관련 통계자료 다운로드 진공 플라즈마 표면 처리장치 개념도
1970년대 이래로 플라즈마 기술은 다양한 재료의 증착 및 표면처리에 유용하게 사용되고 있다. 이 기술은 플라즈마 상태에서 높은 에너지의 입자 및 라디칼 활성종이 어떤 재료의 표면에 물리 혹은 화학 반응에 의해 에너지를 재료의 표면에 전달, 표면을 원하는 특성으로 바꾸거나 신 물질을 코팅하는 용도로 주로 사용된다. 주 응용분야는 반도체, LCD, PCB 제작 공정이다. 일반적으로 적용되고 있는 플라즈마 공정은 디스미어(찌거기 제거), 테프론 활성화, De-scum 및 카본 제거, 오염물제거, 표면활성화, 에칭, 고분자 가교 결합 등이다. 예전에는 화학약품에 의한 습식 공정이 주로 이 용도로 사용됐으나 첨단 제조 공법의 등장, 새로운 소재의 출현 ,고밀도 고집적화 추세, 그리고 환경 친화적인 전자부품의 제조공법의 요구에 따라 플라즈마 기술이 이를 대체하는 추세다.
◇플라즈마란 무엇인가= 플라즈마는 물질의 제 4 상태로 ‘partially ionized gas consisting of equal numbers of positive and negative charges, and a different number of un-ionized neutral molecules’로 정의 된다. 플라즈마의 구성성분은 전자, 양의 이온 그리고 중성 원자·중성 분자 등이다. 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 플라즈마는 번개, 아크, 네온사인, 태양, 오로라 등이 있다. 기체 입자에 에너지가 가해지면 최외각 전자가 궤도를 이탈해서 자유 전자가 되기 때문에 기체 입자는 양전하를 갖게 된다. 이렇게 형성된 전자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 전체적으로 전기적인 중성을 유지하며 구성입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온화한 기체 또는 플라즈마라고 부른다.
◇플라즈마의 응용분야와 적용 장비= 플라즈마는 수만도 정도의 온도와 109∼1010/㎤의 밀도를 갖는 저온 글로우 방전 플라즈마와 수천만도 이상의 온도와 1013∼1014 /㎤ 의 밀도를 갖는 초고온 플라즈마로 크게 구별할 수 있다. 저온 글로우 방전 플라즈마는 반도체 공정에서 플라즈마 식각(plasma etch) 및 증착 (PECVD:Plasma Enhanceed Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면 처리, 신물질의 합성 등에서 이용된다. 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 화학 습식 공정을 대체하고 있으며, 특히 전자부품 패키징의 표면처리 및 다층 PCB의 홀에 존재하는 스미어(smear)를 제거하는 디스미어공정에 플라즈마 기술 적용이 확대되는 추세다. 구체적으로 종래의 초고압, 고온에서 얻어지던 인조 다이아몬드가 플라즈마를 이용한 기상 증착법 (PECVD)에 의해, 박막 형태로 얻어지고 있다. 이종 기판상 단결정 다이아몬드 성장이 가능해 질 경우 극한 상황에서도 동작하는 반도체 소자, 우주산업용 기계부품의 윤활 코팅이나 청색 발광 다이아몬드 등을 만들 수 있어 산업의 모습을 획기적으로 변모시킬 것으로 기대된다. 금속 표면 경화처리도 플라즈마의 또 다른 응용분야다. 금속 표면에 TiN/C, CrN/C, AlN 등과 같은 초경 피막을 코팅함으로써 표면의 내마모, 내부식 성질을 개선할 수 있다. 플라즈마를 이용한 증착법 (PVD SPUTTER, ION PLATING)은 박막의 부착력이 좋고, 증착 온도가 낮아질 수 있어서, 종래 기술의 증착 시 기판의 고온 가열이 필요하여 이에 수반되는 모재의 변형, 변성을 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. 이 기술은 정밀기계 부품의 표면 처리에 많이 응용되고 있다. 전자빔이나 글로우 방전 플라즈마를 이용하여 공장의 배기 가스 중 NOx, SOx를 제거하는 건식 처리 기술도 선보였다. 가장 적용이 활발한 분야는 플라즈마 디스미어, 플라즈마 세정장비등에 의한 고분자 및 전자부품의 표면처리 및 표면개질 부분이다. 저온플라즈마의 반응성 활성종에 의해 고분자 재료의 소수성, 친수성, 염색성, 접착성 등을 개선, 이들에 의해 만들어지는 섬유나 재료의 기능을 향상시킬 수 있기 때문이다. 특히 전자부품의 경박 단소화 및 고품위화에 따른 미세패턴의 PCB, 플립칩 패키징 등의 플라즈마처리에 의한 도금밀착력향상, 계면접합특성을 향상시켜 전자 부품의 신뢰성 및 생산성 향상시켜 PCB 및 전자 패키징 공정에 많은 응용이 증대되고 있다.
