산화갈륨(Ga₂O₃) 포스트 SiC의 선두주자와 가공 기술이 쥐고 있는 실용화의 열쇠

움직이기 시작한 차세대 파워 반도체의 유력한 주역 후보

"깎아내는 것(절삭)"과 "사용할 수 있게 연마하는 것(폴리싱)"은 전혀 별개였다

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목차

1. 움직이기 시작한 차세대 파워 반도체의 유력한 주역 후보
2. '특성'과 '비용'의 양면에서 차세대 본명으로 꼽히는 이유
3. 가공 현장 앞을 가로막는 '벽개(劈開)'라는 거대한 장벽
4. '깨뜨리지 않고 깎아내는' 프로세스 설계가 핵심을 쥐고 있다
5. 연마 기술이 차세대 파워 반도체 시장을 가속화시킨다.

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1. 움직이기 시작한 차세대 파워 반도체의 유력한 주역 후보

차세대 파워 반도체의 주역 교체를 둘러싼 치열한 논쟁 속에서, 최근 몇 년간 급격하게 존재감을 키워가고 있는 소재가 바로 산화갈륨(Ga₂O₃)입니다. SiC(탄화규소)와 GaN(질화갈륨)의 뒤를 이을 핵심 후보 재료로서 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 2026년에 접어들면서 실용화를 향한 구체적인 마일스톤이 연이어 발표되고 있습니다.

일본의 대표적인 산화갈륨 전문 기업인 노벨 크리스탈 테크놀로지(Novel Crystal Technology)는 2026년 3월부터 150mm(6인치)β-Ga₂O₃기판의 샘플 출하를 개시했으며, 2029년 본격적인 양산을 시야에 두고 있습니다. 한편, 교토대학 발 스타트업인 플로스피아(FLOSFIA) 역시α-Ga₂O₃를 이용한 4인치 웨이퍼의 양산화 기술을 2025년 말에 크게 진전시켰다고 밝혔습니다.

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2. '특성'과 '비용'의 양면에서 차세대 본명으로 꼽히는 이유

산화갈륨이 이토록 글로벌 시장의 주목을 한 몸에 받는 이유는 무엇일까요? 한마디로 물리적 '특성'과 제조 '비용'의 두 가지 측면 모두에서 차세대 파워 반도체의 완벽한 해답이 될 수 있기 때문입니다.

[주요 파워 반도체 재료의 밴드갭(Bandgap) 비교]

• Si (실리콘): 1.1 eV
• SiC(탄화규소):3.3eV
• GaN (질화갈륨):3.4eV
• Ga₂O₃（β형）( 산화갈륨): 약 4.8e-V (★SiC의 약 1.5배)

Ga₂O₃의 밴드갭은 약4.8e-V(β형)로, 기존 와이드 밴드갭 소재인 SiC3.3e-V나 GaN3.4 e-V을 아득히 능가합니다. 이론상 전계강도(절연파괴전계)는 SiC의 2배 이상에 달해, 고내압·저손실 전력 제어 소자 설계의 한계를 단숨에 넓혀줍니다.

게다가Ga₂O₃는 SiC와 달리 용액에서 결정을 성장시키는 '융액성장법(EFG법 등)'이 가능합니다. 이 덕분에 기판 제조 비용을 SiC의 수분의 일, 나아가 장기적으로는 1/50 가량까지 획기적으로 낮출 수 있는 가능성이 제시되고 있습니다. 전기자동차(EV), 신재생 에너지, AI 데이터센터, 우주 항공 등 전력을 정밀하게 제어해야 하는 모든 산업 분야에서 이 정도의 비용 및 성능 차이는 압도적인 시장 경쟁력으로 이어집니다.

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3. 가공 현장 앞을 가로막는 '벽개(劈開)'라는 거대한 장벽

하지만 정밀 연마를 업으로 삼고 있는 저희 제조사의 시선으로 보면, 산화갈륨은 축복받은 '꿈의 재료'인 동시에 '극도로 다루기 까다로운 난삭재'이기도 합니다.

실제로 레진 본드 및 메탈 본드 다이아몬드 연마 패드를 사용해 Ga₂O₃ 웨이퍼를 직접 연마해 본 경험이 있습니다. 그전까지 사파이어처럼 "좀처럼 깎이지 않는 고경도 난삭재"들을 주로 다루어 왔기 때문에, 처음 다이아몬드 지립을 대는 순간 현장 기술자가 느낀 솔직한 감각은 "생각보다 부드럽게 잘 깎이는데?"라는 것이었습니다.

그러나 연마를 마친 표면을 정밀 관찰하자 학계에 보고된 그대로 수많은 크랙(Crack)과 보이드(Void)가 확인되었으며, 가공 도중 웨이퍼 시편 자체가 쩍 갈라지는 현상도 실제로 발생했습니다. "재료를 단순 가공하여 깎아내는 것"과 "소자로 사용할 수 있는 수준으로 결함 없이 매끄럽게 연마(포리싱)하는 것"은 차원이 다른 별개의 세계라는 점을 뼈저리게 통감한 순간이었습니다.

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Ga₂O₃의 벽개성(Cleavage)에 대하여

Ga₂O₃는 단사정계(Monoclinic)라는 특유의 결정 구조를 가지며, (100)면 및 (001)면 방향으로 강한 벽개성(특정 방향으로 쪼개지는 성질)을 나타냅니다.

연구 보고에 따르면, 초기 래핑(Lapping)이나 거친 연삭 단계에서 표면으로부터 무려 40µm 깊이까지 수직 크랙과 보이드가 결정 내부로 침투하는 경우가 발생합니다. 눈에 보이는 겉 표면만 조도를 잘 맞춰놓아도, 그 이면에 소자의 전기적 특성을 치명적으로 파괴하는 '가공 변질층(SSD, Sub-Surface Damage)'이 깊숙이 남아버리는 것입니다.

