Silicon_Crystallography Properties

은성·2025년 6월 3일

반도체 공정

목록 보기
5/5

실리콘은 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소이다.
그러나 실리콘은 자연에서 순수한 원소 상태로 존재하지 않으며 산소와 결합된 형태로 존재한다.
실리콘의 단결정 형태는 반도체 반도체 산업에서 미세 가공을 위한 기판 재료로 사용된다.

그렇다면 실리콘은 무엇일까??

실리콘은 반복적인 Si - O 골격을 가진 완전히 합성된 고분자를 지칭하는 일반적인 용어이다.
실리콘 원자의 Si-C 결합을 통해 결합된 유기 작용기들이 실리콘의 종류를 결정한다.
가장 흔한 예는 PDMS로, 반복적인 [(CH3)2SiO] 단위를 가지고 있다.

Crystal structure

결정은 반복되는 구조로 이루어져 있다.

  • 격자 : 결정 내 원자들의 주기적인 배열을 의미한다.

  • 단위격자 : 회전 없이 축 방향으로만 반복되는 , 가장 작은 반복 단위이다.

  • 격자 상수 : 결정 격자 내에서 단위 격자들 사이의 일정한 거리이다.

  • 밀러 지수 :

    • 결정 구조에서 평면을 나타내기 위한 표기법이다.
    • 단위 격자 기준으로 결정의 특정 평면이나 방향을 식별하는 데 사용된다.

How many atoms are contined in each 2D unit unit cell above?

  • 정답은 1이다. 그 이유가 뭘까?
    1/4x4=11/4 x 4 = 1 이기 때문이다

    이때 1/4는 각 원자가 4개의 단위격자에 공유하기 때문이다.

Cubic Lattice Unit Cells

How many atoms are in each unit cell?

  • Simple Cubic (SC)

    • 1/8 x 1 x 8 = 1

    1/8 = 하나의 꼭짓점에 있는 원자는 8개의 단위 격자와 공유되기 때문에 각 단위 격자에는 1/8만 기여

    1 = 꼭짓점마다 원자 1개가 존재

    8 = 정육면체에는 꼭짓점이 8개 존재

  • Body-Centered Cubic (BCC)

    • (1/8 x 8) + 1 = 2

    1 = Center 원자 값

  • Face - Centered Cubic

    - (1/8 x 8) + (1/2 x 6) = 4

    1/2 = 6개의 원자가 2개의 면(격자)과 공유되기 때문에 각 단위 격자에는 1/2 x 6만 기여

    이때 단위 격자 기여도는

Typically Single Crystal Silicon

How may atoms are contained in the 3D unit cell above?

이 문제를 풀어보자
답은 8이다.

Miler Indices

밀러 지수 기호에 대해 알아보자.

() : 특정 평면 , 평면 한 개
{} : 동등한 성질의 평면 집합, 평면 여러개
[] : 특정 방향, 방향 1개
<> : 동등한 성질의 방향 집합, 방향 여러개

  • 벡터 방향의 밀러 지수를 결정하려면 그 방향을 나타낼 수 있는 가장 작은 정수 집합으로 정규화 하면 된다.
    음수는 숫자 위에 바를 표시한다.

    백터 방향의 밀러 지수 구하는 법

    최소 정수배로 만드는 것이 중요하다.

    방향 구하는 순서

  1. 시작점과 끝점을 정한 후
  2. 끝점에서 시작점을 뺀다.
  3. 격자 상수 a,b,c로 나눈다
  4. 최소의 정수배로 만든다.
  5. 쉼표 없이 배열하고 []를 씌운다.

  • ex:

    • (100) -> [100]
    • (202) -> [101]
    • (420) -> [210]

    결정면의 밀러 지수 구하는 법

    결정면이 세축과 만나는 교차점 조표의 역수를 취한 후 최소정수배로 만드는것이 중요하다.

  1. 교차점 길이가 주어진다.
  2. 역수를 취한다.
  3. 분모에 공통수를 곱하여 최소정수배로 만든다.
  4. 쉼표 없이 위에서 구한 값을 괄호를 씌운다. ()

  • ex:

    • 1,∞,∞ -> (1 0 0) 무한은 0이 된다.
    • 2,1,4 -> (2 4 1)

Crystal silicon forms a diamond cubic structure

  • 이 구조는 다이아몬드 내의 탄소 원자들이 가진 구조와 같음.

  • 둘 다 더 일반적인 징크 블렌드(zinc-blend) 구조 분류에 속함.

  • 다이아몬드 큐빅 구조를 이루는 4개의 정사면체가 있음.

  • 두 개의 서로 교차하는 FCC 격자가 1/4만큼 변위됨.

  • 격자 상수 a는 5.4309 Å임.

Visualizing Si Crystallography

(100) 평면과 (111) 평면의 법선 벡터 사이의 각도를 계산하는 문제를 풀어보자.

이 문제의 의미는 두 평면이 서로 얼마나 기울어져 있는지를 묻는것임.

  1. 단위 큐브(unit cube)**부터 시작함.

  2. 평면에 대한 법선 벡터(normals)를 고려함.

  3. 그들의 내적(dot product) 관계는 다음과 같음:

    a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡(θ)\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| |\vec{b}| \cos(\theta)

    [100] 평면과 [111] 평면의 법선 벡터 사이의 각도를 고려함.

[100] 평면의 법선 벡터는 (1,0,0)이고

[111] 평면의 법선 벡터는 (1,1,1)임.

