단결정 실리콘 성장 방법에 대한 포괄적인 개요

단결정 실리콘 성장 방법에 대한 포괄적인 개요

1. 단결정 실리콘 개발 배경

기술의 발전과 고효율 스마트 제품에 대한 수요 증가는 국가 발전에서 집적회로(IC) 산업의 핵심적 입지를 더욱 공고히 했습니다. IC 산업의 초석인 단결정 실리콘 반도체는 기술 혁신과 경제 성장을 견인하는 데 중요한 역할을 합니다.

국제반도체산업협회(ISIA)의 자료에 따르면, 세계 반도체 웨이퍼 시장 규모는 126억 달러에 달했으며, 출하량은 142억 제곱인치로 증가했습니다. 더욱이 실리콘 웨이퍼 수요는 꾸준히 증가하고 있습니다.

그러나 글로벌 실리콘 웨이퍼 산업은 고도로 집중되어 있으며, 아래에서 볼 수 있듯이 상위 5개 공급업체가 시장 점유율의 85% 이상을 장악하고 있습니다.

• 신에츠 케미칼(일본)

• SUMCO(일본)

• 글로벌 웨이퍼

• 실트로닉(독일)

• SK실트론(한국)

이러한 과점 현상으로 인해 중국은 단결정 실리콘 웨이퍼를 수입에 크게 의존하게 되었고, 이는 국가의 집적 회로 산업 발전을 제한하는 주요 병목 현상 중 하나가 되었습니다.

현재 반도체 실리콘 단결정 제조 분야의 과제를 극복하기 위해 연구 개발에 투자하고 국내 생산 역량을 강화하는 것은 불가피한 선택입니다.

2. 단결정 실리콘 소재 개요

단결정 실리콘은 집적 회로 산업의 기반입니다. 현재까지 IC 칩과 전자 기기의 90% 이상이 단결정 실리콘을 주재료로 사용하여 제작되고 있습니다. 단결정 실리콘에 대한 광범위한 수요와 다양한 산업 분야에 활용되는 이유는 다음과 같습니다.

1. 안전하고 친환경적: 실리콘은 지구 지각에 풍부하게 존재하며, 독성이 없고 환경 친화적입니다.

2. 전기 절연: 실리콘은 본래 전기 절연 특성을 나타내며, 열처리를 하면 이산화규소의 보호층이 형성되어 전기적 전하 손실을 효과적으로 방지합니다.

3. 성숙 성장 기술: 실리콘 성장 공정의 기술 개발에 있어서 오랜 역사가 있어 다른 반도체 소재보다 훨씬 더 정교해졌습니다.

이러한 요소들이 합쳐져 단결정 실리콘이 업계의 선두를 유지하는 데 기여하고 있으며, 다른 소재로 대체할 수 없게 되었습니다.

결정 구조 측면에서 단결정 실리콘은 실리콘 원자들이 주기적인 격자로 배열되어 연속적인 구조를 이루는 물질입니다. 이는 칩 제조 산업의 기반이 됩니다.

다음 다이어그램은 단결정 실리콘 제조의 전체 과정을 보여줍니다.

프로세스 개요:
단결정 실리콘은 실리콘 광석에서 일련의 정련 단계를 거쳐 추출됩니다. 먼저 다결정 실리콘을 얻은 후, 결정 성장로에서 단결정 실리콘 잉곳으로 성장시킵니다. 이후, 잉곳은 절단, 연마, 가공 과정을 거쳐 칩 제조에 적합한 실리콘 웨이퍼로 만들어집니다.

실리콘 웨이퍼는 일반적으로 두 가지 범주로 나뉩니다.태양광 등급그리고반도체 등급이 두 유형은 주로 구조, 순도, 표면 품질이 다릅니다.

• 반도체 등급 웨이퍼최대 99.999999999%의 매우 높은 순도를 갖고 있으며, 단결정이어야 한다는 것이 엄격히 요구됩니다.

• 태양광 등급 웨이퍼순도가 99.99%에서 99.9999%까지로 덜 순수하며, 결정 품질에 대한 엄격한 요구 사항이 없습니다.

또한, 반도체급 웨이퍼는 태양광급 웨이퍼보다 더 높은 표면 평활도와 청결도를 요구합니다. 반도체 웨이퍼에 대한 더 높은 기준은 웨이퍼 제조 과정의 복잡성과 그에 따른 응용 분야의 가치를 모두 증가시킵니다.

다음 차트는 초기 4인치(100mm)와 6인치(150mm) 웨이퍼에서 현재 8인치(200mm)와 12인치(300mm) 웨이퍼로 증가한 반도체 웨이퍼 사양의 진화를 개략적으로 보여줍니다.

실제 실리콘 단결정 제조 과정에서 웨이퍼 크기는 적용 분야와 비용 요인에 따라 달라집니다. 예를 들어, 메모리 칩은 일반적으로 12인치 웨이퍼를 사용하는 반면, 전력 소자는 8인치 웨이퍼를 사용하는 경우가 많습니다.

