[공정] 단결정을 쓰는 이유

 

연구실에서도, 회사에서도 웨이퍼 조각을 쓸때면 늘 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용했었다.

그러다 문득 궁금해진점

 

"왜 단결정을 쓸까?"

 

단결정을 사용하는 공정적인 관점에서의 설명은 따로 들어본적이 없었던 것 같다.

궁금함이 사라지기 전에 단결정에 대한 생각을 잠시 정리해봐야겠다.

 

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단결정

 

 우선 단결정에 대해 생각해보자.

Silicon과 같은 물질이 뭉치면 크게 아래 3가지 상태로 구성된다.

 

1. 비정질(Amorphous)

 아무런 결정구조가 없는 상태로, 이 상태의 물질은 난잡하게 배열되어있다.

자연에서 가장 발견되기 쉬운 구조이며, 보통 이렇게 얻어진 Silicon을 다시 단결정으로 만드는 공정을 거쳐서 사용한다.

2. 다결정(Polucrystalline)

 국소적으로 결정배열을 띄고있지만, 전체적으로 서로 다른 결정구조를 가진 것.

말이 복잡한데, 아래에서 설명할 단결정 여러조각이 서로 뭉쳐져있다고 보면 된다.

은근 중요한게, 단결정은 성장을 통해 생성할 수 있는데, 모든 공정이 당연히 성장으로 진행되지 않기에 상당수의 공정에서 다결정 물질구조가 등장한다. 이 때 결정구조간의 경계면을 Grain Boundary라고 하며, 이 Grain Boundary의 크기와 밀도에 따라 물성이 달라지기도 한다.

3. 단결정(Single Crystal)

 단일 구조로 배열된 가장 이상적인 결정구조.

자연상태에서 흔하게 존재하진 않기에 의도적으로 형성해줘야하며, 보통 성장 기법을 통해 생성한다.

모든 원자가 동일방향으로 일정한 규칙성을 갖고 배열되어있으며, 제조단가도 당연히 가장 높은 편이다.

 

 

a - 비정질 / b - 다결정 / c - 단결정

 

 

이러한 단결정의 중요성은 그 구조에 있는데, 반도체나 여타 전자산업에 있어서 전자의 이동이 편하다는 것으로 모두 설명이 된다.

정돈되지 않은 비정질 실리콘이나, Grain boundary에 의해 전자 이동이 중간중간 가로막히는 다결정구조에 비해 단결정은 전자가 인가된 전압만 있다면 충분히 자유롭게 돌아다닐 수 있는것.

이건 곧 저항과 인가전압 측면에서의 이점을 가져다줄 수 있다. (정확히는... 이점보다 필요조건이라고 보는게 맞을 것 같다.)

 따라서 제품의 고성능을 추구하는 전자산업에서는 단결정 구조가 필수적이고, 반대로 성능이 별로 중요하지 않은 공정일때는 비용의 이점에서 비정질구조를 많이 사용하기도 한다.

 

 

실리콘 잉곳

 

 단결정은 당연히 쉽게 얻어지지 않는다.

자연상태의 실리콘(보통은 모래)에서 단결정상태로 만들자니 단순한 방법으로는 불가능할 것 같다.

단결정 실리콘을 만드는 가장 대표적인 방법은 초크랄스키법이다.

이는 먼저 단결정 seed를 가지고있어야 하는데, 고온에서 녹여낸 고순도의 실리콘 위에 seed를 살짝 접촉시킨다.

이후 회전시키면서 seed를 뽑아내면 녹아있던 실리콘들이 순식간에 결정화되면서 seed 실리콘의 결정구조와 동일하게 뽑혀나오게 되는 원리다.

이렇게 뽑아낸 단결정 실리콘 기둥을 잉곳이라고 하며, 이 잉곳을 다이아몬트 톱으로 원판형태로 썰어서 쓰는것이 웨이퍼다.

 

실리콘 잉곳

 

 이를 주로 만드는 회사는 sk 실트론과 섬코가 대표적이고, 주로 고성능 반도체 공정에서 주로 사용되지만 배터리나 디스플레이 전면부 등의 전반적인 전자산업에서는 두루두루 쓰이고있다.