알루미나 세라믹 부품: 반도체 장비 시장을 주도하는 핵심 소재
알루미나 세라믹 부품은 높은 경도, 높은 기계적 강도, 초내마모성, 고온 저항성, 높은 전기 저항률, 그리고 우수한 전기 절연 성능 등 탁월한 특성을 가지고 있습니다. 진공 및 고온과 같은 특수 환경에서 반도체 제조의 복잡한 성능 요건을 충족할 수 있으며, 반도체 제조 생산 라인에서 대체 불가능하고 중요한 역할을 합니다. 거의 모든 반도체 제조 장비에 적용되어 반도체 생산 장비의 핵심 부품이 되었습니다. 반도체 산업의 지속적인 발전과 함께 산업 사슬에서 알루미나 세라믹 부품의 중요성은 더욱 커질 것입니다.
❶......반도체 분야에서의 알루미나 세라믹 부품의 응용
알루미나 세라믹은 알파-알루미나(α-Al₂O₃)를 주 결정상으로 하는 세라믹 소재입니다. 알루미나 함량의 차이에 따라 고순도형과 일반형으로 나눌 수 있습니다.
알루미나 세라믹의 성능은 알루미나 함량이 증가할수록 향상되지만, 알루미나 함량이 높을수록 제조 공정이 더 어려워집니다. 반도체 분야에 적용되는 알루미나 세라믹은 일반적으로 99.5%를 초과하는 매우 높은 순도 요건을 충족해야 합니다.
반도체 분야에서 알루미나 세라믹 부품은 반도체 장비의 핵심 부품 중 하나입니다. 대부분 웨이퍼에 가까운 챔버에 사용됩니다. 반도체 장비의 용도에 따라 분류하면, 주로 링 및 실린더형, 가스 흐름 유도형, 하중 지지 및 고정형, 그리퍼 개스킷형, 모듈형 등으로 나뉩니다.
링 및 실린더 유형
에칭 공정에서 플라즈마 에칭 시 웨이퍼 오염을 줄이기 위해, 강한 내식성을 가진 고순도 알루미나 코팅이나 알루미나 세라믹을 에칭 챔버와 챔버 라이너의 보호재로 선택합니다.
가스 흐름 안내 유형
플라즈마 세정 공정에서는 불소계 및 염소계 가스와 같이 반응성이 높은 할로겐 원소를 함유한 부식성 가스가 사용됩니다. 가스 노즐은 일반적으로 알루미나 세라믹으로 제작되며, 높은 플라즈마 저항성, 유전 강도, 그리고 공정 가스 및 부산물에 대한 강한 내식성과 같은 특성이 요구됩니다. 또한, 가스 흐름을 정확하게 제어하기 위해 정밀한 내부 기공 구조를 가지고 있습니다.
하중 지지 및 고정 유형
반도체 제조 공정에서 웨이퍼는 에칭이나 이온 주입과 같은 고온 처리를 거칠 수 있습니다. 웨이퍼 이송을 위한 캐리어 역할을 하는 알루미나 웨이퍼 스테이지는 이송 과정에서 웨이퍼의 안정성과 안전성을 보장합니다. 알루미나 웨이퍼 스테이지는 우수한 열전도도를 가지고 있어 웨이퍼에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하고 전도시켜 웨이퍼를 열 손상으로부터 보호합니다.
❷...... 반도체 산업을 위한 알루미나 세라믹 부품의 글로벌 개발 현황
정밀 세라믹 부품은 주로 반도체 장비의 핵심 부품을 지칭하며, 알루미나, 질화알루미늄, 탄화규소 등의 첨단 세라믹 소재를 정밀 가공하여 제작합니다. 이 중 알루미나 세라믹 부품은 가장 광범위한 용도와 가장 큰 사용 규모를 자랑하며, 정밀 세라믹 부품 시장의 약 45%를 차지합니다.
❸......반도체 분야 알루미나 세라믹 부품의 개발 동향
알루미나 세라믹 부품 제조는 기술 집약적인 산업입니다. 반도체 응용 분야와 같은 첨단 제품 분야에서 기업은 장기적인 기술 축적뿐만 아니라 풍부한 생산 및 제조 경험과 숙련된 장비 운영 기술을 갖춘 전문 인력을 필요로 합니다.
기술 혁신은 반도체 장비에서 알루미나의 광범위한 적용을 뒷받침하는 핵심 동력입니다. 칩의 피처 크기가 감소함에 따라 반도체 장비는 부품에 대한 요구 사항을 더욱 엄격하게 적용하고 있으며, 밀도, 균일성, 내식성 및 기타 특성에 대한 기준이 더욱 높아지고 있습니다. 최근 국내외 학자들은 알루미나 세라믹 재료의 소결 성능을 향상시켜 낮은 소결 온도에서 재료의 빠른 치밀화를 가능하게 하는 다양한 신공정을 개발해 왔습니다. 이러한 공정에는 자기 전파 고온 소결(Self-Propagating High Temperature Sintering), 플래시 소결(Flash Sintering), 냉간 소결(Cold Sintering), 진동 압력 소결(Oscillatory Pressure Sintering) 등이 있습니다. 그중 냉간 소결은 분말에 순간 용매를 첨가하고 고압(350~500 MPa)을 가하여 입자의 재배열 및 확산을 향상시켜 세라믹 분말이 더 낮은 온도(120~300°C)와 더 짧은 시간에 소결 치밀화를 달성할 수 있도록 합니다.
끊임없는 시장 반복과 혁신의 리듬에 발맞추기 위해서는 지속적인 R&D가 필수적입니다. 현재 글로벌 집적회로 제조 공정은 최첨단 3나노미터 노드로 발전했습니다. 반도체 장비 및 반도체 장비용 정밀 부품은 다운스트림 산업의 제조 요구를 충족하기 위해 지속적인 R&D 업그레이드와 공정 개선을 거쳐야 합니다. 반도체 장비가 업그레이드되거나 교체되면, 새로운 장비의 부품에 대한 구체적인 요구 사항도 동시에 변경됩니다. 반도체 기술의 발전에 따라, 더 높은 내마모성, 더 나은 고온 내성, 그리고 우수한 전기 절연성을 포함하여 알루미나 세라믹 부품의 성능 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 업계 추세는 더 높은 순도와 더 미세한 구조를 가진 알루미나 분말 재료의 R&D와 첨단 제조 기술의 도입으로 향하고 있습니다.