웨이퍼: PV 세계를 지탱하는 마법 같은 소재 [SMM 대중 과학]

SMM 5월 16일 뉴스:

01 웨이퍼란 무엇인가

현대 기술의 물결 속에서 웨이퍼는 전자정보 산업의 여러 분야에서 찬란한 별처럼 빛나고 있다. 흔히 옥상에서 볼 수 있는 태양광 패널도 핵심 소재인 웨이퍼 없이는 불가능하다.

웨이퍼는 원자번호 14번인 주기율표 14족 원소인 실리콘으로 이루어진 얇은 조각이다. 반도체 소재로서 독특한 전기적 특성을 지니며, 도체와 절연체 사이에서 작동할 수 있어 다양한 전자소자 제조에 핵심적인 재료다.

02 웨이퍼의 분류

단결정 실리콘? 다결정 실리콘? 이들의 공통점과 차이점은 무엇일까? 단결정 실리콘과 다결정 실리콘의 근본적인 차이는 결정 구조에 있다. 실리콘 원자들은 많은 결정핵 속에서 로 배열된다. 이 결정핵들이 동일한 결정면 방향을 가진 그레인으로 성장하면 단결정 실리콘이 되고, 서로 다른 결정면 방향의 그레인으로 성장하면 다결정 실리콘이 된다.

(I) 단결정 실리콘 웨이퍼

태양광 PV 분야에서 웨이퍼는 보통 단결정 실리콘 웨이퍼를 가리킨다. 일반적인 단결정 실리콘 웨이퍼의 주요 기능은 태양광을 이용한 발전과 열원료로 사용하는 것이다. 단결정 실리콘 웨이퍼는 고순도 단결정 실리콘 잉곳에서 절단되며, 순도는 일반적으로 5나인, 즉 99.999% 실리콘이 요구된다. 단결정 실리콘은 규칙적인 원자 배열을 가지며 완벽한 결정 구조를 나타낸다. 이 구조 덕분에 단결정 실리콘 웨이퍼는 뛰어난 전기적·기계적 특성을 갖는다.

현재 단결정 실리콘 웨이퍼는 크게 N형과 P형 웨이퍼로 나뉜다. N형과 P형 웨이퍼의 구분은 진성 실리콘 단계에서 도핑되는 원자의 차이에 주로 기인한다. 예를 들어, 진성 실리콘에 5가 원소(인, 비소 등)를 도핑하면 N형 단결정 실리콘이 형성되고, 3가 원소(붕소, 갈륨 등)를 도핑하면 P형 단결정 실리콘이 형성된다. 다음 그림은 N형과 P형 단결정 실리콘의 격자 구조를 보여줍니다(왼쪽이 P형, 오른쪽이 N형).

고순도 폴리실리콘을 원료로 CZ(초크랄스키법) 또는 FZ(부유 영역법)와 같은 결정 인상 기술을 이용해 폴리실리콘을 단결정 실리콘 잉곳으로 변환합니다. 초크랄스키법은 종자 결정을 용융 실리콘 액에 담그고 천천히 회전시키며 위로 끌어올려 실리콘 원자가 종자 결정 위에 규칙적으로 배열되도록 하여 단결정 실리콘 잉곳을 형성합니다. 부유 영역법은 고주파 유도 가열을 사용하여 실리콘 잉곳을 국부적으로 녹여 결정 성장 특성을 활용해 고순도 단결정 실리콘 잉곳을 얻습니다. 단결정 실리콘 잉곳을 얻은 후에는 얇은 웨이퍼로 절단한 다음 연삭 및 연마 등의 공정을 거쳐 표면이 매끄럽고 정밀한 치수의 단결정 실리콘 웨이퍼를 얻습니다.

단결정 실리콘 웨이퍼의 주요 규격은 N형 183, N형 210, N형 210R입니다. 이 세 종류의 웨이퍼가 현재 시장의 주류 대형 웨이퍼입니다. 나머지 P형 웨이퍼로는 주로 182와 P형 210이 있습니다. 기타 초기 주류 크기로는 점차 단종된 M6(166mm), 과도기 크기인 G1(158.75mm), 과거 주류 크기인 M2(156.75mm)가 있습니다. 또한 M10D, M10L, M10DL 등의 다른 모델 직사각형 실리콘 웨이퍼와 182.2×191.6mm 크기의 직사각형 실리콘 웨이퍼도 있습니다.

