반도체의 유리기판 ?

얼마전 지인이 유리기판 관련주가 Hot해졌다고 지나가는 말로 언급을 했다.

유리기판이라니.. 그게 가능해 ? 유리라니 그게 뭘로 이뤄졌다는 거야 ?

사파이어 글래스를 말하는 것인가하는 의문이 들었다. 

그래서, 이것에 대해 한번쯤은 짚고 넘어가고자 한다.

 

1. 유리(글래스)라는 소재의 의미는 비정질 

반도체 기판 재료중에 사파이어 글래스라는 것이 있다. 사실상 이것은 명칭일뿐 실제로 글래스가 아니다.일반적으로 "글래스"라고 하면 그냥 반짝이고 투명한 것을 부르는 명칭이다.그러나 소재측면에서 "글래스" 즉, 유리의 가장 큰 특성은 비정질이다. ( 원소가 결정을 이루지 않고 마구 배열되어 있으며 구조가 없다는 뜻이다)

 

가장 완벽하고 조밀한 결정 구조를 가진 물질은 다이아몬드인데 반짝이고 투명해 보이므로 이를 얇게 갈아 비치도록 만들면 ,아마도 다이아몬드 글래스라고 부를 것이다. 그러나, 원소가 구조를 가지고 나란하게 배열되어 있으므로 비정질이 아니다. 

 

우리가 흔히 접하는 유리는 실리카(규소 이산화물,SiO2)로 만들어진다. 규소 산화물은 지구상에서 매우 흔한 광물로 생성되는 온도와 압력에 따라 결합방법이 다양하며, 다른 원소를 포함하여 여러가지 종류의 광물로도 존재한다. 주변에서는 석영(quarz)이 가장 흔하다. 

유리는 실리카 중에서도 독특한 형태의 재료이고, 고온에서 녹인 다음 실리카가 특정한 구조를 형성하기 전에 급냉하여 굳힌 것으로, 가장 큰 특징이 결정 구조가 없이 원소가 막 늘어져있는상태이다. 이러한 형태를 armorphous(비정질)이라고 부른다.  

 

사파이어나 다이아몬드처럼 원자가 구조를 이루고 결합한 물질은 투명하고 반짝이는 특성으로 인해 유리라고 불린다 해도, 그것은 단순한 이름일 뿐 유리가 아니다. ( 그리고 나름대로 훌륭한 구조를 가진 다이아몬드나 사파이어위에 반도체를 구성하려는 시도도 꾸준히 있어왔다 )

 

 

2. 기사에 나온 유리기판의 진짜 정체 

검색해 보니 유리기판이라는 것은 반도체를 제조한 후 여기에서 나오는 출력을 연결해 주는 패키징을 위한 재료였다. substrate(기판)라고 하면 너무나 당연하게 반도체 소자가 구성되는 기판 자체를 의미한다고 받아들여서 그게 유리로 가능한가? 그 위에 MOS구조를 만들수가 없는데? 상용화가 되었다고 해서 궁금해서 찾아봤더니, Packaging용 기판이었다. 

( 만약에 유리가 패키징 기판이 아닌, 반도체 소자의 기판이 될수 있다면 반도체 사업의 판도 자체를 바꿀것이다 )

 

3. 기판이라는 것은 무엇일까 (반도체 소자용 기판과, 패키징용 기판)

보통 반도체를 보드에 올려진 칩을 생각하는데, 사람의 눈에 보이는 그 칩이라는 것은 사실 반도체 소자를 여러개 모아서 연결시켜고 위에 거대한 포장(??)을 두른 것, 즉 패키징이다. 실제 내부의 개별 반도체 소자는 um수준의 크기로 눈으로 보이지 않을 수준으로 작고, 실리콘 기판을 땅처럼 여기고 뿌리를 내린 것같은 (내부에 구조를 파서 심어준 거나 다름없다) 것 같은 구성이다. 

 

신호를 받아오기도 해야하고 너무 작고 연약하기도 하니 패키징을 한다.패키징은 반도체를 보호하는 포장의 기능과 함께 내부의 신호를 받아 나오는 전원 플러그 비슷한 것을구성한다.(물론 그리 간단하지는 않다) 패키징은 반도체 소자 제작과는 좀 다르며,후 공정이라고 불린다. 

사실상 후공정은 예전에도 중국에서 OEM을 했다. 반도체의 구조를 설계하는 업체들은 소자 자체는 파운드리에 생산을 의뢰하고 완성된 반도체를 가져와서 패키징은 중국회사에 맡기기도 했다. 

 

4. 유리가 소자용 기판이 되기 힘든 이유

유리가 반도체 소자 자체의 재료가 되기 어려운 점은 그 물성 자체에 기인한다. 반도체 소자 자체는 안정성이 중요하다. 어떤 상황에서도 주어진 조건에 맞게 0,1(전기가 통하고안 통하는 상태의 구분)의 결과를 내주어야 하며, 온도와 전기자극을 견뎌야 하고 안정해야 한다. 유리의 상부와 얇은 표면에 반응을 일으켜서 반도체구조 자체를 만들려면 하부의 구조가 안정성을 보장해야 한다. 유리는 결정 구조가 없이 원자가 막 붙어있는 상태이므로 소자 동작에 의한 발열과 전기적 안정성은 보장할수 없어보인다.

