SiC 코팅 흑연 기판은 금속유기화학기상증착(MOCVD) 장비에서 단결정 기판을 지지하고 가열하는 데 일반적으로 사용됩니다. SiC 코팅 흑연 기판의 열 안정성, 열 균일성 및 기타 성능 매개변수는 에피택셜 물질 성장의 품질에 결정적인 역할을 하므로 MOCVD 장비의 핵심 구성 요소입니다.
웨이퍼 제조 공정에서, 소자 제작을 용이하게 하기 위해 일부 웨이퍼 기판 위에 에피택셜 층을 추가로 형성합니다. 일반적인 LED 발광 소자는 실리콘 기판 위에 GaAs 에피택셜 층을 형성해야 합니다. 고전압, 고전류 및 기타 전력 응용 분야에 사용되는 SBD, MOSFET 등의 소자 제작을 위해서는 전도성 SiC 기판 위에 SiC 에피택셜 층을 성장시켜야 합니다. 또한, 통신과 같은 RF 응용 분야에 사용되는 HEMT 및 기타 소자 제작을 위해서는 반절연 SiC 기판 위에 GaN 에피택셜 층을 형성해야 합니다. 이러한 공정은 CVD 장비와 필수적으로 연관되어 있습니다.
CVD 장비에서는 기판을 금속 위에 직접 놓거나 단순히 기판 위에 올려놓는 방식으로 에피택셜 증착을 진행할 수 없습니다. 이는 가스 흐름(수평, 수직), 온도, 압력, 고정, 오염물질 제거 등 다양한 영향 요인이 작용하기 때문입니다. 따라서 기판을 디스크 위에 올려놓고 CVD 기술을 이용하여 에피택셜 증착을 진행하기 위해 기판이 필요하며, 이 기판이 바로 SiC 코팅된 흑연 기판(트레이라고도 함)입니다.
SiC 코팅 흑연 기판은 금속유기화학기상증착(MOCVD) 장비에서 단결정 기판을 지지하고 가열하는 데 일반적으로 사용됩니다. SiC 코팅 흑연 기판의 열 안정성, 열 균일성 및 기타 성능 매개변수는 에피택셜 물질 성장의 품질에 결정적인 역할을 하므로 MOCVD 장비의 핵심 구성 요소입니다.
금속유기화학기상증착(MOCVD)은 청색 LED용 GaN 박막의 에피택셜 성장에 널리 사용되는 기술입니다. MOCVD는 조작이 간단하고, 성장 속도를 제어할 수 있으며, GaN 박막의 순도가 높다는 장점이 있습니다. MOCVD 장비의 반응 챔버에서 중요한 구성 요소인 GaN 박막 에피택셜 성장용 베어링 베이스는 고온 내성, 균일한 열전도율, 우수한 화학적 안정성, 강한 열충격 저항성 등의 특성을 가져야 합니다. 흑연 소재는 이러한 조건을 모두 충족할 수 있습니다.
MOCVD 장비의 핵심 구성 요소 중 하나인 흑연 기판은 기판의 지지체이자 발열체로서, 박막 재료의 균일성과 순도를 직접적으로 결정짓는 요소입니다. 따라서 흑연 기판의 품질은 에피택셜 박막 제조에 직접적인 영향을 미치며, 동시에 사용 횟수 증가 및 작업 조건 변화에 따라 마모가 매우 쉽게 발생하여 소모품에 속합니다.
흑연은 열전도율과 안정성이 뛰어나 MOCVD 장비의 기본 구성 요소로서 큰 장점을 갖고 있지만, 생산 과정에서 부식성 가스와 금속 유기물의 잔류물로 인해 분말을 부식시켜 흑연 기판의 수명을 크게 단축시킵니다. 또한, 낙하하는 흑연 분말은 칩을 오염시키는 원인이 됩니다.
코팅 기술의 등장으로 표면 분말 고정, 열전도율 향상, 열 분포 균일화 등이 가능해지면서 이 문제를 해결하는 주요 기술이 되었습니다. MOCVD 장비 사용 환경에서 흑연 기판의 표면 코팅은 다음과 같은 특성을 충족해야 합니다.
(1) 흑연 바탕은 완전히 감싸질 수 있고 밀도가 좋으며 그렇지 않으면 흑연 바탕은 부식성 가스에 의해 쉽게 부식됩니다.
(2) 흑연 기반과의 결합 강도가 높아 고온 및 저온 사이클이 여러 번 반복된 후에도 코팅이 쉽게 벗겨지지 않습니다.
(3) 고온 및 부식성 분위기에서 코팅 실패를 방지하기 위해 화학적 안정성이 우수합니다.
SiC는 내식성, 높은 열전도율, 열충격 저항성 및 높은 화학적 안정성 등의 장점을 가지고 있어 GaN 에피택셜 분위기에서 우수한 성능을 발휘합니다. 또한, SiC의 열팽창 계수는 흑연과 거의 차이가 없으므로 흑연 기판의 표면 코팅에 적합한 소재입니다.
현재 일반적으로 사용되는 SiC는 주로 3C, 4H, 6H형이며, 결정 구조에 따라 용도가 다릅니다. 예를 들어, 4H-SiC는 고출력 소자 제조에 사용되고, 6H-SiC는 가장 안정적인 결정 구조로 광전 소자 제조에 사용됩니다. 3C-SiC는 GaN과 유사한 구조 덕분에 GaN 에피택셜 층 형성 및 SiC-GaN RF 소자 제조에 사용될 수 있습니다. 3C-SiC는 β-SiC라고도 불리며, 특히 박막 및 코팅 소재로 널리 사용되어 현재 코팅재의 주요 소재로 자리 잡고 있습니다.