(II) 다결정 실리콘 웨이퍼

다결정 실리콘 웨이퍼는 다결정 실리콘 잉곳에서 잘라냅니다. 폴리실리콘의 원자 배열은 무질서하며 여러 작은 결정립으로 이루어져 있습니다. 따라서 다결정 실리콘 웨이퍼에는 N형이나 P형의 구분이 없습니다. 무질서한 배열로 인해 전기적 성능은 단결정 실리콘 웨이퍼보다 떨어지지만, 제조 공정이 비교적 간단하고 비용 효율적입니다. 다결정 실리콘 잉곳 제조에는 일반적으로 주조법이 사용됩니다. 고순도 폴리실리콘을 용융하여 주형에 붓고, 냉각 및 응고시켜 다결정 실리콘 잉곳을 형성합니다. 이후 잉곳을 절단, 연삭 및 연마하여 다결정 실리콘 웨이퍼를 얻습니다.

다결정 실리콘 웨이퍼는 주로 태양전지 분야에 사용됩니다. 광전 변환 효율은 단결정 실리콘 웨이퍼보다 다소 낮지만, 뚜렷한 비용 우위 덕분에 대규모 태양광 발전 프로젝트에 널리 활용됩니다. 일부 태양광 발전소 및 가정용 태양광 발전 시스템에서 볼 수 있는 태양광 패널 대부분이 다결정 실리콘 웨이퍼로 제작됩니다.

(III) 비정질 실리콘 웨이퍼

비정질 실리콘 웨이퍼, 즉 비정질 실리콘은 일종의 비정질 반도체 소재입니다. 원자 배열에 명확한 주기성이 없어 무질서한 상태를 띱니다. 비정질 실리콘 웨이퍼의 일반적인 제조 방법은 기상 증착법으로, 글로 방전 분해법과 스퍼터링 등이 있습니다. 글로 방전 분해법은 진공 챔버에서 실란과 같은 가스를 고주파 전기장의 영향으로 분해하여, 실리콘 원자가 기판 위에 증착되어 비정질 실리콘 막을 형성하는 방식입니다. 스퍼터링은 고에너지 이온으로 실리콘 타깃을 충돌시켜, 실리콘 원자가 기판 위에 스퍼터링되어 비정질 실리콘 막을 형성하는 방식입니다.

비정질 실리콘 웨이퍼는 주로 박막 태양전지 및 센서와 같은 분야에 사용됩니다. 박막 태양전지 분야에서는 태양광 백팩, 태양광 자동차 등 특수 용도에 활용되는 유연 태양전지로 제작할 수 있습니다. 센서 분야에서는 비정질 실리콘 웨이퍼를 이용해 감광 센서, 온도 센서 등을 제조할 수 있습니다.

03 실리콘 웨이퍼 제조 방법

단결정 실리콘 웨이퍼의 제조 공정은 복잡하지 않습니다. 주원료는 고순도 폴리실리콘이며, 주요 핵심 공정은 결정 성장, 절단, 연삭, 검사 및 포장을 포함합니다.

(I) 결정 성장

먼저, 고순도 폴리실리콘을 단결정 실리콘 잉곳으로 변환해야 합니다. 이 공정에는 초크랄스키(CZ)법과 부유 구역(FZ)법이라는 두 가지 생산 방식이 있습니다. 태양광 PV 분야에서 CZ법이 단결정 실리콘 생산의 85%를 차지하며 널리 사용됩니다. 원리는 종자 결정을 용융 실리콘에 담그고 천천히 회전시키며 위로 당겨 올리면, 실리콘 원자가 종자 결정 위에 규칙적으로 배열되어 단결정 실리콘 잉곳이 형성됩니다.

먼저 폴리실리콘과 도펀트(붕소, 인 등)를 석영 도가니에 쌓아 넣고 1420°C로 가열해 용융시킵니다. 얻어진 용융 실리콘은 N형과 P형 재료를 구분하는 중요한 단계로, 이때 첨가되는 원료에 따라 유형이 결정됩니다. 종자 결정(작은 단결정 실리콘 조각)을 천천히 내려 용융물에 접촉시킵니다. 인상 속도(약 1~5mm/min)와 온도 기울기를 제어하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킵니다. 일반적인 직경은 6인치(150mm), 8인치(200mm), 12인치(300mm)입니다. 아래 그림은 결정 인상 공정 시연을 보여줍니다.

