질문: SiC 웨이퍼 슬라이싱 및 가공에 사용되는 주요 기술은 무엇입니까?
A:탄화규소 실리콘 케이싱(SiC)은 다이아몬드 다음으로 경도가 높으며, 매우 단단하면서도 취성이 강한 소재입니다. 성장시킨 결정을 얇은 웨이퍼로 절단하는 슬라이싱 공정은 시간이 많이 소요되고 깨지기 쉽습니다. 따라서 첫 번째 단계로SiC단결정 가공에서 슬라이싱 품질은 후속 연삭, 연마 및 박막화 공정에 상당한 영향을 미칩니다. 슬라이싱 과정에서 표면 및 표면 아래에 균열이 발생하는 경우가 많으며, 이는 웨이퍼 파손율과 생산 비용을 증가시킵니다. 따라서 슬라이싱 중 표면 균열 손상을 제어하는 것은 SiC 소자 제조 기술 발전에 매우 중요합니다.
현재까지 보고된 SiC 슬라이싱 방법에는 고정 연마재 슬라이싱, 자유 연마재 슬라이싱, 레이저 절단, 적층 전사(냉간 분리), 방전 가공 등이 있습니다. 이 중 고정 다이아몬드 연마재를 사용하는 왕복식 다중 와이어 슬라이싱이 SiC 단결정 가공에 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. 그러나 잉곳 크기가 8인치 이상이 되면 높은 장비 요구 조건, 비용, 낮은 효율로 인해 기존의 와이어 절단 방식은 실용성이 떨어집니다. 따라서 저비용, 저손실, 고효율의 슬라이싱 기술 개발이 시급합니다.
Q: 레이저 절단은 기존의 다중 와이어 절단 방식에 비해 어떤 장점이 있습니까?
A:전통적인 와이어쏘잉은 다음을 절단합니다.SiC 잉곳특정 방향을 따라 수백 마이크론 두께의 슬라이스로 절단합니다. 그런 다음 다이아몬드 슬러리를 사용하여 슬라이스를 연마하여 톱 자국과 표면 아래 손상을 제거하고, 화학 기계적 연마(CMP)를 통해 전체적인 평탄화를 달성한 후, 마지막으로 세척하여 SiC 웨이퍼를 얻습니다.
하지만 SiC는 경도가 높고 취성이 강하기 때문에 이러한 공정은 쉽게 뒤틀림, 균열, 파손율 증가, 생산 비용 상승, 표면 조도 증가 및 오염(먼지, 폐수 등)을 유발할 수 있습니다. 또한 와이어 절단 방식은 속도가 느리고 수율이 낮습니다. 기존의 멀티와이어 슬라이싱 방식은 재료 활용률이 약 50%에 불과하고, 연마 및 분쇄 후 최대 75%의 재료가 손실되는 것으로 추정됩니다. 초기 해외 생산 데이터에 따르면 10,000개의 웨이퍼를 생산하는 데 24시간 연속 생산 기준으로 약 273일이 소요될 수 있어 매우 시간 집약적인 공정입니다.
국내의 많은 SiC 결정 성장 업체들이 용광로 용량 증대에 집중하고 있습니다. 그러나 단순히 생산량을 늘리는 것보다 손실을 줄이는 방법을 고려하는 것이 더욱 중요합니다. 특히 결정 성장 수율이 아직 최적화되지 않은 경우에는 더욱 그렇습니다.
레이저 슬라이싱 장비는 재료 손실을 크게 줄이고 수율을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 20mm 레이저 슬라이싱 장비 하나를 사용하면 다음과 같습니다.SiC 잉곳와이어 소싱으로는 두께 350μm의 웨이퍼를 약 30개 정도 생산할 수 있습니다. 레이저 슬라이싱으로는 50개 이상의 웨이퍼를 생산할 수 있습니다. 웨이퍼 두께를 200μm까지 줄이면 동일한 잉곳에서 80개 이상의 웨이퍼를 생산할 수 있습니다. 와이어 소싱은 6인치 이하 웨이퍼에 널리 사용되지만, 8인치 SiC 잉곳을 기존 방식으로 슬라이싱하는 데는 10~15일이 소요될 수 있으며, 고가의 장비가 필요하고 비용이 많이 들면서도 효율이 낮습니다. 이러한 상황에서 레이저 슬라이싱의 장점이 분명해지며, 8인치 웨이퍼 생산을 위한 미래 주류 기술로 자리매김할 것으로 예상됩니다.
레이저 절단을 이용하면 8인치 웨이퍼 한 장을 절단하는 데 20분도 채 걸리지 않으며, 웨이퍼당 재료 손실은 60μm 미만입니다.
요약하자면, 다중 와이어 절단 방식과 비교했을 때 레이저 슬라이싱은 더 빠른 속도, 더 높은 수율, 더 적은 재료 손실, 그리고 더 깨끗한 가공을 제공합니다.
