CVD SiC 소재의 제조와 응용기술

[사무국]

재료·소재분과 · 김용환

 탄화규소(SiC)가 발견된 지는 오래되었지만 최근 다시 첨단소재로 주목을 받는 소재이다. 이 소재는 처음 주로 연마제(abrasive), 발열체 및 내화재 등의 전통 세라믹 산업에서 사용되었다. 최근 SiC의 고온 안정성, 내화학 및 전기적인 우수한 특성을 활용하여 첨단 세라믹 산업에서 중요한 소재로 발전하고 있다.

 반도체의 고도화에 따라 고집적화, 기판의 대구경화가 가속되고 있다. 이에 반도체 제조공정(기판의 산화, 확산, 에칭 등)에 사용되는 부품과 치구에 대한 요구 사항도 점점 높아지고 있다. 그간 반도체 제조공정에 사용되는 세라믹 부품의 주요 소재는 석영(quartz), 탄화규소, 알루미나, 질화알루미늄 등이 사용되고 있었다. 이러한 재료는 점차 SiC 재료로 대체되며 이에 대한 사용 비중이 높아지고 있다.

 현재 반도체 분야에 응용 가능한 고순도 SiC와 관련된 제조기술은 여러 방법이 있으나, 이 중에서 CVD법(Chemical Vapor Deposition, 화학 기상 증착방법)은 Si(silcon) 및 C(carbon)을 포함하는 기체상을 원료로 하여 이를 열분해 후직접 SiC를 증착하여 형성한다. 따라서 CVD SiC는 일반 SiC 제조 공정에서 요구되는 온도보다 낮은 1,000℃ 이상의 온도에서 소결 조제의 첨가 없이 초고순도이며 이론 밀도에 근접하는 치밀한 SiC의 제조가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

 증착(Deposition)은 다양한 방식으로 이루어져 진다. 대표적인 방법으로 물리적 기상증착 방법(PVD)과 화학적 기상증착방법(CVD)이 있다. CVD는 열에너지를 이용한 방식으로 APCVD와 LPCVD가 있고, 플라스마 에너지를 이용한 방식에는 PECVD와 HDPCVD가 있다. 최근 원자를 표면에 흡착시키는 방식으로 한 층씩 쌓아 올리는 원자층 증착방법(ALCVD)도 사용한다.

 CVD에 사용하는 물질은 크게 두 가지가 있다. 하나는 원료(source)이고 나머지 하나는 원료와 반응성이 거의 없는 기체이다. 이 기체는 원료를 반응관 내부로 운반하기 위한 운반기체(carier glas) 및 원료와 운반기체의 혼합물(mixture)을 적정한 농도로 유지시키기 위해 첨가하는 희석기체(diluent gas)이다. 산업 현장에서는 국내에서 생산되는 MTS(CH3SiCl3)를 주로 사용한다. MTS는 Si와 C의 화학양론적인 비가 1:1이기 때문에 이론조성에 가까운 막을 얻을 수 있어 널리 이용된다. 희석기체는 H2가 많이 사용되며, 이외에 CH4, PH3나 비활성기체인 Ar 등도 이용된다.

 CVD 공정을 위한 장비는 매우 다양한 형태가 존재하게 되는데, 그 동작 원리나 환경의 차이에도 불구하고 그림과 같이 공통적인 구성요소를 갖는다. CVD-SiC의 균일한 증착막 제조를 위해서 원료가스의 균일한 확산, 반응로 내부 온도 균일도, susceptor의 구조 등 최적화된 제조장치가 필요하다. SiC 제품 중에서 CVD SiC 제품은 CVD 공정 특성상 증착속도가 낮았다. 그러나 후막 형태 코팅공정이 상용화되어 그래파이트 단점을 보완하는 정도로만 사용되어 왔던 CVD SiC 기술로 순도 99.9999%, 두께 수mm 이상까지 결점의 발생 없이 제조할 수 있게 되었다.

 초고순도 SiC 소재는 반도체/디스플레이 산업뿐만 아니라 전기자동차, 태양광 발전, 신재생 에너지 소자용 등으로 시장이 확대될 것으로 예상된다. 향후 CVD SiC 기술은 많은 분야에서 응용이 예상되며, 기술을 발전시켜 각종 반도체와 각종 산업제품 제조용 소재로 발전하기를 기대한다.