실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼 소재의 개발 및 사업화

[산업일보]
차세대 반도체 핵심 소재인 실리콘 카바이드 웨이퍼 소재를 경제성 한계인, 직경 5cm 이상의 크기로 개발하는데 성공했다. 동의대 전자세라믹스센터(소장 신병철)는 실리콘 카바이드 단결정 성장 전문 회사를 창업한데 이어, 향후 실리콘 카바이드 웨이퍼 가공 전문 회사, 성장장비 제조사 등을 순차적으로 창업할 것이라고 밝혔다.

실리콘 카바이드의 특성

실리콘 카바이드는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고, 산화성 분위기에서 안정성도 뛰어나다. 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 가지므로 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서는 GaAs, GaN와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체나 다이아몬드보다 SiC의 응용이 한층 유용하다.
구체적으로 실리콘 카바이드 반도체는 기존의 실리콘 반도체에 비해 높은 온도에서 작동하므로 컴퓨터칩으로 사용 시 냉각팬이 불필요하며 고온부의 상태를 계측하는 각종 센서용 기판으로 사용된다. 고휘도 발광소자(LED)의 기판으로 사용되고 있는 고급 반도체 소재이며 고전압에서 견디는 특성이 우수해 전력용 반도체 소자의 기판으로 사용되고 있다. 또한 TV 근처에서 헤어드라이어를 켜면 화면이 일그러지는 것과 같이, 실리콘 반도체 소자를 식혀주기 위해 냉각팬이 돌면 전자파 노이즈가 발생한다. 이 순간 전투기나 항공기에선 치명적인 사고가 발생할 수 있다.
실리콘 카바이드의 물리적 특성으로는 원자의 적층 순서에 따라 수많은 결정다형(poly-type)이 존재할 수 있다. 현재 β-SiC(3C-SiC)라 불리는 하나의 입방정상(cubic)과 70여종의 육방정상(hexagonal), 170여종의 능면정상(rhombohedral)이 보고 돼 있다. 입방정상을 제외한 나머지는 α-SiC로 통칭된다.

<개발에 성공한 직경 5cm 이상의 실리콘 카바이드 웨이퍼>

실리콘 카바이드는 결정다형에 따라 에너지 밴드갭이 2.2~3.3eV로 Si이나 GaAs보다 크며, 높은 절연 파괴 전압(3.0×106Vcm-1), 전자의 포화 이동속도(2.0×107cms-1), 열전도도(4.9 Wcm-1K-1) 등 전기적, 열적 특성이 우수하기 때문에 고온, 고전력, 고주파 전자소자에 적합하다. 또한 화학적 안정성으로 인해 열악한 환경에서 작동할 수 있는 반도체 소자용 재료로도 각광받고 있다. 이러한 특성 때문에 실리콘 반도체를 보완하는 기술집약형 고부가가치 소재로 평가되고 있다.
현재 미국, 일본, 독일 등 극히 일부 기술선진국에서만 크리스털 성장기술과 웨이퍼 가공능력을 갖고 있어 실리콘 웨이퍼에 비해 가격이 100배 이상 높은 실정이다. 우리나라의 경우 응용소자를 개발하는 기업 및 연구소, 대학에서는 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 전량 미국 등에서 수입하고 있다.

개발의 필요성과 해결 과제

21세기는 UN의 기후변동협약 발효에 따라, 우리나라에서도 에너지 절약 및 효율 극대화 기술 개발은 국가정책에서 선택 사양이 아니라 필수 정책으로 불거지고 있다.
전력, 전철, 항만설비 등과 같은 사회간접자본재, 철강, 중화학공업 등 국가기간 산업 등에서는 물론 수출 주도 산업인 반도체, 자동차, 기계공업 등에서의 산업자본재 즉, 자동화 생산설비 및 산업 생산 기기의 전력 공급장치 및 제어장치의 핵심 부품인 전력용 반도체에서의 고속 스위칭, 저손실, 고신뢰성 실리콘 카바이드 반도체는 전기 에너지 변환 손실을 현재의 6% 대에서 2% 대로 낮출 수 있게 될 것으로 보인다.
시스템 IC 기술에서는 초고집접화 기술과 분리(isolation)기술 등에서의 한계극복이 우선과제로 남아있다. 현실적으로는 이 분야를 뒷받침할 기술은 SOI(Silicon on Insulator)로 전망되고 있다. 기존의 실리콘 반도체의 특성 한계는 초고집적화 및 초고속화에 따르는 큰 발열문제를 해결하기 어렵게 될 것으로 예측된다. 또한 시스템 IC의 서브시스템(sub-system)들 간의 전압 분리는 실리콘 반도체의 낮은 절연파괴강도와 SOI의 방열특성 한계로 인해 큰 어려움을 겪을 것으로 보인다. 궁극적인 대안으로 고열전도율 실리콘 카바이드 반도체가 세계적으로 주목받고 있다. 한편 우주항공이나 원자력 발전 분야에서는 내방사성/고내열성의 고신뢰성 소자들이 필요하다. 이러한 극한 환경에 사용될 수 있는 소자로는 실리콘 카바이드 반도체가 적격으로 미국 등 선진국에서는 국가적으로 그 실용성이 확인되고 있다. 마지막으로 에너지 절약과 환경보전 측면에서 엔진자동차에서의 연소 제어이다. 이를 위해서는 엔진상태 및 연소 제어용 고온 센서 및 제어소자의 개발이 필수적이다. 이 용도로 실리콘 카바이드의 중요성은 70년대 이미 알려졌으며, 꾸준한 연구 개발의 결과로 부분적으로 실용화가 진행되고 있는 실정이다.
디스플레이 및 광 정보통신 분야에서의 GaN계 단파장 발광소자의 실용화는 큰 기술적 변혁을 낳고 있다. 최근 GaN의 격자상수에 보다 접근하는 높은 열전도율의 실리콘 카바이드 기판의 활용으로 웨이퍼 면적 당 부가가치율의 극대화가 이루어지고 있어 소자의 가격 하락과 함께 시장의 급격한 증가가 이루어지고 있다. 이는 다시 치열한 기술 개발 전쟁으로 이어지고 있는 실정이다. 따라서 GaN 광소자 기술은 물론, 기술 및 가격 경쟁력을 위한 실리콘 카바이드 기판 기술 확보의 필요성이 대두되고 있다.