두 벡터의 내적을 계산함:

(1,0,0)⋅(1,1,1)=1(1, 0, 0) \cdot (1, 1, 1) = 1

∣a⃗∣=02+02+12=1,∣b⃗∣=12+12+12=3|\vec{a}| = \sqrt{0^2 + 0^2 + 1^2} = 1, \quad |\vec{b}| = \sqrt{1^2 + 1^2 + 1^2} = \sqrt{3}

따라서 내적 공식은 다음과 같음

1=∣1∣×3×cos⁡(θ)1 = |1| \times \sqrt{3} \times \cos(\theta)

이 식을 변형하여 각도를 구함:

cos⁡(θ)=13\cos(\theta) = \frac{1}{\sqrt{3}}
θ=cos⁡−1(13)≈54∘\theta = \cos^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx 54^\circ

Si is a Structural Materials

  • 단결정 실리콘은 결함이 거의 없이 제조될 수 있다

  • 소성 변형(plastic deformation)이나 히스테리시스(hysteresis)가 없다

  • 실온에서는 오직 탄성 변형만 발생

  • 항복 강도(yield strength)가 매우 높음

  • 전기적 특성뿐만 아니라 구조 재료로도 사용될 수 있다

  • 압력 및 가속도 센서에 유용한 압저항(piezoresistive) 특성도 가지고 있음

  • 기존의 IC(집적회로) 제작 기술을 그대로 활용할 수 있다

  • 경도(hardness)는 스테인리스강보다 우수하고, 석영(quartz)에 근접

Other Properties of Si

  • 열적 특성 (Thermal properties)

    • 단결정 실리콘은 높은 강도와 낮은 열팽창률을 가진다

    • 열팽창 계수가 파이렉스(Pyrex)와 유사하여, 본딩(bonding)에 적합

  • 광학적 특성 (Optical properties)

    • 실리콘은 간접 밴드갭(indirect bandgap)을 가지므로, 광학 재료로서의 효율은 낮다.

    • 하지만 광 검출기(optical detectors)로는 사용할 수 있다.

Si Growth

Crystal Growing Techniques

  • Czochralski

    • 단결정 시드(single crystal seed)는 시간당 2~5cm 속도로 당겨짐

    • 용융된 실리콘(molten Si)은 결정이 위로 당겨질 때 회전

  • 플로트 존 (Float Zone)

    • 산소와 같은 불순물을 제거하기 위해 도가니(crucible)와의 모든 접촉을 피함

    • 국소적인 용융 영역(local melt region)이 매우 순수한 실리콘으로 재결정화 됨

    • 이 방법으로는 더 낮은 도핑 수준(doping level)이 생성

    • 결정 내에 포함되는 산소의 양이 더 적다

Si Ingot

  • 실리콘 웨이퍼 가공 (Si wafer processing)은 실리콘 잉곳(Si ingot)이 사용된다

    • 연마(grinding)를 통해 크기가 조정

  • 비저항(resistivity)이 측정

  • 방향(orientation)은 X선 회절(X-ray diffraction)로 결정.

  • 평면(flat) 형성 →

    • 이는 결정 방향, 도전 유형(conductivity type)을 식별하고,
    • 캐세트(cassette) 및 장비에 정확하게 배치하는 데 도움.

  • 잉곳을 얇은 슬라이스(slice)로 절단.

    • 슬라이스는 연마(polish)됨.

    • 슬라이스는 래핑(lapping) 처리됨.

    • 에지(edge)는 둥글게 처리됩.

      • → 이는 미세 균열(micro cracks)을 제거하고,
      • 균열 발생을 최소화.
      • 또한 파손을 줄이고(edge beas),
      • 포토마스크 수명을 연장.

슬라이스는 최대 50%까지 두께가 줄여짐.

이후 화학적으로 식각(etch)되고 다시 연마(polish)됨.

Wafer Orientation Flats

[110] 평면은 break or clear more clearly

[111] 웨이퍼는 are used less often in micromachining because they do not etch.

플랫(Flats)은 결정 방향, 도핑(doping),
그리고 캐세트(cassette) 및 반도체 공정 장비(fab tools) 내 배치 위치를 판단하는 데 도움을 준다.

Basic Si Wafer Specs

  • 결정학적 특성 (Crystallographic properties)

    • 결정 방향(Crystal orientation)은 보통 <100>, <110>, <111>이지만,
      <311>, <511>, <711> 같은 고차 방향도 사용될 수 있다.

    • 플랫(Flats)은 보통 결정 방향을 나타내는 데 사용된다.

    • 노치(Notches)는 더 큰 웨이퍼에서 사용되지만,
      플랫과 함께 만들 수도 있다.

  • 도핑 및 비저항 (Doping and Resistivity)

    - N형 웨이퍼는 보통 인(phosphorus)이나 비소(arsenic)로 도핑된다.

    - P형 웨이퍼는 붕소(boron), 갈륨으로 도핑된다

    • 고농도 도핑(heavy doping)은 비저항이 1 Ω·cm 미만이고,

    • 저농도 도핑(light doping)은 1 Ω·cm 초과이다.

    • 비저항(resistivity)은 전자 소자 응용 및 열산화막(thermal oxide) 품질에서 더 중요하다.

    • 고비저항 실리콘(high-resistivity silicon)은 Float-zone(FZ) 방법으로만 생산될 수 있다.

  • 뒷면 처리 (Back side treatment)

    • 일반적으로 에칭해서 무광 처리(SSP: Single Side Polished)되거나, 양면 연마(DSP: Double Side Polished)된다.
profile
은성
반도체 전공정
이전 포스트

Isotropic Wet Etching

1개의 댓글

comment-user-thumbnail
김민서
2025년 6월 11일

지구상에서 첫 번째로 풍부한 원소는 뭔가요? 인은성인가요?

답글 달기