우리나라의 탄화규소 산업체인!

탄화규소(SiC)는 전력반도체 산업의 주요 발전 방향으로, 전력소자 제작 시 전기에너지 활용률을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 가까운 미래에 신에너지 차량은 탄화규소 전력 장치의 주요 응용 시나리오가 될 것입니다. 테슬라는 기술의 선구자로서 모델 3에 실리콘카바이드 모듈을 모두 통합하는 데 앞장섰고, 다른 XNUMX차 자동차 회사들도 실리콘카바이드 적용을 확대할 계획이다. 실리콘 카바이드 장치의 제조 비용이 낮아지고 기술이 점차 성숙해짐에 따라 실리콘 카바이드 전력 장치 산업의 미래를 기대할 수 있습니다. [탄화규소란? 탄화규소(SiC)는 3세대 화합물 반도체 소재다. 반도체 산업의 초석은 칩이며, 칩을 만드는 핵심 소재는 1세대 반도체 소재(주로 현재 널리 사용되고 있는 고순도 실리콘), 2세대 화합물 반도체 소재(갈륨비소, 인듐인)로 구분된다. 그리고 역사적 공정에 따른 3세대 화합물 반도체 재료(탄화규소 및 질화갈륨)를 소개합니다. 높은 밴드갭(높은 항복 전기장 및 높은 전력 밀도에 해당), 높은 전기 전도도 및 높은 열 전도성 등 우수한 물리적 특성으로 인해 탄화규소는 미래에 가장 널리 사용되는 반도체 칩의 기초 소재가 될 것입니다. [탄화규소의 물리화학적 성질]반도체 칩에서 탄화규소의 주요 형태는 기판입니다. 반도체 칩은 집적 회로와 개별 장치로 나눌 수 있지만, 집적 회로와 개별 장치 모두의 기본 구조는 "기판-에피택셜-장치" 구조로 나눌 수 있습니다. 반도체에서 탄화규소의 주요 형태는 기판 재료입니다.탄화 규소 웨이퍼는 탄화 규소 결정을 절단, 연삭, 연마 및 세척하여 형성된 단결정 시트입니다. 탄화규소 웨이퍼는 반도체 기판 소재로서 3세대 반도체 산업 발전의 중요한 기초소재인 에피택시얼 성장과 소자 제조를 통해 탄화규소 기반 전력소자, 마이크로파 RF 소자로 만들 수 있다. 탄화규소 웨이퍼는 저항률의 차이에 따라 전도성 유형과 반절연형으로 나눌 수 있습니다. 그중 전도성 탄화규소 웨이퍼는 주로 고온 및 고전압 전력 장치 제조에 사용되며 시장 규모가 크다. 반절연 탄화규소 기판은 주로 마이크로파 RF 장치 및 기타 분야에 사용됩니다. 5G 통신망 구축이 가속화되면서 시장 수요도 눈에 띄게 증가했다.[탄화규소 가공기술 연구] SiC의 경도는 다이아몬드 다음으로 높아 연삭휠 등 연삭공구의 연마제로 사용할 수 있다. 따라서 다이아몬드 연삭 휠은 주로 연삭, 연삭 및 연마에 사용되며 그중 다이아몬드 연삭 휠은 효율성이 가장 높으며 SiC 가공에 중요한 수단입니다. 그러나 SiC 소재는 경도가 높은 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 취성이 높고 파괴인성이 낮아 연삭과정에서 소재의 취성파괴가 일어나기 쉬워 소재 표면에 표면파괴층이 남게 되며, 심각한 표면 및 표면 아래 손상을 유발하여 가공 정확도에 영향을 미칩니다. 따라서 SiC의 연삭 효율과 표면 품질을 향상시키기 위해 SiC의 연삭 메커니즘과 표면 아래 손상을 깊이 연구하는 것은 큰 의미가 있습니다. 1. 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 연삭 메커니즘 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 연마하는데, 연마재는 롤링 또는 미세 절단 효과를 갖습니다. 연마 입자가 요철과 균열이 있는 표면에 작용하면 연삭이 진행됨에 따라 연삭 하중의 작용으로 일부 연마 입자가 공작물에 압착되고 노출된 팁은 공작물의 표면을 긁어 미세 절단을 수행합니다. . 연마 입자의 다른 부분은 공작물과 연삭 디스크 사이를 굴러 롤링 작용을 일으키며, 이는 공작물의 표면에 미세 균열을 형성하고 균열이 확장되어 공작물의 표면에 부서지기 쉬운 칩을 형성하여 표면의 목적을 달성합니다. 제거. 