잉곳 (Ingot)과 실리콘 (Silicon)

규소 (Si, Silicon) vs. 실리콘 (Silicone)

화학적으로 원소기호 SI(규소, Silicon)는 암회색의 금속성 물질의 원자번호 14번의 화학원소이며 규소를 원료로 해 합성한 규소수지가 실리콘(Silicone)이다.  반도체 분야 등에 응용되고 있습니다.
실리콘(SILICONE)은 규소와 산소가 결합(...-Si-O-Si-O-...)을 주축으로 하는 중합체(重合體, polymer : 단위체가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류)로 실록산 결합 등의 유기 골격을 가지는 고분자 물질이다.
실리콘은 무색 무취이며 산화가 느리고 고온에서도 안정적인 절연체이다. 윤활제, 접착제, 가스켓, 유방삽입물, 가짜 흉근 등에 쓰인다.

정제된 규소 조각(왼쪽)과 규소 원소를 발견한 욘스 야콥 베르젤리우스(오른쪽) 출처 : 케미컬뉴스(http://www.chemicalnews.co.kr)

규소는 우주에서 일곱 번째로 가장 풍부한 원소이며, 지각에서 두 번째로 풍부한 원소다.
규소는 탄소와 함께 모래(SiO2)를 2200℃의 높은 온도로 가열해 생산된다. 결정질 규소는 금속광택과 회색빛을 띠며, 상대적으로 불활성인 원소지만 할로겐과 희석 알칼리의 공격을 받는다. 불소를 제외한 대부분의 산은 규소에 영향을 주지 않는다.

규소 결정은 절연체이지만 붕소, 갈륨, 게르마늄, 인, 비소와 같은 원소로 도핑할 때 반도체의 성질을 갖게 되어 트랜지스터, 태양전지, 정류기 및 마이크로 칩과 같은 고체 전자 장치의 제조에 사용된다.
규소 카바이드(SiC)는 다이아몬드처럼 단단해서 연마제로 사용되며, 물유리로도 알려진 규산나트륨(Na2SiO3)은 비누, 접착제, 계란 방부제로 사용된다. 사염화규소(SiCl4)는 연막을 만드는 데 사용되고 규소는 윤활제, 연마제, 전기 절연체, 의료용 임플란트에 사용되는 재료의 일조 실리콘의 중요한 성분이기도 하다.
수소화 무정형 규소는 태양에너지를 전기로 전환하기 위한 경제적인 전지를 생산할 수 있는 가능성을 보여주었다.


규소는 유리와 반도체의 주원료

규소는 인간의 가장 유용한 요소 중에 하나로 모래와 진흙의 형태로 콘크리트와 벽돌을 만드는 데 사용되며, 고온 작업에 유용한 내화재다. 규산염의 형태로 에나멜, 도자기 등을 만드는 데도 사용된다. 유리의 주성분으로 기계적, 광학적, 열, 전기적 특성이 뛰어난 재료 중에 가장 저렴한 재료이기도 하다. 유리는 다양한 모양으로 만들어질 수 있고, 용기, 유리창, 절연체 등 수천 가지의 다른 용도로 사용된다.

규소는 동식물의 생명에도 중요하다. 담수와 바닷물에 있는 규조류는 물에서 실리카를 추출해 세포벽을 만든다. 실리카는 식물의 재와 인간의 뼈에 존재한다. 실리콘은 규소의 중요한 산물이며, 염화규소 디메틸과 같은 염화규소 유기염화규소를 가수분해해 제조할 수 있다. 다양한 대체 클로로실렌의 가수 분해와 응축은 액체에서 고체까지 매우 많은 양의 고분자 제품, 실리콘을 생산하는 데 사용된다.

'삼성반도체이야기'에 따르면 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소로 만들어지며 규소를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 실리콘 기둥인 잉곳(ingot)을 만들어 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 자르면 웨이퍼가 된다.

규소는 반도체 탄생에 필수 물질로 미국 캘리포니아주 첨단기술 연구단지 이름이 '실리콘 밸리'인 것도 규소에서 유래됐다. 반도체 주원료인 실리콘(Silicon)과 연구 단지가 위치한 산타클라라 인근 계곡 '밸리(valley)를 합쳐 만들어진 이름이다.