선두 주자인 플로스피아 역시 Ga₂O₃ 소자의 신뢰성 편차를 유발하는 주된 원인으로 '미세한 표면 요철'과 '특수한 결정 결함' 두 가지를 꼽았으며, 이를 초고감도로 검출하는 기술을 독자적으로 확립했다고 공표한 바 있습니다. 이는 곧 표면 가공 품질이 차세대 반도체의 수율과 신뢰성 그 자체를 쥐고 흔드는 단계에 진입했음을 뜻합니다.

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4. '깨뜨리지 않고 깎아내는' 프로세스 설계가 핵심을 쥐고 있다

저희가 매일 마주하는 SiC나 사파이어, GaN같은 경취성 재료의 가공과 비교해 봐도 산화갈륨의 난이도는 가히 독보적입니다. 순수한 단단함만 놓고 보면 Ga₂O₃의 모스 경도는 6.5 전후로, SiC(경도 9)나 사파이어(경도 9)보다 오히려 낮습니다. 그럼에도 불구하고 최악의 난공불락 소재로 불리는 이유는 바로 이 '벽개성(쪼개짐)'과 '취성(깨짐성)'의 치명적인 결합 때문입니다.

지립으로 조금만 강하게 누르면 깨지고, 슬쩍 끌고 가면 표면이 뜯겨 나가버립니다. 단순히 연삭 저항만 낮춘 일반적인 프리 커팅(Free cutting) 설계로는 어림도 없습니다. 지립의 형상, 입도 분포, 패드의 본드 강성(결합력), 슬러리의 화학적 조건(pH) 그 모든 요소를 오직 '소재를 깨뜨리지 않고 미세하게 긁어내듯 깎아내는' 방향으로 완전히 재설계해야 합니다.

[Ga₂O₃ 저데미지 연마의 최신 어프로치]

• 세리아CeO2계 지립: 실리콘 연마에서 입증된 특유의 화학적 반응성을 활용하여, 산화갈륨에 대해서도 결정 손상을 극한으로 줄인 정밀 연삭을 구현할 수 있음이 증명되고 있습니다.
• 콜로이달 실리카 CMP: 알칼리성 슬러리 환경에서 OH-이온을 통한 Ga-O결합의 화학적 어택을 활성화함으로써, 내부에 잔존하는 가공 변질층(SSD)을 거의 완벽하게 제거할 수 있다고 보고되고 있습니다.
• PEC-CMP (광전기화학 아시스트 CMP): 자외선(UV) 광조사 기술을 결합한 광전기화학식 하이브리드 가공 공정으로, 최근 학계 및 업계에서 차세대 핵심 공정으로 논문 발표가 급증하고 있습니다.

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5. 연마 기술이 차세대 파워 반도체 시장을 가속화시킨다

향후 산화갈륨 웨이퍼 시장이 본격적으로 개막할 때, 글로벌 기업들의 성패를 가를 절대적인 열쇠는 바로 '소재를 깨뜨리지 않고 완벽하게 표면을 연마해내는 기술'입니다. Mipox가 전 세계 반도체 라인에서 SiC, 사파이어, GaN 기판을 가공하며 쌓아온 초정밀 노하우는 산화갈륨의 난제를 해결하는 데 가장 확실한 무기가 될 것입니다.

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[Mipox가 보유한 경취성 난삭재 가공 역량]

1. 지립 형상의 정밀 제어: 미세 벽개와 깨짐을 유발하지 않는 최적의 지립 형상 및 입도 분포 설계
2. 독보적인 분산·해쇄 기술: 슬러리 내부에서의 지립 뭉침(응집) 현상을 억제하여 국소적 스크래치 차단
3. 화학적 보조 메커니즘 설계: 기계적인 물리력에만 의존하지 않고, 최적의 화학 반응(수화 반응 등)을 유도하는 하이브리드 공정 튜닝

소재를 개발하는 원천 기술과, 그것을 실제 사용할 수 있는 완벽한 형태로 다듬어내는 가공 기술 ─ 이 두 바퀴가 완벽하게 맞물려 굴러갈 때 비로소 새로운 소재는 시장을 지배할 수 있습니다. 산화갈륨은 압도적인 비용 경쟁력을 무기로 머지않은 미래에 파워 반도체 시장의 주류로 자리 잡을 혁신적인 소재입니다.

차세대 전력 반도체의 거대한 패러다임 변화 속에서, 연마 기술의 관점으로 이 한계를 어떻게 돌파할 것인가 ─ 산화갈륨은 우리 표면가공 업계에 가장 날카롭고도 매력적인 질문을 던지고 있는 소재입니다.

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[차세대 파워 반도체 기판 초정밀 CMP 및 가공 기술 상담]

SiC, GaN을 넘어 포스트 와이드 밴드갭 소재로 주목받는 산화갈륨(Ga₂O₃). 하지만 특유의 벽개성과 취성으로 인한 웨이퍼 깨짐, 깊은 가공 변질층(SSD) 불량으로 공정 개발에 큰 한계를 겪고 계십니까?

일본 Mipox의 독보적인 고정밀 지립 배향 기술과 최첨단 화학적 기계적 연마(CMP) 솔루션을 국내 시장에 총판 공급하는 대양하이테크가 귀사의 R&D와 수율 안정화를 완벽하게 지원해 드립니다.

원자 단위의 표면 조도를 구현하는 최적의 다이아몬드/세리아 슬러리 선정부터 맞춤형 위탁 임가공 테스트까지, 차세대 반도체의 한계를 뚫어낼 확실한 공정 파트너가 필요하시다면 지금 바로 대양하이테크로 문의해 주시기 바랍니다.

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