반도체 분야에서 고열전도도 SiC 세라믹의 수요 및 적용

현재,탄화규소(SiC)SiC는 국내외에서 활발하게 연구되고 있는 열전도성 세라믹 소재입니다. SiC의 이론 열전도도는 매우 높으며, 일부 결정형은 270W/mK에 달할 수 있어 비전도성 소재 중 이미 선두 자리를 차지하고 있습니다. 예를 들어, SiC 열전도도는 반도체 소자의 기판 소재, 고열전도성 세라믹 소재, 반도체 공정용 히터 및 열판, 핵연료용 캡슐 소재, 압축기 펌프용 가스 밀봉 링 등에서 응용되고 있습니다.

의 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 작업 시 연삭 디스크의 마모와 열 변형으로 인해 실리콘 웨이퍼의 평탄도와 평행도를 보장하기 어렵습니다.탄화규소 세라믹경도가 높아 마모가 적고, 열팽창계수가 기본적으로 실리콘 웨이퍼와 동일하여 고속으로 연삭, 연마가 가능합니다.

또한, 실리콘 웨이퍼는 생산 시 고온 열처리를 거쳐야 하며, 실리콘 카바이드 고정구를 사용하여 운반되는 경우가 많습니다. 실리콘 웨이퍼는 내열성과 비파괴성을 가지고 있습니다. 성능 향상, 웨이퍼 손상 완화, 오염 확산 방지를 위해 표면에 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 및 기타 코팅을 적용할 수 있습니다.

또한, 3세대 와이드 밴드갭 반도체 소재의 대표격인 실리콘 카바이드 단결정 소재는 넓은 밴드갭(Si의 약 3배), 높은 열전도도(Si의 약 3.3배 또는 GaAs의 10배), 높은 전자 포화 이동 속도(Si의 약 2.5배), 높은 항복 전계(Si의 약 10배 또는 GaAs의 5배) 등의 특성을 가지고 있습니다. SiC 소자는 기존 반도체 소재 소자의 단점을 실제 응용 분야에서 보완하며 점차 전력 반도체의 주류로 자리 잡고 있습니다.

고열전도도 실리콘 카바이드 세라믹에 대한 수요가 급격히 증가했습니다.

과학기술의 지속적인 발전으로 반도체 분야에서 탄화규소 세라믹의 응용에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으며, 높은 열전도도는 반도체 제조 장비 부품에 대한 탄화규소 세라믹의 적용을 위한 핵심 지표입니다. 따라서 고열전도도 탄화규소 세라믹에 대한 연구를 강화하는 것이 매우 중요합니다. 격자 산소 함량 감소, 밀도 향상, 그리고 격자 내 2차상 분포의 적절한 조절은 탄화규소 세라믹의 열전도도를 향상시키는 주요 방법입니다.

현재 국내에서는 고열전도도 실리콘 카바이드 세라믹에 대한 연구가 거의 전무하며, 세계 수준과 비교해도 여전히 큰 격차가 존재합니다. 향후 연구 방향은 다음과 같습니다.
●탄화규소 세라믹 분말의 제조 공정 연구를 강화합니다. 고순도 저산소 탄화규소 분말의 제조는 고열전도도 탄화규소 세라믹 제조의 기초가 됩니다.
● 소결조제 선정 및 관련 이론연구 강화
●고급 소결 장비의 연구 개발을 강화합니다. 소결 공정을 조절하여 합리적인 미세 구조를 얻는 것은 높은 열전도도를 가진 탄화규소 세라믹을 얻는 데 필수 조건입니다.

탄화규소 세라믹의 열전도도 향상을 위한 대책

SiC 세라믹의 열전도도 향상의 핵심은 포논 산란 주파수를 낮추고 포논 평균 자유 행로를 증가시키는 것입니다. SiC의 열전도도는 SiC 세라믹의 기공률과 입계 밀도를 낮추고, SiC 입계 순도를 향상시키고, SiC 격자 불순물이나 격자 결함을 줄이며, SiC 내 열 전달 캐리어를 증가시킴으로써 효과적으로 향상될 수 있습니다. 현재 SiC 세라믹의 열전도도를 향상시키는 주요 방법으로는 소결 보조제의 종류와 함량을 최적화하고 고온 열처리를 실시하는 것이 있습니다.

① 소결조제의 종류 및 함량 최적화

고열전도도 SiC 세라믹을 제조할 때 다양한 소결 보조제가 종종 첨가됩니다. 그중 소결 보조제의 종류와 함량은 SiC 세라믹의 열전도도에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, Al2O3계 소결 보조제에 포함된 Al 또는 O 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되어 공극과 결함을 발생시키고, 이는 포논 산란 주파수 증가로 이어집니다. 또한, 소결 보조제의 함량이 낮으면 소결 및 치밀화가 어렵고, 소결 보조제의 함량이 높으면 불순물과 결함이 증가합니다. 과도한 액상 소결 보조제는 SiC 입자의 성장을 저해하고 포논의 평균 자유 행로를 감소시킬 수도 있습니다. 따라서 높은 열전도도의 SiC 세라믹을 제조하기 위해서는 소결 밀도의 요구사항을 충족시키는 동시에 소결 보조제의 함량을 최대한 줄여야 하며, SiC 격자에 용해되기 어려운 소결 보조제를 선택해야 한다.

* 다양한 소결 보조제를 첨가했을 때 SiC 세라믹의 열적 특성

현재 BeO를 소결 보조제로 사용하여 소결한 열간 프레스 SiC 세라믹은 최대 상온 열전도도(270W·m-1·K-1)를 나타냅니다. 그러나 BeO는 독성이 강하고 발암성이 높아 실험실이나 산업 현장에서 광범위하게 사용하기에 적합하지 않습니다. Y2O3-Al2O3 시스템의 최저 공정점은 1760℃이며, 이는 SiC 세라믹의 일반적인 액상 소결 보조제입니다. 그러나 Al3+는 SiC 격자에 쉽게 용해되기 때문에, 이 시스템을 소결 보조제로 사용할 경우 SiC 세라믹의 상온 열전도도는 200W·m-1·K-1 미만입니다.

Y, Sm, Sc, Gd, La와 같은 희토류 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되지 않고 높은 산소 친화도를 가지므로 SiC 격자의 산소 함량을 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. 따라서 Y2O3-RE2O3(RE=Sm, Sc, Gd, La) 시스템은 고열전도도(>200W·m-1·K-1) SiC 세라믹을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 소결 보조제입니다. Y2O3-Sc2O3 시스템 소결 보조제를 예로 들면, Y3+와 Si4+의 이온 편차 값이 크고, 두 원소는 고용되지 않습니다. 1800~2600℃에서 순수 SiC에 대한 Sc의 용해도는 약 (2~3)×1017atoms·cm-3로 작습니다.

② 고온 열처리

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