실리콘 웨이퍼는 일반적으로 오염 물질이 10억분의 1 미만인 고순도 실리콘 단결정으로 만들어집니다. 초크랄스키(Czochralski) 공정은 이러한 순도의 큰 결정을 형성하는 가장 일반적인 방법으로, 일반적으로 용융물로 알려진 용융 실리콘에서 종자 결정을 끌어내는 과정을 포함합니다. 그런 다음 종자 결정은 부울(boule)로 알려진 원통형 잉곳으로 형성됩니다.
일반적으로 웨이퍼를 n형 또는 p형 반도체로 만들 목적으로 웨이퍼의 전기적 특성을 제어하기 위해 붕소 및 인과 같은 원소를 정확한 양으로 부울에 추가할 수 있습니다. 그런 다음 부울은 웨이퍼 톱이라고도 알려진 와이어 톱을 사용하여 얇은 조각으로 절단됩니다. 절단된 웨이퍼는 다양한 정도로 연마될 수 있습니다.
실리콘 웨이퍼는 무엇을 위해 사용됩니까?
실리콘 웨이퍼는 전자 산업에서 일반적으로 사용되는 결정질 실리콘의 얇은 조각입니다. 실리콘은 반도체이기 때문에 이러한 목적으로 사용됩니다. 즉, 강한 전도체도 아니고 강한 전기 절연체도 아닙니다. 실리콘의 자연적 풍부함과 기타 특성으로 인해 일반적으로 실리콘은 웨이퍼 제조용 게르마늄과 같은 다른 반도체보다 선호됩니다.
실리콘 웨이퍼의 가장 일반적인 치수는 적용 분야에 따라 다릅니다. IC에 사용되는 웨이퍼는 일반적으로 직경이 100~300mm(밀리미터)인 원형입니다. 두께는 일반적으로 직경에 따라 증가하며 일반적으로 525~775미크론(μm) 범위에 있습니다. 태양전지의 웨이퍼는 일반적으로 측면 길이가 100~200mm인 정사각형입니다. 두께는 200~300μm이지만 가까운 미래에는 160μm로 표준화될 것으로 예상된다.
집적 회로
마이크로칩 또는 칩이라고도 알려진 IC는 반도체 재료의 기판에 설치된 전자 회로 세트입니다. 단결정 실리콘은 현재 IC의 가장 일반적인 기판이지만 갈륨 비소는 무선 통신 장치와 같은 일부 응용 분야에 사용됩니다. 실리콘-게르마늄 합금으로 만들어진 웨이퍼는 일반적으로 실리콘-게르마늄의 더 빠른 속도가 더 높은 비용을 감당할 가치가 있는 응용 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
IC는 현재 대부분의 전자 장치에 사용되고 있으며, 사실상 별도의 전자 부품을 대체하고 있습니다. 이는 개별 구성 요소보다 훨씬 더 작고 빠르며 제조 비용이 저렴합니다. 전자 산업에서 IC가 빠르게 채택되는 것은 대량 생산이 용이한 IC의 모듈식 설계 덕분이기도 합니다.
이러한 레이어는 가시광선의 파장이 너무 커서 필요한 정밀도로 형상을 생성할 수 없기 때문에 가시광선 대신 자외선을 사용한다는 점을 제외하면 일반 사진과 유사한 방식으로 현상됩니다. 최신 IC의 기능은 너무 작아서 프로세스 엔지니어는 이를 디버깅하기 위해 전자 현미경을 사용해야 합니다.
IC 제조
자동화 테스트 장비(ATE)는 일반적으로 웨이퍼 프로빙 또는 웨이퍼 테스트로 알려진 프로세스인 IC를 만들기 위해 각 웨이퍼를 테스트합니다. 그런 다음 웨이퍼는 다이라고 알려진 직사각형 조각으로 절단된 다음 일반적으로 금이나 알루미늄으로 만들어진 전기 전도성 와이어를 통해 전자 패키지에 연결됩니다. 이러한 와이어는 일반적으로 열음파 접합이라는 프로세스에서 초음파를 사용하여 다이 가장자리 주위에 위치한 패드에 접합됩니다.
결과 장치는 일반적으로 ATE 및 산업용 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캐닝 장비를 사용하는 최종 테스트 단계를 거칩니다. 테스트의 상대적 비용은 장치의 수율, 크기 및 비용에 따라 크게 다릅니다. 예를 들어, 테스트는 저렴한 장치의 전체 제조 비용 중 25% 이상을 차지할 수 있지만 수율이 낮고 크고 값비싼 장치의 경우 사실상 무시할 수 있습니다.
기법
IC 제조는 다양한 특정 기술을 사용하는 고도로 자동화된 프로세스입니다. 이러한 기능으로 인해 제조 시설을 구축하는 데 드는 비용이 높아져 2016년 현재 80억 달러를 초과할 수 있습니다. 이 비용은 자동화에 대한 지속적인 요구로 인해 인플레이션보다 훨씬 빠르게 증가할 것으로 예상됩니다.
더 작은 트랜지스터를 향한 추세는 가까운 미래에도 계속될 것이며 2016년에는 14nm가 최첨단 기술이 될 것입니다. Intel, Samsung, Global Foundries 및 TSMC와 같은 IC 제조업체는 2017년 말까지 10nm 트랜지스터로 전환을 시작할 것으로 예상됩니다. .
대형 웨이퍼는 규모의 경제를 제공하여 IC의 총 비용을 절감합니다. 상업적으로 이용 가능한 가장 큰 웨이퍼는 직경이 300mm이며, 다음 최대 크기는 450mm가 될 것으로 예상됩니다. 그러나 이 크기의 웨이퍼를 만드는 데는 여전히 상당한 기술적 과제가 존재합니다.
