ALD

ALD(원자층증착, Atomic Layer Deposition)는 반도체·디스플레이의 핵심 기술이다. 최근에는 배터리 공정에 많이 접목되고 있다. ALD는 단일 원자만큼의 두께를 가진 얇은 박막을 쌓는 기술로 기판 모양과 크기에 상관없이 균일한 박막 형성이 가능하다. 독일 응용기술 연구기관 프라운호퍼(Fraunhofer)는 네덜란드 응용과학 연구소(TNO)는 ALD를 배터리 공정에 응용했다. 전극 물질의 표면을 균일하게 코팅해 화학 반응을 통한 전기 생산의 효율성을 높였다. SALD 공정을 활용하면 에너지 밀도를 높여 1회 충전 시 1000㎞ 이상 주행이 가능한 배터리를 개발할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 주행 거리는 3배 늘어나고 충전 시간은 5배 빨라진다. 니켈과 망간, 코발트 등 소재의 사용량도 줄어 제조 비용을 감축하는 장점도 있다. LG그룹이 투자한 미국 스타트업 포지나노는 나노 기술로 자동차 배터리를 최적화해 안전성을 높이는 기술 개발에 성공했다. 포지나노의 이 기술은 원자층 증착을 사용해 전기차 배터리 양극 및 음극 재료를 원자 두께의 보호층으로 코팅한다. 이 보호막을 통해 열관리 능력을 향상해 자동차 배터리 화재 등을 예방할 수 있다. 또 배터리의 성능과 용량을 최대 40%까지 향상할 수 있고, 충전 시간도 줄여준다.

원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)은 자체적으로 재료 표면에서의 반응을 기반으로 하기 때문에 복잡한 모양과 나노 구조를 균일하게 코팅할 수 있으며 대부분의 공정이 200℃ 이하의 온도에서 진행된다. 기존에 보고된 연구결과에 의하면, ALD는 태양전지나 연료전지에 활발히 사용할 뿐만 아니라 리튬 이차전지 등 여러 에너지 저장 시스템에 있어서 양극 및 음극 코팅, 전해질 코팅, 전도성 코팅, 분리막 코팅 등 여러 재료와 기능에 따라서 다양한 향상된 성능을 부여할 수 있다.

개요

ALD은 원자층 수준의 얇은 박막을 증착할 수 있는 기술로, 가스상태의 분자들의 단일분자층 표면화학 반응을 이용한다. 가스상태의 분자들을 반응기(reaction group) 라고 하는데, 적절한 반응기를 사용하여 다양한 조성의 원자두께 수준 박막을 한층 한층 증착할 수 있는 기술로, 나노기술의 발전과 함께 각광받고 있는 박막 증착법이다.

기존 실리콘 반도체 기술은 더욱 작은 크기, 빠른 속도, 낮은 전력 소비 등의 방향으로 발전하고 있다. 이에 따라 원자 수준의 정밀한 박막을 만들 수 있는 방법이 요구 되었으며, 이를 실현 할 수 있는 증착법 중의 하나가 원자층 증착법(Atomic layer deposition)이다. 원자층 증착법은 1960년 소련의 과학자 스타니슬라브 콜트소프(Stanislav Koltsov)와 발렌틴 알레스코프스키(Valentin Aleskovsky)에 의해 처음으로 실험적인 원리가 제시되었으며, 1974년 핀란드의 과학자 투오모 순톨라(Tuomo Suntola)에 의해 매우 얇은 박막을 키울 수 있는 구체적인 기술로 발전되었다. 당시 원자층 증착법은 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy)라는 이름으로 불렸고, 1980년 기술이 SID전시회에서 공개되었다. 초창기 Atomic layer epitaxy는 약 10 nm 두께의 매우 얇은 박막을 만들 수 있는 기술이었으나, 당시 반도체 기술은 100 nm 이상의 박막을 활용하던 시기라 atomic layer epitaxy기술이 반도체 기술로 활용되지는 않고 있었다.