(II) 절단, 연삭 및 연마

결정 인상 과정에서 단결정 실리콘 잉곳의 직경 제어는 어렵습니다. 그림은 단결정로의 결정 인상 기술 사양을 나타냅니다.

인상된 단결정 실리콘 잉곳은 머리, 꼬리, 가장자리를 제거하여 원통형 실리콘 잉곳을 얻습니다. 6인치, 8인치, 12인치와 같은 표준 직경을 맞추기 위해 결정 인상 후 실리콘 웨이퍼는 외경 연삭을 거치며, 일반적으로 실리콘 잉곳의 동심도가 1% 미만이어야 합니다. 이는 생산 중 직경 편차를 없애기 위함입니다. 이후 단결정 실리콘 잉곳을 각형 가공하여 원통형 실리콘 웨이퍼를 정사각형 잉곳(예: 156mm×156mm, 182mm×182mm 등)으로 만듭니다. 각형 가공된 잉곳 표면을 연마하여 산화층과 버를 제거해 후속 절단을 용이하게 합니다. 연마 후 실리콘 잉곳을 절단대에 고정합니다. 다이아몬드 와이어를 팽팽하게 당기고(와이어 간격은 실리콘 웨이퍼 두께에 따라 다름), 모르타르(절삭유 + 탄화규소) 순환을 통해 다이아몬드 와이어가 고속으로 왕복 운동하며(와이어 속도 10~20m/s) 실리콘 잉곳을 얇은 슬라이스로 절단합니다(두께 150~200μm, N형 실리콘 웨이퍼는 130μm 이하로 더 얇음). 아래 그림은 결정 인상 후 실리콘 잉곳의 측면 구조 개략도이다.

초기 절단 후 단결정 실리콘 웨이퍼 두께는 보통 150~200μm(PV 용도)이다. 이 단계의 단결정 실리콘 웨이퍼는 셀 제조 요건을 충족하지 못한다. 표면에 손상과 거칠기가 존재하므로 손상된 표면층 제거와 요구 두께 및 평탄도 확보를 위해 연마가 필요하다. 연마기를 사용하며, 탄화규소 연마재와 알칼리성 용액(예: NaOH)을 매개로 웨이퍼 양면을 연마해 표면 평탄도 오차를 <5μm로 유지한다. 모서리를 둥글게 가공한 후 최종 폴리싱을 진행한다. 특히 웨이퍼 가장자리를 별도 폴리싱하여 날카로운 모서리를 없애 셀 제조 시 누설 위험을 줄인다. 웨이퍼 표면은 매끄럽고 평탄하게 가공되며, 거칠기(Ra) ≤0.1nm를 달성한다. 이 시점에도 여전히 표면에 다른 불순물이 남아 추가 세정이 필요하다.

먼저 알칼리 세정을 실시한다: NaOH 용액으로 표면의 절단 잔여물(모르타르)과 금속 이온을 제거한다. 2단계: 산 세정: HF/HNO₃ 혼합액으로 표면 산화층과 중금속 불순물을 제거한다. 탈이온수 헹굼: 다중 초음파 세정으로 표면에 미립자 잔류(입자 크기 <1μm)가 없도록 한다. 세정 후 웨이퍼 생산은 기본적으로 완료된다. 그러나 생산된 웨이퍼 품질을 아직 알 수 없으므로 최종 검사가 필요하다.

