차세대 와이드 밴드갭 반도체(WBGS)인 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은 기존 실리콘 응용 분야에 큰 변화를 가져오고 있습니다. 고온 저항, 고전압, 고주파, 저손실 등의 장점을 지닌 SiC와 GaN은 전기차, 5G/6G 통신, 재생 에너지, 고속 충전과 같은 고성능 응용 분야에 특히 적합합니다. 실리콘과 비교했을 때, SiC와 GaN은 극한 환경에서도 안정적인 작동을 유지하면서 에너지 손실을 크게 줄여 세계 반도체 산업을 새로운 시대로 이끌고 있습니다.
목차
탄화규소와 질화갈륨의 장점
탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은 둘 다 화합물 반도체이지만, 각각 고성능 전자 분야에서 대체할 수 없는 물질적 이점을 보여줍니다.
탄화규소(SiC)
- 높은 파괴 전압: 실리콘보다 훨씬 높은 전압을 견딜 수 있어 고전압 전력 응용 분야에 적합합니다.
- 높은 열전도도: 뛰어난 방열 효율로 고온 환경에서도 안정적으로 작동 가능합니다.
- 낮은 저항: 에너지 손실을 줄이고 시스템 효율성을 향상시킵니다.
질화갈륨(GaN)
- 높은 전자 이동도: 빠른 스위칭 속도로 고주파 응용 분야에 적합합니다.
- 고주파 특성: GHz 수준의 동작을 지원하고, 부품 크기를 줄이고 변환 효율을 향상시킵니다.
- 낮은 방열 요구 사항: 냉각 시스템의 크기와 비용을 줄입니다.
두 기술 모두 기존 실리콘 기반 소재의 전력 및 주파수 제한을 돌파할 뿐만 아니라, 고성능, 저에너지 첨단 전자 시스템을 위한 핵심 기반을 마련했습니다.
주요 GaN 공정: HVPE 및 암모노열 방법
GaN 기판 성장 기술은 성능과 비용을 결정합니다.
수소화물 기상 에피택시(HVPE)
- 수소를 운반 가스로 사용하여 염화수소(HCl)를 갈륨(Ga)과 반응시켜 염화갈륨(GaCl)을 생성하고, 이 염화갈륨이 다시 암모니아(NH₃)와 반응하여 GaN 결정을 생성합니다.
- 공정 온도는 약 1000°C로, 대량의 GaN을 빠르게 성장시킬 수 있습니다.
- 단점: 균열과 격자 결함이 발생하기 쉽고, 결정 품질이 좋지 않습니다.
암모노열
- 초임계 암모니아는 고압, 고온에서 액체의 용해성과 기체의 확산성을 모두 갖는 용매로 사용됩니다.
- 갈륨을 암모니아에 녹여 증착하면 GaN 결정이 형성됩니다.
- 장점: 온도가 낮고, 에너지 소비가 적으며, 결함 밀도가 낮고, 고품질 응용 분야에 적합합니다.
- 단점: 성장 속도가 느리고 과정이 복잡함.
실리콘 카바이드 공정의 핵심: 승화 및 에피택시 기술
탄화규소(SiC) 제조 공정은 시간이 많이 걸리고 어려울 뿐만 아니라, 기판 성장부터 전력 소자 제조까지 모든 단계에서 많은 어려움이 따릅니다.
기판 생산: 물리적 증기 수송-승화 PVT
이는 현재 실리콘 카바이드 기판 생산에 사용되는 주류 기술입니다. 주요 제조 공정 및 과제는 다음과 같습니다.
- 공정 원리: SiC 분말을 고온(약 2,200°C) 저압의 밀폐된 환경에서 승화시킵니다. 이후 증기가 응축되어 SiC 종결정에 부착되어 SiC 결정이 성장합니다.
- 높은 난이도와 긴 공정: 실리콘(Si) 결정 막대가 단 며칠 만에 수 미터까지 성장할 수 있는 반면, SiC 결정 막대는 10cm 미만으로 성장하는 데 2~3주가 소요됩니다. 또한, 성장 품질을 공정 중에 실시간으로 모니터링할 수 없어 최종적으로 확인해야 합니다.
- 후속 가공: 결정 성장이 완료된 후, 사양을 충족하는 매끄러운 표면을 가진 기판을 생산하기 위해 절단, 연삭, 연마와 같은 여러 단계를 거쳐야 합니다.
에피택셜 단계: 기판 위의 새로운 결정
기판이 완성되면 SiC 기판에 새로운 결정 층을 성장시켜 전력 부품의 구조를 형성하기 위해 Epitaxy 단계를 수행해야 합니다.
- 기술 동기화: 대만의 기본 에피택셜 웨이퍼 공정 기술은 국제 수준과 동기화되었습니다.