요약하자면, 웨이퍼 크기의 변화는 무어의 법칙과 경제적 요인 모두의 결과입니다. 웨이퍼 크기가 커질수록 동일한 공정 조건에서 사용 가능한 실리콘 면적이 늘어나 생산 비용을 절감하는 동시에 웨이퍼 가장자리의 낭비를 최소화할 수 있습니다.

현대 기술 발전의 핵심 소재인 반도체 실리콘 웨이퍼는 포토리소그래피 및 이온 주입과 같은 정밀 공정을 통해 고전력 정류기, 트랜지스터, 바이폴라 접합 트랜지스터, 스위칭 소자 등 다양한 전자 소자를 생산할 수 있습니다. 이러한 소자는 인공지능, 5G 통신, 자동차 전장, 사물인터넷, 항공우주 등의 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며 국가 경제 발전과 기술 혁신의 초석을 형성합니다.

3. 단결정 실리콘 성장 기술

그만큼초크랄스키(CZ) 방법용융물에서 고품질 단결정 재료를 추출하는 효율적인 공정입니다. 1917년 Jan Czochralski가 제안한 이 방법은크리스탈 풀링방법.

현재 CZ법은 다양한 반도체 소재 제조에 널리 사용되고 있습니다. 불완전한 통계에 따르면, 전자 부품의 약 98%가 단결정 실리콘으로 만들어지며, 이 중 85%가 CZ법으로 생산됩니다.

CZ법은 우수한 결정 품질, 크기 조절 가능성, 빠른 성장 속도, 그리고 높은 생산 효율로 인해 선호됩니다. 이러한 특성으로 인해 CZ 단결정 실리콘은 전자 산업의 고품질 대량 생산 수요를 충족하는 데 적합한 소재로 자리 잡았습니다.

CZ 단결정 실리콘의 성장 원리는 다음과 같습니다.

CZ 공정은 고온, 진공, 그리고 밀폐된 환경을 필요로 합니다. 이 공정의 핵심 장비는 다음과 같습니다.결정성장로이러한 조건을 용이하게 합니다.

다음 다이어그램은 결정성장로의 구조를 보여줍니다.

CZ 공정에서는 순수 실리콘을 도가니에 넣고 용융시킨 후, 시드 결정을 용융된 실리콘에 주입합니다. 온도, 인상 속도, 도가니 회전 속도와 같은 매개변수를 정밀하게 제어함으로써, 시드 결정과 용융된 실리콘의 계면에 있는 원자 또는 분자가 지속적으로 재조직화되고, 시스템이 냉각됨에 따라 응고되어 최종적으로 단결정을 형성합니다.

이 결정 성장 기술은 특정 결정 방향을 갖는 고품질의 대구경 단결정 실리콘을 생산합니다.

성장 과정에는 다음을 포함한 몇 가지 주요 단계가 포함됩니다.

1. 분해 및 적재: 결정을 제거하고 석영, 흑연 또는 기타 불순물과 같은 오염 물질로부터 용광로와 부품을 철저히 청소합니다.

2. 진공 및 용융: 시스템을 진공 상태로 만든 후, 아르곤 가스를 주입하고 실리콘 충전물을 가열합니다.

3. 크리스탈 풀링: 씨앗 결정을 용융 실리콘으로 낮추고, 계면 온도를 주의 깊게 제어하여 적절한 결정화를 보장합니다.

4. 숄더링 및 직경 제어: 결정이 성장함에 따라 균일한 성장을 보장하기 위해 직경을 주의 깊게 모니터링하고 조정합니다.

5. 성장 종료 및 용광로 폐쇄: 원하는 결정 크기에 도달하면 용광로를 끄고 ​​결정을 제거합니다.

이 공정의 세부적인 단계를 거치면 반도체 제조에 적합한 결함 없는 고품질 단결정이 생성됩니다.

4. 단결정 실리콘 생산의 과제

대구경 반도체 단결정을 생산하는 데 있어서 가장 큰 과제 중 하나는 성장 과정 중의 기술적 병목 현상을 극복하는 것인데, 특히 결정 결함을 예측하고 제어하는 ​​데 있어서 그렇습니다.

1. 일관되지 않은 단결정 품질 및 낮은 수율: 실리콘 단결정의 크기가 커짐에 따라 성장 환경의 복잡성이 증가하여 열, 유동, 자기장과 같은 요인을 제어하기 어려워집니다. 이로 인해 일관된 품질과 높은 수율을 달성하는 작업이 더욱 복잡해집니다.

2. 불안정한 제어 프로세스: 반도체 실리콘 단결정의 성장 과정은 매우 복잡하며, 여러 물리적 장들이 상호 작용하여 제어 정밀도가 불안정해지고 제품 수율이 낮아집니다. 현재의 제어 전략은 주로 결정의 거시적인 크기에 초점을 맞추고 있으며, 품질은 여전히 ​​수작업 경험에 따라 조정되고 있어 IC 칩의 마이크로 및 나노 제조 요건을 충족하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

이러한 과제를 해결하기 위해서는 결정 품질에 대한 실시간 온라인 모니터링 및 예측 방법을 개발하는 것이 시급히 필요하며, 집적 회로에 사용되는 대형 단결정의 안정적이고 고품질 생산을 보장하기 위한 제어 시스템을 개선하는 것도 시급히 필요합니다.