인공지능(AI) 데이터 센터, 800G/1.6T 광 모듈, 실리콘 포토닉스가 지속적으로 확대됨에 따라, 광통신은 다시 한번 반도체 혁신의 핵심 동력이 되었습니다. 차세대 광네트워크를 가능하게 하는 소재 중에서도, 인화인듐(InP) 직접 밴드갭, 높은 전자 이동도, 그리고 뛰어난 광전자적 특성 덕분에 독보적인 위치를 차지하고 있다.
InP는 연속파 레이저, 분산 피드백(DFB) 레이저, 전기흡수 변조 레이저(EML), 광검출기, 광집적회로(PIC) 등을 제조하는 데 사용됩니다. 이러한 소자들은 1.3 μm 및 1.55 μm 광통신 대역에서 작동하는 데 필수적입니다.
그런데 고품질 InP 웨이퍼는 실제로 어떻게 생산될까요?
1. 다결정 InP 합성: 원료 제조
제조 공정은 고순도 다결정 인듐 인화물의 합성에서 시작됩니다.
화학적 관점에서 볼 때, 이 반응은 간단합니다:
인듐 + 인 → 인화인듐
그러나 기술적인 난관은 상당하다.
인듐은 약 156.6°C에서 녹아 비교적 낮은 온도에서 액체 상태가 됩니다. 인은 더 큰 문제를 야기하는데, InP가 약 1060–1070°C에서 녹을 때 인의 증기압이 매우 높아지기 때문입니다. 가공 과정에서 인이 증발하면 용융물이 인듐이 과다한 상태가 되어 화학량론적 균형이 깨지고, 결과적으로 결정 결함, 조성 불균일성 및 전기적 불일치가 발생할 가능성이 있습니다.
수평적 종합 방법
산업계에서 흔히 사용되는 한 가지 접근 방식은 수평 브리지먼(HB) 또는 수평 그라디언트 고정(HGF) 메서드.
이러한 시스템에서는 인듐과 인이 밀봉된 앰풀의 서로 다른 구역에 배치됩니다. 인 원료는 인의 증기압을 조절하기 위해 더 낮은 온도로 유지되는 반면, 인듐 구역은 인 증기와의 반응을 촉진하기 위해 가열됩니다. 이렇게 생성된 InP 용융물은 이후 제어된 온도 구배 하에서 응고되어 다결정 잉곳을 형성합니다.
이 방법의 가장 큰 장점은 인 압력을 독립적으로 제어할 수 있다는 점으로, 이를 통해 공정 안정성을 높이는 데 도움이 됩니다.
현장 직접 합성
두 번째 접근 방식은 현장 합성, 여기서 InP 형성 및 결정 성장 준비 과정이 동일한 고압 환경 또는 도가니 시스템 내에서 이루어집니다.
이 일체형 공정은 중간 하역 및 세척 단계를 생략함으로써 자재 취급량, 오염 위험 및 수율 손실을 줄여줍니다. 그러나 이를 위해서는 인의 압력, 반응 동역학 및 화학량론을 매우 정밀하게 제어해야 합니다.
2. 단결정 성장: 다결정 물질을 결정 봉으로 변환하기
다결정 InP를 합성한 후에는 웨이퍼 생산에 적합한 단결정 형태로 변환해야 합니다.
상업용 InP 결정은 일반적으로 아연블렌드 결정 구조, 일반적으로 (100), (111) 또는 이와 관련된 변형 방향 등을 따라 성장되는 입방 격자입니다. 결정 방향은 시드 결정에 의해 결정되며, 이후 X선 회절 기법을 통해 검증됩니다.
이렇게 만들어진 결정 봉은 이후 절단, 연마, 광택 처리 및 검사를 거쳐 소자용 InP 웨이퍼로 생산됩니다.
액체 캡슐화 초크랄스키(LEC)
상업적 재배 기술 중 가장 널리 사용되는 것은 액체 캡슐화 초크랄스키(LEC) 메서드.
이 공정에서 용융된 InP는 고압 챔버 내에 담겨 있으며, 용융된 산화붕소(B₂O₃) 층으로 덮여 있습니다. 이 액체 캡슐화제는 인의 증발을 억제하고 용융물의 조성 안정화를 돕습니다.
종결정을 용융물과 접촉시킨 뒤 회전시키면서 서서히 빼내면, 단결정이 위쪽으로 성장하게 된다.
다음과 같은 이점이 있습니다:
- 성숙한 산업 현장 적용
- 성장 매개변수의 유연한 제어
- 상대적으로 큰 결정 직경을 처리할 수 있는 능력
도전 과제는 다음과 같습니다:
- 열 응력 발생
- 탈구 형성
- 결정 균열 위험
수직 그라디언트 고정(VGF)
그리고 수직 그라디언트 고정(VGF) 이 기법은 또 다른 중요한 생산 방법입니다.
다결정 원료와 모결정을 수직으로 세워진 도가니에 넣습니다. 용융 후, 수직 온도 구배에 의해 제어된 응고 과정을 통해 결정 성장이 진행됩니다.
LEC와 달리, 이 공정 전반에 걸쳐 결정은 도가니 안에 그대로 남아 있습니다.
다음과 같은 이점이 있습니다:
- 열 응력 감소
- 결정 균일성 향상
- 전위 밀도 감소
수직 브리지먼(VB)
그리고 수직 브리지먼(VB) 이 공정 또한 방향성 응고를 기반으로 합니다.