(III) 검사 및 포장

웨이퍼 생산 완료 후 후속 셀 제조 요건 충족 여부 확인을 위해 일련의 성능 검사를 실시한다. 웨이퍼 생산업체마다 품질 기준이 다르며 주로 A등급, B등급, C등급으로 분류된다. 웨이퍼 품질은 주로 외관 품질, 치수 정밀도, 비저항, 소수 캐리어 수명, 결정 결함 등 측면에서 평가된다. 먼저 길이, 폭, 두께 등 물리적 치수를 측정한다. 마지막으로 평탄도와 관련 기계적 특성을 측정한다. 전기적 특성 측정 시, 일반적으로 4-포인트 프로브 방법을 사용하여 웨이퍼의 저항률을 측정한다. N형 웨이퍼의 저항률 범위는 일반적으로 0.5~2 Ω·cm이다. 또한 마이너리티 캐리어 검사도 필요하며, 보통 마이크로웨이브 광도전 감쇠법을 사용한다. 펄스광이 캐리어를 주입하고, 마이크로웨이브 센서가 전도도 감쇠 곡선을 검출하여 피팅한 후 마이너리티 캐리어 수명(τ)을 구한다. 이 검사 방법은 암실 환경에서 수행해야 한다는 점에 유의해야 한다. 수명이 높을수록 캐리어 재결합이 적어지고 셀 효율이 높아진다. N형 웨이퍼의 마이너리티 캐리어 수명은 일반적으로 500μs이다.

물리적·전기적 특성 외에도 웨이퍼 내 불순물 함량도 웨이퍼 품질을 결정하는 중요한 요소인데, 예를 들면 산소 함량이다. 일반적으로 실리콘 내 불순물은 금속 불순물과 비금속 불순물의 두 가지로 분류된다. 금속 불순물 측정에는 일반적으로 ICP-MS(유도 결합 플라즈마 질량 분석법)가 사용된다. 보통 웨이퍼 샘플을 채취하여 산에 용해시킨 후 질량 분석기로 미량 금속 원소를 검출한다. 총 금속 불순물 농도는 일반적으로 ≤ 1×10¹⁵ atoms/cm³이어야 한다. 탄소와 산소 함량 측정에는 적외선 분광기가 사용된다. 실리콘-산소 결합과 실리콘-탄소 결합의 적외선 흡수 특성을 이용하여 산소 함량(Cz 웨이퍼의 산소 함량은 일반적으로 1~1.5×10¹⁸ atoms/cm³)과 탄소 함량(≤ 5×10¹⁶ atoms/cm³)을 측정한다.

한 배치의 웨이퍼가 검사를 통과하더라도 태양전지 제조 공장으로 출하되기 전에 포장 공정을 거쳐야 한다. 핵심 목표는 웨이퍼의 물리적 완전성과 전기적 성능 안정성을 보호하는 것이다. 정밀한 포장 설계(정전기 방지, 방습, 충격 방지)를 통해 유통 중 웨이퍼 손실을 줄인다. 웨이퍼는 일반적으로 웨이퍼 포장 상자를 사용하여 포장 및 운송된다.

(IV) 보조 재료 소개

단결정 실리콘 웨이퍼 생산에는 몇 가지 필수 보조 재료가 필요하다. 이러한 재료에는 주로 도가니와 다이아몬드 와이어가 포함됩니다.

석영 도가니는 웨이퍼 생산에서 단결정 성장을 위한 핵심 소모품입니다. 석영 도가니의 핵심 특징은 고온 내성, 고순도, 그리고 검은 반점과 기포가 없는 것입니다. 내벽은 일반적으로 실리콘 용융물의 오염과 부식을 줄이기 위해 고온 내성 필름으로 코팅됩니다.

석영 도가니는 일반적으로 세 개의 층으로 나뉩니다. 가장 안쪽 층은 BaO 코팅(1420°C 이상의 온도에서 폴리실리콘과 직접 접촉)으로, 극도의 순도(금속 불순물 <5ppm)가 요구되며 보통 5-10μm 두께로 코팅됩니다. 이것의 목적은 바륨 실리케이트 보호막을 형성하여 실리콘 용융물에 의한 석영의 침식을 억제하는 것입니다. 중간층은 주로 구조적 지지를 제공하며 보통 순도 99.95% 이상의 SiO₂로 만들어집니다. 외층은 주로 도가니의 강도를 높이고 열 응력을 견디는 데 사용됩니다.

두 번째 핵심 보조 재료는 절단 와이어, 즉 다이아몬드 와이어입니다. 다이아몬드 와이어는 수지 접착 다이아몬드 와이어와 전기 도금 다이아몬드 와이어의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 태양광 PV 분야에서는 일반적으로 수지 접착 다이아몬드 와이어가 단결정 실리콘 웨이퍼 절단에 사용됩니다.

