SiC(실리콘 카바이드)는 규소와 탄소의 화합물로서 다이아몬드 결정구조의 반도체 특성을 지니며, 고경도, 고강도, 초고온 융점을 가지는 소재다. 이에 초고순도 SiC 소재는 반도체, 디스플레이, LED, 자동차 산업에 사용되는 고효율/에너지 절약형 전력반도체 및 인버터/컨버터 및 LED 칩 기판 소재로 사용되는 고부가가치 전략 소재다.

반도체산업이 450mm급으로 대구경화됨에 따라 고온공정장비용 초고순도 SiC 부품이 필요할 뿐만아니라 LED 및 에너지 반도체의 고효율화와 가격경쟁력 확보는 물론 하이브리드카·태양광발전의 고효율화에 반드시 필요한 원료 소재인 것이다. 이처럼 시장이 커지고 있으나 초고순도 SiC 기술은 몇몇 선진국 기업이 독점하고 있어 시장선점을 위해선 초고순도 SiC 소재 기술 및 대형 SiC 부품 제조기술 개발이 요구되고 있다. 특히 이 소재는 우리나라 먹거리 산업과 밀접한 관계에 있는 소재여서 그 중요성은 매우 크다.

LG이노텍이 총괄주관기관을 맡은 초고순도 SiC소재 사업단은 △초고순도 SiC 분말 기술 △차세대 반도체/LED 핵심공정용 초고순도 SiC 제조 △고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조 △에너지반도체 소자용 SiC 에피 소재 개발을 추진하고 있다. 2019년 국내 1조4,000억원, 국외 5조원 시장선점을 목표로 하고 있으며 WPM 1차년도에는 세계 최고 수준 대비 90%에 달하는 초고순도 5N(99.999%) 이상의 SiC 분말 합성에 성공했고 고품위 및 초저결함 SiC 단결정(직경 2인치)을 개발하는 성과를 나타냈다.

▲ SWOT분석.

■돈주고 못사는 초고순도 SiC 분말

최근 반도체 및 LED 공정에서 초고순도 SiC 부품의 적용이 증가되고 있으며 공정에서 요구되는 SiC 제품의 순도가 높아지고 있다. 이러한 소재를 제조하기 위해서는 초고순도 SiC 분말 및 원료 기술 개발이 필수적이다. 이 기술은 세계적으로 기술 개발 초기 단계로 일본회사인 스미토모, 이비덴, 아사히 글라스, 브릿지스톤, 쇼와덴코 등이 6N급 이상의 초고순도 SiC 분말을 자체 생산 또는 위탁생산해 전량 자사 제품 제조에 사용하고 있다.

따라서 거래가 존재하지 않아 초고순도 SiC 분말의 시장이 형성되지 않고 있으며 일본에서 는 초고순도 SiC 분말을 수출통제 품목으로 설정하고 있다. 미국 카보런덤은 5N급 SiC 분말을 생산 중이다.

국내의 경우 SiC 분말 생산은 이뤄지고 있지 않으나, 폴리실리콘, TEOS, 촉매제, 카본블랙 등 SiC 합성에서 요구되는 원료는 OCI, KCC, 테크노쎄미켐 등 화공 관련 기업에서 생산되고 있다. 현재 초고순도 SiC 분말을 합성할 수 있는 체계적인 원료기술은 확보되지 않고 있으나 기술장벽이 높지 않아 시장이 활성화되면 원료 개발이 진행될 것으로 예상되고 있다.

국내 기업들은 5N급 SiC 분말 기술개발에 성공했으며 대량생산을 위한 생산 시험에 들어간 것으로 알려지고 있다. 현재 초고순도 고품위 SiC 분말 합성공정 기술은 확보돼 있지 않지만 초고순도 SiC 분말 합성을 위한 기반기술이 일정 수준에 도달해 산학연의 체계적인 연구개발을 통해 기술개발에 성공할 것으로 전문가들은 기대하고 있다. WPM을 통해 사업단은 현재 최고 수준인 6N보다 한단계 높은 7N급 초고순도 SiC 원료 및 분말 기술 개발을 목표로 하고 있다.

▲ 사업단 참여기관.

■차세대 반도체·LED장비에 적용

반도체 및 LED 공정의 대부분은 침식성이 매우 높은 플라즈마 환경 또는 고온이면서도 오염의 가능성이 극히 적어야 하는 고순도 환경이 요구된다. 특히 2015년 25nm선폭의 기술이 도입되는 초집적 반도체 제조공정에서는 우수한 열적, 기계적 특성, 내화학성, 전기적 특성, 내구성 및 내입자 오염 특성을 가진 초고순도 다결정 SiC 소재가 적용될 가능성이 높다.

반도체용 SiC 제품 제조공정용으로 제조되고 있는 반응소결 SiC 제품은 일본 브릿지스톤, 스미토모 오사카 시멘트, 도시바 코발런트 등 주요 기업에서 생산되고 있다. 국내에서는 SKC 솔믹스와 (주)이노쎄라가 생산해 국내 반도체 업체에 적용하고 있으나 아직 고온 반도체 공정에서 사용할 수 있는 솔리드 형태의 고순도 제품은 생산하지 못하고 있다.

