필수 전자 재료: 2부 - 실리콘 카바이드
1 소개
탄화규소(SiC)는 높은 경도, 높은 열전도율, 고온 및 내식성 등 우수한 특성을 가진 광대역 반도체 소재입니다. 전자 분야에서 SiC는 고온, 고압, 고주파에서도 안정적으로 작동하는 특성으로 인해 특히 전기 자동차, 5G 통신, 태양광 발전, 항공 우주 등 전력 전자 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 실리콘 카바이드는 기존 실리콘 소재에 비해 에너지 변환 효율이 높고, 전력 소비가 적으며, 기기 수명이 길어 고성능 전자 기기에 이상적인 선택이 될 수 있습니다.
실리콘 카바이드의 2가지 기본 특성
화학식 SiC를 가진 무기 물질인실리콘 카바이드는 석영 모래, 석유 코크스(또는 석탄 코크스), 나무 조각(식탁용 소금을 첨가하여 그린 실리콘 카바이드를 생산) 등의 원료를 사용하여 저항로에서 고온에서 제련됩니다. 실리콘 카바이드는 극히 희귀한 광물인 모이사나이트의 형태로 이루어진 자연계의 반도체입니다. 1893년부터 분말과 결정으로 대량 생산되어 연마재로 사용되고 있습니다. C, N, B 등과 같은 비산화물 첨단 내화 원료 중 실리콘 카바이드는 가장 광범위하고 경제적으로 사용되며 황금강 모래 또는 내화 모래로 불릴 수 있습니다.
그림 1 실리콘 카바이드 웨이퍼
일반적으로 사용되는 두 가지 품종인 블랙 실리콘 카바이드와 그린 실리콘 카바이드는 α-SiC입니다. 블랙 실리콘 카바이드는 약 95%의 SiC를 함유하고 있으며 인성은 유리, 세라믹, 석재, 내화 재료, 주철 및 비철금속과 같은 저인장 강도 재료의 가공에 주로 사용되는 녹색 실리콘 카바이드보다 높습니다. 초경합금, 티타늄 합금 및 광학 유리의 가공에 주로 사용되는 약 97 % 이상의 SiC를 함유 한 녹색 실리콘 카바이드, 자체 연마가 우수하며 실린더 라이너 연마 및 고속 강철 절삭 공구의 정밀 연삭에도 사용됩니다. 또한 입방 실리콘 카바이드가 있으며, 황록색 결정의 특수 공정으로 베어링의 초미세 가공에 적합한 연마재를 만드는 데 사용되며 표면 거칠기를 Ra32 ~ 0.16 미크론에서 Ra0.04 ~ 0.02 미크론의 일회성 가공으로 만들 수 있습니다.
SiC는 대표적인 이원 화합물 반도체 재료로, 결정 구조의 기본 단위는 4배 대칭을 이루는 사면체, 즉 SiC4 또는 CSi4로 인접한 두 개의 Si 원자 또는 두 개의 C 원자 사이의 거리는 3.08 Å이고 인접한 C와 Si 원자 사이의 거리는 약 1.89 Å입니다. SiC 결정에서 Si와 C 원자는 sp3 하이브리드화된 궤도에서 전자쌍을 공유함으로써 매우 강력한 사면체 공유 결합(결합 에너지 4.6 eV)을 형성합니다. sp3 하이브리드화된 궤도에서 전자 쌍을 공유하여 매우 강력한 사면체 공유 결합(결합 에너지 4.6 eV)을 형성합니다.
