실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)의 종류 및 특징

1. 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)

실리콘은 지각의 1/3정도로 매우 풍부하게 존재한다. 반도체 산업에 오랫동안 적용되어 상당한 발전이 이루어져 있는 재료이다. 독성이 없어 환경적으로도 우수하고, 비교적 고온에서도 소자가 동작할 수 있다는 장점도 있다. 종류는 크게 단결정 웨이퍼와 다결정 웨이퍼로 나뉜다. 

 

 

2.1 단결정웨이퍼

폴리실리콘을 석영도가니에 넣고 불순물(B,P)을 함께 넣어 고온으로 용융시키면 원주모양의 단결정질 실리콘 잉곳이 완성된다. 이것을 얇게 절단한 것이 단결정 실리콘 웨이퍼다. 특징은 웨이퍼의 재료인 실리콘의 원자배열이 규칙적이며 배열 방양이 일정하여 전자 이동에 걸림이 없다. 

 

 

그림1. 단결정웨이퍼 제조공정[3]

 

 

2.2 다결정웨이퍼

폴리실리콘을 석영도가니에 넣고 높은 온도로 가열하여 녹인다. 액체상태가된 실리콘을 정제한 후 일정한 틀에 부어 응고시키면 잉곳이 완성된다. 특징은 결정립 경계에 의해 전자의 이동에 방해를 받아 다결정 웨이퍼보다 효율이 많이 떨어지지만 제조 공정방법이 비교적 간단하여 대량생산이 가능하다.

 

그림2. 다결정웨이퍼 제조공정[3]

 

3. 웨이퍼 타입

단결정 웨이퍼를 제작할 때 4족 원소인 폴리실리콘에 3족 원소를 함께 넣으면 p타입 웨이퍼가 완성된다. 대표적인 3족 원소로는 붕소(B)가 있다. 5족 원소를 넣으면 n타입 웨이퍼가 완성된다. 불순물로 흔히쓰이는 5족 원소로는 인(P)이 있다. 결정질태양전지처럼 p타입 웨이퍼에 n타입 불순물을 도핑하여 그림3과 같이 p-n접합 형태로 제조할 수도 있다.

 

그림3. p-n 접항형 태양전지 구조

 

4. 방향성에 따른 분류

단결정 실리콘 재료에서 결정 방향은 밀러지수로 정의된다. 실리콘 잉곳을 특정 격자 방향대로 다이아몬드 톱을 이용해 자를 때 웨이퍼표면의 격자 방향이 정해진다. 실리콘단결정 웨이퍼의 표면 상태는 <100>와 <111>상태가 주로 쓰인다. 각각의 장점은 <100> 방향을 가지면 화학적으로 비교적 안정하여 전기적인 특성이 비교적 오랫동안 변하지 않는다. <111>방향이면 화학적으로 활성도가 비교적 높다. 이동도(mobility)의 면에서 보면 전자(electron)는 <110>면에서 <100>면으로 갈수록 이동도가 향상되고, 정공(hole)은 <100>면에서 <110>면으로 갈수록 이동도가 향상된다.

 

그림4. 단결정웨이퍼 결정방향[4]

 

 

5. 참고자료

[1] 태원과학㈜, “태원과학 Catalog section5(웨이퍼관련)”

[2] Donald. A. Neamen, “SEMICONDUCTOR PHYSICS AND DEVICES”, 4th ed., McGrawHill (2003)

[3] (주) J & D SOLARTECH 태양광발전소 컨설팅 

[4] Slilcon for MEMS Devices, Micro systems