에피택셜 층은 에피택셜 공정을 통해 웨이퍼 기판 위에 성장시킨 특정 단결정 박막이며, 기판 웨이퍼와 에피택셜 박막을 통칭하여 에피택셜 웨이퍼라고 합니다. 이 중, 전도성 실리콘 카바이드 기판 위에 실리콘 카바이드 에피택셜 층을 성장시키면 균일한 실리콘 카바이드 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 쇼트키 다이오드, MOSFET, IGBT와 같은 전력 소자를 제작할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 기판은 4H-SiC 기판입니다.
거의 모든 소자가 에피택셜 층 위에 제작되기 때문에 에피택셜 층의 품질은 소자 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 그러나 에피택셜 층의 품질은 결정 및 기판 공정에 의해 영향을 받으므로, 이는 산업계에서 매우 중요한 과제이며 그 발전에 핵심적인 역할을 합니다.
탄화규소(4H-SiC) 에피택시층을 형성하는 주요 방법으로는 증착법, 액상 에피택시(LPE), 분자빔 에피택시(MBE), 화학 기상 증착법(CVD) 등이 있다. 이 중 CVD는 4H-SiC 균일 에피택시 형성에 가장 널리 사용되는 방법이다. 4H-SiC CVD 에피택시는 일반적으로 CVD 장비를 이용하여 고온 성장 조건에서도 4H-SiC 결정 구조의 연속성을 확보할 수 있다.
CVD 장비에서 기판을 금속 표면에 직접 놓거나 단순히 에피택셜 증착을 위한 베이스 위에 올려놓는 것은 적합하지 않습니다. 이는 가스 흐름 방향(수평, 수직), 온도, 압력, 고정, 입자 탈락으로 인한 오염 등 다양한 요인이 영향을 미치기 때문입니다. 따라서 지지 베이스가 필요하며, 기판을 트레이 위에 놓고 CVD 기술을 이용하여 에피택셜 증착을 진행합니다. 이 지지 베이스는 SiC 코팅된 흑연 베이스입니다.
핵심 구성 요소인 흑연 기판은 높은 비강도와 비탄성률, 우수한 열충격 및 내식성을 특징으로 합니다. 그러나 생산 과정에서 부식성 가스와 잔류 유기금속 화합물로 인해 흑연이 부식되고 분말이 떨어져 나가 기판의 수명이 크게 단축됩니다. 동시에 떨어져 나온 흑연 분말은 칩을 오염시킬 수 있습니다. 탄화규소 에피택셜 웨이퍼 생산에서 흑연 소재에 대한 점점 더 엄격해지는 요구 사항을 충족하는 것이 점점 더 어려워지고 있으며, 이는 흑연 소재의 개발 및 실용화를 심각하게 제한하고 있습니다. 따라서,코팅 기술하나의 해결책으로 떠올랐습니다.
반도체 산업에서 SiC 코팅의 장점
코팅의 물리적 및 화학적 특성은 고온 및 부식 저항성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족해야 하며, 이는 제품 생산량과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. SiC 소재는 높은 강도, 높은 경도, 낮은 열팽창 계수 및 우수한 열전도율을 가지고 있어 고온 구조 및 반도체 소재로 매우 중요합니다. 흑연 기판에 적용할 경우 다음과 같은 장점이 있습니다.
1) SiC는 내식성이 뛰어나 흑연 기판을 완전히 감쌀 수 있습니다. 또한 높은 밀도로 인해 부식성 가스로 인한 손상을 방지합니다.
2) SiC는 열전도율이 높고 흑연 기판과의 접착력이 강하여 고온-저온 사이클이 반복된 후에도 코팅이 손상되지 않고 유지됩니다.
3) SiC는 화학적 안정성이 뛰어나 고온 및 부식성 환경에서도 코팅 손상을 방지합니다.
또한, 서로 다른 재질로 제작된 에피택셜 성장로는 특정한 성능 사양을 갖춘 흑연 트레이를 필요로 합니다. 흑연 재질의 열팽창 계수는 에피택셜 성장로의 성장 온도와 호환되어야 합니다. 예를 들어, 탄화규소(SiC) 에피택시 성장 온도는 높기 때문에 열팽창 계수가 잘 일치하는 트레이가 필요합니다. SiC의 열팽창 계수는 흑연의 열팽창 계수와 거의 차이가 없으므로 흑연 기판 표면 코팅에 가장 적합한 재료입니다.
SiC는 여러 결정 형태로 존재하며, 현재 가장 일반적인 형태는 3C, 4H, 6H이며 각각 다른 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 4H-SiC는 고출력 소자 제조에 사용되고, 6H-SiC는 가장 안정적인 형태로 광전자 소자 제조에 사용됩니다. 3C-SiC는 GaN과 구조적으로 유사하기 때문에 SiC-GaN RF 소자 제조를 위한 GaN 에피택셜 층 생산에 사용됩니다. 3C-SiC는 흔히 β-SiC라고도 불립니다. β-SiC의 주요 응용 분야는 박막 및 코팅 재료이며, 따라서 현재 β-SiC는 코팅에 사용되는 주요 재료입니다.
