[반도체공학] 02. The crystal structure of solids (2)

The crystal structure of solids

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♭ 격자 결함(Defect)
1) 점결함(Point defect)
고체 재료 내부의 점 단위 결함

-공공(Vacancy)
고체 결정 구조 내의 원자가 위치해야 하는 자리에 원자가 존재하지 않아 빈자리(Vacancy)를 만드는 결함: 절대 온도 0K 이상에서 모든 재료 내부에 존재(열역학적으로 공공이 존재하는 것이 안정한 상태)
→ 압축 응력(Compressive stress) = 격자 수축(Lattice shinkage)

-침입형 불순물(Interstitial impurity)
고체 결정 구조 사이의 침입형 자리(Interstitial sitr)에 원자가 차지하는 결함
→ 인장 응력(Tensile stress) = 격자 팽창(Lattice expansion)
*Self-interstitial impurity
침입형 자리에 고체 결정 구조를 이루는 원자(Host atom)이 차지하는 결함

-치환형 불순물(Substitutional impurity)
고체 결정 구조를 이루는 원자 대신에 다른 원자 치환되는 결함
*Host atom > Substitutional impurity
→ 압축 응력(Compressive stress) = 격자 수축(Lattice shinkage)
*Host atom < Substitutional impurity
→ 인장 응력(Tensile stress) = 격자 팽창(Lattice expansion)

-Frenkel defect
결정 구조를 이루고 있는 원자가 침입형 자리(Interstitial site)로 이동하여 빈자리(Vacancy)를 만드는 결함

-Schottky defect
이온 결합을 이루는 결정 구조에서 양이온/음이온 각각 한 자리씩 빈자리(Vacancy)를 만드는 결함

2) 선결함(Line defect)
고체 재료 내부의 선 단위 결함
*버거스 벡터(Burger’s vector)
전위 주위에서 원자들을 연결하여 닫힌 경로를 만들고자 경로가 어긋나 닫히지 않은 부분을 연결하는 것이 버거스 벡터이다. 따라서 원자들을 연결할 때 버거스 벡터가 생기지 않는다면 해당 영역에는 전위가 없다는 것을 의미한다.

칼날 전위(Edge dislocation)	나선 전위(Screw dislocation)

-칼날 전위(Edge dislocation)

결정 구조를 이루는 원자 배열의 일부가 빠져있거나 들어와있을 때 결정 격자가 뒤틀리는 결함
= 버거스 벡터와 전위선이 수직 관계
→ 원자 배열 일부가 빠진 영역에는 인장 응력, 일부가 들어간 영역에는 압축 응력

-나선 전위(Screw dislocation)
결정 구조를 이루는 원자들이 같은 층이 아니라 다른 층과 결합하여 결정 격자가 뒤틀리는 결함
=버거스 벡터와 전위선이 평행 관계

-혼합 전위(Mixed dislocation)
칼날 전위와 나선 전위의 중간의 성질을 갖는 전위

3) 면결함(Plane defect)
고체 재료 내부의 면 단위 결함

표면(Surface; Dangling bond)	결정립계(Grain boundary)	쌍정(Twin boundary)

-표면(Surface; Dangling bond)
재료의 표면은 외부와 노출되어 있어 불완전한 결합(Dangling bond)을 만드는 결함
→표면 원자 반응성 > 내부 원자 반응성

-결정립계(Grain boundary)
다결정 재료에서 다른 배향(Orientation)을 갖는 결정립(Grain) 사이의 경계
→단결정은 재료 전체가 같은 배향을 갖기 때문에 결정립계가 존재하지 않는다. 따라서 단결정은 재료 전체의 물성이 일정하다.

-쌍정(Twin boundary)
어떤 면이나 경계를 통해 거울에 비친 상과 같은 구조가 존재라는 영역

4) 부피결함(Volume defect)
고체 재료 내부의 부피 단위의 결함

-적층 결함(Stacking fault)
결정 격자에서 결정면의 적층 순서가 어긋나는 결함
→재료의 변형이나 전위의 운동에 의해 발생

-공극(Void)/석출물(Prepicitation)
재료 내부의 빈공간이나 불순물이 모이는 결함

♭ 단결정 제조방법
반도체의 전기적 특성을 제어하기 위해 외부의 인가에 대해서 일정한 출력이 요구된다. 따라서 재료 전체의 물성이 일정해야 하므로 반도체는 단결정 재료를 사용한다.

CZ method(Czochralski method)	FZ method(Floating zone method)

1) CZ method(Czochralski method)

1. 도가니(Crucible)에 다결정 실리콘(Poly-Si)을 넣은 뒤 가열하여 용융시킨다. *실리콘 녹는점: 1415℃

2. 단결정 실리콘 Seed를 용융된 다결정 실리콘 계면과 접촉시킨다.

3. Chuck를 통해 회전시키면서 천천히 끌어올려 Seed와 용융된 다결정 실리콘 계면에서 냉각된다.

4. 냉각된 실리콘은 Seed의 결정 방향대로 성장한다.

-회전, 상승 속도를 통해 Ingot의 직경을 결정: 직경이 큰 단결정 웨이퍼 제조 가능

-Seed 방향에 따라 원하는 결정 방향을 갖는 Ingot 성장 가능

-도가니 재료의 제약: 다결정 실리콘을 용융시켜야 하므로 내열성 재료 요구 (Quartz, Graphite)

→ 용융된 실리콘이 도가니와 직접적으로 접촉하여 불순물 발생(C; Carbon, O; Oxygen)

-Floating zone method 보다 낮은 비용으로 효율적인 공정

 

2) FZ method(Floating zone method)

1. 다결정 실리콘 Rod가 회전하고, Heating coil이 상하로 움직이면서 다결정 실리콘이 국부적으로 용융된다.

2. 국부적으로 용융된 다결정 실리콘은 Seed crystal의 결정 방향대로 재결정화가 발생하여 단결정으로 성장된다.

3. 불순물이 편석(Segregation)되어 있는 다결정 실리콘은 제거한다.

-Heating coil에 의해 국부적으로 용융된 다결정 실리콘에 불순물이 편석

→ Heating coil 등 제조 장치이 많은 비용 요구

-Chamber 내부를 비활성 기체로 유지하여 높은 순도를 갖는 실리콘 단결정을 성장 가능

-직경이 큰 단결정 웨이퍼 제조 불가능

→ 국부적으로 용융된 다결정 실리콘에서 Necking 발생: 직경이 큰 단결정을 성장시키면 하중을 버티지 못하고 다결정 실리콘 Rod 하부가 끊어진다.

-Dislocation이 생기는 것을 막을 수 없음.

<출처>
Donald A. Neaman, "Semiconductor physics and device" 4th edition.

William D. Callister JR, David G. Rethwisch, "Materials science and engineering" 10th edtion.

 

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