벼운가부터 자랑하죠. 반도체는 특히 그렇습니다. 밀리미터(mm)에서 마이크로미터(µm), 심지어 나노미터(nm)의 두께로 경쟁합니다.

 

 마이크로미터(1µm=100만분의 1m) 이하의 ‘박막’을 넘어 나노미터(1nm=10억분의 1m) 두께의 ‘초박막’이 세상을 바꾸고 있습니다. 관건은 표면을 얇게 하면서도 소재와 제품의 성질을 그대로 유지하는 건데요. 그 중심에 플라즈마가 있습니다. 얇고 가늘고 가벼우면서도 고성능의 소재와 제품을 가능하게 하는 플라즈마, 얇은 표면 위에서 펼쳐지는 플라즈마의 활약상을 만나 보겠습니다.

 

더 얇고 가늘게 만드는 초박막의 세계에서 플라즈마는 필수적인 기술이다.  <사진 출처=SAMCO, Inc.>

 

 

◇ 반도체 웨이퍼·식각 등의 박막 가공

 

 얇고 가는 것이 경쟁력을 좌우하는 대표적인 분야는 반도체입니다. 반도체 제조 필수 공정 가운데 하나인 식각(Etching)을 살펴볼까요? 식각은 반도체 집적회로의 핵심 소재인 웨이퍼에 불필요한 부분을 제거해 반도체 회로 패턴을 만드는 공정입니다. 여러 층의 얇은 막에 반도체 회로 패턴을 형성하게 되는데요.

 

 얇고 작은 기판에 얼마나 많은 회로를 집적화할 수 있느냐가 제품의 품질과 경쟁력을 좌우합니다. 최근 반도체 기술은 나노 스케일로 집적화되고 있는데요. 미세한 가공을 통해 수율(결함이 없는 합격품의 비율)을 높이기 위한 대표적인 방법이 플라즈마 식각입니다. 웨이퍼 상의 얇은 막에서 이루어지는 만큼 식각은 균일도와 속도가 중요한데요. 이처럼 정밀하고 미세한 작업을 가능하게 하는 것이 바로 플라즈마 기술입니다.

 

 이에 앞서 반도체 기판이라고 할 수 있는 웨이퍼 제조 공정도 얇은 박막의 세계에서 이루어지는 일입니다. 과거에는 웨이퍼의 두께가 밀리미터 단위였지만, 나노급 반도체가 등장하면서 마이크로미터, 나노미터 단위로 얇아졌습니다. 직경 300mm 웨이퍼의 두께는 0.8mm 정도였는데요. 최근에는 이 두께를 수십µm 단위로 얇게 해 여러 층 쌓아 올리는 방식이 시도되고 있습니다.

 

 웨이퍼는 실리콘 등의 소재로 만든 단결정 기둥(잉곳. Ingot)을 얇게 자른 원판입니다. 잉곳을 얼마나 얇고 매끄럽게 원판형의 웨이퍼로 자르냐 역시 반도체의 품질을 좌우합니다. 당연히 일반 칼이나 톱은 사용할 수 없겠죠? 그래서 다이아몬드 톱이나 레이저, 최근에는 플라즈마  기술을 이용합니다.

 


반도체는 플라즈마를 이용한 공정이 70%에 달한다.


◇ 10nm 수준의 나노반도체 공정

 

 반도체나 디스플레이 등에서 플라즈마를 활용한 공정은 보통 10nm 수준에서 이루어집니다. 그야말로 초정밀, 초박막의 공정인데요. 플라즈마를 비롯해 장비 내부의 가스와 물질이 어떤 상태이고, 어떤 상황에서 최적의 성능을 발휘하는지 정확한 측정과 해석이 중요합니다. 또 얇은 기판을 여러 겹 겹쳐 만들기도 하는데요. 대부분 머리카락 굵기의 100~1,000분의 1에 해당하는 나노미터 단위의 미세공정으로 이루어집니다. 이렇게 작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우합니다.

 

 그런데 나노급 반도체 칩을 연결하는 구멍(Contact hole)은 조금이라도 삐뚤어지거나 오차가 발생해도 제대로 성능을 발휘하기 어려운데요. 이러한 구멍을 뚫는 작업은 플라즈마 외에는 다른 방법이 없습니다. 이런 반도체 공정에 쓰이는 장비는 플라즈마의 물성을 정확하게 분석하고 제어할 수 있어야 합니다.

 

 플라즈마기술연구센터에서는 산학연협력연구를 통해 반도체 핵심 제조공정에 필요한 3차원 공정 해석 시뮬레이터와 플라즈마 물성 데이터베이스(DB) 국산화에 성공하였습니다. 과거에는 계산 시간의 한계로 실제 공정 예측이 불가능 했지만, 다년간의 공동 연구를 통해 이를 극복할 수 있는 기술을 확보하였습니다. 현재도 여러 반도체 칩 제조 회사에서 핵심 공정 해석에 개발된 시뮬레이터가 활용되고 있으며, 칩 개발에서 발생하는 난제를 해결하기 위한 도구로 활발히 활용하고 있습니다.

 


작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우한다. <사진 출처=삼성반도체>

 

 

◇ 얇은 표면 도포하는 증착 기술 갈수록 중요

 

 이와 함께 반도체 집적소자의 크기가 점점 작아지고 형상이 복잡해지면서 균일하고 얇은 두께의 박막을 도포할 수 있는 증착 기술이 중요해지고 있습니다. 얇은 박막에는 구조가 복잡해도 균일하게 증착되는 도포성 뿐만 아니라 반도체 소자에서 요구되는 전기적 특성이 요구되는데요. 기존의 물리적·화학적 증착 기술로는 이렇게 까다로운 요구 조건을 충족하기 어렵습니다.

