AI 가속기와 고성능 컴퓨팅 시스템의 성능 경쟁이 계속되면서 반도체 산업에서는 새로운 문제가 더욱 중요해지고 있다.
바로 열이다.
GPU, AI 가속기, HBM과 칩렛을 하나의 첨단 패키지 안에 집적할수록 단위 면적당 소비전력과 열유속은 증가한다. 패키지 내부에서 발생한 열을 충분히 빠르게 제거하지 못하면 칩의 접합 온도가 상승하고, 클록 성능 제한, 신뢰성 저하, 수명 감소 및 냉각 시스템 비용 증가로 이어질 수 있다.
이 때문에 첨단 패키징 산업에서는 기존의 구리, 알루미늄, 실리콘, 세라믹만으로 열 문제를 해결하는 방식에서 벗어나 보다 높은 열전도율을 가진 소재를 칩 가까이에 배치하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그 가운데 가장 주목받는 소재 중 하나가 다이아몬드다.
2026년 9월에는 300mm 대면적 다이아몬드 웨이퍼를 AI 칩과 첨단 패키징 열관리 시장에 적용하기 위한 양산 확대 계획까지 공개됐다. 다만 현재 산업은 아직 완전히 표준화된 300mm 다이아몬드 플랫폼에 도달했다고 보기보다는 대면적화와 양산성 확보를 위한 중요한 전환 단계에 있다고 보는 것이 더 정확하다.
왜 다이아몬드가 AI 반도체 열관리 소재로 주목받는가?
가장 큰 이유는 매우 높은 열전도율이다.
고품질 CVD 다이아몬드는 제품 등급에 따라 약 1,000~2,200 W/(m·K) 수준의 열전도 특성을 제공할 수 있다. 상용 CVD 다이아몬드 열관리 소재에서도 이러한 범위의 제품이 공급되고 있다.
이는 다이아몬드가 단순히 열을 견디는 소재가 아니라 발생한 열을 빠르게 주변으로 확산시키는 Heat Spreader로 사용할 수 있다는 것을 의미한다.
AI 칩에서 중요한 것은 전체 칩의 평균 온도만이 아니다.
GPU 또는 AI 가속기의 특정 연산 블록에서는 매우 작은 영역에 열이 집중되는 Hotspot이 형성될 수 있다.
이러한 국부 고온 영역을 빠르게 확산하지 못하면 전체 냉각 시스템의 성능이 충분하더라도 칩 내부 특정 영역의 온도가 과도하게 높아질 수 있다.
다이아몬드를 칩 또는 웨이퍼 가까이에 배치하려는 이유가 여기에 있다.
열이 발생한 위치와 다이아몬드 사이의 거리를 줄일수록 열이 패키지 외부로 이동하기 전에 먼저 넓은 영역으로 확산될 가능성이 커진다.
다이아몬드라고 모두 같은 열전도율을 가지는 것은 아니다
“다이아몬드의 열전도율은 매우 높다”는 설명은 맞지만 실제 반도체용 소재를 선정할 때는 조금 더 세부적으로 확인해야 한다.
단결정 다이아몬드와 다결정 다이아몬드는 구조가 다르고, 다결정 소재에서는 결정립 크기와 결정립계가 열전도에 영향을 줄 수 있다.
또한 CVD 성장 조건, 질소 등의 불순물 농도, 결정 결함과 미세구조에 따라서도 실제 열전도율이 달라질 수 있다.
따라서 RFQ에서 단순히 “Diamond Wafer”라고만 지정하는 것은 충분하지 않다.
최소 열전도율 또는 목표 열전도율 범위, 다결정 또는 단결정 여부, 두께, 적용 온도 등을 함께 확인해야 한다.
AI 패키징용 Heat Spreader라면 가장 높은 이론적 열전도율만을 요구하는 것보다 실제 가공성, 크기, 가격, 본딩 가능성 및 공급 안정성을 함께 판단해야 한다.
왜 300mm가 중요한가?
다이아몬드 소재 자체는 새로운 것이 아니다.
이미 고출력 레이저, RF 전자소자 및 고열유속 전자장치에서 CVD 다이아몬드 Heat Spreader가 사용되고 있다.
하지만 첨단 반도체 제조 관점에서는 크기가 중요하다.
현재 첨단 실리콘 반도체 제조 인프라 상당 부분은 300mm 웨이퍼를 중심으로 구축되어 있다.