IC 제조에 사용되는 추가 기술에는 Intel이 2011년부터 22nm 폭으로 제조한 트라이 게이트 트랜지스터가 포함됩니다. IBM은 SSDOI(Strained Silicon Direct On Insulator)라는 프로세스를 사용합니다. 웨이퍼.
구리는 주로 더 높은 전기 전도성으로 인해 IC의 알루미늄 상호 연결을 대체하고 있습니다. Low-K 유전체 절연체와 SOI(Silicon on Insulator)도 IC를 위한 고급 제조 기술입니다.
반도체에 관한 기타 리소스
기본 웨이퍼 용어 및 정의
축외에서 Si 웨이퍼 절단
실리콘의 산소 침전
실리콘 응용과 관련된 유리의 특성
Si 웨이퍼에 대한 SEMI 사양 가이드
실리콘의 습식 화학적 에칭 및 세척
태양 전지
태양 전지는 광전지 효과를 사용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이는 일반적으로 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시키기 위해 일부 물질에 의한 빛의 흡수를 포함합니다. 이는 빛에 노출되면 전기적 특성이 변하는 장치인 광전 셀의 일종입니다. 태양 전지는 "태양광"이라는 용어가 햇빛이 필요함을 의미하더라도 모든 광원의 빛을 사용할 수 있습니다.
에너지원으로 전기를 생산하는 것은 태양전지의 가장 잘 알려진 응용 분야 중 하나입니다. 이러한 유형의 태양전지는 광원을 사용하여 배터리를 충전하며, 배터리는 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.
태양 전지는 종종 전력을 공급하려는 장치에 통합됩니다. 예를 들어, 주택 개조 매장에서 흔히 볼 수 있는 태양열 조명은 낮 동안 배터리를 충전하기 위해 태양전지를 사용합니다. 밤에는 배터리가 동작을 감지하면 조명을 켜는 동작 센서에 전원을 공급합니다.
태양전지는 1세대, 2세대, 3세대 유형으로 분류될 수 있다. 1세대 셀은 단결정 실리콘과 폴리실리콘을 포함한 결정질 실리콘으로 구성됩니다. 그들은 현재 가장 일반적인 유형의 태양 전지입니다. 2세대 셀은 비정질 실리콘으로 구성된 박막을 사용하며 일반적으로 상업용 발전소에 사용됩니다. 3세대 태양전지는 다양한 신기술로 개발된 박막을 사용하며 현재 상업적 응용이 제한적이다.
태양전지 제조
1세대 태양전지의 대부분은 결정질 실리콘으로 구성되어 있지만 구조적 품질과 순도는 IC에 사용되는 것보다 훨씬 낮습니다. 단결정 실리콘은 폴리실리콘보다 더 효율적으로 빛을 전기로 변환하지만 단결정 실리콘은 가격도 더 비쌉니다.
웨이퍼는 정사각형으로 절단되어 개별 셀을 형성한 다음 모서리를 잘라서 팔각형을 형성합니다. 이 모양은 태양광 패널에 독특한 다이아몬드 모양을 부여합니다. 태양광 패널을 구성하는 셀은 변환 효율을 최대화하기 위해 모두 동일한 평면을 따라 방향이 지정되어야 합니다. 패널은 일반적으로 웨이퍼를 보호하기 위해 태양을 향하는 측면이 유리 시트로 덮여 있습니다.
태양전지는 특정 요구사항에 따라 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있습니다. 셀을 직렬로 연결하면 전압이 증가하고, 병렬로 연결하면 전류가 증가합니다. 병렬 스트링의 주요 단점은 그림자 효과로 인해 숨겨진 스트링이 종료될 수 있으며, 이로 인해 조명된 스트링이 숨겨진 스트링에 역방향 바이어스를 적용할 수 있다는 것입니다. 이 효과는 상당한 전력 손실을 초래할 수 있으며 심지어 셀에 손상을 줄 수도 있습니다.
이 문제에 대해 선호되는 해결책은 셀 스트링을 직렬로 연결하여 모듈을 형성하고 MPPT(최대 전력 지점 추적기)를 사용하여 스트링의 전력 요구 사항을 서로 독립적으로 처리하는 것입니다. 그러나 모듈을 상호 연결하여 원하는 로딩 전류 및 피크 전압을 갖는 어레이를 형성할 수도 있습니다. 그림자 효과로 인해 발생하는 문제에 대한 또 다른 해결책은 션트 다이오드를 사용하여 전력 손실을 줄이는 것입니다.
크기 증가
반도체 산업에서 부울이 커지는 추세로 인해 태양전지의 크기가 증가했습니다. 1980년대에 개발된 태양광 패널은 직경 50~100mm 사이의 셀로 구성됐다. 1990년대와 2000년대에 만들어진 패널은 일반적으로 직경 125mm의 웨이퍼를 사용했으며, 2008년 이후에 만들어진 패널은 156mm 셀을 사용합니다.
실리콘 웨이퍼의 사용
실리콘 웨이퍼는 집적 회로(IC)의 기판으로 가장 많이 사용되지만 광전지 또는 태양광 전지의 주요 구성 요소이기도 합니다. IC에 사용되는 웨이퍼의 품질 요구 사항은 훨씬 높지만 이러한 웨이퍼를 제조하는 기본 프로세스는 두 응용 분야 모두 동일합니다. 이러한 웨이퍼는 또한 태양전지에는 필요하지 않은 이온 주입, 에칭, 포토리소그래피 패터닝과 같은 추가 단계를 거칩니다.