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 인장강도는 압축강도보다 낮기 때문에 연마입자가 적재되면 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 표면에 최대 인장응력이 있을 때 미세균열이 발생합니다. 십자형 균열이 연장되어 서로 교차하면 균열로 둘러싸인 부분이 부서지고 작은 조각으로 붕괴됩니다. 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 연삭할 때 칩 생성 및 표면 형성의 기본 공정입니다. 탄화규소는 일종의 고경도 취성재료이므로 특별한 연삭액이 필요합니다. 탄화규소 연삭의 가장 큰 기술적 어려움은 고경도 재료의 박형화 두께를 정확하게 측정하고 제어하는 데 있습니다. 연삭 후 웨이퍼 표면이 손상되고 미세 균열 및 잔류 응력이 발생하며 탄화 규소 웨이퍼가 얇아지면 탄화 규소 웨이퍼보다 더 많은 변형이 발생합니다. 2. 탄화규소의 연마가공에 관한 연구. 현재 탄화규소의 연마 방법에는 주로 기계적 연마, 자기유변 연마, 화학 기계적 연마(CMP), 전기 화학적 연마(ECMP), 촉매 보조 연마 또는 촉매 보조 에칭(CACP/CARE), 마찰 화학적 연마(TCP)가 포함됩니다. 그리고 플라즈마 보조 연마(PAP)가 있습니다. 화학연마(CMP) 기술은 현재 반도체 공정의 중요한 수단이자 단결정 실리콘의 표면을 원자 수준까지 가공하는 가장 효과적인 기술이다. 가공 과정에서 국부적, 전역적 평탄화를 실현할 수 있는 유일한 실용 기술입니다. CMP의 처리 효율은 주로 공작물 표면의 화학 반응 속도에 따라 결정됩니다. SiC 재료의 연마 속도에 대한 공정 매개변수의 영향을 연구함으로써 결과는 회전 속도와 연마 압력이 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 그리고 연마액의 온도와 pH 값은 거의 영향을 미치지 않습니다. 소재의 연마율을 향상시키기 위해서는 회전속도를 최대한 높여야 합니다. 연마 압력을 높이면 연마 속도도 향상되지만 연마 패드가 손상되기 쉽습니다. 현재 탄화 규소 연마 방법은 재료 제거율이 낮고 비용이 높다는 문제가 있으며 연마 연삭 및 연마, 촉매 보조 가공 및 기타 가공 방법이 없습니다. 장치의 까다로운 조건과 복잡한 작동으로 인해 아직 실험실 단계에 있으며 대량 생산이 실현될 가능성은 낮습니다. 탄화규소는 1905년 운석에서 처음 발견되었으며 현재는 주로 인공합성을 통해 생산되고 있습니다. 실리콘 카바이드는 다양한 용도로 사용되며 산업 범위도 넓습니다. 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비소칼륨, Shi Ying 크리스탈 등, 태양광 발전 산업, 반도체 산업 및 압전 결정 산업의 엔지니어링 가공 재료로 사용할 수 있습니다. [탄화규소 가공 공정 흐름] 탄화규소 웨이퍼는 고순도 규소 분말과 고순도 탄소 분말을 원료로 하고, 탄화규소 결정을 PVT(물리적 기상 수송) 방식으로 성장시킨 후 탄화규소 웨이퍼로 가공합니다. . ① 원료합성. 고순도 실리콘 분말과 고순도 탄소 분말을 일정 비율로 혼합하고, 2,000℃ 이상의 고온에서 반응시켜 탄화규소 입자를 합성합니다. 파쇄, 세척 및 기타 공정을 거쳐 결정 성장 요구 사항을 충족하는 고순도 탄화 규소 미세 분말 원료가 준비됩니다. ② 결정 성장. 고순도 탄화규소 미세분말을 원료로 사용하여 자체 개발한 결정 성장로에서 PVT(물리적 증기 수송) 방식으로 탄화규소 결정을 성장시켰습니다. 성장 원리는 다음 그림에 나와 있습니다.고순도 탄화규소 미세분말과 종자 결정은 단결정 성장로 내 원통형 밀봉 흑연 도가니의 하단과 상단에 각각 배치됩니다. 도가니는 전자기 유도에 의해 2,000℃ 이상으로 가열되며, 종자결정의 온도는 하부 미세분말의 온도보다 약간 낮아 도가니 내에 축방향 온도 구배를 형성합니다. 탄화규소의 미세분말은 고온에서 승화하여 Si2C, SiC2, Si 등과 같은 기체상 물질을 형성하고, 온도 구배에 따라 구동되어 더 낮은 온도에서 종결정에 도달하고 그 위에서 결정화되어 원통형 탄화규소 잉곳을 형성합니다. . ③ 잉곳 가공. 