반도체 소재
반도체 소재란 반도체 소자를 직접 구성하는 재료, 소자를 제조하는 데 사용되는 소재, 소자를 조립하여 완성품을 만드는 데 사용되는 재료를 모두 포함합니다. 반도체 소자를 완성하기 위해서는 수십 단계의 물리적·화학적 처리가 필요하며, 이러한 공정을 진행하기 위해서는 소자를 직접적으로 구성하는 소재뿐만 아니라 공정상의 화학적 처리만을 위해서 이용되는 재료도 필요합니다. 따라서 매우 넓은 범위의 재료산업의 뒷받침이 필요합니다. 반도체 재료를 기능상으로 분류하면 기능재료, 공정재료, 구조재료 등 크게 세 가지로 구분할 수 있습니다. 기능재료로는 소자의 전기적인 동작을 직접적으로 결정짓는 웨이퍼를 들 수 있으며, 공정재료는 웨이퍼를 가공하여 소자를 제조하는 공정상 필요한 재료로 포토마스크, 포토레지스트, 프로세스 케미컬, 고순도 가스 등이 있습니다. 구조재료는 소자를 보호하거나 다른 소자와 연결하는 데 사용되는 리드프레임 및 패키징 재료를 말합니다.
반도체 소자의 전기적인 특성은 재료에 따라 민감하게 변화하므로 소자구조와 직접적으로 관련이 있을수록 기술적 요구조건이 까다롭습니다. 따라서 반도체 칩에 직접 포함되는 재료와 소자제조 공정 중에 칩이 노출되게 되는 프로세스 케미컬 등에 대한 요구조건이 칩을 보호하는 구조재료들에 비해 훨씬 까다롭습니다. 현재 기능재료는 합작생산 및 자체개발 생산이 이루어지고 있으며, 공정재료는 주로 합작생산, 구조재료는 자체개발 생산되고 있습니다. 특히 공정재료의 경우는 지속적인 수요 증가와 함께 선진국과의 합작생산 및 기술제휴를 통한 생산 방식이 활성화되어 있으며, 일부 품목에 대해서는 자체개발에 대한 노력이 계속되고 있습니다.
반도체 재료산업은 반도체 소자의 고집적화에 따라 높은 정밀도의 재료가 요구되므로 3～5년마다 새로운 재료의 개발을 위한 연구개발(R&D) 투자가 필수적입니다. 정밀가공 및 분석을 위한 고급 기술 인력 및 고가의 장비가 필요하며, 신소재 개발 및 물성분석기술을 선도하기 때문에 기술적 파급효과가 큰 첨단산업이라 할 수 있습니다. 특히 나노 기술 시대에 진입하면서, 차세대 반도체 소자의 개발에 필요한 재료들의 기능이 매우 중요한 기술적 인자로 부각됨에 따라 반도체 재료산업이 첨단화되고 있습니다.
웨이퍼
실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)는 모래, 암석, 광물 등의 형태로 존재하는 실리콘을 원재료로 하여 생산되는 단결정 실리콘 박판입니다. 얇고 둥근 원반 형태를 나타내며, 이 위에 수많은 집적회로나 개별소자를 설계하고 가공한 후 칩 형태의 반도체 소자를 생산합니다. 최초 반도체 소자에 사용된 물질은 게르마늄이었으나, 1960년대 초부터 실리콘이 가지는 장점으로 인해 실리콘으로 대체되기 시작했습니다. 실리콘의 장점으로는 산화에 의한 고품질의 실리콘 산화물 절연막을 쉽게 형성할 수 있으며, 게르마늄에 비해 넓은 밴드 갭을 가지고 있어 높은 온도에서도 동작할 수 있다는 점이 있습니다. 또한, 실리콘은 실리콘 산화물의 형태로 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소이므로 매우 저렴하게 제조할 수 있습니다.
실리콘이나 게르마늄 외에도 반도체 기판으로 사용될 수 있는 화합물 반도체 중 가장 유명한 물질은 갈륨 아세나이드(GaAs)입니다. 갈륨 아세나이드는 실리콘보다 높은 전자 이동도를 가지지만 열처리 공정 중 안정성의 문제, 약한 자연 산화막, 높은 가격 및 높은 결정 결함 밀도 때문에 고속의 집적도가 높은 한정된 회로 제작에만 사용되고 있습니다. 실리콘 웨이퍼의 종류는 단결정 실리콘 잉곳을 성장한 후 최종 표면의 가공 수준 및 형태에 따라 경면 웨이퍼(polished wafer), 에피 웨이퍼(epi wafer), SOI (Silicon On Insulator) 웨이퍼 등으로 분류됩니다. 또한, 웨이퍼 직경에 따라 100mm(4인치), 125mm(5인치), 150mm(6인치), 200mm(8인치) 및 300mm(12인치) 등으로 구분됩니다.
반도체 나노 소재 산업은 지속적인 발전과 연구가 필요한 분야로, 기술적 요구사항이 매우 높습니다. 나노 기술의 발전과 함께 차세대 반도체 소자의 개발에 필수적인 역할을 하는 반도체 소재는 앞으로도 중요한 기술적 인자로 남을 것입니다. 반도체 소재 산업의 성장은 기술력의 집약체로서 국가적 경쟁력 강화에도 중요한 요소가 될 것입니다.