◇표면처리 및 표면개질용 저온 플라즈마 공정= 플라즈마 증진 화학 공정 (plasma enhanced chemical processing)은 방전시에 존재하는 고에너지 전자에 의해 분자들이 해리되거나 이온화될 때 생기는 라디칼이나 이온들을 이용한다. 화학결합을 끊기 위해 외부에서 따로 열을 가해 줄 필요가 없기 때문에 낮은 온도에서도 공정이 가능하다. 플라즈마를 이용한 이러한 장점은 온도 안정성이 없는 물질을 처리하는데 매우 유용하다. 특히 마이크로 전자소자와 같이 크기가 매우 작고 얇은 접합부가 있는 경우처럼 확산을 방지하거나 grain의 성장을 제한해야 할 때는 저온 처리가 결정적으로 중요하다. 질화나 산화와 같은 표면개질의 경우는 기체가 플라즈마 내에서 해리되어 라디칼을 만들고 이것이 표면과 반응하여 표면에 붙어 성질을 변화시키는 비휘발성 생성물을 만든다. 애싱(ashing), 세정(cleaning), 식각(etching)의 경우에는 표면으로부터 물질을 제거해야 하므로 표면이 반응하여 생긴 생성물이 휘발성이 되어야 한다. 저온플라즈마에서는 양이온 중성종, 준안정종, 전자, 빛과 같은 고에너지 입자의 일정한 선속을 만들고 전달할 수 있으며, 이 에너지와 선속은 조절할 수 있다. 이 입자들은 기판에 입사하여 기판 표면의 물리적 화학적 성분을 바꾸게 된다. 쉬스(sheath)에서 가속된 이온의 표면포격은 표면에서 반응하여 처리되는 표면 또는 증착된 표면성질에 영향을 준다 화학적인 반응에서 이온포격과 같은 물리적인 과정이 추가 되면 공정속도가 증가되며 독립적으로 수행했을 때 얻을 수 없는 표면성질을 갖는 표면을 얻을 수 있다. 습식공정처럼 공정 후 발생하는 유해 용액 처리 문제가 없기 때문에 플라즈마를 이용한 건식공정의 적용이 늘어나고 있다. 적당한 플라즈마에 고분자를 노출시키면 표면이나 표면근처의 물리적 화학적 성질이 변화는 데 화학적으로는 더욱 활성적인 표면으로 바뀌며 또한 젖음성(wetting property), 가교(cross-linking), 분자량에도 변화가 생긴다.
◇플라즈마 장치 = 최근에는 대기압 플라즈마 장치도 사용되고 있으나 처리 균질성이 높게 요구되는 세정. 개질, 에칭등에는 아직 대부분이 진공플라즈마 장치를 생산에 이용하고 있다. 플라즈마 시스템은 전자부품제조기술의 진보에 따라 빠르게 업 그레이드 되고 있다. 특히 PCB·패키징·SMT·LED 등의 제품들이 갈수록 미세화 돼 비아홀 등 내부의 이물질 제거가 어려워지고 접합력이 떨어지는 신소재의 밀착력 향상 처리 요구 등 어려운 조건에서 생산수율을 높여야 하므로 플라즈마의 사용은 급속히 증가하고 있다. 플라즈마 장비 분야는 국내 기업들이 일부 기술에서는 이미 해외 기업들을 추월했다. 수요 산업이 크게 발전한 데다가 오랜 임가공 공정기술을 바탕으로 공정 대응력 측면과 제어 편이성 부분에서 앞서가고 있기 때문이다. 무한한 응용분야를 갖고 있는 플라즈마 분야에 대기업과 장비기업, 그리고 정부가 힘을 합친다면 우리나라의 새로운 성장동력으로 자리매김하게 될 것이다.
◆최용석 제4기한국 연구소장(cys0413@yahoo.co.kr)
◆약력.
고려대학교 공과 대학원 금속공학과 졸업 (박사)
한국과학기술연구원 연구원 (1998))
한국코아㈜ 연구소장(2001)
한전 전력연구원 선임연구원
㈜제4기한국 연구소장 (2004 ∼