1. Silicon의 결정구조를 이해하고 Silicon wafer의 flat zone을 확인하여 본다.
2. easy cleaving direction을 확인하고, 실제 결정구조와의 상관관계를 알아본다.
Silicon Wafer
Silicon Wafer는 기판을 만드는 기초소재로 고순도 실리콘을 전기로 내에서 단결정 실리콘으로 성장시킨 후 절단, 연마 등의 공정을 거쳐 생산됩니다. 단결정 실리콘 반도체의 얇은 판이고, 트랜지스터나 다이오드 등의 반도체 소자가 만들어지는 기판
1. Silicon wafer 특성 : 단결정이고 결함의 수가 매우 적고 이방성을 가지고 있다. 또한, 도핑이 가능하여 전기적 성질을 제어할 수 있다.
2. Silicon wafer의 결정 구조 : diamond 구조를 가지고 있고 모든 원자는 4개의 인접원자와 결합하고 있다.
3. Silicon wafer의 easy cleaving direction은 [110]방향이고 안쪼개지는 방향은 [100]방향이다. 이유는 원자간 결합을 두 개 이상 끊어야 하기 때문이다.
Silicon Wafer의 제조 과정
1. 결정 성장(Crystal Growing)
결정 성장은 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 첫번째 공정이다. 고순도의 일정한 모양이 없는 폴리 실리콘이 고도로 자동화된 단결정 성장로 속에서 단결정봉으로 변형된다. 고진공 상태에서 섭씨 1400 도 이상의 고온에 녹은 폴리 실리콘은 정밀하게 조절되는 조건하에서 큰 직경을 가진 단결정봉으로 성장한다. 이와 같은 성장과정이 끝나면, 단결정봉은 실내온도로 혀지고 각각의 단결정봉이 여러 조건에 부합되는지를 평가하게 되고, 단결정봉은 부분별로 가공되어 정확한 직경을 갖게 된다.
2. 절단(Shaping)
절단에서는 실리콘 단결정봉을 웨이퍼, 즉 얇은 슬라이스로 변형시키는 공정이다. 단결정조직이 정확하게 정렬되도록 단결정봉을 흑연빔에 놓은 다음 고도의 절삭 기술을 사용하여 실리콘 단결정봉을 웨이퍼로 바꾸게 된다. 절삭작업을 거치는 동안 웨이퍼의 가장자리 부분은 매우 날카롭고 깨지기 쉽게되므로 세척과정을 거친 후 정확한 모양과 치수로 가공해 손상에 영향을 덜 받게 한다. 그다음, 이 웨이퍼들은 조연마 과정을 거쳐 표면이 평탄하고 두께가 일정하게 되어 표면의 질이 높아진다.
3. 경면연마(Polishing)
웨이퍼를 평탄하고 결함이 없도록 만드는 일은 고객에게 대단히 중요하다. 이 목적을 이루기 위해 경면연마 공정에서 여러 가지 단계를 거치게 된다. 뿐만 아니라, 고객의 요구를 충족시키기 위해 웨이퍼의 특질을 높이는 다른 작업들이 바로 이 부분에서 이루어진다. 조연마 과정을 거친 웨이퍼는 식각공정을 거치면서 추가적인 표면 손상을 제거하고, 공정을 정밀하게 통제하는 완전 자동화된 장비로 가장자리 부분과 표면이 경면연마 된다. 그 결과 얻어지는 웨이퍼들은 극도로 평탄하고 결함이 없는 상태이다.
4. 세척과 검사 (Cleaning & Inspection)
세척부문에서는 경면연마 과정을 거친 웨이퍼의 표면에 있는 오염물을 제거한다. 이 최신의 공정에서 웨이퍼에 있는 미립자 오염물, 금속, 유기 오염물질을 씻어낸다. 이 공정은 미립자, 금속, 유기물에 대하여 대단히 엄격한 규정을 적용하는 청정실 환경에서 이루어진다. 마지막 세척공정을 거친 웨이퍼들은 0.1 ㎛ 크기의 미립자까지 검출할 수 있는 레이저 검사 장치로 검사를 받는다. 그리고 최종 검사가 끝나는 대로 즉시 출하 포장되어 정해진 시간 안에 고객에게 전해진다.
실험 기구 및 장치
1. 실험 재료
Diamond cutter, Silicon wafer, dessicator, Tweezers, 휴지, 장갑, 자
실험 방법
1. 실험 과정
① Primary flat zone과 Secondary flat zone을 확인한다.
② Primary flat zone에 수직인 방향인 [110]방향으로 다이아몬드 커터를 사용하여 2mm정도 흠집낸다.
③ 트위저를 사용하여 Silicon wafer를 집고 흠집을 낸 부분을 휴지로 감싸 힘을 가해 자른다.
④ 같은 방법으로 가로, 세로 2cm가 되게 커팅하여 트위저를 사용해 시편 보관함에 보관한다.
⑤ 시편 보관함을 데시케이터에 보관한다.
실험 결과
1. 결과 분석
Silicon wafer의 easy cleaving direction은 flat zone의 수직, 수평방향인 [110]방향이다. [110]방향으로 자르지 않아도 수직, 수평 방향으로 쪼개진다.
토의 사항
1. 실험 고찰
silicon wafer의 easy cleaving direction이 primary flat zone의 수직, 수평 방향이다. 안쪼개지는 방향인 [100]방향으로 쪼개었을 때 그 방향으로 쪼개지지 않고 수직, 수평 방향으로만 쪼개진다. 막연히 [110]방향이 easy cleaving direction이라고 배웠지만 실험을 해보니 거의 대부분이 수직, 수평 방향으로만 쪼개졌다. 그 이외에는 산산조각이 났지만 산산조각이 난 조각도 수직, 수평 방향으로 깨진 것들이 많았다. 그래서 [110]방향을 눈으로 확인할 수 있었다.
직접 쪼개보니 잘 쪼개지는 방향을 육안으로 확인할 수 있어서 유익했다. silicon wafer에 흠집을 내고 손으로 힘을 가했더니 쪼개지지 않고 찢어지듯이 되었다. 이유를 살펴본 결과 수직 방향으로 흠집을 내어야 하는데 조금 기울어진 상태로 흠집을 내어 쪼개지지 않았다. 다음엔 두 개의 자가 수직 방향이 될 수 있도록 자를 배치할 것이다.
[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - 흐름 1부
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