전력반도체 산업에서 탄화규소(SiC) 기판의 대구경화가 빠르게 진행되고 있다. 현재 시장에서는 150mm 기판이 널리 사용되고 있으며 200mm 생산 전환이 진행되는 단계이지만, 최근에는 그보다 한 단계 더 큰 300mm SiC 기판 개발이 본격화되고 있다.
특히 2026년 9월에는 300mm SiC와 관련된 중요한 기술 진전이 연이어 발표됐다. 일본 레조낙은 300mm SiC 단결정 성장과 기판 가공에 성공했다고 발표했으며, 스미토모금속광산은 고품질 단결정 SiC 박막을 다결정 SiC 지지기판에 접합한 300mm 접합 SiC 기판을 개발하고 반도체 제조업체에 샘플을 공급했다고 밝혔다. 이는 SiC 산업이 단순히 결정 직경을 확대하는 경쟁뿐 아니라 새로운 기판 구조를 활용해 비용과 성능을 동시에 개선하려는 단계로 이동하고 있음을 보여준다.
왜 300mm SiC 기판이 필요한가?
SiC 전력반도체는 전기자동차, 충전 인프라, 태양광 인버터, 에너지저장장치, 산업용 전원, 데이터센터 전력 시스템 등에서 사용이 확대되고 있다.
그러나 SiC 단결정은 실리콘보다 결정 성장 속도가 느리고 대구경에서 결함을 균일하게 제어하기 어렵다. 이 때문에 기판 가격은 여전히 SiC 소자의 전체 제조비용에서 중요한 요소로 작용한다.
웨이퍼 직경이 커지면 한 장의 기판에서 생산할 수 있는 칩 수가 증가한다. 300mm 생산 기술이 안정화될 경우 동일한 생산 라인에서 더 많은 소자를 제조할 수 있기 때문에 장기적으로는 칩당 제조비용을 낮출 가능성이 있다.
다만 현재 SiC 산업은 150mm에서 200mm로 전환되는 과정에 있으며, 300mm는 아직 연구개발 및 공정 검증 단계에 가깝다. 따라서 단순히 웨이퍼 직경만 키우는 것보다 결정 품질, 평탄도, 결함 밀도, 에피택시 균일도 및 공정 호환성을 동시에 확보하는 것이 중요하다.
접합 SiC 기판이란 무엇인가?
일반적인 SiC 기판은 웨이퍼 전체가 단결정 SiC로 구성된다.
반면 접합 SiC 기판은 필요한 기능을 담당하는 고품질 단결정 SiC 층과 구조적 지지를 담당하는 별도의 SiC 기판을 결합하는 방식이다.
대표적인 구조는 다음과 같다.
단결정 SiC 박막
+
접합 계면
+
다결정 SiC 지지기판
이 구조에서 실제 소자가 형성되는 상부에는 고품질 단결정 SiC가 사용되며, 기계적 강도와 웨이퍼 두께 대부분은 상대적으로 제조비용을 낮출 수 있는 다결정 SiC 지지기판이 담당한다.
스미토모금속광산이 공개한 접합형 SiC 구조 역시 저저항 다결정 SiC 지지기판 위에 고품질 단결정 SiC 층을 얇게 접합하는 방식이다. 회사 측은 이러한 구조를 통해 단결정 특성을 유지하면서 낮은 저항과 통전 열화 억제를 목표로 하고 있다고 설명하고 있다.
단결정 SiC 사용량을 줄이는 것이 중요한 이유
SiC 기판 제조비용이 높은 가장 큰 이유 중 하나는 고품질 단결정 잉곳을 성장시키는 공정이 어렵기 때문이다.
대구경 SiC 단결정에서는 다음과 같은 결함 관리가 중요하다.
- 미세관 결함
- 기저면 전위
- 관통 나사 전위
- 관통 칼날 전위
- 적층 결함
- 결정 응력
- 직경 방향 저항 균일도
웨이퍼 전체를 두꺼운 단결정 SiC로 만들면 많은 양의 고품질 결정 재료가 필요하다.
접합 구조에서는 소자 제조에 필요한 단결정 영역만 얇게 사용하고 나머지 부분을 다결정 SiC로 구성할 수 있기 때문에 단결정 재료의 이용 효율을 높일 가능성이 있다.
이러한 접근법은 특히 200mm와 300mm처럼 웨이퍼 직경이 커질수록 중요해질 수 있다.
웨이퍼 본딩 기술이 핵심인 이유
접합 SiC 기판의 핵심 공정은 웨이퍼 본딩이다.
단결정 SiC 박막과 지지기판 사이에 불균일한 계면이 형성되면 이후의 에피택시 성장이나 소자 제조 과정에서 문제가 발생할 수 있다.
특히 다음 항목을 관리해야 한다.
1. 계면 공극
접합면 사이에 미세한 공극이 존재하면 열처리 또는 소자 공정에서 국부적인 응력이 발생할 수 있다.
대구경 웨이퍼에서는 작은 공극이라도 전체 수율에 영향을 줄 수 있기 때문에 비파괴 검사 기술이 중요하다.
2. 접합 강도
후속 공정에서는 고온 열처리, 박막 증착, 연마 및 세정 공정이 반복된다.
접합 강도가 충분하지 않으면 층간 박리 또는 균열이 발생할 가능성이 있다.
3. 열팽창 거동
단결정 SiC와 다결정 SiC는 동일한 기본 재료 계열이지만 미세구조와 물성 차이로 인해 실제 열팽창과 응력 거동이 완전히 동일하지 않을 수 있다.
따라서 고온 공정 후의 웨이퍼 변형을 평가해야 한다.