- 부품 설계 및 신규 공정: 그러나 SiC 전력 소자 설계와 공정 기술은 서로 밀접하게 연관되어 있습니다. 새로운 부품 설계는 이를 보완하는 새로운 공정 기술 개발을 필요로 하는 경우가 많으며, 대만이 이 분야에서 경험을 축적하기까지는 아직 더 많은 시간이 필요합니다.
탄화규소 및 질화갈륨 연삭 및 연마의 “심각한” 과제
고성능 전력 및 고주파 부품 제조에 있어 SiC와 GaN은 탁월한 재료 특성을 가지고 있습니다. 그러나 극한의 경도, 취성, 그리고 화학적 불활성으로 인해 연삭 및 연마 공정은 전체 공정에서 기술적 병목 현상을 야기합니다. 각 소재가 제조 공정의 백엔드에서 직면하는 어려움을 더 잘 보여주기 위해, SiC와 GaN이 연삭 및 연마 공정에서 직면할 수 있는 네 가지 주요 과제를 아래에 나열합니다.
탄화규소(SiC) 연삭 및 연마의 과제
- 매우 높은 경도와 취성: SiC는 다이아몬드 등급에 가까운 모스 경도 9.2를 가지고 있습니다. 이러한 경도와 높은 취성으로 인해 연삭 효율이 낮습니다. 가공 중 아무리 사소한 부주의라도 웨이퍼에 미세 균열이나 칩핑을 발생시켜 웨이퍼 무결성을 저하시킬 수 있습니다.
- 화학적 불활성: SiC 표면은 화학적으로 매우 안정적이며 기존 CMP 연마액의 영향을 받기 어렵습니다. 제거 가능한 산화막을 형성하려면 활성도가 높은 산화제 또는 금속 촉매 입자를 첨가해야 합니다.
- 결정 구조 및 결함: 6H-SiC 및 4H-SiC와 같은 다형성 구조는 이방성을 가지므로 연마 속도에 큰 편차가 발생합니다. 마이크로파이프 및 적층 결함과 같은 결함은 공정 중에 쉽게 증폭되어 후속 공정의 수율을 저하시킵니다.
- 표면 무결성 요구 사항: 전력 부품은 표면 평탄도와 결함 밀도에 매우 민감합니다. 원자 수준의 거칠기 편차는 항복 전압, 누설 전류 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.
갈륨 질화물(GaN) 래핑 및 연마의 과제
- 높은 경도와 취성: GaN의 모스 경도는 약 9입니다. 낮은 절단 효율과 높은 취성으로 인해 얇은 웨이퍼는 균열이나 파손이 발생하기 쉽고, 특히 대규모 웨이퍼 가공 시 그 경향이 강합니다.
- 화학적 안정성: GaN은 산성 및 알칼리성 용액 모두에 화학적으로 불활성입니다. CMP 제거 효율은 화학 작용에만 의존하기 때문에 낮으며, 표면 반응을 촉진하기 위해 특정 산화환원 반응이나 자외선을 병행해야 합니다.
- 결정 구조 및 이종 에피택시얼 성장 문제: 대부분의 GaN은 이종 에피택시얼 방식으로 성장하여 계면 응력과 결함 밀도가 높아지고, 이로 인해 연마 중에 제거 속도가 고르지 않고 계단이나 국소적 함몰이 쉽게 형성됩니다.
- 표면 및 계면 품질 요구 사항: 고주파 고전력 RF 부품은 표면 및 계면 거칠기에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. 원자 수준의 스크래치나 잔류 입자는 부품 안정성 및 전력 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
탄화규소 및 질화갈륨의 경도 문제 극복: Hongway 정밀 연삭 및 연마 솔루션
탄화규소나 질화갈륨과 같은 화합물 반도체 소재가 주류를 이루면서, 특히 8인치 웨이퍼 개발과 함께 이러한 소재의 극한 경도와 취성은 기존의 연삭 및 연마 기술에 큰 어려움을 야기합니다. 모스 경도가 9.2에서 9.6에 달하는 이러한 소재는 웨이퍼 표면 및 표면 하부에 손상과 휨을 쉽게 유발하여 후속 소자 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
Hongway 은 SiC와 GaN의 물리적 특성에 중점을 두고 소모품, 공정 제어, 장비 설계의 세 가지 관점에서 포괄적인 연삭 및 연마 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 업계는 병목 현상을 극복하고 안정적인 공정 품질과 높은 수율을 달성할 수 있습니다.
분쇄 단계 : 거친 분쇄부터 미세 분쇄까지 안정적인 제어
기존 연마 도구는 SiC 및 GaN 가공 시 긴 처리 시간, 과도한 표면 하부 손상(SSD), 불균일한 두께 등의 문제에 직면하는 경우가 많습니다. Acer는 다음과 같은 고급 소모품을 통해 이러한 문제를 효과적으로 해결합니다.