순수 실리콘 카바이드는 무색의 투명한 결정입니다. 산업용 실리콘 카바이드는 불순물의 종류와 함량에 따라 연한 노란색, 녹색, 파란색 또는 검은색을 띠며 순도에 따라 투명도가 달라집니다. 실리콘 카바이드 결정 구조는 육각형 또는 마름모꼴 α-SiC와 입방형 β-SiC(입방 실리콘 카바이드라고 함)로 나뉘며, 탄소와 실리콘 원자가 서로 다른 순서로 쌓여 여러 가지 변형을 이루는 결정 구조로 인해 α-SiC는 70종 이상에서 발견되고 있습니다. 2100℃ 이상에서 α-SiC가 변형되면 β-SiC가 됩니다. α-SiC는 가장 일반적인 유형의 결정이며, β-SiC는 입방 실리콘 카바이드라고도 알려진 입방 결정계입니다. 입방 실리콘 카바이드라고도 합니다. 지금까지 β-SiC는 α-SiC보다 표면적이 높아 다상 촉매의 캐리어로 사용할 수 있지만 상업적 사용은 상대적으로 적었습니다. 실리콘 카바이드는 고품질 석영 모래와 석유 코크스를 사용하여 저항로에서 정제하여 산업적으로 제조됩니다. 정제된 실리콘 카바이드 블록은 분쇄, 산 및 알칼리 세척, 자기 선별, 스크리닝 또는 물 선별을 거쳐 다양한 입자 크기의 제품으로 만들어집니다.
그림 2 SiC의 이진 상 다이어그램
안정적인 화학적 특성, 높은 열전도율, 낮은 열팽창 계수, 우수한 내마모성으로 인해 실리콘 카바이드는 연마재 외에도 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 예를 들어, 특수 공정을 통해 유압 터빈의 임펠러나 실린더 내벽에 실리콘 카바이드 분말을 적용하면 내마모성을 향상하고 수명을 1~2배 연장할 수 있습니다. 또한 실리콘 카바이드는 고급 내화 재료에 사용되어 열충격 저항성, 소형 크기, 경량, 고강도 등의 이점을 제공하여 에너지 효율이 높습니다. 저급 실리콘 카바이드(약 85% SiC)는 제강을 가속화하고 화학 성분 제어를 용이하게 하며 철강 품질을 개선할 수 있는 우수한 탈산화제입니다. 또한 실리콘 카바이드는 전기 발열체용 실리콘 카본 로드 생산에 널리 사용됩니다.
실리콘 카바이드 경도는 세계에서 가장 단단한 다이아몬드(10)에 이어 두 번째로 높은 9.5의 모스 경도로 열전도율이 매우 높고 고온 산화 저항성을 가진 반도체입니다.
탄화규소의 결정 형태는 최소 70가지가 있습니다. α-SiC는 가장 일반적인 균질 이종 결정으로, 2000°C 이상의 고온에서 형성되며 육각형 결정계(섬유질 징크사이트와 유사)를 가지고 있습니다. 입방정 결정계를 가진 β-SiC는 다이아몬드와 유사하며 2000°C 이하의 온도에서 생산됩니다. β-SiC는 α-SiC보다 비표면적이 더 큰 이종 촉매 담체입니다. 이종 촉매 캐리어 애플리케이션의 경우 β-실리콘 카바이드는 α-실리콘 카바이드보다 비표면적이 높기 때문에 관심이 많습니다. 실리콘 카바이드의 또 다른 유형인 μ-실리콘 카바이드는 가장 안정적이고 충격 시 더 쾌적한 소리를 내는 탄화규소입니다. 그러나 지금까지 이 두 가지 유형의 실리콘 카바이드는 상업적으로 사용되지 않았습니다.
그림 3 주요 SiC 폴리모프의 결정 구조
탄화규소는 3.1g/cm3의 비중과 비교적 높은 승화 온도(약 2700°C)로 인해 베어링이나 고온 용광로의 원료로 매우 적합합니다. 탄화규소는 어떤 압력에서도 녹지 않으며 화학적 활성도가 다소 낮습니다. 높은 열전도율, 높은 붕괴 전계 강도, 가장 높은 전류 밀도를 가지고 있기 때문에 특히 반도체 고전력 부품 응용 분야에서 실리콘을 대체하기 위해 탄화규소를 사용하려는 시도가 있어 왔습니다. 또한 탄화규소는 마이크로파 복사에 강하게 결합하고 승화점이 높기 때문에 열 금속에 적용할 수 있습니다.
순수한 실리콘 카바이드는 무색이지만 산업 생산에서는 철과 같은 불순물이 존재하기 때문에 일반적으로 갈색에서 검은색을 띠게 됩니다. 결정 표면의 무지개 빛깔의 광택은 실리카 보호 층이 형성되어 있기 때문입니다.
