[Chapter 1] 1.3 반도체 결정의 성장(1)

안녕하세요 물리는 무리야 입니다.

 

반도체는 2차 세계대전 중 레이더 시스템이 개발되면서 집중적인 연구가 시작되었습니다.

고순도의 Ge 결정의 개발이 반도체  연구에 시작점이었다고 할 수 있습니다.

 

현재는 순수한 단결정 Si의 성장이 반도체 산업의 기본이 되는 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

자연상에는 Si가 SiO2의 형태로 존재하고 있습니다. 

SiO2를 매우 높은 온도(~1800℃)로 코크상태 탄소와 반응시킨다.

 

SiO2 + 2C → Si +2CO

이를 통해 만들어진 Si는 MGS(metallurgical grade silicon)입니다.

Fe와 Al과 같은 무거운 금속 불순물이 몇 백에서 몇 천 ppm수준 으로 함유되어

전기적인 응용에 적합할 만큼 충분히 순수하지 않고, 단결정이 아니기 때문에

불순물 수준을 낮추기 위해서 건식 HCl과 반응을 시킵니다.

 

Si + 3HCl → SiHCl3 +H2

이때 부산물로 FeCl3와 같은 불순물을 포함한 염화물이가 같이 발생하는데 

이것은 SiHCl3와 끓는점이 달라, 부분증류법(fractional distillation)이라는 기술을 사용하여 

훨씬 더 정제된 SiHCl3를 얻게 되고

수소와 반응시켜 높은 순도의 EGS(electronic grade silicon)로 변환시킵니다.

 

SiHCl3 + 2H2 → 2Si + 6HCl

 

위 과정을 통해 만들어진 EGS는 아직은 다결정이기 때문에 단결정 주괴(ingot)나 공(boule)으로 변환시켜야합니다.

변환시키는 방법에는 EFG법, Bridgman법, Czochralski법, Kyropoulos법, HEM가 있습니다.

 

이중에서 가장 대표적인 Czochralski법에 대해서 알아보겠습니다.

Czochralski법은 인장-회전법을 이용한 대표적인 단결정 실리콘 성장법입니다.

집적회로용 기판, 태양전지에 사용이 됩니다.

만들어지는 주괴가 대구경이고 고순도(>9N)입니다.

(1N = 99.9%, 9N = 99.999999999%)

 

주괴가 만들어지는 방법은

먼저 EGS를 용융시켜 (용융점 - 1412℃) 안쪽에 석영을 붙인 흑연 도가니에 담습니다.

시드(seed)결정을 용융된 Si 속에 넣은 후 천천히 회전시키며 올리게 되면 

시드 위로 결정이 성장됩니다. 

초크랄스키법 모식도&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;지름 8인치 <100> 방향으로 성장된 Si 결정

회전을 하는 이유는 용융체를 약간 저어주면서 온도를 균등하게 만들어

불균등한 응고를 방지하는데 목적이 있습니다.

 

초크랄스키 법

현재는 직경 300mm (12인치), 무게 100kg 이상인 실리콘 단결정을 생산 한다고 합니다.

 

단결정 실리콘 주괴(ingot) 1m 길이, 140kg

이렇게 만들어진 주괴를 웨이퍼로 만들기 위해서

자르고 연마과정을 통해서 300mm의 웨이퍼를 만들게 됩니다.

Si 웨이퍼 제작 과정