출처 : 케미컬뉴스(http://www.chemicalnews.co.kr)

잉곳 (Ingot )

금속 또는 합금을 한번 녹인 다음 주형(鑄型)에 흘려넣어 굳힌 것을 말한다.
잉곳케이스라고 하는 비교적 간단한 모양의 주형을 쓰며 주괴(鑄塊)라고도 한다.
* 주괴란 상대적으로 순도가 높은 물질의 덩어리다. 보통 금속을 가공하기 좋게 주물로 뜬 것을 말한다.

반도체에서 말하는 잉곳은 고온에서 녹인 실리콘으로 만든 실리콘 기둥이다
대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만든다. 규소는 모래에 많이 들어있는 물질로서, 반도체 원료로 쓰이기 위해서는 정제과정이 필요하다.
그래서 초크랄스키법 같은 실리콘 결정 성장기술을 이용하는데, 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액으로 만들고, 이것을 균일한 둥근 막대 모양의 단결정으로 식힌다.
여기서 성장된 단결정이 바로 ‘잉곳(ingot)’으로 이 것을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 절단하면 웨이퍼가 된다.

실리콘 잉곳

규소(Si)는 비금속으로 공유결합결정체로 절연체이다. 전기저항이 제곱센티당 1k옴이 넘는다.
보통 실리콘 단결정이라도 부른다.
막 때리면 전기저항이 오르락 내리락 하는데 이를 압전효과라고 하며, 또한 이 것은 반도체 고유의 성질이다.

실리콘을 이렇게 만들어놓으면 반도체고 뭐고 전기저항이 1키로옴이 넘는 그냥 쓰레기란다.
여기에 붕소나 비소, 인, 안티몬 등을 타서 반도체의 성질을 띄게 만들어주는데, 이를 도핑(Dopping)이라고 합니다.
(약 맞는것도 도핑이라고 하지요? 얘도 그 도핑... 약 넣어야 말을 듣거든.)

웨이퍼는 규소광석 - 이를 시드(Seed) 또는 핵이라고 함 - 을 융융로에 녹이고 적당히 식힌 다음 빙글빙글 돌려 만든다.
눈도 응결핵이라는 조그만 먼지가 있어서 자라나는 것처럼 규소도 이런 핵이 존재해야 여기에 붙어서 결정이 자라나게 된다.

여기서 가장 중요한 것은 순도이다.
현재의 모든 정련방식에선 소숫점 넘어가는 고순도 물질을 얻긴 힘들다.
알루미늄처럼 전기분해하기에는 규소가 절연체라 불가능하고 동위원소 수준까지 정련하는 우라늄처럼 하기에는 돈이 너무 든다. 그래서 단순하고 확실한 방법인 원심력과 중력을 사용한다. (눕혀서 삥삥 돌려버린다.)
눕혀서 천천히 돌리면 결정이 생기면서 상대적으로 무거운 불순물이 아래로 내려간다.
그럼 그 부분을 잘라내고 다시 녹여서 회전시킨다.
이런식으로 무한반복하면 대충 순도가 99.9999999999999997% 인가 대충 거기까지 된다.

사실 몇번만 해주면 어느정도 순도 이상부터는 지들이 알아서 자라나서 정련이 된다고 한다.

이때부턴 그냥 도가니에 저 고순도 잉곳을 퍽 꼽아놔요.

그러면 결정이 천천히 성장해서 고순도 단결정 실리콘이 됩니다.
결정이 자라나거든요, 근데 역시 뱅글뱅글 돌립니다.

이때, 단결정의 방향을 잘 봐두고, 커팅방향을 결정합니다.
결정의 방향에 따라 전계이동도(초딩 전자가 얼마나 빨리 이동해서 도착하느냐) 가 달라지거든요

웨이퍼가 왜 원형이냐면..
정련과정에서 회전을 시키기 때문이고, 두번째는 결정 성장과정에서 골고루 익으라고 빙글빙글 돌리다보니 둥그래지고
웨이퍼를 자를때, 사각으로 만들면 응력집중이라는 괴랄한 현상으로 모서리가 툭툭 깨지기 때문이다.
웨이퍼는 무척 잘 깨지는 성질을 가지고 있다. 깨지면 진짜 난리이다.