반도체 생산에서 흔히 사용되는 소모품인 SiC 코팅은 기판 준비, 에피택시, 산화 및 확산, 에칭, 이온 주입 등의 공정에 주로 사용됩니다. 코팅의 물리적 및 화학적 특성은 고온 저항성과 내식성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족해야 하는데, 이는 제품 수율과 수명에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 따라서 SiC 코팅의 제조 공정은 매우 중요합니다.
탄화규소 코팅 제조 공정
현재 SiC 코팅을 제조하는 주요 방법에는 졸-겔법, 임베딩법, 브러시 코팅, 플라즈마 스프레이, 화학 기상 반응(CVR) 및 화학 기상 증착(CVD)이 있습니다.
임베딩 방법
이 방법은 고온 고체 소결의 일종입니다. 주로 실리콘(Si) 분말과 탄소(C) 분말의 혼합물을 매립 분말로 사용합니다. 흑연 기판을 매립 분말 내에 넣고 불활성 가스 분위기에서 고온으로 소결하여 흑연 기판 표면에 SiC 코팅을 형성합니다. 이 방법은 공정이 간단하고 코팅과 기판 사이의 접착력이 우수하다는 장점이 있지만, 코팅 두께 방향으로 균일성이 떨어지고 기공이 많이 발생하기 쉬워 산화 저항성이 저하되는 단점이 있습니다.
브러시 코팅 방식
브러시 코팅법은 주로 액체 원료를 흑연 기판 표면에 도포한 후 특정 온도에서 경화시켜 코팅을 형성하는 방식입니다. 이 방법은 간단하고 비용 효율적이지만, 생성된 코팅은 기판과의 접착력이 약하고 균일성이 떨어지며, 두께가 비교적 얇고 산화 저항성이 낮아 보완적인 방법이 필요합니다.
플라즈마 스프레이 방식
플라즈마 스프레이법은 플라즈마 건을 이용하여 용융 또는 반용융 상태의 원료를 흑연 기판 표면에 분사하는 방법으로, 분사된 원료는 응고되어 코팅을 형성합니다. 이 방법은 조작이 간단하고 비교적 밀도가 높은 탄화규소 코팅을 생성할 수 있지만, 코팅이 너무 얇아 산화 저항성이 떨어지는 경우가 많습니다. 따라서 일반적으로 SiC 복합 코팅 제조 시 코팅 품질을 향상시키기 위해 사용됩니다.
젤-졸 방법
겔-졸 방법은 주로 균일하고 투명한 졸 용액을 제조하여 기판 표면에 코팅하는 과정을 포함합니다. 졸 용액이 건조되어 겔 형태로 변한 후, 소결 과정을 거쳐 코팅이 형성됩니다. 이 방법은 조작이 간단하고 비용이 비교적 저렴하지만, 열충격 저항성이 낮고 균열이 발생하기 쉽다는 단점이 있어 광범위한 적용에 제약이 있습니다.
화학 기상 반응(CVR) 방법
CVR(화학 환기법)은 주로 Si 및 SiO₂ 분말을 사용하여 고온에서 SiO₂ 증기를 발생시키고, 이를 Si 기판 표면에서 일련의 화학 반응으로 촉발하여 SiC 코팅을 형성하는 방식입니다. 이 방법으로 생성된 SiC 코팅은 기판에 단단히 접착되지만, 반응 온도가 높고 비용 또한 상대적으로 높습니다.
화학 기상 증착(CVD)
CVD(화학 기상 증착)는 현재 기판 표면에 SiC 코팅을 형성하는 주요 기술입니다. 이 공정은 기체 반응물과 기판 표면 사이에서 일련의 물리화학적 반응을 거쳐 최종적으로 SiC 코팅을 증착하는 방식으로 진행됩니다. CVD 기술로 제조된 SiC 코팅은 기판 표면에 단단히 접착되어 기판 재료의 산화 저항성 및 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이 방법은 증착 시간이 비교적 길고, 반응 가스에 독성 성분이 포함되어 있다는 단점이 있습니다.
SiC 코팅 동향
SiC 코팅은 주로 반도체 제조에서 소모품으로 사용되며, 주요 성능 지표로는 코팅 균일성, 열팽창 계수 및 열전도율이 있습니다. 중국 내 SiC 코팅 수요는 상당하지만, 관련 기술은 아직 미성숙한 상태입니다. 해외에서는 미국 기업 한 곳만이 이 분야에서 사업을 하고 있으며, 그 제품들은 상대적으로 고가입니다.
크리스탈 보트에피택셜 생산에 사용되는 소모품은 SiC 코팅 흑연을 대체할 수 있지만 시장 규모는 작습니다. 다음으로 TaC 코팅 흑연이 있는데, 이는 일반 흑연이나 SiC 코팅 흑연보다 화학적 부식 저항성이 우수하지만 가격이 매우 비싸고 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 현재 국내 기업들은 다음과 같은 분야에서 연구를 진행하고 있습니다.류팡반도체, 세미세라, 그리고베텍 반도체이 분야에서 연구 개발에 참여하고 있습니다.
게시 시간: 2026년 5월 20일