탄화규소 코팅 제조 방법
현재 SiC 코팅의 제조 방법은 주로 겔-졸법, 매립법, 브러시 코팅법, 플라즈마 스프레이법, 화학 가스 반응법(CVR) 및 화학 기상 증착법(CVD)을 포함한다.
임베딩 방식:
이 방법은 고온 고상 소결의 일종으로, 주로 Si 분말과 C 분말의 혼합물을 매립 분말로 사용하고, 흑연 기판을 이 매립 분말에 넣은 후 불활성 가스 분위기에서 고온 소결을 진행하여 흑연 기판 표면에 SiC 코팅을 얻는다. 이 공정은 간단하고 코팅과 기판의 접합이 양호하지만, 두께 방향으로의 코팅 균일성이 떨어져 기공이 쉽게 발생하고 산화 저항성이 저하되는 문제가 있다.
붓칠 방식:
브러시 코팅법은 주로 액체 원료를 흑연 기판 표면에 붓으로 도포한 후, 특정 온도에서 원료를 경화시켜 코팅층을 형성하는 방법입니다. 이 방법은 공정이 간단하고 비용이 저렴하지만, 기판과의 접착력이 약하고 코팅 균일성이 떨어지며 코팅층이 얇고 산화 저항성이 낮아 다른 방법을 추가로 적용해야 하는 단점이 있습니다.
플라즈마 분무 방식:
플라즈마 스프레이법은 주로 용융 또는 반용융 상태의 원료 물질을 플라즈마 건을 이용하여 흑연 기판 표면에 분사한 후, 이를 응고시켜 코팅을 형성하는 방법입니다. 이 방법은 조작이 간단하고 비교적 치밀한 탄화규소 코팅을 제조할 수 있지만, 종종 코팅 강도가 너무 약하여 산화 저항성이 떨어지는 문제가 있습니다. 따라서 일반적으로는 코팅 품질을 향상시키기 위해 SiC 복합 코팅을 제조하는 데 사용됩니다.
겔-졸 방법:
겔-졸 방법은 주로 매트릭스 표면을 덮는 균일하고 투명한 졸 용액을 제조한 후, 이를 건조시켜 겔로 만들고 소결하여 코팅을 얻는 방법입니다. 이 방법은 조작이 간단하고 비용이 저렴하지만, 생성된 코팅은 열충격 저항성이 낮고 균열이 쉽게 발생하는 등의 단점이 있어 널리 사용되지 못하고 있습니다.
화학 가스 반응(CVR):
CVR(화학발광법)은 주로 Si와 SiO2 분말을 사용하여 고온에서 SiO2 증기를 발생시키고, 탄소 소재 기판 표면에서 일련의 화학 반응을 통해 SiC 코팅을 생성하는 공정입니다. 이 방법으로 제조된 SiC 코팅은 기판에 단단히 접착되지만, 반응 온도가 높고 비용이 많이 듭니다.
화학 기상 증착(CVD):
현재 CVD(화학 기상 증착)는 기판 표면에 SiC 코팅을 형성하는 주요 기술입니다. 이 공정은 기체 상태의 반응 물질이 기판 표면에서 일련의 물리적 및 화학적 반응을 거쳐 SiC 코팅을 형성하는 것입니다. CVD 기술로 제조된 SiC 코팅은 기판 표면에 밀착되어 기판 재료의 산화 저항성 및 내삭성을 효과적으로 향상시키지만, 증착 시간이 길고 반응 가스에 독성 가스가 발생하는 단점이 있습니다.
SiC 코팅 흑연 기반의 시장 현황
해외 제조업체들이 일찍이 시장에 진출하면서 확실한 우위와 높은 시장 점유율을 확보했습니다. 국제적으로 SiC 코팅 흑연 기판의 주요 공급업체는 네덜란드의 Xycard, 독일의 SGL Carbon(SGL), 일본의 Toyo Carbon, 미국의 MEMC 등이며, 이들이 국제 시장을 사실상 장악하고 있습니다. 중국은 흑연 기판 표면에 SiC 코팅을 균일하게 성장시키는 핵심 기술을 개발했지만, 고품질 흑연 기판은 여전히 독일의 SGL, 일본의 Toyo Carbon 등의 기업에 의존하고 있습니다. 국내 기업이 공급하는 흑연 기판은 열전도율, 탄성률, 강성률, 격자 결함 등의 품질 문제로 인해 제품 수명에 영향을 미칩니다. 이러한 문제로 인해 MOCVD 장비는 SiC 코팅 흑연 기판의 사용 요건을 충족하지 못하고 있습니다.
중국의 반도체 산업이 빠르게 발전하고 있으며, MOCVD 에피택셜 장비의 국산화율이 점차 증가하고 기타 공정 응용 분야가 확대됨에 따라 향후 SiC 코팅 흑연 기판 제품 시장은 급속도로 성장할 것으로 예상됩니다. 업계의 예비 추산에 따르면, 국내 흑연 기판 시장은 향후 몇 년 안에 5억 위안을 넘어설 것으로 전망됩니다.
SiC 코팅 흑연 기판은 복합 반도체 산업화 설비의 핵심 부품으로, 생산 및 제조의 핵심 기술을 확보하고 원자재-공정-설비 산업 사슬 전반의 국산화를 실현하는 것은 중국 반도체 산업 발전에 매우 중요한 전략적 의미를 지닙니다. 국내 SiC 코팅 흑연 기판 분야는 급성장하고 있으며, 제품 품질은 곧 국제 선진 수준에 도달할 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2023년 7월 24일