실리콘 웨이퍼는 어떻게 그렇게 순도 높게 만들어지나요?

Question

반도체 제조에 쓰이는 실리콘 웨이퍼가 극도로 높은 순도를 요구한다고 배우는데, 자연에서 채취한 규소를 어떻게 이런 초고순도 상태로 정제하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

자연의 모래나 석영에서 추출한 규소는 유기화학 반응을 통해 기체 상태의 다이크로로실레인 등으로 변환한 뒤 증류 과정을 거쳐 99.9999999%(9N 이상) 수준의 다결정 실리콘으로 1차 정제됩니다 이 초고순도 다결정 실리콘을 고온 용융한 후 작은 단결정 씨앗 결정을 담가 아주 천천히 회전시키며 끌어올리는 초크랄스키 공정을 통해 원기둥 형태의 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킵니다 성장 과정에서 특정 불순물이 용융액 쪽에 남아있는 정제 효과가 한번 더 일어나 11N(99.999999999%)이라는 극초고순도의 단결정 구조를 완성하게 됩니다. 이렇게 만들어진 거대한 잉곳을 다이아몬드 톱으로 마이크로미터 단위의 얇은 판으로 절단하고 표면을 정밀하게 경면 가공하여 반도체용 웨이퍼로 최종 완성합니다

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

반도체 공정에서 가장 기초가 되는, 미술로 치면 도화지와 같은 실리콘 웨이퍼는 아주 중요합니다. 또한 반도체 공정을 위해서는 초고순도의 실리콘 웨이퍼가 요구됩니다.

반도체용 실리콘은 자연에서 바로 얻는 것이 아니라 석영 등에 들어 있는 이산화규소를 여러 단계로 정제하면서 얻어집니다. 석영과 탄소를 함께 고온에서 환원시켜 비교적 낮은 순도의 실리콘을 만들어내고, 이 실리콘을 염소나 수소계 가스와 반응을 시켜 화합물로 만든 뒤, 증류를 반복해 가면서 불순물을 아주 정밀하게 제거합니다.

그 다음 정제된 가스를 고온에서 다시 분해해 전자급 다결정 실리콘을 만들어 내는데, 이 단계에서 순도가 9N 즉 99.9999999% 이상까지 올리게 됩니다.

이 초고순도의 실리콘을 초크랄스키방법이나 키로플러스법 같은 공정을 통해 천천히 성장시켜 결함이 거의 없는 단결정 실리콘 잉곳을 만들어 이를 얇게 전달하고 연마 및 세정 고정을 거쳐 매우 평탄한 반도체 웨이퍼가 탄생하게 됩니다. 이런 많은 공정을 엄격하게 관리해 초고순도 웨이퍼가 만들어지는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

실리콘 웨이퍼의 순도는 99.9999999% 수준이에요. 나인이 아홉 개라고 부르는데, 원자 10억 개 중 불순물이 하나 이하라는 뜻이에요. 이걸 만드는 과정은 크게 세 단계로 나뉘어요.

출발은 모래예요. 규사를 탄소와 함께 전기로에서 녹이면 산소가 떨어져나가며 순도 98% 정도의 금속 실리콘이 나와요. 여기까지는 태양광 셀 초기 원료 수준이고, 이걸 반도체용으로 끌어올리려면 화학적 정제가 필요해요. 실리콘을 염산과 반응시켜 액체 상태의 염화실란으로 만든 뒤 증류하는데, 끓는점 차이로 불순물을 걸러내는 방식이에요. 여러 번 반복 증류하면 액체 단계에서 대부분의 불순물이 빠져요. 정제된 이 액체를 고온의 실리콘 막대 위에서 다시 실리콘으로 되돌려 쌓으면 다결정 실리콘 덩어리가 돼요.

마지막 단계가 결정 성장이에요. 다결정 실리콘을 도가니에 녹이고 작은 씨앗 결정을 표면에 닿게 한 뒤 천천히 돌리며 끌어올리면, 녹은 실리콘이 씨앗의 원자 배열을 그대로 따라 굳으면서 하나의 거대한 단결정 기둥이 자라요. 이 과정에서 순도가 한 번 더 올라가는데, 불순물이 고체보다 액체에 남기를 좋아하는 성질 때문이에요. 결정이 굳을 때 불순물은 녹은 쪽에 밀려나고 순수한 실리콘만 결정에 붙어요. 얼음이 얼 때 소금물의 소금이 얼음 밖으로 밀려나는 것과 같은 원리예요. 이렇게 뽑아낸 지름 300mm 기둥을 와이어로 얇게 썰고 거울처럼 연마하면 웨이퍼가 돼요.

순도가 이렇게까지 필요한 건 반도체가 극소량의 불순물로 성질을 조절하는 부품이라서예요. 의도적으로 넣는 불순물이 10억분의 1 수준인데 원료에 그보다 많은 불순물이 섞여 있으면 회로 설계 자체가 무너지거든요. 초고순도는 깨끗함이 목적이 아니라 우리가 넣는 불순물만 남기기 위한 백지 만들기예요 :)