고순도 실리콘의 탄생
면접관 : '모래에서 고순도 다결정 Si로 어떻게 바뀌는지 혹시 설명해 주실 수 있으실까요?'
A : '쵸크라스키 방법, Zone refining 방법으로 고순도 Si가 바뀌어집니다.'
면접관 : '아니요, 그건 단결정 ingot을 만드는 과정이고요. 그 전 과정이요.'
A :??
이 면접은 실제로 있었던 면접 질문이었습니다.
액체 상태의 고순도 poly 실리콘을 쵸크라스키 방법을 이용하여 고순도 단결정 Si ingot을 만드는 과정은 쵸크라스키, Float zone 방법입니다. 이 이론까지 대학에서 배웁니다.
하지만, 액체 상태의 고순도 poly 실리콘을 만드는 방법에 대해서 들어보신 적이 있나요?
현재 쓰이는 반도체급 실리콘은 다음과 같은 과정으로 만들어집니다.
Silica > Metal grade Si > Poly Si > Ingot > wafer
현재 우리는 poly Si > Ingot > wafer의 과정만 배웠습니다.
하지만 쵸크라스키 방법이든, Float - zone refining이든 poly Si이 필요합니다.
모래에서 99% 순도의 액체 실리콘으로 "Silica > Metal grade Si"
반도체에 대해 깊게 아시는 분들이면 왜 실리콘이 신이 주신 물질인지 다 아실 겁니다.
실리콘은 어디에나 있으니까요. 하다 못해 어린이들이 뛰어노는 놀이터에도 깔린 게 실리콘입니다. '모래'이지요.
암튼 이 모래(SiO2)에 엄청 높은 열을 가해서 Si을 만듭니다.
아크 방전로에서 모래와 탄소를 넣고, 1800도 이상의 뜨거운 열을 가하면 99% 순도의 액체 상태 (MG-Si)이 형성됩니다.
MG 액체 실리콘에서 순도가 높은 실리콘으로 "Metal grade Si > 11N Si"
금속 급 순도(MG)의 액체 실리콘이 만들어지면, Si에 HCl 혹은 SiCl3 + H2를 결합시킵니다.
HCl를 결합시키면 SiHCl3이라는 삼연화실란(TCS)이 되며, SiCl3 + H2를 결합시키면 SiH4라는 모노실란(MS)이 됩니다.
이 실란을 '기화' 시켜 실란 가스로 만들어 줍니다.
기체 상태로 바꾸는 이유는, 인류가 구현할 수 있는 최고 순도로 정제를 할 수 있기 때문입니다.
이 실란을 최고 순도(11N)로 정제를 합니다.
정제는 '증류'의 원리를 이용합니다. (수증기가 거울에 맺히는 원리와 같습니다.)
TCS의 끓는점은 32도이므로, 32도의 열을 가해주면 기화가 되어 날아다니다가, 벽에 닿아 식어 액체가 됩니다.
그럼 불순물이 없어진 TCS를 얻을 수 있겠죠? 불순물은 32도의 온도에서 기화가 되지 않으니까요.
순도가 높은 실리콘에서 순도가 높은 폴리 실리콘으로, 지멘스 방법
"11N Si > Poly Si"
이 액체 상태 실리콘을 다시 고체로 만들어야 합니다.
고온의 Si 막대와 다시 기체화된 원료가스 실란이 반응하면 실란의 Si 성분이 Si 막대에 붙으며 고순도 poly 실리콘이 만들어집니다.
요약하자면 다음과 같습니다.
1. 모래를 가져와 높은 온도로 가열을 시켜 MG-Si를 갖고 옵니다.
2. 이 MG-Si를 가스화시켜 11N 이상까지 정제합니다.
3. 지멘스 방법으로 11N 이상의 poly-Si를 만듭니다.
참고로, 태양전지처럼 적당한 순도(7N)의 Poly-SI를 만들고 싶으면 FBR 법을 사용합니다.
FBR 법은 batch 방법이기 때문에 연속 생산이 가능하여 생산량을 극대화시킬 수 있습니다.
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