WPM을 통해 7N급, 600 mm 크기 초고순도 다결정 SiC 소재 및 상용화 기술 개발을 목표로 하고 있다. 전문가들은 개발 성공시 향후 반도체 장비용으로 적용 확대가 예상되는 SiC 등 비산화물 분야에서 시장점유율을 높이고 반도체 장비용 소재 시장에서도 국내업체의 위상이 강화될 것으로 기대하고 있다.

■직경확대가 관건

고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조기술은 LED/LD 및 에너지반도체용 소자구현을 위한 기판소재인 고품질 SiC 단결정 웨이퍼를 성장·가공하는 기술이다. SiC 단결정 웨이퍼는 전력 반도체소자 분야에서 에너지의 고효율 변환, 동작성능 향상 등을 목표로 기존의 Si 웨이퍼를 대체하는 핵심소재로 시장이 급성장할 것으로 예상되고 있다.

SiC 단결정 웨이퍼를 산업에 적용하기 위해선 웨이퍼 직경 확대를 통한 단가 감소가 가장 필수적인 요소다.

현재 양산되는 대부분의 SiC웨이퍼는 승화재결정법(PVT)법으로 제조되고 있다. SiC 결정의 성장기술을 보면 현재 크리, 다우코닝, 신일본제철, 브리지스톤, 사이크리스탈(독), 노스텔(스웨덴) 등이 2인치 이상의 웨이퍼를 생산하고 있으며, 4인치 웨이퍼를 개발 중에 있다. 수년 내에는 6인치 웨이퍼 공급업체가 시장을 주도할 전망이다.

국내의 경우 현재 네오세미테크(주)가 2인치 6H-SiC 웨이퍼, 3인치 4H-SiC 웨이퍼를 개발했으며, (주)크리스밴드가 2인치 6H-SiC 웨이퍼 개발하여 소량 판매를 한 실적이 있다. 그러나 4인치 및 6인치 4H-SiC 웨이퍼는 아직 개발되지 않았다.

최근 PVT법보다 10~100배 높은 고순도화가 가능하다고 알려진 HTCVD (High Temperature CVD)기술을 이용한 고순도 단결정 웨이퍼 성장기술이 스웨덴에서 개발됐다. 박막 CVD법과 마찬가지 방법으로 모노실란(SiH4)과 탄화수소계 기체를 도입하여 결정을 성장시키는 방법이다. 아직 국내에서는 연구된 사례가 없으나 WPM을 통해 개발이 진행될 계획이다.

▲ SiC 응용제품.

■에너지반도체 소자용 SiC 에피

SiC는 기존 Si 반도체에 비해 고전압화가 매우 용이하고 열전달 특성이 우수해 전력산업용 반도체로서 탁월한 성능을 가지고 있다. SiC 에너지반도체를 전력변환장치에 적용한 경우 기존 실리콘 반도체 소자 대비 54%의 손실 감소 효과가 있다.

그린카 구동용 인버터 시스템에 적용할 경우 무게를 1/3수준으로 줄이고, 부피를 최대 80%까지 소형화할 수 있어 차량의 연비향상에 기여할 수 있다. 특히 SiC 기반 전력변환장치의 경우 기존 Si 기반 전력변환장치로 구현이 어려운 수십~수백 kV급의 전력변환장치가 소형으로 구현이 가능해 스마트 그리드 구현에 필수적이다.

SiC 소재를 반도체 소자화할때에 그 신뢰성은 SiC 에피박막의 두께, 도핑농도 등 품질에 의해 좌우된다. 따라서 에너지반도체 소자용 SiC 에피기술은 핵심기술로 부상하고 있다.

세계적으로 에피박막 소재까지 포함된 소자용 웨이퍼 공급원은 아직 미국, 일본, 유럽의 일부 회사로 제한적이다. 현재 3인치와 4인치 웨이퍼가 공존하고 있으며 에피박막이 포함된 웨이퍼당 가격은 2,000~5,000달러로 높은 수준이다. 2015년 이후에는 SiC로 이루어진 IGBT, 인버터 등 대용량 전력소자 시장이 활성화 될 전망이다.

국내의 경우 현재 이용되고 있는 6H- 및 4H-SiC에 대한 박막성장 연구는 2000년에 들어서 서울대에서 유일하게 연구되기 시작했다. 전기연구원에서는 2004년부터 본격적인 연구에 들어가 2인치급 에피박막 성장 장치의 개발 및 이를 이용한 성장기술 개발을 진행하고 있다. 그러나 최종 수요처인 자동차, 전력기기 등의 세트메이커들이 아직까지 이 분야에 큰 관심을 갖고 있지 않고 있어 개발 필요성에 대한 인식 전환이 요구되고 있다.