따라서 다이아몬드를 300mm 규모로 공급할 수 있다면 기존 웨이퍼 레벨 제조, 본딩, 검사 및 패키징 장비와의 통합 가능성이 커질 수 있다.
2026년 9월 공개된 대면적 다이아몬드 양산 계획에서도 300mm화를 위한 핵심 과제로 대면적 성장 균일성, 두께 균일도, 평탄도, 내부 응력, 표면 품질 및 생산 수율이 제시됐다.
즉 300mm 다이아몬드의 핵심은 단순히 직경을 크게 만드는 것이 아니다.
300mm 전체 면적에서 동일한 품질을 얼마나 안정적으로 유지할 수 있는가가 더 중요하다.
첫 번째 과제: 대면적 성장 균일도
다이아몬드는 일반적인 실리콘 웨이퍼처럼 대형 단결정 잉곳을 성장시킨 뒤 단순히 슬라이싱하는 방식만으로 300mm 제품을 만들기 어렵다.
반도체 열관리용 대면적 다이아몬드는 주로 CVD 기술을 기반으로 개발되고 있다.
여기서 가장 중요한 과제 가운데 하나는 대형 면적 전체에서 성장 속도와 품질을 균일하게 유지하는 것이다.
CVD 반응기 내부에서는 플라즈마 밀도, 온도, 가스 농도 및 기판 위치에 따라 성장 환경이 달라질 수 있다.
작은 기판에서는 이러한 편차를 상대적으로 쉽게 관리할 수 있지만 면적이 300mm 수준으로 확대되면 중심과 가장자리의 성장 조건 차이가 커질 수 있다.
그 결과 두께 편차뿐 아니라 결정 구조, 잔류 응력 및 열전도 특성에서도 위치별 차이가 발생할 수 있다.
따라서 300mm 다이아몬드 웨이퍼에서는 단순한 평균 열전도율보다 웨이퍼 전체의 균일성을 평가하는 것이 중요하다.
두 번째 과제: 두께 균일도와 TTV
첨단 패키징에서 두께는 단순한 기계적 치수가 아니다.
다이아몬드가 실리콘 웨이퍼 또는 칩과 본딩되어 열 확산층으로 사용될 경우 전체 면적의 두께 균일성이 후속 공정에 직접적인 영향을 줄 수 있다.
웨이퍼의 가장 두꺼운 영역과 가장 얇은 영역의 차이는 일반적으로 TTV로 관리한다.
TTV가 지나치게 크면 연마 이후에도 국부적인 높이 편차가 남을 수 있고, 본딩 과정에서 일부 영역이 먼저 접촉하는 문제가 발생할 수 있다.
특히 웨이퍼 레벨 직접 본딩에서는 두 표면이 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 접촉해야 하기 때문에 두께 균일도가 중요하다.
300mm 전체 면적에서 낮은 TTV를 확보하려면 성장 단계뿐 아니라 후속 연삭, 래핑 및 정밀 연마 공정도 함께 관리해야 한다.
다이아몬드는 매우 단단한 소재이기 때문에 가공 시간이 길고 장비 및 공정 비용도 높아질 수 있다.
따라서 “성장 가능한 최대 크기”와 “실제로 정밀 가공 후 공급 가능한 크기”는 구분해서 확인해야 한다.
세 번째 과제: 평탄도와 Warpage
두께가 균일하다고 해서 웨이퍼가 반드시 평평한 것은 아니다.
다이아몬드 내부에 잔류 응력이 존재하거나 다이아몬드와 다른 소재가 접합된 후 열팽창 차이가 발생하면 Bow 또는 Warpage가 나타날 수 있다.
대형 웨이퍼에서는 작은 응력 차이도 전체 직경에서는 큰 변형으로 확대될 수 있다.
이는 300mm 다이아몬드 웨이퍼에서 특히 중요한 문제다.
평탄도가 충분하지 않으면 진공 척에 안정적으로 고정하기 어렵고, 포토리소그래피, CMP, 박막 증착 또는 본딩 공정에서도 문제가 발생할 수 있다.
2026년에 발표된 Diamond/Si 접합 연구에서는 접합 온도에 따라 복합 웨이퍼의 Warpage가 크게 달라질 수 있음을 확인했으며, 특정 고온 접합 조건에서는 낮은 표면 변형을 확보해 미세 패터닝 공정까지 진행했다.
이는 다이아몬드의 평탄도 문제가 단순히 다이아몬드 자체의 가공 문제만이 아니라 후속 실리콘 접합 공정과 함께 고려해야 할 문제라는 것을 보여준다.
