반도체 에피택시는 실리콘 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판 위에 단결정 박막을 성장시키는 공정을 말합니다. 에피택시 층은 기판과 동일한 결정 방향을 공유하며 동일한 재료(동종 에피택시) 또는 다른 재료(이종 에피택시)를 사용하여 성장시킬 수 있습니다. 고주파 및 고전력 디바이스의 경우, 고저항 에피택셜 층은 높은 항복 전압을 제공하고 저저항 기판은 직렬 저항을 줄여 포화 전압을 낮추는 등 에피택셜 성장은 디바이스 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 에피택셜 레이어는 P형 또는 N형으로 도핑되어 단방향 전류 흐름을 허용하는 PN 접합을 형성하여 정류가 가능합니다. SiC 에피택시는 전력 전자, 무선 주파수(RF) 장치 및 광전자 애플리케이션에 널리 적용됩니다.
1. SiC 산업 체인 및 가치 분배
SiC 디바이스 산업 체인은 기판, 에피택시, 디바이스 제조(설계, 제조, 패키징)의 세 가지 주요 부문으로 구성됩니다. 기판과 에피택시 단계는 가치 사슬에서 약 70%를 차지하는 반면, 다운스트림 디바이스 프로세싱은 30%에 불과합니다. 이는 웨이퍼 후 공정이 생산 비용의 대부분을 차지하는 기존 실리콘 디바이스와는 대조적입니다. 업스트림의 높은 가치 집중도는 기판 및 에피택시 기술의 전략적 중요성을 강조합니다.
기판 세그먼트 결정 성장, 웨이퍼 슬라이싱, 연삭 및 연마가 포함됩니다. 결정 성장은 물리적 증기 수송(PVT), 고온 화학 기상 증착(HTCVD) 또는 액상 에피택시(LPE)를 통해 이루어질 수 있습니다. 웨이퍼 슬라이싱은 와이어 톱, 다이아몬드 와이어, 레이저 또는 냉간 분리 방법을 사용하며, 화학적 기계적 연마(CMP)는 에피택시 성장에 적합한 평평하고 결함 없는 표면을 보장합니다.
2. SiC 기판 생산 공정
- 크리스탈 성장:
- PVT: SiC 결정 성장을 위한 주류 방법입니다. 장비가 비교적 간단하고 운영 비용이 낮으며 공정 제어가 간단합니다.
- HTCVD: 고순도 결정을 생산하지만 성장 속도가 느리고 수율이 낮으며 비용이 높습니다.
- LPE: 고품질의 결함이 적은 결정을 생성하지만 성장 속도와 크기가 제한적입니다.
- 웨이퍼 슬라이싱:
- 와이어 톱: 높은 수율과 저렴한 비용의 표준 방식입니다.
- 다이아몬드 와이어 및 레이저 슬라이싱: 더 높은 효율성, 자재 손실 감소, 환경적 이점을 제공합니다.
- 냉간 분리: 내부 재료 응력을 사용하여 최소한의 손실로 웨이퍼를 분리합니다.
- 연마 및 연마하기:
- CMP: 고품질 에피택시에 필수적인 매우 평평하고 결함이 없는 웨이퍼 표면을 구현하는 주요 방법입니다.
3. 에피택시 공정 및 장비
에피택셜 성장은 SiC 소자 제작에서 매우 중요한 단계입니다. 기존 실리콘 디바이스와 달리 SiC 디바이스는 기판에서 직접 가공할 수 없습니다. 소자 제작 전에 기판 위에 고품질 단결정 에피택셜 층을 성장시켜야 합니다.
- 에피택시 유형:
- 호모에피택시: 저전력 디바이스, RF 및 광전자 애플리케이션에 사용되는 전도성 SiC 기판에서 성장하는 SiC.
- 헤테로피택시: 고전력 장치에 사용되는 반절연 SiC 기판에서 GaN을 성장시킵니다.
- 에피택시 장비:
- CVD(화학 기상 증착): 기체 전구체는 가열된 SiC 기판에서 반응하여 에피택셜 층을 증착합니다.
- MOCVD(금속-유기물 CVD): 금속-유기 전구체를 사용하여 저온 증착이 가능하고 복잡한 구조의 초박형 층을 만들 수 있습니다.
- LPE: 용융 금속 용매에 소스 재료를 용해하고 냉각 시 기판에 증착합니다.
- MBE(분자 빔 에피택시): 초고진공 상태에서 원자층을 증착하여 필름 두께와 구성을 정밀하게 제어합니다.
- 에피택시 이후 웨이퍼 다이싱:
- 기계식 다이싱 그리고 레이저 다이싱 가 일반적입니다.
- 레이저 다이싱 는 작은 영역에 고에너지 펄스를 집중시켜 재료를 승화 또는 변형시켜 커프 손실과 균열 형성을 줄입니다.
4. 시장 및 기술 동향
SiC 에피택시 및 기판 생산은 글로벌 반도체 산업에서 여전히 기술 집약적인 분야입니다. 향후 트렌드는 다음과 같습니다:
- 인쇄물 크기를 6인치에서 8인치 이상으로 늘려 단가를 낮춥니다.
- 고정밀, 낮은 결함 밀도 및 원자층 제어를 위한 에피택시 장비를 개선하여 고전력 및 고주파 요구 사항을 충족합니다.
- 비접촉식, 저손실 레이저 및 저온 분리 방식으로 다이싱 기술을 발전시키고 있습니다.
- 특히 에피택시로와 고정밀 다이싱 시스템에서 국내 및 글로벌 장비 자립을 촉진합니다.
5. 결론
SiC 에피택시 장비 는 고전력, RF 및 광전자 디바이스 제조에 필수적입니다. 기판, 에피택시 레이어, 다이싱 장비의 품질은 디바이스 성능과 산업 경쟁력에 직접적인 영향을 미칩니다. 고전력 디바이스에 대한 수요가 증가함에 따라 에피택시 기술의 지속적인 발전과 국산화는 반도체 가치 사슬에서 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.