SiC는 도핑을 통해 SiC 재료의 에너지 준위 구조를 변경하고 주로 도핑의 A, B, N 및 기타 원자에 대한 이온 주입 수단을 사용하여 그 특성을 추가로 조절하는 반도체입니다. 그중에서도 Al 및 기타 호스트 원자는 SiC 격자에서 Si를 대신하여 깊은 지배적 인 에너지 레벨을 형성하여 P 형 반도체를 얻을 가능성이 더 높으며, N 및 P 및 기타 호스트 원자는 C의 격자 위치를 차지하여 얕은 지배적 인 레벨을 형성하여 N 형 반도체를 얻을 가능성이 더 높습니다. SiC는 다른 와이드 밴드갭 반도체에서는 볼 수 없는 넓은 도핑 범위(1X1014-1X1019 cm-3)를 가지고 있으며, 이 범위에서 N형 및 P형 도핑을 쉽게 실현할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다(예: 4H-SiC 단결정의 전기 저항은 AI로 도핑 후 5 Ω-cm까지 낮습니다).
3가지 실리콘 카바이드 제조 공정
실리콘 카바이드는 융합법과 화학 기상 증착법의 두 가지 주요 방법으로 생산됩니다.
3.1 융합 방법
용융법은 실리콘과 흑연(또는 흑연화 실리콘)을 고온에서 혼합하여 녹인 다음 냉각하여 실리콘 카바이드를 형성하는 방법입니다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다:
1. 원료 준비: 고순도 탄소 원료와 실리콘 원료를 선택하고, 입자 크기가 공정 요구 사항을 충족하도록 분쇄 및 체질합니다.
2. 혼합: 분쇄 된 탄소와 실리콘 원료를 일정 비율에 따라 혼합하여 불순물이 분산되도록합니다.
3. 충전 : 혼합 원료를 고온 용광로에 넣고 용광로는 특정 용광로 온도와 대기로 고정하고 특정 음압을 유지해야합니다.
4. 탄화 반응 : 고온에서 탄소와 실리콘 원료가 반응하여 실리콘 카바이드를 생성합니다. 반응 온도는 일반적으로 섭씨 2000-2500도 사이입니다.
5. 냉각 및 분리: 탄화 반응이 끝나면 냉각을 위해 퍼니스가 닫힙니다. 그런 다음 실리콘 카바이드 재료를 용광로에서 제거하고 입자 크기가 다른 실리콘 카바이드를 물리적 방법(예: 분쇄, 체질)으로 분리합니다.
3.2 화학 기상 증착
화학 기상 증착(CVD) 은 기체 상 화학 반응을 통해 기체 내에 탄소와 실리콘 소스를 증착하여 기판 표면에 실리콘 카바이드를 형성하는 방법입니다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다:
1. 기판 준비: 석영, 흑연 등과 같은 적합한 기판을 선택하고 공정의 요구 사항에 따라 표면을 매끄럽게 만들기 위해 청소 및 처리합니다.
2. 반응기 로딩 : 처리 된 기판을 CVD 반응기에 넣고 반응기를 적절한 온도로 가열합니다.
3. 반응 가스 공급: 탄소 및 실리콘 소스를 포함하는 가스를 일정한 유량으로 반응기에 공급하고 반응 온도, 압력 및 가스 비율을 동시에 제어합니다.
4. 기체 상 반응: 탄소와 실리콘 공급원에서 나온 가스가 기판 표면에서 화학적으로 반응하여 탄화규소를 생성합니다. 반응 과정에서 도핑 소스를 도입하여 실리콘 카바이드의 특성을 변경할 수도 있습니다.
5. 냉각 및 경화: 반응이 끝나면 가스 공급이 중단되고 원자로가 종료되며 냉각이 이루어집니다. 냉각 과정에서 실리콘 카바이드는 기판 표면에서 경화되어 실리콘 카바이드의 박막 또는 블록을 형성합니다.
애플리케이션 요구 사항에 따라 특정 특성을 가진 실리콘 카바이드 소재를 생산하기 위해 적합한 공정을 선택할 수 있습니다.