네 번째 과제: 표면 거칠기
다이아몬드의 높은 열전도율을 제대로 활용하려면 열이 다이아몬드 내부로 효율적으로 전달되어야 한다.
이를 위해 중요한 것이 본딩 계면이다.
특히 직접 본딩 또는 매우 얇은 중간층을 사용하는 구조에서는 다이아몬드 표면의 거칠기가 본딩 품질에 큰 영향을 줄 수 있다.
일부 저온 Si/Diamond 본딩 기술에서는 매우 낮은 표면 거칠기가 요구된다.
기존 연구에서는 친수성 본딩이나 표면활성화본딩과 같은 공정에 Ra 0.5nm 이하 수준의 다이아몬드 표면이 요구될 수 있다는 점도 보고됐다.
그러나 300mm 전체 면적을 이런 수준으로 연마하는 것은 작은 다이아몬드 조각을 연마하는 것보다 훨씬 어렵다.
국부적으로 거칠기가 낮더라도 웨이퍼 전체 평탄도가 좋지 않으면 본딩 수율이 떨어질 수 있다.
따라서 표면 품질을 평가할 때는 Ra 값 하나만 확인하지 말고 측정 면적, 측정 장비, 전체 웨이퍼 평탄도와 함께 검토해야 한다.
다섯 번째 과제: Diamond와 Silicon을 어떻게 본딩할 것인가?
AI 프로세서 대부분은 여전히 실리콘 기반이다.
따라서 다이아몬드가 실제 AI 칩 열관리 소재로 사용되려면 결국 Silicon-Diamond 구조를 얼마나 안정적으로 만들 수 있는지가 중요하다.
가능한 접근 방식에는 직접 본딩, 표면활성화본딩, 금속 중간층 본딩 및 다양한 저온 접합 기술이 있다.
각 방식에는 장단점이 존재한다.
직접 본딩은 중간층에 의한 추가 열저항을 최소화할 가능성이 있지만 매우 높은 표면 품질이 요구될 수 있다.
반대로 금속층을 이용하면 접합 공정성을 개선할 수 있지만 금속층 자체가 새로운 열적 계면이 된다.
2026년 연구에서는 초박막 Au-In 구조와 200℃ 이하의 저온 열압착 공정을 이용해 다결정 다이아몬드와 실리콘을 접합하고 약 0.211 mm²·K/W의 계면 열저항과 평균 21.45MPa의 전단 강도를 보고했다.
이는 실리콘과 다이아몬드를 단순히 강하게 붙이는 것만으로는 충분하지 않다는 점을 보여준다.
접합 강도와 함께 열이 계면을 얼마나 쉽게 통과하는지를 동시에 최적화해야 한다.
다이아몬드의 높은 열전도율만 보면 안 되는 이유
예를 들어 다이아몬드 자체의 열전도율이 2,000 W/(m·K)라고 하더라도 칩과 다이아몬드 사이의 계면 열저항이 높으면 실제 냉각 효과는 크게 떨어질 수 있다.
따라서 AI 칩 열관리에서는 다음과 같은 전체 열전달 경로를 봐야 한다.
Silicon Chip → Bonding Interface → Diamond → TIM → Lid 또는 Cold Plate.
이 가운데 어느 한 계면에서 열저항이 높으면 다이아몬드의 우수한 벌크 열전도 특성을 충분히 활용하기 어렵다.
2026년 공개된 Si/다결정 Diamond 연구에서는 표면활성화본딩을 이용해 최대 4인치 웨이퍼 수준의 접합을 구현했고, 후속 열처리 후 133 MW/m²K의 Thermal Boundary Conductance를 보고했다.
이러한 연구는 다이아몬드 열관리의 경쟁력이 앞으로 소재 자체의 열전도율뿐 아니라 계면 열전달 기술에 의해 결정될 가능성이 높다는 것을 보여준다.
300mm와 현재 연구 규모 사이에는 아직 차이가 있다
여기에서 중요한 점이 있다.
산업에서는 이미 300mm 다이아몬드 웨이퍼의 양산 확대를 이야기하기 시작했지만 공개된 학술 연구의 상당수는 아직 훨씬 작은 웨이퍼 또는 시편을 사용하고 있다.
예를 들어 앞서 언급한 2026년 표면활성화본딩 연구에서 검증된 규모는 최대 4인치였다.
따라서 작은 웨이퍼에서 좋은 열전달 성능과 본딩 수율을 얻었다고 해서 동일한 결과가 자동으로 300mm에서도 재현된다고 볼 수는 없다.