단결정 폴리실리콘 잉곳 제조방법

논문) 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법

용융된 실리콘 원료에 단결정 실리콘 시드를 접촉시킨 후 하부 방향으로 방향성 응고가 유도되도록 냉각하여 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳(mono like multicrystalline silicon ingot)을 제조하는 방법.
사각형상의 도가니에 실리콘 원료를 충진하고 상기 도가니 주변의 히터로 상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용융체를 제조하는 실리콘 용융체 제조단계, 상기 실리콘 용융체의 상부 중앙에 단결정 실리콘 시드를 접촉시키는 단결정 실리콘 시드 접촉단계, 상기 도가니 주변의 히터와 상기 도가니 상부에 위치한 냉각부로 온도를 낮추며 조절하여 상기 실리콘 용융체의 상부 방향으로부터 하부 방향으로 응고를 유도하는 방향성 유도 응고단계, 상기 실리콘 용융체가 응고함에 따라 상기 실리콘 용융체의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘 결정부가 형성되고, 상기 실리콘 용융체의 측부와 하부에는 다결정 실리콘 결정부가 형성되면서 실리콘 결정부가 성장하는 실리콘 결정부 성장단계가 포함되어 이루어지고, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서 성장이 진행된 실리콘 결정부를 일정 높이만큼 들어올려 상기 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 상기 도가니의 파손을 방지하는 특징이 있다.

Silicon Ingot Manufacturing Process (by SVM, Silicon Valley Microelectronics)

The time required to grow a silicon ingot varies depending on many factors. More than 75% of all single crystal silicon wafers are grown via the Czochralski (CZ) method, which uses chunks of virgin polycrystalline silicon. These chunks are placed in a quartz crucible along with small quantities of elements called dopants, the most common of which are boron, phosphorus, arsenic and antimony. Adding dopant to the pure silicon enhances it’s conductive property. Depending on what dopant is used, the ingot becomes P or N-type (boron: P-type; phosphorous, antimony, arsenic: N-type).

The ingot is then heated to a temperature above the melting point of silicon, around 1420°C. Once the polycrystalline silicon and dopant combination have been liquefied, a single silicon crystal called the seed, is positioned on top of the melt, barely touching the surface. The seed has the same crystal orientation required in the finished ingot. To achieve doping uniformity, the seed and the crucible of molten silicon are rotated in opposite directions. Once conditions for the crystal growth have been met, the seed crystal is slowly lifted out of the melt. Growth begins with a rapid pulling of the seed crystal in order to minimize the number of crystal defects within the ingot at the beginning of the growing process. The pull speed is then reduced to allow the diameter of the crystal to grow to slightly larger than the final desired diameter. When the target diameter is obtained, the growth conditions are stabilized to maintain the diameter. As the seed is slowly raised above the melt, the surface tension between the seed and the melt causes a thin film of the silicon to adhere to the seed and then to cool. While cooling, the atoms in the melted silicon orient themselves to the crystal structure of the seed.

Once the ingot is fully-rown, it is ground to a rough size diameter a little larger than the desired diameter of the finished silicon wafer. The ingot is then given a notch or flat to indicate its orientation, depending on the wafer diameter, customer specifications, or SEMI Standards. Once it has passed a number of inspections, the ingot is sliced into wafers.

* chunks of virgin polycrystalline silicon (순수 다결정 실리콘 덩어리)
* dopant 반도체에 첨가하는 미세한 불순물
* boron 붕소(B), phosphorus 인(P), arsenic 비소(As), antimony 안티몬(Sb, 합금을 만드는데 흔히 쓰는 금속 원소)

Metal Silicon

메탈실리콘은 반도체, 합금, 유기실리콘 등 산업에서 광범위하게 사용되는 원료다. 특히 반도체 및 태양광 산업에 있어서는 폴리실리콘의 핵심 원료로 사용되고 있다. 폴리실리콘은 반도체용과 태양전지용으로 나누는데, 반도체용으로 90%를 소비하고 있고, 10% 정도를 태양전지용으로 소비하고 있다. 현재 국내의 폴리실리콘 업체들은 원가 경쟁력 확보와 고품질의 안정적인 원료 수급을 위해 다양한 경로를 통해 메탈실리콘파우더를 확보하고 있으나 아직은 해외 의존도가 높은 실정이다.