그림 4 화학 기상 증착(CVD) 시설
4 실리콘 카바이드의 응용 분야
4.1 전력 전자
전력 반도체 장치(예: MOSFET, IGBT)에서 실리콘 카바이드는 전력 변환을 위한 보다 효율적인 솔루션을 제공합니다. 기존 실리콘 소재는 고전류 및 고전압에서 성능이 제한되는 반면, SiC 소재는 광대역 특성을 가지고 있어 낮은 스위칭 손실을 유지하고 고전압에서 에너지 손실을 줄일 수 있습니다. 이러한 장점은 전기 자동차 및 재생 에너지 발전 시스템에서 특히 두드러지며, 전기 자동차의 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축할 뿐만 아니라 태양광 및 풍력 발전 시스템의 에너지 효율을 향상시킵니다. 또한 실리콘 카바이드는 전력망 시스템의 고전압 장치에서 효율적인 에너지 변환을 가능하게 하여 지능적이고 효율적인 전력 전송을 지원합니다.
4.2 고온 및 고주파 장치
실리콘 카바이드는 고온 및 고주파 분야에서 탁월한 성능을 발휘하며 특히 5G 기지국 및 군용 전자기기에서 고속 작동이 필요한 고주파 스위치에 적합합니다. 고온 환경에서도 안정적인 전기적 성능을 유지하는 능력은 고온 조건에서 기존 실리콘 디바이스의 성능 저하를 보완합니다. 넓은 대역폭과 높은 열전도율로 인해 SiC는 실리콘보다 높은 작동 온도에서도 우수한 전기적 성능을 유지할 수 있어 고주파 통신 및 레이더 시스템에 이상적인 소재이며 5G 기지국의 더 높은 데이터 전송 속도에 대한 수요를 충족할 수 있습니다.
4.3 LED 및 광전자 애플리케이션
실리콘 카바이드는 초기에 청색 LED에 사용되던 소재였습니다. 지금은 질화 갈륨으로 대체되는 경우가 많지만, 특정 파장 대역의 광전자 장치, 특히 자외선 및 근적외선 광검출에서 여전히 가치가 있습니다. SiC의 고온 및 내방사선 특성 덕분에 극한 광학 환경의 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 안정적인 기판으로서 높은 광 출력 안정성이 요구되는 조명 시스템 및 광학 센서 장치에 적합한 고온 및 내방사선 광 검출기에 통합될 수 있습니다.
그림 5 광전자 애플리케이션용 실리콘 카바이드 웨이퍼
4.4 센서
SiC는 극한 환경 센서에서 고유한 장점을 보여줍니다. 화학 센서 및 고온 가스 센서에서 가스, 온도, 압력 및 기타 파라미터를 정확하게 감지할 수 있어 높은 화학적 안정성이 필요한 석유화학 및 기타 산업에 적합합니다. SiC 센서는 내식성과 고온 안정성이 뛰어나 기존 센서가 고장 나는 환경에서도 효과적으로 작동할 수 있어 특히 고온 및 부식성이 강한 산업 환경에 적합합니다.
4.5 항공 우주 및 방위 분야
높은 신뢰성과 내구성이 요구되는 위성 및 미사일과 같은 항공우주 및 방위 장비에서 실리콘 카바이드는 높은 융점, 내방사선성 및 강도 특성으로 인해 선호됩니다. SiC 장치는 극한의 온도에 견딜 뿐만 아니라 진공 및 강한 방사선 환경에서도 안정적인 성능을 제공하여 위성 통신 및 미사일 제어와 같은 핵심 영역에서 핵심적인 역할을 수행함으로써 극한 환경에서 장비의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있습니다.
그림 6 항공우주 애플리케이션용 실리콘 카바이드 미러
5 실리콘 카바이드의 장점과 한계
5.1 실리콘 카바이드의 장점
1. 고온 및 고압 성능: 고온 환경에서의 SiC의 열 안정성과 전기적 특성은 기존 실리콘 소재보다 우수합니다. SiC의 높은 융점과 항산화 특성은 극한 환경에서도 안정적이며, 이는 항공우주, 군용 전자 장비 및 고온 저항이 필요한 기타 애플리케이션에서 특히 중요합니다. 넓은 대역폭 구조는 고전압에서 누설 전류가 낮아 기존 실리콘 소재로는 달성하기 어려운 장점인 열 효과의 영향을 크게 줄여줍니다.