300mm에서는 입자 관리, 표면 평탄도, 본딩 Void, 온도 균일도 및 내부 응력 관리가 훨씬 어려워진다.
결국 소재의 대면적 성장과 웨이퍼 레벨 본딩 기술이 동시에 발전해야 한다.
다결정 다이아몬드와 단결정 다이아몬드 중 무엇이 적합한가?
AI 열관리용 다이아몬드를 검토할 때 자주 나오는 질문이다.
단결정 다이아몬드는 매우 높은 열전도율과 균일한 결정 특성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 대형 면적 제조가 어렵고 가격이 높다는 문제가 있다.
반면 다결정 CVD 다이아몬드는 상대적으로 대면적화에 유리하며 Heat Spreader와 같은 열관리 응용에서 실용적인 선택지가 될 수 있다.
하지만 결정립계와 미세구조에 따라 열전도율이 영향을 받을 수 있고, 표면을 초정밀하게 연마하는 것도 쉽지 않다.
실제로 최근 Si/Diamond 웨이퍼 레벨 본딩 연구에서도 비용과 크기 제한 때문에 대형 응용에서는 다결정 다이아몬드가 현실적인 대안으로 평가되고 있다.
따라서 어떤 소재가 무조건 더 좋다고 판단하기보다는 적용 위치를 먼저 결정해야 한다.
고성능 소형 다이 또는 국부 Hotspot 냉각에는 고품질 단결정 소재가 유리할 수 있고, 대면적 Heat Spreader나 웨이퍼 레벨 적용에서는 다결정 CVD 다이아몬드가 더 현실적일 수 있다.
양산에서 가장 중요한 문제는 결국 Yield다
연구개발 단계에서는 최고의 열전도율을 가진 샘플 하나를 만드는 것이 중요할 수 있다.
하지만 양산 단계에서는 상황이 다르다.
300mm 웨이퍼 수십 장, 수백 장에서 동일한 두께와 평탄도, 열전도 특성 및 표면 품질을 반복적으로 확보해야 한다.
웨이퍼 일부에 결함이 발생하더라도 대형 기판에서는 전체 제품의 가치가 크게 낮아질 수 있다.
따라서 양산 경쟁력은 최고 성능보다 공정 분포와 반복성에 의해 결정될 가능성이 높다.
2026년 공개된 300mm Diamond Wafer 양산 전략에서도 핵심 항목으로 성장 균일성, 두께 관리, 평탄도와 내부 응력, 표면 품질, 생산 수율과 공급망 안정성이 제시됐다.
이러한 요소들은 모두 서로 연결되어 있다.
성장 균일성이 나쁘면 연마량이 증가하고, 연마량이 증가하면 비용과 공정 시간이 증가하며, 높은 내부 응력은 가공 과정에서 변형이나 파손 위험을 높인다.
따라서 300mm 다이아몬드의 가격을 낮추기 위해서는 단순히 CVD 성장 속도를 높이는 것만으로는 충분하지 않다.
전체 제조 수율을 개선해야 한다.
AI·HPC용 Diamond Wafer RFQ에서 확인해야 할 항목
실제 다이아몬드 웨이퍼를 구매하거나 평가할 계획이라면 먼저 최종 용도를 명확하게 하는 것이 좋다.
Heat Spreader인지, Silicon-on-Diamond 구조인지, 직접 본딩용 기판인지, 패키지 Lid 또는 열확산 부품인지에 따라 필요한 사양이 크게 달라질 수 있다.
그 다음 다음과 같은 항목을 공급업체와 협의해야 한다.
다이아몬드 종류는 단결정인지 다결정인지 확인해야 한다.
열전도율은 대표값뿐 아니라 최소 보증값과 측정 조건을 확인하는 것이 좋다.
치수에서는 직경 또는 외형 크기, 두께, 두께 허용오차 및 TTV를 확인해야 한다.
대면적 웨이퍼라면 Bow와 Warp도 별도로 정의해야 한다.
직접 본딩에 사용할 경우에는 표면 거칠기, CMP 상태, 입자 수준, 스크래치와 표면 결함 기준이 매우 중요하다.
또한 양면 연마인지 단면 연마인지도 명확하게 지정해야 한다.
Si 또는 다른 반도체와 본딩된 형태로 공급받는 경우에는 Bonding Method, Bonding Layer, 계면 열저항, 접합 강도, Void와 Warpage 기준도 함께 검토해야 한다.