수지 접착 다이아몬드 와이어는 두 부분으로 구성됩니다: 인조 다이아몬드 실리콘 분말로 코팅된 내부 고탄소강 와이어(50-150μm)로, 직경 50-150μm의 다이아몬드 와이어를 형성합니다. 탄소강 와이어(0.8-1.2% C 포함, 인장 강도 >2500MPa)는 수지 접착제(페놀 수지 + 커플링제)를 통해 다이아몬드 미세 분말(입자 크기 5-40μm, 농도 20-30개/mm)이 표면에 고정되어 있습니다. 다이아몬드 와이어는 가이드 휠의 안내에 따라 고속으로 앞뒤로 움직이며(와이어 속도 10-20m/s), 실리콘 잉곳은 0.1-0.5mm/min의 속도로 와이어 메쉬에 수직으로 절단되어 실리콘 잉곳을 웨이퍼로 절단하는 공정을 완료합니다.

04 웨이퍼의 발전 역사와 미래 동향

(I) 웨이퍼 두께 – 박형화

웨이퍼 두께는 산업 기술의 발전과 비용 절감 요구에 따라 박형화되는 추세를 보이고 있습니다. 2000년경 태양광 기업 초기， 웨이퍼 두께는 대부분 300μm～400μm 범위였으며， 주로 슬러리 절단 기술의 손실과 웨이퍼의 기계적 강도 요구 사항에 의해 제한되었습니다． 이 시기에는 폴리실리콘 손실이 비교적 높았지만， 두꺼운 웨이퍼는 상대적으로 다루기 쉬웠습니다．

2000년부터 2010년까지는 태양광 기술이 급속히 발전한 시기였습니다． 이 10년 동안 웨이퍼 두께는 300μm～400μm에서 150μm～180μm로 감소했습니다． 2010년부터 2020년까지는 웨이퍼 박형화가 빠르게 진행된 시기였습니다． 이 단계에서 웨이퍼 두께 감소의 주된 이유는 다이아몬드 와이어 톱질 기술의 도입으로， 점차 슬러리 톱질을 대체했기 때문입니다．

2010년 이후， 다이아몬드 와이어 톱질 기술은 계속 발전하여 다이아몬드 와이어의 직경이 지속적으로 감소했습니다． 웨이퍼 강도 향상 또한 웨이퍼 박형화에 기여했습니다． 엣지 패시베이션 및 레이저 도핑과 같은 기술은 웨이퍼의 균열 저항성을 향상시켜 더 얇은 웨이퍼 사용을 뒷받침했습니다． 전반적으로， 웨이퍼 두께의 발전은 두꺼운 다결정 실리콘 웨이퍼에서 단결정 실리콘 웨이퍼로 진화했으며， 초기 300μm～400μm에서 현재 100μm로 전환되었습니다． 기술이 지속적으로 발전함에 따라 웨이퍼 두께는 꾸준히 감소했습니다．

(II) 웨이퍼 크기 - 대형화

2012년 이전에는， 웨이퍼 크기가 지속적으로 증가했습니다． 웨이퍼 생산 초기 단계에서는， 반도체 웨이퍼 기술의 영향을 받아 태양광 웨이퍼 크기는 비교적 작고 분산되어 있었습니다． 게다가 당시 슬러리 톱질 기술은 웨이퍼 두께와 크기를 모두 제한했으며， 다결정 실리콘 웨이퍼가 시장을 지배했고 단결정 실리콘 웨이퍼는 초기 단계에 있었습니다．

2012년부터 2018년까지는 표준화가 확립된 시기였습니다． 이 기간 동안 최상위 기업들이 공동으로 M2 (156．75mm) 웨이퍼를 도입했고， 이는 이후 업계'의 통일된 규격이 되었습니다． 2018년에 정점을 찍었으며， 그 해 시장 점유율 85%를 차지했습니다． 이 시점까지 폴리실리콘은 점차 단결정 실리콘 웨이퍼로 대체되었습니다．

2018년 이후， 웨이퍼 시장은 대형화 경쟁 단계에 접어들었습니다．2018년, 진코는 G1(158.75mm) 웨이퍼를 출시했습니다. 2019년, 론지는 M6(166mm) 웨이퍼를 출시했으며, 이는 M2 대비 면적을 15% 증가시켜 모듈 출력이 400W를 초과했습니다. 같은 해, TCL중환은 G12(210mm) 웨이퍼를 출시했으며, M6 대비 면적을 60.8% 증가시켜 초고출력 시대를 열었습니다. 2020년, 론지는 진코 및 JA솔라테크놀로지와 협력하여 M10(182mm) 웨이퍼를 공동 출시했으며, 출력과 산업 체인 호환성을 균형 있게 조화시켰습니다.