질문: SiC 레이저 슬라이싱의 주요 기술적 과제는 무엇입니까?
A: 레이저 슬라이싱 공정은 레이저 개조와 웨이퍼 분리라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다.
레이저 가공의 핵심은 빔 형상화와 파라미터 최적화입니다. 레이저 출력, 스폿 직경, 스캔 속도와 같은 파라미터는 모두 재료 제거 품질과 후속 웨이퍼 분리 성공률에 영향을 미칩니다. 가공된 영역의 형상은 표면 거칠기와 분리 난이도를 결정합니다. 표면 거칠기가 높으면 후속 연삭 작업이 어려워지고 재료 손실이 증가합니다.
개조 후 웨이퍼 분리는 일반적으로 냉간 파단이나 기계적 응력과 같은 전단력을 통해 이루어집니다. 일부 국내 시스템은 분리를 위해 초음파 변환기를 사용하여 진동을 유도하지만, 이로 인해 웨이퍼가 깨지거나 가장자리에 결함이 발생하여 최종 수율이 저하될 수 있습니다.
이 두 단계 자체는 본질적으로 어렵지 않지만, 성장 공정, 도핑 수준, 내부 응력 분포 등의 차이로 인한 결정 품질의 불일치는 슬라이싱 난이도, 수율 및 재료 손실에 상당한 영향을 미칩니다. 단순히 문제 영역을 파악하고 레이저 스캐닝 영역을 조정하는 것만으로는 결과가 크게 개선되지 않을 수 있습니다.
광범위한 도입의 핵심은 다양한 제조업체의 다양한 결정 품질에 적응할 수 있는 혁신적인 방법과 장비를 개발하고, 공정 매개변수를 최적화하며, 범용성을 갖춘 레이저 슬라이싱 시스템을 구축하는 데 있습니다.
질문: 레이저 슬라이싱 기술은 SiC 외에 다른 반도체 재료에도 적용될 수 있습니까?
A: 레이저 절단 기술은 역사적으로 다양한 재료에 적용되어 왔습니다. 반도체 분야에서는 처음에는 웨이퍼 절단에 사용되었으며, 이후 대형 단결정 절단으로까지 적용 범위가 확대되었습니다.
실리콘 카바이드(SiC) 외에도 레이저 슬라이싱은 다이아몬드, 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga₂O₃)과 같은 단단하거나 취성이 강한 재료에도 사용할 수 있습니다. 이러한 재료에 대한 예비 연구를 통해 레이저 슬라이싱이 반도체 응용 분야에 적용 가능하고 여러 장점이 있음을 입증했습니다.
Q: 현재 국내 레이저 슬라이싱 장비 제품 중 완성도가 높은 제품이 있습니까? 귀사의 연구는 어느 단계에 있습니까?
A: 대구경 SiC 레이저 슬라이싱 장비는 8인치 SiC 웨이퍼 생산의 미래를 위한 핵심 장비로 널리 여겨지고 있습니다. 현재 이러한 시스템을 제공할 수 있는 국가는 일본뿐이며, 가격이 비싸고 수출 제한이 있습니다.
실리콘 합금(SiC) 생산 계획과 기존 와이어쏘 생산 능력을 기준으로 추정했을 때, 레이저 슬라이싱/박막 가공 시스템의 국내 수요는 약 1,000대 수준입니다. 주요 국내 기업들이 개발에 막대한 투자를 해왔지만, 아직까지 상용화 단계에 이른 완성도 높은 국산 장비는 없습니다.
연구 그룹은 2001년부터 독자적인 레이저 리프트오프 기술을 개발해 왔으며, 이제 이 기술을 대구경 SiC 레이저 슬라이싱 및 박막화까지 확장했습니다. 개발된 프로토타입 시스템과 슬라이싱 공정은 다음과 같은 성능을 제공합니다. 4~6인치 반절연 SiC 웨이퍼 절단 및 박막화, 6~8인치 전도성 SiC 잉곳 슬라이싱. 성능 벤치마크 결과는 다음과 같습니다. 6~8인치 반절연 SiC: 슬라이싱 시간 10~15분/웨이퍼, 재료 손실 <30μm. 6~8인치 전도성 SiC: 슬라이싱 시간 14~20분/웨이퍼, 재료 손실 <60μm.
웨이퍼 수율 예상치가 50% 이상 증가했습니다.
절단 후 연삭 및 연마 과정을 거치면 웨이퍼는 국가 표준에 부합하는 기하학적 형상을 갖게 됩니다. 또한 연구 결과에 따르면 레이저 유도 열 효과는 웨이퍼의 응력이나 기하학적 형상에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.
동일한 장비를 사용하여 다이아몬드, GaN 및 Ga₂O₃ 단결정을 절단하는 가능성을 검증했습니다.
게시 시간: 2025년 5월 23일