- 웨이퍼 전용 연삭 휠: 고경도, 고내마모성 공식을 사용하여 미세균열 형성을 효과적으로 억제하고 표면 및 표면 아래 손상을 최소화하면서 재료를 빠르게 제거할 수 있습니다.
- Hongway 연마 패드: 압력 분포를 안정화하여 연마 중 웨이퍼 휨을 방지합니다. 두께 변화(TTV)와 휨(WARP)을 정밀하게 제어하여 후속 공정을 위한 견고한 기반을 마련합니다.
- 나노급 다이아몬드 슬러리: 고경도 소재에 맞게 특별히 설계되었으며, 표면 구조 개질 및 구형 다이아몬드 입자를 통해 연마 스크래치와 잔류 응력을 크게 줄여 후속 CMP 공정의 부담을 덜어줍니다.
- CMP 드레서: CMP 공정에서 드레서는 다이아몬드나 기타 고경도 입자를 사용하여 연마 패드를 정밀하게 드레싱하여 이물질과 화학 침전물을 제거하고, 표면 거칠기를 복원하며, 제거 효율에 영향을 미치는 장기간 사용으로 인한 광택을 방지합니다.
CMP 연마: 매우 평평하고 손상 없는 표면 구현
SiC 및 GaN 소자의 성능은 웨이퍼 표면 평탄도와 결함 제어에 크게 좌우됩니다. Honway의 화학 기계적 연마(CMP) 솔루션은 화합물 반도체의 미러급 연마를 위해 특별히 설계되었습니다.
- 5중 CMP 연마 패드: 혁신적인 5중 구조는 뛰어난 강성과 압력 조절 기능을 제공하여 재료 제거율을 효과적으로 제어하고 표면 균일성을 보장합니다. 미세 기공과 홈 구조는 슬러리 유동성을 향상시키고 긁힘 위험을 줄여줍니다.
- CMP 드레서: 다이아몬드와 같은 고경도 입자를 사용하여 연마 패드를 정밀하게 드레싱하여 공정 중 발생하는 이물질을 제거하고, “경면 광택”을 방지하며 연마 패드가 지속적으로 안정적인 절삭력과 제거 효율을 유지할 수 있도록 합니다.
연마 슬러리: 정밀한 화학 에칭 및 재료 선택성
SiC 및 GaN CMP 공정에서 화학적 에칭과 재료 선택성은 최종 표면 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. Acer는 고성능과 낮은 결함률을 보장하기 위해 독점적인 제조법을 제공합니다.
- 특수 다이아몬드 연마액: 화합물 반도체 연마를 위해 특별히 설계되었으며, 표면 미세 구조 최적화와 구형 다이아몬드 입자를 통합하여 가공 스크래치와 표면 아래 손상을 효과적으로 줄이고 비파괴 연마를 달성하여 전력 부품의 방열과 신뢰성을 향상시킵니다.
요약하자면, Honway은 다이아몬드 슬러리, 특수 연삭 휠, CMP 연마 패드와 같은 핵심 소모품을 통합하여 SiC 및 GaN용으로 특별히 설계된 고성능 저불량 공정 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 전력 소자, RF 통신 및 첨단 패키징 분야에서 이러한 첨단 소재의 대량 생산 및 적용이 가속화됩니다.
탄화규소와 질화갈륨의 폭넓은 전망과 연마기술의 끊임없는 혁신
고전력, 고주파 부품에 대한 수요가 증가함에 따라 SiC와 GaN의 응용 분야가 확대되고 있습니다. 고효율과 낮은 에너지 소비를 특징으로 하는 SiC는 전기차 충전 인프라와 차량용 전력 시스템의 핵심 부품으로 자리 잡았습니다. 고주파 특성과 낮은 전력 손실을 특징으로 하는 GaN은 차세대 5G RF 모듈과 RF 전력 증폭기에 널리 사용되고 있습니다. 또한, 두 소재 모두 항공우주, 위성 통신, 고에너지 레이더와 같은 최첨단 분야에서 고온, 방사능 및 고전력에 대한 탁월한 내성을 입증했습니다.
급속도로 확대되는 응용 분야 수요에 직면하여 연삭 및 연마 기술은 지속적으로 획기적인 발전을 이루어야 합니다. 향후 과제로는 대규모 SiC 웨이퍼의 균일한 가공, GaN 헤테로에피택셜 웨이퍼의 정밀한 결함 제어, 그리고 나노스케일 저손상 연마 달성 등이 있습니다. 또한, 지능형 공정과 자동 제어를 통합하는 것이 효율성, 안정성, 그리고 수율 향상에 핵심적인 역할을 할 것입니다. Honway는 SiC 및 GaN 연마 기술 혁신을 주도하고 고성능 반도체 부품의 양산을 촉진하기 위해 R&D에 지속적으로 투자하고, 자체 소모품과 지능형 공정을 통합할 것입니다.
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