대량 주문이라면 웨이퍼 간 균일성과 Lot 간 편차에 대한 검사 자료도 요청하는 것이 바람직하다.
300mm Diamond Wafer가 Silicon을 대체한다는 의미는 아니다
“다이아몬드가 차세대 반도체 소재”라는 표현 때문에 다이아몬드가 곧 실리콘을 대체할 것이라고 오해하기 쉽다.
하지만 AI 열관리 관점에서는 두 소재의 관계를 경쟁 관계보다 결합 관계로 보는 것이 더 현실적이다.
현재의 AI GPU와 가속기는 이미 성숙한 Silicon CMOS 생태계를 기반으로 하고 있다.
따라서 가까운 시기의 핵심 질문은 “Silicon 대신 Diamond를 사용할 것인가?”가 아니라 “Silicon Chip에서 발생한 열을 Diamond를 이용해 얼마나 빠르게 제거할 수 있는가?”에 가깝다.
이 때문에 Silicon-on-Diamond, Chip-on-Diamond, Diamond Heat Spreader와 같은 이종접합 구조가 중요하다.
상용 CVD 다이아몬드 공급업체들도 이미 GPU, AI ASIC, AI Accelerator, HBM 기반 Chiplet Package 등을 주요 열관리 적용 대상으로 제시하고 있다.
그렇다면 300mm 다이아몬드는 실제 차세대 소재가 될 수 있을까?
가능성은 충분하지만 몇 가지 조건이 필요하다.
첫째, 300mm 전체 면적에서 열전도율과 미세구조를 균일하게 유지해야 한다.
둘째, TTV와 평탄도를 기존 반도체 장비에서 처리할 수 있는 수준으로 안정적으로 관리해야 한다.
셋째, Silicon과의 본딩 과정에서 낮은 계면 열저항과 높은 접합 강도를 동시에 확보해야 한다.
넷째, 대형 다이아몬드의 성장, 절단, 연삭 및 연마 비용을 낮춰야 한다.
다섯째, 연구실 수준의 우수한 샘플이 아니라 대량의 웨이퍼에서 동일한 품질을 반복적으로 만들어야 한다.
결국 가장 큰 장벽은 다이아몬드의 기본적인 물성이 아니다.
다이아몬드가 열을 잘 전달한다는 것은 이미 잘 알려져 있다.
앞으로의 경쟁은 이 뛰어난 물성을 300mm 웨이퍼 전체에서 얼마나 균일하고 경제적으로 구현할 수 있는가에 달려 있다.
결론
AI와 HPC 반도체의 전력 밀도가 계속 증가하면서 열관리는 단순한 패키지 부품 문제가 아니라 시스템 성능을 제한하는 핵심 요소로 변하고 있다.
CVD 다이아몬드는 약 1,000~2,200 W/(m·K) 수준까지 공급 가능한 매우 높은 열전도 특성 때문에 차세대 Heat Spreader 후보로 주목받고 있으며, GPU, AI 가속기, HBM 및 Chiplet 기반 패키징으로 응용 범위가 확대되고 있다.
특히 2026년 들어 300mm 다이아몬드 웨이퍼의 양산 확대 움직임까지 나타나면서 대면적 다이아몬드가 기존의 특수 열관리 소재에서 반도체 웨이퍼 레벨 소재로 발전할 가능성이 커지고 있다.
그러나 아직 해결해야 할 과제도 명확하다.
300mm 전체 면적의 성장 균일성, 두께와 TTV, Bow와 Warp, 초정밀 표면 가공, 내부 응력, Silicon과의 저열저항 본딩 및 양산 수율이 모두 해결되어야 한다.
특히 Diamond 자체의 높은 열전도율만으로 최종 AI 칩의 온도가 자동으로 낮아지는 것은 아니다.
실제 성능은 Silicon과 Diamond 사이의 계면, 본딩층, 웨이퍼 평탄도 및 전체 패키지의 열전달 구조에 의해 결정된다.
따라서 앞으로 300mm 다이아몬드 웨이퍼 시장에서 가장 중요한 기준은 “가장 높은 열전도율” 하나가 아니라 대면적 균일도, 평탄도, 본딩 가능성, 계면 열저항 그리고 양산 수율을 얼마나 동시에 확보할 수 있는가가 될 것이다.
300mm Diamond Wafer가 AI 칩 열관리의 핵심 소재가 될 수 있을지는 바로 이 제조 기술과 시스템 통합 능력에 달려 있다.