 

흔히 반도체에 쓰이는 Si기판은 순수하며 단결정이어서 빠진 코가 없는 완벽한 그물처럼 빈틈이 없다. 원재료인 실리콘 웨이퍼에서 하나의 원소의 탈락도 소자의 전기적 작동에 오류를 일으키며 안정성을 위협하고,공정 중 청정도도 ( 잠실 운동장에 깨알만한 먼지 하나 떨어져있는 수준도 용납할수 없을 정도로) 완벽히 관리한다. 그런데, 구조도 없고 원소가 제멋대로 붙어있는 비정질인 유리를 기판으로 적용한다는것은 어렵다.

 

유리를 겉포장인 패키징 기판에 적용하는거라면, 반도체 소자를 감싸는 도구일 뿐이므로 안정화된 특수유리라면 가능해보이긴 한다.   

 

5. 결정구조와 이를 위한 소재의 합성 

원자의 결합의 방향과 힘의 강도, 즉 결정 구조라는 것은 원자 그 자체의 특성 못지 않게 다양한 물리적인 특성의 변화를 가져온다. 

 

상온에서 탄소는 이산화화합물(이산화탄소) 혹은 흑연의 형태로 존재한다. 상온에서 흑연인 탄소는 고온 고압에서는 다이아몬드가 된다. 다이아몬드는 상온에 오래 방치시(물론 매우매우매우... 오래) 결국 흑연이 될수밖에 없다. 고온 고압에서 이룬 다이아몬드 구조는상온 상압에서 슬그머니 해체될수 밖에 없기 때문이다.  

 

현대의 금속과 소재 관련 기술의 핵심은 증착과 급냉이다.

미세한 구조는 증착한다. 물질에 기체를 지정한 압력과 온도 컨디션에서 쐬어주면 반응되어 얇은 막으로 덮어 씌워지는 거다. 

덩어리 물질은 급냉하여 만든다. 원료 물질은 로에 넣고 적절한 구조가 생성되는 순간..급냉하여 그 구조를 그대로 굳혀주는 것이다. 제철소의 로는 금속을 적절히 배합하여 적정한 구조가 되는 온도와 압력(사실상 압력은 좀 어렵다)을 만든다. 원하는 결정 구조가 되었다 싶은 순간에 급히 식혀서 구조를 영구히 굳혀 준다. 

 

청동기에서 철기로의 발전도, 고온에서 산화되지 않고 경도가 보존되는 철의 구조를 만들고 (천천히 식히면 구조가 보존되지 않고 일반 철이 된다) 찬 물에 넣어 갑자기 식힘으로서, 잘 산화되지 않는 구조를 실온에서도 유지시키는 방법으로서 이루어졌다. 

 

다이아도 어쩌다가 지표로 갑자기 돌출되면서 급냉되어 .. 그 구조를 유지한 것이지.. 천천히 식었다면 새까만 흑연이 되었을거다. ^^

 

반도체 원재료인 Si Substrate기판의 아성에 도전할 재료는 언제쯤 나오려나..

SiC는 찾아보지 않아 모르겠지만 저가에 고품질 확보가 어려운 것 같고,

GaAs는 한국에서는 사실상 제조 불가능할 정도로 공정 과정이 유해하다.  

 

10년쯤 전에 그래핀 열풍이 불었었다. 사실 그래핀이라고 멋진 이름을 붙였지만 알고보면 흑연같은 것이다.

6번 원소인 C는 Si처럼 반도체적인 특성을 가진 원소이나 상온에서 이산화탄소나 흑연으로 존재하므로 사용하기가 어렵다. 흑연은 평면내 공유결합이 엄청 강하지만 층간 결합이 약하여 잘 으스러진다.양산에 사용하려면 공유결합된 나노 단위 이하의 이 한겹을 어떻게 분리하여 사용할것인가, 안정화시킬것인가가 관건이다. 그러므로 생산라인에서 실용 가능한 수준의 재료가 아니다.( 사실상 양자도 그렇지 않을까 하고 본다. 양자 컴퓨터 시대가 곧 올거라고들 말하지만,나의 오래된 지식과 최근 검색 결과로도 진공 설비를 갖춰 0캘빈까지(??) 온도를 내려서 쓸수 있는 옵션 같아보인다. 연구소에서 실행할수 있겠지만 양산하려면 획기적인 무언가가 필요해 보인다 )

 

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20여년도 더 지난 예전에 신소재 부문의 엔지니어였던 오래된 경험으로 작성한 것입니다. 새로운 기술이 발전되었을 것이므로 지식을 한모금 얹어주시거나 오류를 알려주시면 바로잡겠습니다.