그러나 현재의 반도체 기술은 수 nm 수준의 박막을 활용하는 최첨단 기술로, 이를 고품질로 구현할 수 있는 기술이 필요해짐에 따라 원자층 증착법이 각광받고 있다. 반도체 소자에서는 유전층이 필수로 들어가게 되는데, 원자층 증착법을 통하여 10 nm 이하 두께의 고품질 유전체 박막을 증착하여 활용할 수 있다. 일반적으로 반도체 제작 공정에서 활용되는 원자층 증착법 공정은 상대적으로 낮은 온도로 공정이 가능하다는 장점과, 원자 단위의 매우 얇은 고품질 박막을 구현할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 따라서, 원자층 증착법은 현재의 반도체 기술에서는 최상위 기술로 평가 받고있으며, 국내 기업뿐 아니라, 일본, 유럽, 미국 등의 반도체 관련 분야에서 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. 최근에는 금속도 원자층 증착법으로 성장이 가능하게 되어, 전자공학 뿐만 아니라 바이오 분야에서도 활용되기 시작하고 있다.

원리

그림 1 : 원자층 증착법의 원리(출처-한국물리학회)

알루미늄 옥사이드 박막 성장을 위한 원자층 증착법의 원리(출처-한국물리학회)

원자층 증착법의 기본적 원리는 반응기체가 기판의 표면에 화학적 흡착 반응을 하여 표면에 단일 원자층(또는 분자층)의 박막을 증착시키는 방법에 기반을 두고 있다. 기판의 표면에서 일어나는 화학현상은 화학흡착, 표면반응, 그리고 부산물의 탈착 순으로 일어나게 되어 표면에 원자층이 형성된다. 일반적으로 반응기체는 단원소 또는 화합물 기반의 기체를 사용하며, 휘발성이 높고 물질의 안정해야하며, 반응성이 높아야 한다.

그림 1에는 원자층 증착법의 원리를 분자수준에서 묘사하였다. 원자층 증착을 위해 기판으로 준비되어진 웨이퍼가 있고, 웨이퍼 표면에 OH기가 붙어있다. 적당한 반응온도로 기판을 가열한 상태에서, 반응물이 포함된 가스를 주입하게 되면, 반응물이 기판의 OH기에 화학흡착을 하게된다. 표면의 모든 OH기가 반응물과 화학흡착이 끝나면 더이상의 화학흡착이 일어나지 않게 된다. 이때, 질소와 아르곤과 같은 불활성 기체를 넣어 잔여 반응물 가스를 제거한 후, 새로운 반응물이 포함된 가스를 주입하게 되면 동일한 과정을 통해 두번째 반응물이 첫번째 원자층 위에 흡착하게 된다. 이후, 흡착이 끝나게 되면 더 이상 두번째 반응물이 표면에 흡착할 수 없게 된다. 이러한 과정을 반복적으로 진행하면 고품질의 원자층 박막을 기판 위에 동일한 두께로 성장시킬 수 가 있다.

그림 2에는 산화 알루미늄 (Al ₃O ₃) 원자층 박막을 성장시키기 위한 화학 반응이 묘사되어있다. 반응가스로는 Trimethyl Aluminum (TMA, Al(CH ₃) ₃)이 사용되었다. 기판 온도로는 약 150도에서 300도 사이의 온도가 적당하다. 가스가 주입된는 동안 Trimethyl Aluminum 분자는 기판의 표면에 흡착이되며, 다시 수증기 가스를 주입하게되면 CH3가 산소로 치환되면서 (Al₂O₃) 원자층 박막이 성장된다.

원자층 증착법을 개선한 thermal ALD, plasma ALD, photo-assisted ALD등의 새로운 방법들이 개발되고 있으며, 이를 통해 좀더 효율적이고 고품질의 원자층 박막 성장이 가능해지고 있다.

