반도체 분야에서 높은 열전도도를 갖는 SiC 세라믹의 수요 및 응용

현재,탄화규소(SiC)실리콘 카바이드(SiC)는 국내외에서 활발히 연구되고 있는 열전도성 세라믹 소재입니다. SiC의 이론적 열전도율은 매우 높으며, 일부 결정 형태는 270W/mK에 달하여 비전도성 소재 중 최고 수준을 자랑합니다. SiC의 높은 열전도율은 반도체 소자의 기판, 고열전도성 세라믹 소재, 반도체 공정용 히터 및 가열판, 핵연료 캡슐 소재, 압축기 펌프용 가스 밀봉 링 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

응용 프로그램탄화규소반도체 분야에서

연삭 디스크와 고정구는 반도체 산업에서 실리콘 웨이퍼 생산에 중요한 공정 장비입니다. 연삭 디스크가 주철이나 탄소강으로 제작될 경우 수명이 짧고 열팽창 계수가 큽니다. 실리콘 웨이퍼 가공, 특히 고속 연삭 또는 연마 과정에서 연삭 디스크의 마모와 열 변형으로 인해 실리콘 웨이퍼의 평탄도와 평행도를 보장하기 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연삭 디스크는 다음과 같은 재질로 제작됩니다.탄화규소 세라믹높은 경도로 인해 마모가 적고, 열팽창 계수가 실리콘 웨이퍼와 거의 동일하여 고속 연삭 및 연마가 가능합니다.

또한, 실리콘 웨이퍼는 생산 시 고온 열처리를 거쳐야 하며, 종종 탄화규소 재질의 고정 장치를 사용하여 운송됩니다. 이러한 고정 장치는 내열성이 뛰어나고 웨이퍼를 손상시키지 않습니다. 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 등의 코팅을 표면에 적용하여 성능을 향상시키고 웨이퍼 손상을 줄이며 오염 확산을 방지할 수 있습니다.

또한, 3세대 광대역 반도체 소재의 대표적인 예인 탄화규소 단결정 소재는 넓은 밴드갭(실리콘의 약 3배), 높은 열전도율(실리콘의 약 3.3배 또는 갈륨비소의 약 10배), 높은 전자 포화 이동률(실리콘의 약 2.5배), 높은 항복 전압(실리콘의 약 10배 또는 갈륨비소의 약 5배) 등의 특성을 지니고 있습니다. 이러한 특성들은 기존 반도체 소재 소자의 단점을 보완하여 실용화에 있어 점차 전력 반도체의 주류로 자리 잡고 있습니다.

높은 열전도율을 가진 탄화규소 세라믹에 대한 수요가 급격히 증가했습니다.

과학 기술의 지속적인 발전과 함께 반도체 분야에서 탄화규소 세라믹의 응용 수요가 급격히 증가했으며, 높은 열전도율은 반도체 제조 장비 부품에 적용하기 위한 핵심 지표입니다. 따라서 고열전도성 탄화규소 세라믹에 대한 연구를 강화하는 것이 매우 중요합니다. 격자 내 산소 함량 감소, 밀도 향상, 그리고 격자 내 제2상의 분포를 적절하게 조절하는 것이 탄화규소 세라믹의 열전도율을 향상시키는 주요 방법입니다.

현재 우리나라에서는 고열전도성 탄화규소 세라믹에 대한 연구가 미미하며, 세계적인 수준과 비교했을 때 여전히 큰 격차가 존재합니다. 향후 연구 방향은 다음과 같습니다.
●탄화규소 세라믹 분말의 제조 공정 연구를 강화한다. 고순도, 저산소 탄화규소 분말의 제조는 고열전도성 탄화규소 세라믹 제조의 기초가 된다.
● 소결 보조제 선정 및 관련 이론 연구를 강화한다.
●고성능 소결 장비의 연구 개발을 강화해야 합니다. 적절한 미세구조를 얻기 위해 소결 공정을 조절하는 것은 고열전도성 탄화규소 세라믹을 얻기 위한 필수 조건입니다.

