한국세라믹기술원 정성민 박사 연구팀은 ㈜하나머티리얼즈 및 동의대학교 신소재공학부 이원재 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄화규소 반도체 분야 최대 규모 국제학술대회인 ‘2022 국제 탄화규소 및 관련재료 컨퍼런스’에서 반도체용 탄화규소(SiC) 재활용 소재를 원료로 적용해 전력반도체용 단결정 기판을 초고속으로 성장시킬 수 있는 기술을 개발했다고 발표했다.
탄화규소(SiC) 기판소재는 탄화규소 반도체 소자의 핵심요소로 최근 전기차 시장에서 활발하게 적용되고 있으며 기존 널리 사용되는 실리콘 기판보다 우수한 열적·전기적 특성을 갖고 있다.
보통 탄화규소 단결정은 탄화규소(SiC) 원료를 고온으로 가열해 기화된 원료가 상대적으로 차가운 종자결정상에 증착되는 ‘승화재결정법’으로 제조된다.
실리콘 단결정의 성장에 비해 수십~수백분의 1에 지나지 않는 200~400μm/h 정도의 느린 승화재결정법의 성장속도는 탄화규소 기판의 생산성을 개선하기 어려운 주요 원인이며 이를 인위적으로 고속성장 시킬 경우 다양한 문제로 품질저하 문제가 발생한다.
이러한 문제를 개선하고자 재활용한 탄화규소 원료를 전력반도체용으로 활용하는 연구를 공동으로 진행해왔으며 ㈜하나머티리얼즈는 기존의 탄화규소 분말원료보다 불순물이 적고 비표면적이 적은 초고순도 탄화규소 블록의 개발을 완료하고 상용화하는 절차를 진행중이다.
한국세라믹기술원 연구팀은 ㈜하나머티리얼즈에서 개발된 탄화규소 폐기물을 재활용한 블록을 기존의 ‘승화재결정법’에 원료로 적용해 직경 2인치급(50mm)의 탄화규소 단결정을 성장시켰다.
성장시킨 단결정은 통상적인 단결정 성장속도보다 4배 이상 빠른 1.3~1.7 mm/h의 초고속 성장조건에서 얻어졌음에도 불구하고 품질저하 없이 기존과 동등한 수준(성장 전 전위밀도 : ~2 x 103 /cm2, 성장 후 전위밀도 : ~3 x 103 /cm2)의 결정 품질을 갖는 것으로 나타났다.
또한 승화재결정 공정을 고속성장 조건으로 제어한 경우에도 성장결정 내에 불순물과 비산입자(Dust)의 혼입을 배제할 수 있어 초고속 성장조건에서도 고품질의 탄화규소를 얻을 수 있었다.
탄화규소 반도체 기판시장 세계 규모는 22년에 8.65억 달러를 넘어 연 19%씩 성장해 2027년에는 2억 달러를 넘어설 것으로 전망되고 있으며 국내에서는 몇몇 기업에서 양산화를 추진하고 있지만 아직 품질문제, 투자문제 등으로 국산화가 지연돼 100% 수입에 의존하고 있다.
연구책임자인 한국세라믹기술원 정성민 박사는 “원료의 선별을 통해 고속의 성장속도에서 우수한 품질을 갖는 탄화규소 단결정을 제조할 수 있음을 실증했다”며 “이번에 개발된 초고속 탄화규소 단결정 성장기술이 탄화규소 단결정기판의 생산성에 기여할 수 있다"고 밝혔다.
㈜하나머티리얼즈의 기술개발을 총괄한 김창민 전무는 “이번에 고속성장 공정의 원료로 적용된 소재는 반도체공정용 국산 고순도의 탄화규소 폐기물을 재활용한 소재”라며 “재활용을 통해 환경친화적일뿐만 아니라 가격경쟁력이 우수하고 사업성이 좋아 본격적으로 제품 공급에 나설 것이다”고 말했다.
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