도가니와 열장이 서로 상대적으로 움직이면서 용융물이 서서히 온도 구배를 통과하게 됩니다. 응고는 시드 끝에서 시작되어 결정 전체로 진행됩니다.
VGF는 주로 프로그램된 온도 변화에 의존하는 반면, VB는 일반적으로 기계적 이동을 통해 응고 경계를 전진시킵니다.
3. 대구경 InP 웨이퍼는 왜 생산하기 어려운가?
300mm(12인치) 규모의 양산 단계에 도달한 실리콘 웨이퍼와 비교할 때, InP 웨이퍼의 대형화는 여전히 훨씬 더 어려운 과제이다.
상업용 InP 생산은 여전히 2인치, 3인치, 4인치 웨이퍼가 주를 이루고 있는 반면, 6인치 InP 웨이퍼는 여전히 최상위급 제조 목표로 남아 있다.
직경 확장을 제한하는 몇 가지 요인은 다음과 같습니다:
- 생장 기간 중 높은 인 증기압
- 엄격한 화학량론적 요건
- 더 큰 결정에서 열 응력 증가
- 균열 발생 가능성이 더 높음
- 전위 및 쌍정 결함이 발생할 확률이 더 높다
- 가공 과정에서 웨이퍼 파손 증가
결정 직경이 커질수록 구조적 무결성과 전기적 균일성을 유지하기가 점점 더 어려워집니다.
4. 에피택셜 성장: 기능성 소자 구조 구축
InP 기판만으로는 광학적 기능을 수행하지 못합니다.
레이저, 광검출기, 변조기 및 광집적회로의 작동 기능은 정밀하게 설계된 반도체 층의 에피택셜 성장을 통해 구현됩니다.
일반적인 에피택시얼 재료로는 다음이 있습니다:
- InGaAsP
- InAlGaAs
- InGaAs
- InAlAs
- InP
이러한 물질들은 다음과 같이 구성됩니다:
- 활성 영역
- 다중 양자 우물(MQW)
- 광 도파관
- 차단층
- 접촉층
InGaAsP 및 InAlGaAs 양자우물 구조는 1.3 μm 및 1.55 μm 파장 부근에서 효율적인 발광과 흡수를 가능하게 하기 때문에 특히 중요합니다.
금속-유기 화학 기상 증착법 (MOCVD)
현재 산업 분야에서 주로 사용되는 에피택시 기술은 MOCVD.
금속-유기 전구체와 인 또는 비소를 함유한 가스가 가열된 웨이퍼 표면에서 반응하여, 대량 생산에 적합한 정밀하게 제어된 에피택셜 층을 형성한다.
분자 빔 에피택시(MBE)
연구 및 특수 장치 구조의 경우, MBE 자주 사용된다.
초고진공 조건에서 작동하는 MBE는 층 두께와 계면을 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있습니다. 뛰어난 정밀도를 자랑하지만, 처리량이 적기 때문에 대규모 제조에는 활용이 제한됩니다.
5. 장비 및 원자재
InP 제조 공급망은 훨씬 더 넓은 범위에 걸쳐 있으며 결정 성장로s.
다결정 합성 장비
대표적인 장비로는 다음이 있습니다:
- 다중 구역 수평 합성로
- 고압 반응 시스템
- 석영 앰플
- 열분해 질화붕소(PBN) 도가니
- 인 농도 제어 시스템
결정 성장 장비
주요 결정 성장 플랫폼은 다음과 같습니다:
- LEC 고압 풀러
- VGF 용광로
- 수직형 브리지먼 시스템
성공은 하드웨어뿐만 아니라 독자적인 열장 설계, 압력 관리, 그리고 결정 성장 기술에도 달려 있습니다.
에피택시 장비
전 세계 에피택시 장비 시장은 여전히 높은 집중도를 보이고 있으며, 주요 기업으로는 다음과 같은 업체들이 있습니다:
- AIXTRON
- Veeco
중국에서는 Micro-Fabrication Equipment Inc. (AMEC)와 NAURA Technology와 같은 기업들이 III-V 반도체 증착 기술을 적극적으로 발전시키고 있다.
6. 인듐의 기원: InP 산업의 숨겨진 토대
InP 생산 과정에서 종종 간과되는 측면은 바로 인듐 자체의 원료 공급원이다.
실리콘과 달리 인듐은 직접 채굴되는 경우가 거의 없습니다. 인듐은 주로 아연 정제 과정의 부산물로 회수되며, 그보다 적은 양은 납-아연 및 주석 관련 광석 시스템에서 회수됩니다.
그 결과, 전 세계 인듐 공급은 아연 채굴 및 제련 활동과 밀접한 관련이 있다.
중국은 여전히 세계에서 가장 중요한 인듐 생산 지역 중 하나로, 후난성과 윈난성 등의 다금속 광상에는 상당한 양의 자원이 매장되어 있다.
결론
인듐 인화물 제조는 재료 화학, 열역학, 결정 성장 공학, 에피택셜 증착 및 반도체 공정을 아우르는 매우 정교한 공정입니다.
다결정 InP 원료의 합성부터 결함 제어형 단결정 성장 및 첨단 III-V 에피택셜 구조의 증착에 이르기까지, 모든 단계에서 조성, 온도, 압력 및 결정 품질을 정밀하게 제어해야 합니다.
AI 인프라, 코히어런트 광통신, 광집적회로가 지속적으로 확대됨에 따라, 향후 수십 년 동안 인듐 인화물(InP)은 고속 광학 기술을 위한 가장 전략적으로 중요한 반도체 소재 중 하나로 자리매김할 것으로 예상된다.