장단점

원자층 증착법은 나노미터 두께의 매우 얇은 박막형성이 가능하다. 극단적인 경우 원자층 1개의 박막을 구성할 수도 있다. 또한, 원자증착법은 1번의 공정을 1싸이클이라고 불리우는데, 싸이클의 반복 횟수에 따라 원하는 두께의 얇은 박막을 고품질로 얻을 수 있다. 일반적으로 원자층 증착법을 통해 얻어진 박막은 물리적, 전기적 특성이 매우 뛰어나다. 원자층 증착법은 평면 형태의 기판 뿐만 아니라, 복잡한 형태를 갖고 있는 나노구조체의 표면에도 매우 일정한 두께의 원자층을 증착할 수 있어, 반도체 분야에서 다양하게 활용되고 있다.

반면, 원자층 증착법은 박막의 성장 속도가 매우 느린 단점이 있다. 예를 들어 1초에 1싸이클이 완성된다고 가정하면 1마이크로미터 두께의 박막을 성장하기 위해서는 약 3시간 이상이 필요하다. 따라서 후막(thin film)의 제조 공정에는 활용되기 어렵다.

적용분야

반도체 분야의 발전에 따라 소자의 크기가 나노단위로 작아지게 되었다. 이때 절연층도 매우 얇고 작은 크기를 가져야 한다. 원자층 증착법은 현재까지 가장 고품질의 산화물 기반 유전체를 나노 단위로 증착시킬 수 있는 대표적인 방법이다. 원자층 증착법으로 성장 시킬 수 있는 대표적인 게이트 절연막은 Al₂O₃와 HfO₂가 있다. 두 소재 모두 고유전체 소재로 반도체 분야에서 매우 중요한 절연막이다. 이외에도, HfSiOₓ 또는 HfSiON 물질도 원자층 증착법으로 성장이 가능하다.

메모리 분야에서도 원자층 증착법이 활용된다. DRAM capacitor에서는 metal-oxide-semiconductor구조를 형성하게 되는데, 이 과정에서 고품질의 원자층 박막으로 구성된 oxide층은 효율적이고 용량이 큰 DRAM을 만드는데 도움이 된다.

배터리 공정에도 원자층증착법(ALD)를 접목하고 있다. 나노구조화 3D 리튬 이온 배터리에 리튬 기반 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 필름을 구현함으로써, 전력 밀도, 충전/방전 동안의 사이클 성능 및 안전성의 상당한 이득이 최근에 보고되었다.

3D 리튬 이온 배터리의 원자층 증착(ALD

Atomic Layer Deposition) 이점

• 고전력
• 3D 나노구조의 짧은 확산 경로로 인해 전력 밀도가 높아집니다.
• 방전 속도
• 높은 표면적 비율에서 충전/방전 속도 향상
• 주기 수명
• 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 패시베이션층 및 낮은 응력 필름을 사용하여 주기 수명 개선
• 안전
• 불연성 고체 상태 전해질

ALD 재료

화학자들은 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)에 대한 흥미진진한 새로운 전구물질을 다량 합성하고, 금속, 반도체, 절연체, 산화물, 질화물, 유전체, 자기 및 굴절 코팅제에 향상된 특성을 가진 코팅제와 같이 많은 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 재료를 만들었다.

ALD 재료

 

참고자료

• Atomic Layer Deposition의 두께 변화에 따른 NCM 양극에서의 고전압 리튬 이온 전지의 전기화학적 특성 평가 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201916936726446.pdf
• 원자층증착 기술: 개요 및 응용분야 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201326940561717.pdf
• 〈원자층 증착법 - NAVER-KPS physics dictionary〉, NAVER-KPS physics dictionary
• 오소영 기자, 〈'최대 주행거리 2000㎞' 유럽 배터리 공세 확대〉, 《더구루》, 2020-11-21
• 송영록 기자, 〈LG, '나노' 기술로 전기차 배터리 화재 막는다〉, 《이투데이》, 2021-02-02

같이 보기

• 배터리
• 나노기술

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