얻은 탄화규소 잉곳을 X선 단결정 배향기를 사용하여 연신한 후 편평하게 분쇄하고 압연하여 표준 직경의 탄화규소 결정으로 가공합니다. ④ 크리스탈 커팅. 다중 와이어 절단 장비를 사용하여 탄화 규소 결정을 두께가 1mm 이하인 얇은 조각으로 자릅니다. ⑤ 웨이퍼 연삭. 다양한 입자 크기의 다이아몬드 연삭액을 사용하여 웨이퍼를 필요한 평탄도와 거칠기로 연삭합니다. ⑥ 웨이퍼 연마. 기계연마와 화학기계연마를 통해 표면손상이 없는 탄화규소 연마웨이퍼를 얻을 수 있다. ⑦ 웨이퍼 검사. 광학현미경, X선회절계, 원자력현미경, 비접촉저항률시험기, 표면평탄도시험기, 표면결함종합시험기 등의 기기와 장비를 이용하여 미세소관밀도, 결정질, 표면거칠기, 저항률, 휘어짐, 탄화규소 웨이퍼의 곡률, 두께 변화, 표면 스크래치 등을 검출하고 이에 따라 웨이퍼의 품질 등급을 판단하였다. ⑧ 웨이퍼 세정. 탄화규소 연마 시트를 세정제와 순수로 세정하여 연마 시트에 남아 있는 연마액 등 표면의 잔류 오염물을 제거한 후, 초고순도 질소와 스핀 드라이어로 웨이퍼를 불어넣고 회전시키는 단계; 웨이퍼는 초청정실의 깨끗한 웨이퍼 상자에 포장되어 개봉하여 바로 다운스트림에서 사용할 수 있는 탄화규소 웨이퍼를 형성합니다. 웨이퍼 크기가 클수록 해당 결정을 성장 및 처리하는 것이 더 어려워지는 반면, 다운스트림 장치의 제조 효율성이 높을수록 단가는 낮아집니다. 현재 국제 탄화규소 웨이퍼 제조업체는 주로 4인치~6인치 탄화규소 웨이퍼를 제공하고 있으며 CREE, II-VI 등 국제 선도 기업은 8인치 탄화규소 웨이퍼 생산 라인 건설에 투자하기 시작했습니다. [탄화규소 산업 현황]01. 탄화규소(SiC)는 고전력 소자에 적합한 소재입니다. 실리콘은 반도체 산업의 95세대 기초소재이다. 현재 전 세계 집적 회로 부품의 XNUMX% 이상이 실리콘으로 만들어졌습니다. 현재 전기 자동차, 5G 및 기타 애플리케이션의 발전으로 고전력, 고전압 및 고주파 장치에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다. 전압이 900V보다 높아지면 실리콘 기반 전력 MOSFET과 IGBT의 단락 보드가 노출되어 변환 효율, 스위칭 주파수, 작동 온도 등 여러 측면에서 제한을 받게 됩니다. 탄화규소(SiC)는 넓은 밴드갭(Si의 3배), 높은 열전도도(Si의 3.3배 또는 GaAs의 10배), 높은 전자 포화 이동 속도(Si의 2.5배) 및 높은 파괴 전기장(Si 또는 GaAs의 5배)을 가지고 있어 고온, 고전압, 고주파, 고전력 전자 장치, 항공우주 및 기타 극한 환경에서 널리 사용됩니다. 탄화규소는 규사, 석유 코크스(또는 석탄 코크스), 톱밥(녹색 탄화규소를 생산할 때 소금이 필요함) 및 기타 원료를 저항로에서 고온으로 제련하여 만들어집니다. 02. SiC 전력반도체 소자의 장점 물리적 구조로 인해 와이드 밴드갭 반도체라고도 불리는 XNUMX세대 반도체는 주로 질화갈륨과 탄화규소로 대표된다. 반도체 성능 특성은 XNUMX세대 실리콘 및 XNUMX세대 갈륨 비소와 다르기 때문에 높은 밴드갭, 높은 열 전도성, 높은 항복 전계 강도 및 높은 전자 포화 드리프트 속도의 장점을 갖습니다. 이를 통해 고온, 고전력, 고전압, 고주파, 내방사선 등 가혹한 조건에 보다 적합한 소형화된 전력반도체 소자를 개발할 수 있으며, 기존 실리콘 기반 전력반도체 소자의 물리적 한계를 효과적으로 돌파할 수 있습니다. 재료.

현재 SiC 기판의 주요 준비 과정은 크게 두 단계로 나누어집니다. 첫 번째 단계는 SiC 분말을 단결정로에서 고온으로 승화시킨 후 단결정로에서 SiC 잉곳을 형성하는 것입니다. 둘째, SiC 잉곳을 거친 가공, 절단, 연삭 및 연마하여 손상층이 없고 거칠기가 낮은 투명 또는 반투명 SiC 웨이퍼(즉, SiC 기판)를 얻습니다.

기술 발전 방향: 소자 측면에서는 3.3kv 이상의 고내압 소자가 개발되고 있으며, 소자 성능 및 신뢰성 향상을 위해 트렌치 설계가 도입됩니다. 패키징 측면에서는 탄화규소의 고온 저항성 이점을 최대한 활용하도록 패키징 프로세스가 최적화될 것입니다.