Special 차세대 단결정 성장기술 및 산업응용 동향(1)

Silicon Carbide(SiC)단결정의 특성 및 성장/가공 기술 동향

이원재_동의대학교 신소재공학과 교수
구갑렬_㈜쎄닉 대표이사

1. 서론

SiC(Silicon Carbide, 탄화규소) 소재는 탄소중립을 달성하기 위한 가장 중요한 핵심 소재이며, 기존 반도체로는 해결할 수 없는 분야에 사용될 수 있는 미래 소재라고 할 수 있다. 전 세계적으로 2050년까지 탄소 중립이란 달성 목표를 세운 이유는 산업화에 따른 온실가스 배출이 만든 지구의 평균기온 상승, 이에 따른 심각한 이상 기후 현상을 막기 위해서이다. 인간 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 감소시키고, 남은 온실가스는 흡수, 제거해서 실질적인 배출량을 제로로 만든다는 개념이 탄소중립인 것이다.[1] 따라서 저탄소 녹색 성장 전략의 일환으로 에너지 사용 기기 및 시스템의 고효율화, 고성능 제어장치 개발을 통한 에너지 절약 방법을 필요로 하고 있다. 또한 이를 위하여 소재 관련 연구 분야에서도 기본보다 더 가혹한 환경에서의 기능 안정화와 신뢰성이 우수한 새로운 소재의 개발이 요구되고 있다. 현재 전기(전력 생산)에서 발생되는 온실가스는 약 27% 정도로 상당한 비율을 차지하고 있고, 실제 전력생산량의 10% 이상이 전력변환 부분에서 손실로 없어지기 때문에 고효율 전력변환이 가능한 전력 반도체 재료/소자가 매우 중요해 졌다. 전력반도체(Power Semiconductor)는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류/교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 반도체로, 전력을 생산하는 단계부터 사용하는 단계까지 다양한 기능을 수행한다. 가전제품, 스마트폰, 자동차 등 전기로 작동하는 제품의 작동 여부 및 성능을 결정짓는 핵심부품으로 작용한다. 최근 들어, 전력반도체는 전기자동차에서 가장 중요한 부품으로 적용이 확대되고 있으며, 4차 산업혁명 시대의 중요한 분야인 자율주행차, 로봇, 사물인터넷(IoT), 스마트그리드, 항공우주, 5G 이동통신 등의 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어나고 있다. 이러한 상황에서 현재 생산되고 있는 전력반도체 소자의 90% 이상을 차지하고 있는 Si소자의 경우 실리콘 반도체 소재가 열적 특성 및 물리적 특성의 한계를 갖고 있어 광역 에너지 금지(Wide-band Gap) 대역을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. SiC소재를 이용한 전력반도체 모듈은 Si 소자모듈에 비해 전력 스위칭 시 발생하는 불필요한 에너지 손실을 대폭적으로 삭감(~85% 감소)하는 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN, Ga2O3, Diamond 등의 광대역 반도체 재료가 많이 연구되고 있지만 전력반도체 소자에의 적용 용이성, 신뢰성 및 큰 사이즈 잉곳 성장의 어려움 등으로 인하여 잉곳 성장 기술이 확보되어 기판으로 생산성이 뛰어난 재료는 탄화규소(Silicon Carbide)밖에 없으며, 고내열, 고열전도, 고내전압 특성을 고루 갖춘 SiC 반도체가 21세기를 이끌 대안으로 주목받고 있는 실정이다.[2-5] 하지만, SiC 단결정은 성장 시 필요한 우수한 원료소재, 압력 및 온도, 온도구배 등의 공정변수 제어가 쉽지 않아 재현성을 구현하는데 문제가 있다. 또한 SiC 단결정의 주요한 결함으로 알려져 있는 Micropipe, Planar Defect(Stacking Fault), Dislocation, Carbon Inclusion 등의 생성이 저가의 SiC 대구경 웨이퍼를 상용화해서 광범위하게 모든 응용분야에 적용하는 데 가장 큰 문제로 간주하고 있다. 이 자료에서는 다양한 SiC 단결정 성장 방법들에 대한 개략적인 소개, Physical Vapor Transport(PVT) 공정의 주요한 변수고찰, SiC 단결정의 기판 가공 기술, 응용 분야 및 향후 전망 등에 대하여 간단히 소개하고자 한다.

그림 1. SiC 결정다형 적층 모식도

2. SiC 단결정 소재의 특성

탄화규소 결정은 1000℃~2700℃ 이상의 영역에 걸쳐 결정 구조가 다른 상이 존재하게 된다(그림 1). 대표적인 안정상으로는 3C, 4H, 6H, 15R 등이며, 이외에도 200여 종이 넘는 동질이상형이 존재하지만, 대형의 단결정 성장이 가능한 안정상으로 존재할 수 있는 다형은 주로 Hexagonal Type이다. SiC는 Si와 C의 화합물로 공유결합과 부분적 이온결합으로 이루어진 인공 화합물이다. 이러한 SiC는 Stoichiometric Compound로 200여 종이 넘는 결정다형이 있지만, 대표적인 결정형으로는 입방형(Cubic), 육방형(Hexagonal), 능면형(Rhombohedral)이 존재한다. 이러한 SiC 결정다형들은 결정구조가 다를 뿐만 아니라 적층주기에 따라 다른 특성을 가지고 있다. SiC는 대부분 Acheson법을 이용하여 코크스(Petroleum Coke) 분말과 규사(SiO2)로부터 합성되며 [SiO2+3C->SiC+2CO], 높은 경도 때문에 오래전부터 연마 재료로 폭넓게 이용되어 왔다. 또한 내열성, 내식성, 열전도율이 높고, 열팽창률은 비교적 작아 현재 내화물용 원료로도 많이 이용되고 있다. SiC는 β-SiC라 불리는 하나의 3C-SiC 입방정상과 70여 종의 육방정상, 170여 종의 능면정상이 있고, 입방정상을 제외한 나머지는 α-SiC로 통칭된다. 이 중 가장 많이 나타나는 상은 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC 등이 이고, 산업적으로 널리 이용되고 있으며, 각각의 결정다형은 에너지 밴드갭 및 전하이동도 등의 물성이 달라 소자뿐만 아니라 여러 분야에서 연구되고 있다.[6-8]

그림 2(A). SiC 물성이 파워디바이스의 성능에 미치는 영향과 (B). Si와 SiC의 주요 특성별 성능지수 비교[3]

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>