 

 그래서 플라즈마 화학증착(PECVD. Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)이나 플라즈마 원자층증착(PEALD. Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition) 방식 등을 최근에는 주로 사용합니다.

 


플라스마 화학증착(PECVD, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 이라고 불리는 기술은 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로서 태양전지와 액정 디스플레이에 응용되고 있다. <사진 출처=NANO-MASTER, Inc.>

 

 두 방식 모두 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로 PECVD의 경우 태양전지와 액정 디스플레이 등에 응용되고 있고요. 이와 함께 여러 종의 막을 제작하거나 다이아몬드 막, 나노튜브 등의 신소재 제조에도 사용됩니다. PEALD 공정 기술 역시 반도체 소자의 패커시터 절연막 공정에서 좋은 결과를 얻고 있고요. 디스플레이 소자 등의 절연막, 금속 배선의 금속 확산 방지막, 접착 박막 등에도 적용됩니다.  

 

 플라즈마를 이용해 고체 표면에 막을 형성하는 공정은 액체를 이용하는 습식 공정에 비해 많은 장점이 있습니다. 무엇보다 기체를 이용하는 만큼 약품 처리가 필요하지 않고 배기가스 처리 등의 공기오염 문제가 적고요. 또 저온에서도 높은 화학반응을 얻을 수 있습니다. 이와 함께 이온을 쏘는 방향에 따라 원하는 모양으로 식각을 할 수 있는데요. 이것은 특히 높은 정밀도의 가공을 필요로 하는 전자 장치 제작해 적합합니다.

 


LED·OLED 등의 가공 공정에도 플라즈마 기술이 필수적이다.

 


◇ 갈수록 얇고 정밀해지는 플라즈마 표면처리

 

 이러한 플라즈마 표면처리 기술을 이용해 국가핵융합연구소에서도 다양한 연구 결과를 도출하고 있습니다. 연구진은 고품질·고수명의 OLED 소자를 제조할 수 있는 플라즈마 결합 증착 장치를 개발했는데요. 이 장치는 박막 밀도와 표면 특성이 우수해 OLED 제조 공정에서 고순도·고품질의 음극용 박막을 생성할 때 사용할 수 있습니다. 무엇보다 OLED 소자의 품질과 성능을 향상시킬 수 있는 것이 강점으로 꼽힙니다.

 

 또 플라즈마 발생 과정에서 사용하는 중성입자빔을 이용해 저온 LED 제조 장비 및 공정을 개발했는데요. LED는 에너지 소모가 적으면서도 가볍고 수명이 길어 조명은 물론 신호등, 반도체, 디스플레이 등에서 널리 활용되고 있습니다. 일반적으로 LED는 기판 위 단결정 박막 형성을 위해 고온 공정에서 기판을 제조합니다. 하지만 기존의 단결정 박막 형성은 1,000℃ 이상의 고온이 필요하므로 기판이 구부러지거나 박막이 손상되는 문제가 발생하기도 했습니다.

 

 이때 플라즈마 발생 시 사용하는 중성 빔을 이용하면 기판을 손상하지 않고도 LED 소자를 비교적 간편하게 제작할 수 있는데요. 플라즈마기술연구센터 연구진이 개발한 저온 LED 제조 장비 및 공정 기술을 사용하면 기판 온도를 충분히 낮춤으로써 기판과 박막의 손상을 막고 불필요한 원소의 확산을 막을 수 있습니다.

 

 

◇ 900t 초대형 장치 표면에 5μm 두께 은도금

 

 이처럼 플라즈마는 박막, 초박막 등 얇은 표면 작업이 필요한 산업 분야에서 효자 노릇을 톡톡히 하고 있는데요. 반도체를 비롯해 LCD, LED 등 첨단 IT 산업부터 의료, 섬유 등 다양한 분야에서 활용되고요. 특히 반도체 제조의 70% 이상의 공정에서 플라즈마를 직·간접적으로 사용하고 있습니다.

 

 물론 작은 세상에서만 얇고 가는 게 중요한 것은 아닙니다. 900t의 대형 구조물에 마이크로미터 두께의 도금을 입히기도 하는데요. 우리나라는 7개국이 공동 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 열차폐체(Thermal Shield)를 100% 독점 공급합니다.

 


국가별 ITER 조달 품목. 열차폐체(Thermal shield)는 한국이 전량 독점 공급한다. <사진 출처=ITER>


  열차폐체는 이름에서 알 수 있듯 핵융합 장치 구조물로부터 초전도자석으로 전달되는 열을 최소화하는 역할을 담당합니다. 높이와 직경이 각각 25m, 전체 표면적 1만㎡, 무게 약 900t에 달하는 초대형 구조물인데요. 열차폐체의 표면에는 열전달을 막기 위해 은을 얇게 입히게 됩니다. 은도금 두께는 5μm 정도에 불과합니다.

 

 “얇게, 더 얇게!”

 최근 우리 생활에 파고드는 첨단 제품들의 구호입니다. 그 구호를 가능하게 하는 일등공신은 플라즈마인데요. 반도체와 디스플레이를 비롯해 나노, 환경, 농·식품 등으로 활용 범위를 넓히고 있는 팔방미인입니다. 눈에 보이지 않는 얇은 막이 제품의 성능과 품질을 변화시키듯 세상을 변화시키는 플라즈마의 더 큰 활약을 기대합니다. (끝) 

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