Special 첨단소재 및 공정기술 국제표준화 최신 동향(1)

반도체용 고순도 실리카의 화학분석방법 국제표준화

이진숙_한국산업기술시험원 수석연구원

1. 서론

[실리카란?]
주기율표를 보면 탄소 아래 원자번호 14번, 원소기호 Si, 실리콘(Silicon)이 있다. 우리가 ‘실리콘’이라고 부르는 물질에는 실리콘 원자(Si metal) 외에도 실리콘과 산소의 결합을 주축으로 하는 중합체 ‘Silicone’이 있는데, 후자는 건축용 접착제나 의료용 등으로 쓰인다.
  원소로서 실리콘은 지구표면에 존재하는 무기물 중 가장 많은 27.7 %를 차지한다. 탄소와 마찬가지로 산소 두 개와 결합한 상태가 가장 안정하여 자연계에서는 주로 이산화규소(Silicon dioxide) 상태로 존재하며, 이러한 이산화규소를 실리카라고 부른다. 실리카는 주로 모래나 석영(quartz)에 들어있는 지각의 주요성분이다.

[실리카의 활용]
이렇게 흔한 물질인 실리카는 현대문명을 떠받치는 가장 중요한 소재라고 해도 과언이 아니다. 실리카는 화학적 안정성이 매우 우수하고, 광 투과율이 가장 높은 소재이며 내열성이 우수하여 다양한 분야에 활용된다. 우선, 반도체 소재인 실리콘의 원료이다. 또한, 반도체 제조용 부품 및 소모품으로 가장 많이 사용된다. 웨이퍼 가공 공정의 극한 환경을 견딜 수 있고, 실리콘과 화학적으로 유사하기 때문에 웨이퍼를 오염시킬 위험이 적다.
  다음으로 실리카가 많이 사용되는 분야는 태양광 분야이다. 태양전지(photovoltaic cell), tube, rod, window에 활용될 뿐만 아니라 태양광 모듈의 기본 소재인 Si metal(silicon) 생산에 사용된다. 그 외에도 액정 디스플레이 target, LCD 포토마스크용 기판, TFT LCD용 기판, 자외선 차단 렌즈, 프리즘, mirror, 광섬유 등 무궁무진하다. (그림 1 및 그림 2)

그림 1. 실리카의 주요 활용 분야

  생산 지역별로는 아시아, 유럽, 북아메리카 순이며, 실리카의 순도에 따른 등급별로는 불순물이 가장 적은 초고순도 실리카의 수요가 가장 많이 증가하고 있다. (그림 2) 글로벌 고순도 실리카 시장 규모는 2023년 75억 달러에서 2030년까지 연평균 성장률 15.4 %를 보이며 2030년 204.4억 달러 규모에 이를 것으로 예상된다.

그림 2. 고순도 실리카 시장 전망 (2018 → 2026)

[실리카 순도의 중요성]
이처럼 폭넓은 분야에 활용되는 실리카라는 소재에 있어서 가장 중요한 품질 요소는 순도, 바꿔 말하면 불순물 함량이다. 실제로 유통되는 실리카 소재는 ‘X nine 급’으로 고유명사처럼 불리는데, 실리카 시장을 구분할 때 2 nine, 3 nine, 4 nine 등의 표현을 쓴다.
  반도체용으로 사용되는 실리카의 경우, 사용처에 따라 5 nine (99.999%)부터 7 nine (99.99999%) 이상이다. 실리카 소재에 존재하는 극미량의 불순물이 반도체 특성에 영향을 미쳐 최종 제품의 성능을 좌우하기 때문에 더욱 높은 순도가 요구되는 것이다.
  실리카 소재의 순도는 가격을 결정짓는 요소다. 아래 그림 3을 보면 좌측으로 갈수록 (불순물의 농도가 낮을수록) ‘Price Range’가 높게 형성되는 것을 볼 수 있다. Nine이 하나 추가될 때마다 가격이 제곱으로 뛴다고 말하기도 한다. 표 1은 실리카의 용도별 순도 및 시장 현황이다. 순도가 높을수록 시장 규모가 작더라도 가격이 높게 형성된다.

그림 3. 순도에 따른 실리카의 가격 (출처: Konstantinos I. Vatalis 등 2014)

[실리카의 불순물 분석]
반도체용 실리카의 경우 매우 정밀하고 철저하게 불순물을 관리해야 하는 것은 말할 필요도 없다. 그런데 예를 들어 5 nine 순도라면, 불순물의 총량은 0.00001% 이하이다. 1ton(1000kg)의 실리카에 존재하는 불순물을 다 합쳐도 10mg이 안 되는 수준이다. 이런 극미량을 평가하는 능력이 결국은 초고순도의 실리카 소재의 품질력이고 더 나아가서는 고성능 반도체 기술의 기초가 되는 것이다.

그림 4. 초고순도 실리카의 극미량 원소함량 수준

  실리카에서 우리가 관리하는 원소들은 전기전도도와 관련이 깊다. 반도체에 사용되니 당연히 그렇다. 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 납(Pb), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 소듐(Na), 니켈(Ni), 포타슘(K), 타이타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 등이다. 이러한 금속 원소들의 농도를 분석하는 기술에는 두 가지가 있다. Optical spectroscopy와 Mass spectroscopy이다. 아주 간단히 말해, 전자는 각 원소가 방출하는 고유한 빛의 세기를 측정하여 정량하는 방법이고, 후자는 각 원소의 이온들이 고유의 질량수에서 만들어내는 신호를 측정하여 정량하는 방법으로서 일반적으로 후자가 전자보다 1000배 정도 감도가 좋은 (더 낮은 농도까지 측정할 수 있는) 것으로 알려져 있다.

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