질문: SiC 웨이퍼 슬라이싱 및 가공에 사용되는 주요 기술은 무엇입니까?
A:탄화규소 (SiC)는 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 가지고 있으며, 매우 단단하고 부서지기 쉬운 소재로 간주됩니다. 성장된 결정을 얇은 웨이퍼로 자르는 슬라이싱 공정은 시간이 많이 걸리고 깨지기 쉽습니다. 첫 번째 단계로SiC단결정 공정에서 슬라이싱 품질은 이후의 연삭, 연마, 그리고 박막화 공정에 상당한 영향을 미칩니다. 슬라이싱은 표면 및 표면 하부에 균열을 발생시켜 웨이퍼 파손율과 생산 비용을 증가시킵니다. 따라서 슬라이싱 중 표면 균열 손상을 제어하는 것은 SiC 소자 제조를 발전시키는 데 매우 중요합니다.
현재 보고된 SiC 슬라이싱 방법으로는 고정 연마재 슬라이싱, 자유 연마재 슬라이싱, 레이저 절단, 층 전이(냉간 분리), 방전 슬라이싱 등이 있습니다. 이 중 고정 다이아몬드 연마재를 이용한 왕복식 다중 와이어 슬라이싱이 SiC 단결정 가공에 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. 그러나 잉곳 크기가 8인치 이상으로 커짐에 따라, 높은 장비 요구, 비용 및 낮은 효율로 인해 기존의 와이어 쏘잉은 실용성이 떨어지고 있습니다. 저비용, 저손실, 고효율 슬라이싱 기술이 절실히 필요합니다.
질문: 기존의 다중 와이어 절단에 비해 레이저 슬라이싱의 장점은 무엇입니까?
A: 전통적인 와이어 톱은 다음을 절단합니다.SiC 잉곳특정 방향으로 수백 미크론 두께의 슬라이스로 절단합니다. 그런 다음, 다이아몬드 슬러리를 사용하여 슬라이스를 연삭하여 톱 자국과 표면 하부 손상을 제거하고, 화학 기계적 연마(CMP)를 통해 전체 평탄화를 달성한 후, 최종적으로 세정하여 SiC 웨이퍼를 얻습니다.
그러나 SiC의 높은 경도와 취성으로 인해 이러한 공정은 휘어짐, 균열, 파손률 증가, 생산 비용 상승을 쉽게 유발할 수 있으며, 표면 거칠기 및 오염(먼지, 폐수 등)을 초래할 수 있습니다. 또한, 와이어 소잉은 속도가 느리고 수율이 낮습니다. 기존의 다중 와이어 슬라이싱은 재료 활용도가 약 50%에 불과하며, 연마 및 연삭 후 최대 75%의 재료가 손실되는 것으로 추정됩니다. 초기 해외 생산 데이터에 따르면 10,000개의 웨이퍼를 생산하는 데 약 273일 동안 24시간 연속 생산이 필요했으며, 이는 매우 많은 시간이 소요되는 작업입니다.
국내에서는 많은 SiC 결정 성장 회사들이 용광로 용량 증대에 주력하고 있습니다. 하지만 단순히 생산량을 늘리는 것보다 손실을 줄이는 방법을 고려하는 것이 더 중요합니다. 특히 결정 성장 수율이 아직 최적이 아닐 때는 더욱 그렇습니다.
레이저 슬라이싱 장비는 재료 손실을 크게 줄이고 수율을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 20mm 단일 레이저 슬라이싱 장비를 사용하면SiC 잉곳와이어 소잉은 두께 350μm의 웨이퍼를 약 30장 생산할 수 있습니다. 레이저 슬라이싱은 50장 이상의 웨이퍼를 생산할 수 있습니다. 웨이퍼 두께를 200μm로 줄이면 동일한 잉곳에서 80장 이상의 웨이퍼를 생산할 수 있습니다. 와이어 소잉은 6인치 이하의 웨이퍼에 널리 사용되지만, 기존 방식으로 8인치 SiC 잉곳을 슬라이싱하는 데는 10~15일이 소요될 수 있으며, 고성능 장비가 필요하고 높은 비용과 낮은 효율을 초래합니다. 이러한 조건에서 레이저 슬라이싱의 장점이 명확해지면서 8인치 웨이퍼의 주요 미래 기술로 자리매김하게 되었습니다.
레이저 절단을 사용하면 8인치 웨이퍼당 슬라이싱 시간을 20분 이내로 단축할 수 있으며, 웨이퍼당 재료 손실량은 60μm 미만입니다.
요약하자면, 다중 와이어 절단과 비교했을 때 레이저 슬라이싱은 더 빠른 속도, 더 나은 수율, 더 낮은 재료 손실, 더 깨끗한 가공을 제공합니다.