4. 전기적 특성
전력반도체용 기판에서는 수직 방향으로 전류가 흐르는 구조가 많기 때문에 접합 계면의 전기저항도 중요한 평가 항목이다.
계면 저항이 높아지면 소자의 도통 손실과 열 발생에 영향을 줄 수 있다.
300mm에서 더욱 중요해지는 TTV, Bow, Warp
웨이퍼 직경이 증가하면 평탄도 관리 난이도도 크게 높아진다.
특히 300mm 기판에서는 다음 세 가지 항목이 중요하다.
TTV(총 두께 편차)
웨이퍼 전체에서 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이를 의미한다.
Bow(휨)
웨이퍼 중심부가 기준면에서 얼마나 휘어졌는지를 나타낸다.
Warp(뒤틀림)
웨이퍼 전체의 3차원적인 변형 정도를 평가하는 지표다.
이러한 값이 지나치게 크면 노광, 에피택시 성장, 박막 증착, 식각 및 웨이퍼 핸들링 과정에서 문제가 발생할 수 있다.
특히 300mm 반도체 장비는 높은 수준의 평탄도와 자동화된 웨이퍼 핸들링을 전제로 설계되기 때문에 SiC 기판 역시 장비 호환성을 만족해야 한다.
접합 계면의 품질 검사가 중요해진다
접합 SiC 기판은 기존 단결정 기판과 달리 내부에 접합 계면이 존재한다.
따라서 기존의 표면 검사뿐 아니라 내부 계면을 평가할 수 있는 검사 기술도 중요하다.
검사 항목은 제품 구조에 따라 다음과 같이 구성될 수 있다.
- 접합 공극
- 계면 박리
- 미세 균열
- 단결정층 두께 균일도
- 표면 거칠기
- TTV
- Bow
- Warp
- 전기저항 균일도
- 가장자리 결함
- 에피택시 후 결함 변화
특히 대구경 기판에서는 전체 면적에서 균일한 접합 품질을 확보해야 하기 때문에 검사 데이터의 공간 분포를 함께 확인하는 것이 중요하다.
300mm 접합 SiC가 바로 양산되는 것은 아니다
300mm SiC 개발 소식이 이어지고 있지만, 이것이 곧바로 300mm SiC가 시장의 주력 규격이 된다는 의미는 아니다.
현재 SiC 산업의 실제 생산 중심은 여전히 150mm이며, 주요 제조업체들은 200mm 생산 수율과 생산성을 높이는 작업을 진행하고 있다. 최근 공개된 300mm 기술은 그 다음 단계의 가능성을 보여주는 것으로 보는 것이 적절하다.
300mm 양산을 위해서는 다음과 같은 문제가 해결되어야 한다.
첫째, 대구경 단결정 및 단결정 박막의 결함 밀도를 안정적으로 관리해야 한다.
둘째, 300mm 전체 면적에서 균일한 접합 품질을 확보해야 한다.
셋째, 연마 및 표면 가공 기술이 확보되어야 한다.
넷째, 300mm SiC 에피택시 공정의 두께와 도핑 균일성을 확보해야 한다.
다섯째, 기존 300mm 실리콘 제조 장비와의 호환성을 검증해야 한다.
여섯째, 최종적으로는 200mm 대비 실제 비용 절감 효과가 확인되어야 한다.
구매자가 확인해야 할 주요 사양
SiC 기판 또는 접합 SiC 기판을 평가하는 장비업체, 연구기관 및 반도체 제조업체라면 단순히 직경과 두께만 확인해서는 충분하지 않다.
다음 항목을 함께 검토하는 것이 좋다.
기본 구조
- 기판 직경
- 총 두께
- 단결정 SiC 층 두께
- 지지기판 재료
- 결정형
- 결정 방향
- 오프각
- 도전형
기계적 특성
- TTV
- Bow
- Warp
- 평탄도
- 가장자리 형상
- 베벨 조건
표면 품질
- 표면 거칠기
- 연마 방식
- 스크래치
- 피트
- 표면 입자
- 에지 칩
결정 품질
- 미세관 결함
- 기저면 전위
- 관통 전위
- 적층 결함
- 결정 균일도
접합 품질
- 접합 공극
- 계면 균일도
- 접합 강도
- 계면 저항
- 열처리 후 안정성
이러한 항목을 사전에 정의하면 연구개발용 기판과 양산 평가용 기판을 보다 정확하게 비교할 수 있다.
300mm SiC의 핵심은 ‘크기’보다 ‘양산 가능한 품질’
300mm SiC는 분명 SiC 산업에서 중요한 기술 방향이다.
하지만 실제 산업 경쟁력은 단순히 300mm 웨이퍼를 제작할 수 있는지에 의해 결정되지 않는다.
결정 품질, 단결정층 균일도, 접합 계면, TTV, Bow, Warp, 표면 거칠기, 에피택시 호환성 및 장기 신뢰성을 동시에 관리할 수 있어야 한다.
접합 SiC 기술은 고가의 단결정 SiC 사용량을 효율적으로 줄이면서 대구경 기판을 구현할 수 있는 하나의 중요한 접근법이다.
앞으로 200mm SiC 생산이 확대되고 300mm 공정 개발이 진행될수록 단결정 성장 기술과 함께 박막 전사, 웨이퍼 본딩, 다결정 지지기판 및 정밀 가공 기술의 중요성도 더욱 커질 것으로 예상된다.
SiC 기판을 검토하는 구매자와 연구개발 담당자에게는 직경만 비교하기보다는 실제 적용 공정에 필요한 결정 품질, 표면 품질, 평탄도 및 접합 구조를 종합적으로 평가하는 것이 더욱 중요하다.