탄화규소 세라믹 vs. 반도체 탄화규소: 두 가지 뚜렷한 운명을 가진 동일한 재료

1. 원자재에 대한 다양한 순도 요구 사항

 

세라믹 등급 SiC는 분말 원료에 대한 순도 요건이 비교적 관대합니다. 일반적으로 90~98% 순도의 상업용 등급 제품은 대부분의 응용 분야 요구를 충족할 수 있지만, 고성능 구조용 세라믹은 98~99.5% 순도가 요구될 수 있습니다(예: 반응 결합 SiC는 유리 실리콘 함량을 엄격히 관리해야 함). SiC는 특정 불순물을 허용하며, 때로는 소결 성능 향상, 소결 온도 감소, 최종 제품 밀도 향상을 위해 산화알루미늄(Al₂O₃)이나 산화이트륨(Y₂O₃)과 같은 소결 보조제를 의도적으로 첨가하기도 합니다.

 

반도체급 SiC는 거의 완벽에 가까운 순도를 요구합니다. 기판급 단결정 SiC는 ≥99.9999%(6N)의 순도를 요구하며, 일부 고급 응용 분야에서는 7N(99.99999%)의 순도가 필요합니다. 에피택셜층은 불순물 농도를 10¹⁶ atoms/cm³ 미만으로 유지해야 합니다(특히 B, Al, V와 같은 심층 불순물은 피해야 함). 철(Fe), 알루미늄(Al), 붕소(B)와 같은 미량 불순물조차도 캐리어 산란을 유발하고, 항복 전계 강도를 감소시키며, 궁극적으로 소자 성능과 신뢰성을 저하시켜 전기적 특성에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 엄격한 불순물 관리가 필요합니다.

 

탄화규소 반도체 소재

 

2. 뚜렷한 결정 구조와 품질

 

세라믹급 SiC는 주로 다결정 분말 또는 다수의 무작위 배향 SiC 미결정으로 구성된 소결체로 존재합니다. 이 소재는 특정 다형에 대한 엄격한 제어 없이 여러 다형(예: α-SiC, β-SiC)을 포함할 수 있으며, 대신 전반적인 재료 밀도와 균일성에 중점을 둡니다. 내부 구조는 풍부한 결정립계와 미세한 기공을 특징으로 하며, 소결 보조제(예: Al₂O₃, Y₂O₃)를 포함할 수 있습니다.

 

반도체급 SiC는 고도로 정렬된 결정 구조를 갖는 단결정 기판 또는 에피택셜층이어야 합니다. 정밀 결정 성장 기술을 통해 얻은 특정 폴리타입(예: 4H-SiC, 6H-SiC)이 필요합니다. 전자 이동도 및 밴드갭과 같은 전기적 특성은 폴리타입 선택에 매우 민감하므로 엄격한 제어가 필요합니다. 현재 4H-SiC는 높은 캐리어 이동도 및 항복 전계 강도를 포함한 우수한 전기적 특성으로 시장을 장악하고 있으며, 이는 전력 소자에 이상적입니다.

 

3. 프로세스 복잡도 비교

 

세라믹 등급 SiC는 "벽돌 제조"와 유사한 비교적 간단한 제조 공정(분말 제조 → 성형 → 소결)을 사용합니다. 이 공정에는 다음이 포함됩니다.

 

• 상업용 SiC 분말(일반적으로 미크론 크기)을 바인더와 혼합
• 프레스를 통한 성형
• 입자 확산을 통한 밀도화를 달성하기 위한 고온 소결(1600-2200°C)
  대부분의 응용 분야는 90% 이상의 밀도로 만족할 수 있습니다. 전체 공정은 정밀한 결정 성장 제어를 필요로 하지 않으며, 대신 성형 및 소결 일관성에 중점을 둡니다. 복잡한 형상에 대한 공정 유연성을 장점으로 내세우지만, 순도 요구 조건은 상대적으로 낮습니다.

 

반도체급 SiC는 훨씬 더 복잡한 공정(고순도 분말 제조 → 단결정 기판 성장 → 에피택셜 웨이퍼 증착 → 소자 제작)을 거칩니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.

