단결정은 자연에서 드물며, 발견된다 하더라도 대개 밀리미터(mm) 단위로 매우 작아서 구하기 어렵습니다. 다이아몬드, 에메랄드, 마노 등은 일반적으로 시중에 유통되지 않으며, 산업적으로는 더더욱 그렇습니다. 대부분은 박물관에 전시되어 전시됩니다. 그러나 집적 회로 산업에서 사용되는 단결정 실리콘, 광학 렌즈에 일반적으로 사용되는 사파이어, 3세대 반도체에서 주목을 받고 있는 탄화규소와 같이 일부 단결정은 상당한 산업적 가치를 지닙니다. 이러한 단결정을 산업적으로 대량 생산할 수 있다는 것은 산업 및 과학 기술의 강점을 나타낼 뿐만 아니라 부의 상징이기도 합니다. 산업에서 단결정 생산의 주요 요건은 큰 크기이며, 이는 비용을 더욱 효과적으로 절감하는 데 필수적입니다. 다음은 시중에서 흔히 볼 수 있는 단결정입니다.
1. 사파이어 단결정
사파이어 단결정은 육방정계 결정구조를 가지며 모스 경도가 9이고 화학적 특성이 안정한 α-Al₂O₃를 말합니다. 산성 또는 알칼리성 부식성 액체에 불용성이며 고온에 강하고, 투광성, 열전도도, 전기 절연성이 우수합니다.
결정 내의 Al 이온이 Ti와 Fe 이온으로 치환되면 결정은 푸른색을 띠며 사파이어라고 합니다. Cr 이온으로 치환되면 붉은색을 띠며 루비라고 합니다. 그러나 산업용 사파이어는 불순물이 없는 순수한 α-Al₂O₃이며, 무색 투명합니다.
산업용 사파이어는 일반적으로 두께 400~700μm, 직경 4~8인치의 웨이퍼 형태를 띱니다. 이를 웨이퍼라고 하며, 결정 잉곳에서 잘라냅니다. 아래는 단결정로에서 갓 뽑아낸 잉곳으로, 아직 연마나 절단 과정을 거치지 않은 모습입니다.
2018년, 내몽골의 징후이 전자(Jinghui Electronic Company)는 세계 최대 450kg의 초대형 사파이어 크리스털을 성공적으로 개발했습니다. 이전까지 세계 최대 사파이어 크리스털은 러시아에서 생산된 350kg이었습니다. 사진에서 볼 수 있듯이, 이 크리스털은 규칙적인 모양을 하고 있으며, 완전히 투명하고, 균열이나 결정립계가 없으며, 기포가 거의 없습니다.
2. 단결정 실리콘
현재 집적회로 칩에 사용되는 단결정 실리콘의 순도는 99.9999999%에서 99.999999999%(9~11개의 9)이며, 420kg의 실리콘 잉곳은 다이아몬드와 같은 완벽한 구조를 유지해야 합니다. 자연에서는 1캐럿(200mg) 다이아몬드조차 비교적 드뭅니다.
단결정 실리콘 잉곳의 세계 생산량은 일본 신에츠(28.0%), 일본 섬코(21.9%), 대만 글로벌웨이퍼스(15.1%), 한국 SK실트론(11.6%), 독일 실트로닉(11.3%) 등 5대 기업이 주도하고 있습니다. 중국 최대 반도체 웨이퍼 제조업체인 NSIG조차 시장 점유율이 약 2.3%에 불과합니다. 그럼에도 불구하고 신생 기업으로서 NSIG의 잠재력을 과소평가해서는 안 됩니다. NSIG는 2024년에 집적회로용 300mm 실리콘 웨이퍼 생산을 업그레이드하는 프로젝트에 총 132억 엔(약 15조 8,000억 원)을 투자할 계획입니다.
칩의 원료인 고순도 단결정 실리콘 잉곳은 직경 6인치에서 12인치로 진화하고 있습니다. TSMC와 글로벌파운드리와 같은 주요 국제 칩 파운드리 업체들은 12인치 실리콘 웨이퍼를 기반으로 칩을 생산하고 있으며, 8인치 웨이퍼는 점차 사라지고 있습니다. 국내 선두 업체인 SMIC는 여전히 6인치 웨이퍼를 주로 사용하고 있습니다. 현재 고순도 12인치 웨이퍼 기판을 생산할 수 있는 곳은 일본의 SUMCO뿐입니다.
3. 갈륨 비소화물
갈륨비소(GaAs) 웨이퍼는 중요한 반도체 소재이며, 그 크기는 제조 과정에서 중요한 매개변수입니다.
현재 GaAs 웨이퍼는 일반적으로 2인치, 3인치, 4인치, 6인치, 8인치, 12인치 크기로 생산됩니다. 이 중 6인치 웨이퍼는 가장 널리 사용되는 규격 중 하나입니다.
수평 브리지만(HB)법으로 성장된 단결정의 최대 직경은 일반적으로 3인치(약 7.6cm)인 반면, 액체 캡슐화 초크랄스키(LEC)법으로는 최대 12인치(약 30cm) 직경의 단결정을 생산할 수 있습니다. 그러나 LEC법은 높은 장비 비용이 소요되고, 불균일하고 높은 전위 밀도를 갖는 결정을 생성합니다. 수직 경사 동결(VGF)법과 수직 브리지만(VB)법은 현재 최대 8인치(약 20cm) 직경의 단결정을 비교적 균일한 구조와 낮은 전위 밀도로 생산할 수 있습니다.
4인치 및 6인치 반절연 GaAs 연마 웨이퍼 생산 기술은 일본의 스미토모 전기공업, 독일의 프라이버거 컴파운드 머티리얼스, 그리고 미국의 AXT 등 세 회사가 주로 보유하고 있습니다. 2015년 기준 6인치 기판은 이미 시장 점유율 90% 이상을 차지했습니다.
2019년 글로벌 GaAs 기판 시장은 Freiberger, Sumitomo, Beijing Tongmei가 각각 28%, 21%, 13%의 시장 점유율로 주도권을 잡았습니다. 컨설팅 회사 Yole의 추산에 따르면, 2019년 글로벌 GaAs 기판 판매량(2인치 환산)은 약 2천만 개에 달했으며, 2025년에는 3천 5백만 개를 넘어설 것으로 예상됩니다. 글로벌 GaAs 기판 시장 규모는 2019년 약 2억 달러였으며, 2025년에는 3억 4천 8백만 달러에 이를 것으로 예상되며, 2019년부터 2025년까지 연평균 성장률(CAGR)은 9.67%에 달할 것으로 예상됩니다.
4. 탄화규소 단결정
현재 시장은 2인치 및 3인치 직경의 탄화규소(SiC) 단결정 성장을 충분히 지원할 수 있습니다. 많은 기업들이 4인치 4H형 SiC 단결정 성장에 성공했다고 보고하며, 이는 중국이 SiC 결정 성장 기술 분야에서 세계 최고 수준을 달성했음을 의미합니다. 그러나 상용화까지는 아직 상당한 격차가 존재합니다.
일반적으로 액상법으로 성장된 SiC 잉곳은 두께가 센티미터 수준으로 비교적 작습니다. 이는 SiC 웨이퍼의 가격이 높은 이유이기도 합니다.
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게시 시간: 2025년 8월 29일