해외 개발 동향과 수요

국제적인 시장 조사기관인 프랑스 욜社의 보고서에 따르면, 2003년도엔 전세계적으로 20만장(약 1천억원)의 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼가 소모됐으며 2007년도에는 60만장(약 3천억원)이 소모될 것으로 전망되고 있다. 또한 가까운 미래 개인 위성통신시대를 대비해, 선진국에서는 이 분야를 이끌 실리콘 카바이드 반도체가 활발히 연구되고 있다.
유럽 연합에서는 2002년부터 3년간 SOLSIC, ESCAPEE, FLASIC 등 3개 사업에 각각 200만 유로(한화 약 30억원)를 투입하고 있으며, 독일에선 2002년부터 4년간 4개 사업단에 총 800만 유로(한화 약 120억원)를 투입하고 있고, 스웨덴에선 지난 5년간 2개 사업단에 총 1천만 유로(한화 약 150억원)를 투입한데 이어 작년부터 5년간 5개 사업단에 총 1100만 유로(한화 약 165억원)를 투입하고 있다. 이태리 역시 2002년부터 3년간 3개 사업단에 400만 유로(한화 약 60억원) 이상의 개발비를 투입하고 있으며, 스페인 등도 여러 국책 사업단을 운영하고 있다.
일본의 경우, 1998년부터 막대한 정부예산을 투입해 이제 제품을 내놓고 있는 실정이다. 가장 앞서있는 미국의 경우 시제품이 나왔음에도 불구하고, 국방성(공군, 해군, DARPA), NASA 등 여러 기관에서 1998년부터 투자를 시작해 현재는 20여개의 개발팀에 2002년부터 향후 5년간 매년 4천만 달러 이상(한화 약 440억원)의 국가 예산을 투입하고 있다. 현재 미국에서 생산되는 실리콘 카바이드 반도체의 품질이 가장 높으나 내수를 충당하지 못해 수출을 제한하고 있는 실정이다.

국내 개발 현황과 수요

프랑스의 마케팅 및 기술 컨설팅 회사인 ꡐYOLE DEVELOPMENTꡑ의 SiC 보고서에 따르면 현재 SiC 웨이퍼 생산량의 90~95% 정도는 광전 소자영역에서 소비되고 있다. 광전 소자영역 중에서 현재 가장 큰 시장 규모를 유지하고 있는 것이 바로 LED 시장이다. 특히 고휘도 LED의 경우는 시간이 갈수록 그 시장 규모가 커지고 있어 상당히 유망한 분야이자 SiC 웨이퍼의 좋은 수요처가 된다.
우리나라의 경우, 서울대 김형준 교수팀, 한양대 오근호 교수팀 등에서 기초 연구를 통해 기반을 조성한 바 있다. 현재는 한국전기연구원에서 산업자원부의 지원을 받아 국내 대학 및 기업 등과 사업단(단장 김은동 박사)을 운영하면서 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 응용하는 소자 개발에 있어 착실한 실적을 거두고 있다.
동의대 전자세라믹스세터는 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 개발하기 위해 필요한 기술과 시설을 확보하기 위해 선진 기관을 조사하고 접촉했으나 대부분 외국으로의 기술 유출을 우려해 통제하고 있거나 냉담한 반응을 보이고 한다. 그러나 여러 차례의 방문 결과와 전문가들의 조언을 기반으로 설비를 구축하기 시작했다. 현재 실리콘 카바이드 원료를 이용해 섭씨 2000~2500도의 고온에서 직경 5cm 이상 두께 1cm 이상의 크리스탈로 성장시킨다는 1차 목표를 달성한 상태로 대부분의 가공 장비는 이미 가동중이고 일부는 조만간 입고될 예정이다. 관련 기술과 장비에 대한 특허를 출원중이다.
동의대 전자세라믹스센터는 2001년 과학기술부 지역협력연구센터(RRC)로 선정됐고, 이듬해인 2002년 부처간 연계운영시범사업의 일환으로 산업자원부 지역기술혁신센터(TIC)로 추가 지정돼 과학기술부, 산업자원부 및 부산광역시, 동의대에서 사업비를 지원받아 IT소재 관련 기업의 기술 개발을 돕고 있다.

향후 계획

동의대 전자세라믹스센터는 품질을 향상 단계로 접어들었다고 말한다. 제품생산 등 상업화를 위해 연구원 창업으로 ꡐ크리스밴드ꡑ(대표 구갑렬)를 설립했으며, 내년부터 직경 5cm 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼 시제품을 국내외 LED 제조사, 전력소자 제조사 등에 배포할 계획이며 향후 참여 연구원들이 웨이퍼 가공 전문회사, 성장장비 제조회사 등을 창업해 발전해 나가도록 할 계획이다.

자료 제공 / 동의대 전자세라믹스센터
정리 / 미디어 다아라 김원정 기자(news@daara.co.kr)