반도체 웨이퍼 제조의 핵심 기술 중 하나인 초크랄스키 공정에 대해 알아보겠습니다. 초크랄스키 공정(CZ 공정)은 1916년 폴란드의 과학자인 Jan Czochralski가 발견한 방법으로, 금속이나 반도체의 단결정을 성장시키는 데 사용됩니다. 이 공정은 특히 실리콘 웨이퍼를 제조하는 데 널리 쓰이며, 이 공정을 통해 얻어진 실리콘 웨이퍼는 컴퓨터 칩, 태양광 패널, 그리고 다양한 전자기기의 핵심 부품으로 사용됩니다.
기본 원리
고순도의 다결정 실리콘을 녹여서 단결정 실리콘으로 재결정화 하고, 녹인 실리콘에 작은 실리콘 결정(씨앗)을 담그고, 천천히 회전시키며 위로 끌어올리면서 실리콘 결정을 성장시킵니다.
공정 단계
모래에서 추출한 실리콘을 고순도로 정제하는 과정입니다. 실리콘의 녹는점은 1,412℃로, 이 온도에서 실리콘을 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만듭니다.
용액에 담긴 시드 결정을 천천히 회전시키면서 당깁니다. 이런 한 방법을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳으로 만듭니다. CZ 방법에서는 다결정 실리콘을 도가니에 넣고 가열하여 녹인 후, 단결정 실리콘(시드)을 녹아있는 실리콘 용액 위에 접촉시키고 회전하며 끌어올립니다.
시드 결정이 용액과 접촉하면서 결정이 성장하기 시작합니다.
결정이 원하는 크기로 성장하면, 천천히 냉각시켜 결정 구조를 안정화시킵니다.
초크랄스키 공정을 통해 성장된 실리콘 잉곳은 원통형의 큰 덩어리로, 이 잉곳의 표면은 불규칙하고 거칠 수 있습니다. 잉곳의 표면을 매끄럽게 다듬는 과정은 반도체 웨이퍼의 품질을 결정하는 중요한 단계입니다. 이를 위해 잉곳의 표면을 연마하고, 필요한 경우 화학적 또는 기계적 방법으로 처리하여 불순물을 제거하고 표면을 평활하게 만듭니다. 표면이 다듬어진 잉곳은 웨이퍼로 절단하기 전에 관리 가능한 크기의 블록으로 나누어집니다. 이 과정에서는 다이아몬드 톱이나 와이어 톱을 사용하여 잉곳을 정밀하게 절단합니다. 절단된 블록의 각 면은 추가적인 연마 과정을 거쳐 웨이퍼 제조에 적합한 평탄도와 표면 조도를 확보합니다. 이 단계에서는 미세한 표면 결함을 제거하고, 웨이퍼의 두께를 균일하게 만드는 작업이 포함됩니다.
잉곳 블록을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단하여 웨이퍼를 만듭니다. 웨이퍼의 크기는 잉곳의 지름에 의해 결정됩니다.
절단된 웨이퍼는 웨이퍼의 가장자리는 흠이 많고 거칠기 때문에 가장자리를 다듬는 과정이 필요합니다. 엣지 그라인딩 머신 사용하여 웨이퍼의 외경과 모서리를 다이아몬드 휠로 연삭 하여 원하는 크기와 형태로 정밀 가공합니다. 웨이퍼 측면과 엣지 부위의 표면 상태는 웨이퍼 전체의 수율을 결정하는 중요한 요소입니다.
절단된 후 엣지 그라인딩 웨이퍼도 표면에는 아직 흠이 많고 거칠기 때문에, 연마액과 연마 장비를 이용하여 웨이퍼의 표면을 거울처럼 반짝이게 갈아냅니다. 이 과정을 통해 사용 가능한 웨이퍼를 만들 수 있습니다.
이후 이물질 제거 등의 과정을 거쳐 최종 제품으로 만들어집니다.
초크랄스키 공정을 통해 생산된 실리콘 웨이퍼는 균일한 두께와 크기를 가지며, 단결정 실리콘은 전자기기의 성능을 결정짓는 중요한 요소입니다. CZ 공정을 통해 얻어진 고순도 단결정 실리콘은 반도체의 효율성과 성능을 극대화합니다. 또한 전자 소자의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미치며, 이 공정은 대량 생산에 적합하여 반도체 산업의 대량 생산 요구를 충족시킬 수 있습니다.