기계/재료

반도체 식각장비에 응용 가능한 대규격 복잡한 형태의 투명세라믹 제작

발행일 : 2013 / 03 / 04

레이저 기질재료로 사용되는 이트륨 알루미늄 석류석(Yttrium aluminum garnet, YAG), 산화이트륨(Yttria, Y2O3) 등 투명 세라믹은 가시광선-중간적외선 파대역에서 투과율이 높아 고온창구거나 혹은 중적외선 광학창구, 반구형태 페어링 분야에서 선호하는 재료로 알려지고 있다. 투명 세라믹은 플라즈마의 침식에 견디는 성능이 뛰어나 반도체 식각장비 분야에도 응용가치가 크다.

최근 중국과학원 상해규산염연구소 구조세라믹센터에서 투명세라믹 연구분야에 중요한 성과를 올렸다. 왕스웨이(王士維)연구원이 이끄는 연구팀은 분말합성, 소결보조제 선정 및 성형과 소결공정의 최적화를 통해 고품질 대규격 복잡한 형태의 YAG와 Y2O3 투명세라믹을 제작했다.

냉간 정수압성형(cold isostatic compaction) 공법으로 지름 235mm, 두께 7.5mm되는 YAG 투명세라믹 원판을 제작하였고, 400nm과 1100nm 사이즈의 직선 투과율이 각각 80%와 83%에 이를 정도로 광학적 품질이 뛰어나다(그림1).

이는 기존의 단결정 성장방법으로 제작이 불가능한 대규격으로서, 국제적으로 공개 보고된 가운데 최대 규격의 고품질 YAG투명세라믹이다. 정형성형(near-net) 치수성형공법으로 각각 고광학적 품질의 지름이 85mm과 210mm인 YAG 투명세라믹 페어링 샘플을 제작하였다(그림2).

YAG투명세라믹은 탁월한 기계성능을 지니는데 만곡강도가 350MPa이고 적외선 차단파장은 사파이어 단결정보다 우수하다. 위의 연구성과와 관련해서는 국제적으로 보고된 바가 없으며 중국은 YAG 투명세라믹 광학창구/헤드캡 연구분야의 기술공백을 메웠다.

Y2O3 투명세라믹 연구과정에서 각각 콜로이드성형공법과 냉간정수압공정을 채택해 다양한 규격과 치수의 고광학적 품질의 투명 세라믹 샘플을 제작하였고 일부 규격은 소량 생산이 가능하다. 그림3은 제작된 Y2O3 투명세라믹 구모양 페어링과 평판 샘플의 실물 사진이고 그림4은 가시광선과 근적외선 파대역의 광학 투과율을 나타내었다. 제작한 Y2O3투명세라믹은 자외선, 가시광선과 중적외선 파대역에서 탁월한 광학 투과성능을 지니며, 그 적외선 차단 파장은 8.0µm에 달하며, 6.0µm의 파장으로도 두께 3mm되는 샘플의 광학 투과율은 80%이상을 유지하는 것으로 나타났다.

Y2O3투명 세라믹은 중적외선 파대역에서 적외선 방사율이 매우 낮기 때문에 적외선 방사율에 대한 요구가 매우 높은 광학창구/페어링 분야에도 응용이 가능하다.

과제팀이 최근에 발표한 YAG와 Y2O3투명세라믹 연구분야의 논문은 다음과 같다.

1. Materials Research Bulletin, 2011, 46:170-174; 2. Optical Materials, 2012, 34:973-976; 3. Ceramics International,2012, 38:2529-2535; 4. International Journal of Applied Ceramic Technology,2013, 10:123-128; 5. Journal of European Ceramic Society, 2010, 30:2139-2143