현재까지 183mm, 210R, 210 크기의 N형 단결정 실리콘 웨이퍼가 시장을 주도하고 있습니다. 그림에서 보듯이, 시장은 초기의 다양한 웨이퍼 크기에서 중기의 단일 크기가 지배하는 표준화된 시장으로, 그리고 이제는 더 큰 웨이퍼 크기가 지배하는 시장으로 발전했습니다. 남아 있는 주류 규격은 182 정방형, 마이크로 직사각형, 그리고 210 시리즈의 세 가지입니다.

(III) 웨이퍼 생산능력 집중도

2015년 이후 웨이퍼 생산능력의 전반적인 추세는 집중화로, 초기에는 많은 기업들이 경쟁하던 시장에서 상위 5개 기업(CR5)이 시장 점유율의 대부분을 차지하는 시장으로 변화했습니다. 2016년부터 2020년까지는 복점 구도가 뚜렷했으며(CR2 50% 초과), 이는 주로 이들 최상위 기업들이 공동 출시한 M2형 웨이퍼가 업계'의 통일된 표준이 되었기 때문입니다. 이후 2021년 이후 신규 진입자(솽량 및 고킨솔라)가 독점을 깨며 CR5 점유율이 약 60%로 후퇴했습니다. 2024년에는 진코, JA솔라테크놀로지 등 일체형 생산기업들의 생산능력 증가로 CR5 점유율이 더욱 하락했습니다. 하지만 웨이퍼 시장은 여전히 전반적인 산업 집중을 보이며, 소규모 생산자 수가 크게 감소했습니다.

05 웨이퍼 생산 동향 및 주요 생산기업

(I) 태양광 설치량의 전년 대비 성장

2015년, 국가에너지국(NEA)은 처음으로 "태양광 빈곤 퇴치" 정책을 명확히 정의하여 농촌 분산형 태양광 프로젝트 시행을 촉진했습니다. 이후 중국의 태양광 설치량은 대체로 전년 대비 증가 추세를 보였습니다. 2018~2019년에는 531 정책과 폴리실리콘에서 단결정 실리콘으로의 전환기로 인해 설치량이 일시적으로 감소했으며, 정책은 시장 지향적 경쟁으로 전환되었습니다. 같은 해인 2019년에는 태양광 발전의 균등화 발전 비용(LCOE)이 석탄 화력 발전과 근접했습니다. 그 이후로 태양광 설치량은 전년 대비 빠르게 증가하는 단계에 진입했습니다. 현재, 청정 에너지 개발이 불가피한 추세 속에서 설치량은 높은 수준을 유지하고 있습니다. 또한 계통 연계 기술과 산업 표준화의 발전으로 분산형 태양광 발전은 여전히 상당한 설치 잠재력을 보유하고 있습니다.

(II) 주요 웨이퍼 생산업체와 생산능력

다음은 주요 웨이퍼 생산업체입니다. 이 목록에는 주로 웨이퍼를 외부에 판매하는 기업이 포함됩니다. 그 중에서 LONGi는 통합 기업이지만, 웨이퍼 생산 능력이 커서 웨이퍼 수출도 하고 있습니다. 하지만 앞서 언급된 Jinko와 JA Solar Technology 같은 기업은 높은 수준의 통합을 이루고 있어 웨이퍼를 외부에 거의 판매하지 않고 주로 내부에서 사용합니다. 따라서 여기에는 포함되지 않았습니다. 이 표는 각 생산업체가 제공하는 주요 웨이퍼 사양에 일정한 차이가 있지만, 대부분 N형, 대형 웨이퍼의 생산과 판매에 집중하고 있음을 보여줍니다.