탄화규소 세라믹의 열전도율을 향상시키기 위한 방안

SiC 세라믹의 열전도도를 향상시키는 핵심은 포논 산란 빈도를 낮추고 포논 평균 자유 경로를 늘리는 것입니다. SiC의 열전도도는 SiC 세라믹의 기공률 및 입계 밀도를 감소시키고, SiC 입계의 순도를 높이며, SiC 격자 내 불순물 또는 격자 결함을 줄이고, SiC 내 열 흐름 전달 매개체를 증가시킴으로써 효과적으로 향상될 수 있습니다. 현재 SiC 세라믹의 열전도도를 향상시키는 주요 방법은 소결 보조제의 종류 및 함량 최적화와 고온 열처리입니다.

① 소결 보조제의 종류 및 함량 최적화

높은 열전도도를 갖는 SiC 세라믹을 제조할 때 다양한 소결 보조제가 첨가되는 경우가 많습니다. 이 중 소결 보조제의 종류와 함량은 SiC 세라믹의 열전도도에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, Al2O3 계열 소결 보조제에 함유된 Al 또는 O 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되어 공극 및 결함을 유발하고, 이는 포논 산란 빈도 증가로 이어집니다. 또한, 소결 보조제의 함량이 낮으면 소결 및 치밀화가 어려워지고, 함량이 높으면 불순물 및 결함이 증가합니다. 액상 소결 보조제가 과량 첨가될 경우 SiC 결정립 성장을 저해하고 포논의 평균 자유 경로를 감소시킬 수도 있습니다. 따라서 높은 열전도도를 갖는 SiC 세라믹을 제조하기 위해서는 소결 밀도 요구 조건을 충족하면서 소결 보조제의 함량을 최대한 줄이고, SiC 격자에 잘 용해되지 않는 소결 보조제를 선택해야 한다.

*다양한 소결 보조제를 첨가했을 때 SiC 세라믹의 열적 특성

현재, BeO를 소결 보조제로 사용하여 열압착 방식으로 소결한 SiC 세라믹은 최대 상온 열전도율(270W·m⁻¹·K⁻¹)을 나타냅니다. 그러나 BeO는 독성이 강하고 발암성이 있어 실험실이나 산업 현장에서 널리 사용하기에는 적합하지 않습니다. Y₂O₃-Al₂O₃ 시스템의 최저 공융점은 1760℃로, SiC 세라믹의 일반적인 액상 소결 보조제로 사용됩니다. 하지만 Al³⁺ 이온이 SiC 격자에 쉽게 용해되기 때문에 이 시스템을 소결 보조제로 사용할 경우 SiC 세라믹의 상온 열전도율은 200W·m⁻¹·K⁻¹ 미만으로 떨어집니다.

Y, Sm, Sc, Gd, La와 같은 희토류 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되지 않고 산소 친화성이 높아 SiC 격자의 산소 함량을 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. 따라서 Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)계는 높은 열전도도(>200W·m-1·K-1)를 갖는 SiC 세라믹을 제조하는 데 흔히 사용되는 소결 보조제입니다. Y2O3-Sc2O3계 소결 보조제를 예로 들면, Y3+와 Si4+의 이온 편향 값이 커서 두 이온은 고용체를 형성하지 않습니다. 순수 SiC에서 1800~2600℃에서의 Sc의 용해도는 약 (2~3)×10¹⁷atoms·cm⁻³로 매우 작습니다.

② 고온 열처리

SiC 세라믹의 고온 열처리는 격자 결함, 전위 및 잔류 응력을 제거하고, 일부 비정질 물질의 결정 구조 변환을 촉진하며, 포논 산란 효과를 약화시키는 데 도움이 됩니다. 또한, 고온 열처리는 SiC 결정립의 성장을 효과적으로 촉진하여 궁극적으로 재료의 열적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 1950°C에서 고온 열처리 후 SiC 세라믹의 열 확산 계수는 83.03 mm²·s⁻¹에서 89.50 mm²·s⁻¹로 증가했고, 상온 열전도율은 180.94 W·m⁻¹·K⁻¹에서 192.17 W·m⁻¹·K⁻¹로 증가했습니다. 고온 열처리는 SiC 표면과 격자에서 소결 보조제의 탈산 능력을 효과적으로 향상시키고 SiC 결정립 간의 결합을 더욱 강화합니다. 고온 열처리 후, SiC 세라믹의 상온 열전도율이 크게 향상되었습니다.