질문: SiC 레이저 슬라이싱의 주요 기술적 과제는 무엇입니까?
A: 레이저 슬라이싱 공정은 레이저 수정과 웨이퍼 분리라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다.
레이저 변형의 핵심은 빔 형성과 매개변수 최적화입니다. 레이저 출력, 스팟 직경, 스캔 속도와 같은 매개변수는 모두 재료 제거 품질과 후속 웨이퍼 분리의 성공 여부에 영향을 미칩니다. 변형 영역의 기하학적 구조는 표면 거칠기와 분리 난이도를 결정합니다. 높은 표면 거칠기는 이후 연삭을 복잡하게 만들고 재료 손실을 증가시킵니다.
웨이퍼 분리는 일반적으로 냉간 파단이나 기계적 응력과 같은 전단력을 통해 이루어집니다. 일부 가정용 시스템에서는 초음파 변환기를 사용하여 진동을 유도하여 분리하지만, 이는 칩핑과 에지 결함을 유발하여 최종 수율을 저하시킬 수 있습니다.
이 두 단계가 본질적으로 어려운 것은 아니지만, 성장 과정, 도핑 수준, 내부 응력 분포의 차이로 인한 결정 품질의 불일치는 슬라이싱의 난이도, 수율, 그리고 재료 손실에 상당한 영향을 미칩니다. 단순히 문제 영역을 파악하고 레이저 스캐닝 영역을 조정하는 것만으로는 결과를 크게 개선할 수 없습니다.
광범위한 채택의 핵심은 다양한 제조업체의 광범위한 결정 품질에 적응할 수 있는 혁신적인 방법과 장비를 개발하고, 공정 매개변수를 최적화하고, 보편적으로 적용 가능한 레이저 슬라이싱 시스템을 구축하는 데 있습니다.
질문: 레이저 슬라이싱 기술은 SiC 외의 다른 반도체 소재에도 적용될 수 있나요?
A: 레이저 절단 기술은 역사적으로 다양한 소재에 적용되어 왔습니다. 반도체 분야에서는 처음에는 웨이퍼 다이싱에 사용되었지만, 이후 대형 단결정 절단으로 확장되었습니다.
레이저 슬라이싱은 SiC 외에도 다이아몬드, 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga₂O₃)과 같은 다른 단단하거나 부서지기 쉬운 재료에도 사용될 수 있습니다. 이러한 재료에 대한 예비 연구를 통해 반도체 응용 분야에서 레이저 슬라이싱의 실현 가능성과 장점이 입증되었습니다.
Q: 현재 국내에서 개발된 레이저 슬라이싱 장비 제품이 있나요? 현재 연구 단계는 어떻게 되나요?
A: 대구경 SiC 레이저 슬라이싱 장비는 향후 8인치 SiC 웨이퍼 생산의 핵심 장비로 널리 알려져 있습니다. 현재 이러한 시스템을 공급할 수 있는 곳은 일본뿐이며, 가격이 비싸고 수출 제한이 있습니다.
SiC 생산 계획과 기존 와이어쏘 생산 능력을 기준으로 레이저 슬라이싱/박막화 시스템에 대한 국내 수요는 약 1,000대로 추산됩니다. 주요 국내 기업들이 개발에 막대한 투자를 해왔지만, 아직 성숙되고 상용화된 국내 장비는 산업적으로 도입되지 않았습니다.
연구진은 2001년부터 독자적인 레이저 리프트오프 기술을 개발해 왔으며, 이제 이를 대구경 SiC 레이저 슬라이싱 및 박막화로 확장했습니다. 연구진은 다음과 같은 기능을 갖춘 프로토타입 시스템과 슬라이싱 공정을 개발했습니다. 4~6인치 반절연 SiC 웨이퍼 절단 및 박막화 6~8인치 전도성 SiC 잉곳 절단 성능 벤치마크: 6~8인치 반절연 SiC: 슬라이싱 시간 10~15분/웨이퍼; 재료 손실 <30μm 6~8인치 전도성 SiC: 슬라이싱 시간 14~20분/웨이퍼; 재료 손실 <60μm
예상 웨이퍼 수율이 50% 이상 증가했습니다.
슬라이싱 후, 웨이퍼는 연삭 및 연마 과정을 거쳐 국가 표준 형상 기준을 충족합니다. 또한 연구에 따르면 레이저로 유도된 열 효과는 웨이퍼의 응력이나 형상에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.
동일한 장비는 다이아몬드, GaN, Ga₂O₃ 단결정의 절단 가능성을 검증하는 데에도 사용되었습니다.
게시 시간: 2025년 5월 23일