실리콘 웨이퍼 제작 - 웨이퍼의 결정성

 

전기아크로를 이용하여 만들어진 금속규소는 다양한 형태로 가공되어 사용된다.

그중 반도체에서는 웨이퍼(Wafer)로 가공되어 사용된다.

일반적으로 전기아크로에서 만들어진 금속규소의 경우 다결정성을 가진다.

반도체 웨이퍼로 사용되기 위해서는 단결정성이 되어야 하므로 다시 녹여 결정을 재정립한다.

재정립된 단결정성을 가진 금속규소를 목적에 맞게 자른 뒤,

여러 가지의 가공을 걸치면 반도체의 기초를 쌓기 위한 웨이퍼가 탄생한다.

태양광에 사용되는 경우도 마찬가지로 다결정의 금속 실리콘을 녹인 뒤,

잉곳을 형성하여 가공을 하여 생산한다.

 

 

 

Manufacture of wafers and cells

왼쪽 사진은 금속규소에서부터 반도체 웨이퍼까지의 공정을 그림으로 나타내었다.

오른쪽 태양광에 사용되는 셀의 공정과 비교하면 크기와 모양만 다를 뿐 공정 자체는 유사하다.

 

실제 사용되는 웨이퍼는 순수한 실리콘으로만 이루어져 있지 않다.

불순물을 넣어주어 생산을 하기도 하지만 오늘은 생략하고 제작 공정에 관해서만 다루겠다.

 

잉곳(Ingot)이란 주괴라는 뜻을 가진 용어로 실리콘 덩어리라고 보면 된다.

잉곳은 3가지의 종류의 방향 있는데, 원자의 결합 배열이라고 보면 된다.

아래 그림은 각각의(단결정/다결정/비정질) 그림이다.

 

 

 

 

Manufacture of wafers and cells

단결정 실리콘(Monocrystalline / Singlecrystalline)
규칙적인 원자 배열을 가지므로 매우 안정적인 공유결합을 한다.
위 사진은 TEM(transmission electron microscope)을 이용하여 본 단결정 실리콘이다.
한 방향으로 결합을 이루고 있기에 전기전도성이 좋다.
단점으로는 부서지기 쉽고 생산 비용이 매우 비싸다.

 

 

 

TEM image of Silicon

 

 

다결정 실리콘(Polycrystalline)
어느 정도 규칙성을 가진 배열이 존재한다.
단결정에 비하여 낮은 전도성을 띠고 있으나, 비정질보단 비교적 높은 전도도를 가진다.
단결정 보다 낮은 생산 비용으로 많이 사용된다.
특히나 태양전지나 TFT(thin film transistor)에 많이 사용된다.

 

 

 

TEM image of amorphous silicon

비정질 실리콘(Amorphous)
저렴한 생산 비용으로 인해 초기 LCD에서 필수적인 재료로 사용되었다.
그러나 매우 낮은 전도성으로 인해 고해상도 디스플레이 구현에는 한계가 있다는 단점이 있다.
지금은 TFT에 사용이 되고 있다.

 

 

 

 

 

 

사진 출처 및 참고 자료

Inspecting Unpatterned Wafers , 16 August 2018, Mark Lapedus

https://www.viridiansolar.co.uk/resources-4-2-photovoltaic-solar-cells.html

https://csclub.uwaterloo.ca/~matedesc/exam-notes.html

Thermal Conductiviyt of Individual Silicon Nanowires ,Oct 2003, Yiying Wu, Deyu li

Electron Radiation Effects of Grain-Boundary Evolution on Polycrystalline Silicon in MEMS, May 2022, Lei Wang, Haiyun Liu, Xing Liu

TEM investigation on the structure of amorphous silicon monoxide, 1 June 2003, Klaus Schulmeister, Werner Mader

https://news.samsungdisplay.com