 

• 주로 물리적 증기 수송(PVT) 방법을 통한 기판 준비
• 극한 조건(2200~2400°C, 고진공)에서의 SiC 분말 승화
• 온도 구배(±1°C) 및 압력 매개변수의 정밀한 제어
• 화학 기상 증착(CVD)을 통한 에피택셜 층 성장으로 균일한 두께의 도핑 층(일반적으로 수~수십 마이크론) 생성
  전체 공정은 오염 방지를 위해 초고청정 환경(예: 10등급 클린룸)을 필요로 합니다. 극도의 공정 정밀도, 열장 및 가스 유량 제어, 원료 순도(>99.9999%) 및 장비 정교화에 대한 엄격한 요건 등이 특징입니다.

 

4. 상당한 비용 차이와 시장 지향성

 

세라믹 등급 SiC의 특징:

• 원재료 : 상업용 분말
• 비교적 간단한 프로세스
• 저렴한 비용: 톤당 수천~수만 위안
• 광범위한 응용 분야: 연마재, 내화재 및 기타 비용에 민감한 산업

 

반도체 등급 SiC의 특징:

• 긴 기질 성장 주기
• 결함 관리에 도전하다
• 낮은 수율
• 높은 비용: 6인치 기판당 수천 달러
• 집중 시장: 전력 장치 및 RF 구성 요소와 같은 고성능 전자 제품
  신에너지 자동차와 5G 통신의 급속한 발전으로 시장 수요는 기하급수적으로 증가하고 있습니다.

 

5. 차별화된 애플리케이션 시나리오

 

세라믹 등급 SiC는 주로 구조용 소재로 사용되는 "산업용 주력 소재"입니다. 뛰어난 기계적 특성(고경도, 내마모성)과 열적 특성(고온 저항성, 내산화성)을 활용하여 다음과 같은 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

 

• 연마재(연삭 휠, 사포)
• 내화물(고온 가마 라이닝)
• 마모/부식 방지 구성품(펌프 본체, 파이프 라이닝)

 

탄화규소 세라믹 구조 부품

 

반도체 등급 SiC는 넓은 밴드갭 반도체 특성을 활용하여 전자 장치에서 고유한 장점을 보여주며 "전자 엘리트"로 기능합니다.

 

• 전력 장치: EV 인버터, 그리드 컨버터(전력 변환 효율 향상)
• RF 장치: 5G 기지국, 레이더 시스템(더 높은 작동 주파수 가능)
• 광전자공학: 청색 LED용 기판 소재

 

200mm SiC 에피택셜 웨이퍼

 

차원	세라믹 등급 SiC	반도체급 SiC
결정 구조	다결정, 다중 폴리타입	단결정, 엄격하게 선택된 폴리타입
프로세스 집중	밀도화 및 형태 제어	결정 품질 및 전기적 특성 제어
성과 우선 순위	기계적 강도, 내식성, 열 안정성	전기적 특성(밴드갭, 파괴 전계 등)
응용 프로그램 시나리오	구조 부품, 내마모 부품, 고온 부품	고전력소자, 고주파소자, 광전자소자
비용 요인	공정 유연성, 원자재 비용	결정성장속도, 장비정밀도, 원료순도

 

요약하자면, 근본적인 차이점은 두 재료의 고유한 기능적 목적에서 비롯됩니다. 세라믹급 SiC는 "형태(구조)"를 활용하는 반면, 반도체급 SiC는 "특성(전기적)"을 활용합니다. 전자는 비용 효율적인 기계적/열적 성능을 추구하는 반면, 반도체급 SiC는 고순도 단결정 기능성 재료로서 재료 제조 기술의 정점을 보여줍니다. 세라믹급 SiC와 반도체급 SiC는 화학적 기원이 동일하지만 순도, 결정 구조, 제조 공정에서 뚜렷한 차이를 보입니다. 그럼에도 불구하고 두 재료 모두 각 분야에서 산업 생산과 기술 발전에 상당한 기여를 하고 있습니다.