자연에서 단결정은 매우 드물며, 발견되더라도 대개 크기가 매우 작아(일반적으로 밀리미터(mm) 단위) 얻기 어렵습니다. 보고된 다이아몬드, 에메랄드, 마노 등은 일반적으로 시장에 유통되지 않으며, 산업적 용도로 사용되는 경우는 더욱 드뭅니다. 대부분 박물관에 전시됩니다. 그러나 일부 단결정은 산업적으로 상당한 가치를 지니는데, 예를 들어 집적 회로 산업에 사용되는 단결정 실리콘, 광학 렌즈에 흔히 사용되는 사파이어, 그리고 3세대 반도체 분야에서 주목받고 있는 탄화규소 등이 있습니다. 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 크기인데, 이는 비용을 효과적으로 절감하는 데 핵심적인 요소이기 때문입니다. 아래는 시장에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 단결정입니다.
1. 사파이어 단결정
사파이어 단결정은 α-Al₂O₃를 말하며, 이는 육방정계 결정 구조를 가지고 모스 경도가 9이며 화학적으로 안정적인 성질을 지닌다. 산성 또는 알칼리성 부식성 액체에 녹지 않고 고온에 강하며, 뛰어난 광투과율, 열전도율 및 전기 절연성을 나타낸다.
결정 내 알루미늄(Al) 이온이 티타늄(Ti)이나 철(Fe) 이온으로 치환되면 푸른색을 띠며 사파이어라고 불립니다. 반대로 크롬(Cr) 이온으로 치환되면 붉은색을 띠며 루비라고 불립니다. 그러나 산업용 사파이어는 불순물이 없는 순수한 α-Al₂O₃로, 무색 투명한 광물입니다.
산업용 사파이어는 일반적으로 두께 400~700μm, 지름 4~8인치의 웨이퍼 형태로 제공됩니다. 이러한 웨이퍼는 결정 덩어리에서 잘라낸 것입니다. 아래 사진은 단결정 용광로에서 갓 뽑아낸, 아직 연마나 절단되지 않은 결정 덩어리입니다.
2018년, 내몽골의 징후이 전자 회사는 세계 최대 크기인 450kg의 초대형 사파이어 크리스탈을 성장시키는 데 성공했습니다. 이전까지 세계 최대 사파이어 크리스탈은 러시아에서 생산된 350kg짜리였습니다. 이미지에서 볼 수 있듯이, 이 초대형 사파이어 크리스탈은 모양이 규칙적이고, 완전히 투명하며, 균열이나 결정 경계가 없고, 기포도 거의 없습니다.
2. 단결정 실리콘
현재 집적 회로 칩에 사용되는 단결정 실리콘은 순도가 99.9999999%에서 99.999999999% (9~11개의 9)에 이르며, 420kg의 실리콘 잉곳은 다이아몬드처럼 완벽한 구조를 유지해야 합니다. 자연에서 1캐럿(200mg) 크기의 다이아몬드조차도 매우 드뭅니다.
전 세계 단결정 실리콘 잉곳 생산은 일본의 신에츠(28.0%), 일본의 SUMCO(21.9%), 대만의 글로벌웨이퍼스(15.1%), 한국의 SK실트론(11.6%), 독일의 실트로닉(11.3%) 등 5대 기업이 주도하고 있습니다. 중국 본토 최대 반도체 웨이퍼 제조업체인 NSIG조차 시장 점유율은 약 2.3%에 불과합니다. 그러나 신규 진입 기업으로서 NSIG의 잠재력을 과소평가해서는 안 됩니다. NSIG는 2024년에 총 132억 엔을 투자하여 집적회로용 300mm 실리콘 웨이퍼 생산 설비를 현대화할 계획입니다.
반도체 원료인 고순도 단결정 실리콘 잉곳은 6인치에서 12인치 직경으로 점차 확대되고 있습니다. TSMC, 글로벌파운드리 등 세계적인 반도체 파운드리 업체들은 12인치 실리콘 웨이퍼를 사용한 칩 생산을 주력으로 삼고 있으며, 8인치 웨이퍼는 점차 사용이 줄어들고 있습니다. 국내 선두 기업인 SMIC는 여전히 6인치 웨이퍼를 주로 사용하고 있습니다. 현재 고순도 12인치 웨이퍼 기판을 생산할 수 있는 업체는 일본의 SUMCO뿐입니다.
3. 갈륨비소
갈륨비소(GaAs) 웨이퍼는 중요한 반도체 소재이며, 웨이퍼의 크기는 제조 공정에서 매우 중요한 매개변수입니다.
현재 GaAs 웨이퍼는 일반적으로 2인치, 3인치, 4인치, 6인치, 8인치 및 12인치 크기로 생산됩니다. 이 중 6인치 웨이퍼가 가장 널리 사용되는 규격 중 하나입니다.
수평 브리지만(HB)법으로 성장시킨 단결정의 최대 직경은 일반적으로 3인치인 반면, 액체 캡슐화 초크랄스키(LEC)법으로는 최대 12인치 직경의 단결정을 얻을 수 있습니다. 그러나 LEC법은 장비 비용이 많이 들고 결정 구조가 불균일하며 전위 밀도가 높다는 단점이 있습니다. 수직 경사 동결(VGF)법과 수직 브리지만(VB)법은 현재 최대 8인치 직경의 단결정을 생산할 수 있으며, 비교적 균일한 구조와 낮은 전위 밀도를 나타냅니다.
4인치 및 6인치 반절연 GaAs 연마 웨이퍼 생산 기술은 주로 일본의 스미토모 전기공업, 독일의 프라이베르거 컴파운드 머티리얼즈, 그리고 미국의 AXT 등 세 회사가 독점하고 있습니다. 2015년까지 6인치 기판은 이미 시장 점유율의 90% 이상을 차지했습니다.
2019년 전 세계 GaAs 기판 시장은 Freiberger, Sumitomo, Beijing Tongmei가 각각 28%, 21%, 13%의 시장 점유율로 주도했습니다. 컨설팅 회사 Yole의 추산에 따르면, 전 세계 GaAs 기판(2인치 환산) 판매량은 2019년 약 2천만 개에 달했으며, 2025년에는 3천5백만 개를 넘어설 것으로 예상됩니다. 전 세계 GaAs 기판 시장 규모는 2019년 약 2억 달러였으며, 2025년까지 연평균 성장률(CAGR) 9.67%로 성장하여 3억 4천8백만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.
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 보고하면서 중국이 SiC 결정 성장 기술에서 세계적 수준에 도달했음을 보여주고 있습니다. 그러나 상용화까지는 아직 상당한 격차가 존재합니다.
일반적으로 액상법으로 성장시킨 SiC 잉곳은 크기가 비교적 작고 두께가 센티미터 수준입니다. 이는 SiC 웨이퍼의 가격이 높은 이유 중 하나이기도 합니다.
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게시 시간: 2025년 8월 29일