2. 고주파 및 고전력 애플리케이션: SiC 소재의 광대역 특성과 높은 캐리어 이동성은 고주파 및 고전력 애플리케이션에서 상당한 이점을 제공합니다. 실리콘에 비해 SiC 디바이스는 고주파 디바이스에서 에너지 손실을 더 효과적으로 줄이고 고전력 애플리케이션에서 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. 따라서 5G 통신 기지국 및 고주파 레이더 시스템과 같이 고속 신호 스위칭이 필요한 전자 기기에 이상적인 소재입니다.
3. 효율적인 에너지 변환: SiC 전력 장치는 전기 자동차 및 재생 에너지 시스템의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 낮은 전도 손실과 고전압 차단 능력으로 전기 자동차의 SiC 인버터가 더 효율적으로 작동하여 주행 시간을 효과적으로 연장합니다. 또한 태양열 및 풍력 에너지 시스템 인버터에서 SiC 장치는 에너지 변환 효율을 크게 개선하고 시스템 작동 온도를 낮추며 장비의 신뢰성을 향상시킵니다.
그림 7 고온 탄화규소 환원 탱크
5.2 실리콘 카바이드의 한계
1. 높은 비용: 실리콘 재료에 비해 SiC는 준비 및 처리 비용이 더 비싸고 특정 고정밀 공정 지원이 필요하므로 생산 비용에 더 큰 영향을 미칩니다. 고품질 SiC 결정의 성장 비용은 실리콘 재료보다 훨씬 높기 때문에 SiC 장치의 시장 가격이 여전히 높아 가전 제품과 같이 비용에 민감한 시장에서의 홍보에 영향을 미칩니다.
2. 복잡한 공정: SiC 단결정 준비 공정은 복잡하며, 특히 고순도, 고품질 SiC 단결정을 준비할 때 더 어렵습니다. 현재 SiC 결정의 성장 속도가 느리고 생산 공정에서 결함이 발생하기 매우 쉬워 소자 수율이 낮습니다. 또한 SiC의 경도가 높기 때문에 가공이 어려워 대규모 적용이 더욱 제한됩니다.
3. 디바이스 신뢰성: SiC는 고온 및 고압과 같은 극한 환경에서도 잘 작동하지만, 일부 SiC 디바이스의 장기적인 신뢰성은 실제 애플리케이션에서 더욱 개선되어야 합니다. 성숙한 실리콘 공정에 비해 극한 조건에서 SiC 디바이스의 노화 문제는 아직 완전히 해결되지 않았으며, 일부 애플리케이션 시나리오에서 더 긴 수명 주기에 대한 요구는 디바이스의 안정성과 신뢰성을 더욱 향상시켜야 합니다.
6 결론
결론적으로 실리콘 카바이드(SiC)는 높은 열전도율, 경도, 고온, 고압, 고주파 환경에서의 우수한 성능 등 고유한 장점으로 인해 전자 재료의 핵심 소재로 자리매김했습니다. 전력 전자, 고온 및 고주파 장치, LED, 센서, 항공우주 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 에너지 변환 효율, 장치 수명 연장, 극한 조건에서의 안정성 등 SiC의 이점을 활용하여 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 그러나 높은 비용, 복잡한 제조 공정, 신뢰성 문제로 인해 SiC의 광범위한 채택이 여전히 제한되고 있습니다. 제조 기술과 비용 효율성의 발전이 계속됨에 따라 실리콘 카바이드는 고성능 및 특수 전자 애플리케이션에서 더욱 두드러진 역할을 할 것으로 예상됩니다.
Stanford Advanced Materials(SAM) 는 고품질 실리콘 카바이드 소재의 핵심 공급업체로, 신뢰할 수 있는 소재 솔루션으로 이러한 중요한 애플리케이션을 지원합니다.
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