웨이퍼 — 모래에서 거울 같은 원판까지

모든 칩은 거울처럼 매끈한 실리콘 원판 위에서 시작합니다. 그 원판 한 장을 만들기 위해 모래에서 뽑아낸 실리콘을 99.999999999% 순도까지 정제하고, 녹여서 통째로 하나의 결정으로 다시 굳힙니다.

왜 단결정이어야 하는가

실리콘이 아무렇게나 굳으면 작은 결정들이 제각각 방향을 향한 다결정이 됩니다. 결정과 결정이 만나는 경계는 전자가 산란하고 불순물이 모이는 자리라 소자 특성이 제멋대로가 됩니다. 그래서 웨이퍼 전체가 방향이 하나로 정렬된 단 하나의 결정이어야 합니다.

초크랄스키 — 녹인 뒤 끌어올린다

도가니에 담긴 용융 실리콘에 방향이 정해진 작은 단결정을 담그고, 돌리면서 천천히 끌어올립니다. 액체가 종자결정의 배열을 그대로 이어받아 굳으면서 거대한 단결정 기둥이 됩니다. 시뮬레이션의 재생 바를 끌며 각 단계를 확인해 보세요.

인상 속도가 결함의 종류를 정한다

빨리 끌어올릴수록 생산성이 좋지만, 결정 안에 남는 점결함의 종류가 달라집니다. 인상 속도 v와 고액 계면의 온도 기울기 G의 비 v/G가 크면 빈자리(공공)가 남아 뭉치면서 COP 결함이 되고, 작으면 격자 사이에 끼인 실리콘이 과잉이 되어 전위 고리가 생깁니다.

둘 사이의 좁은 구간에서만 두 결함이 서로 상쇄되어 무결함 결정이 나옵니다. 슬라이더를 움직이며 이 구간을 찾아보세요. 생산성과 품질이 정면으로 충돌하는 지점입니다.

도펀트는 균일하게 들어가지 않는다

용융액에 도펀트를 넣어도 결정에 들어가는 비율은 1보다 작습니다. 이 비율이 편석 계수 k₀입니다. 결정이 자라는 동안 들어가지 못한 도펀트가 액체에 계속 쌓이므로, 나중에 자란 부분일수록 농도가 높아집니다.

그래서 잉곳의 머리와 꼬리는 저항률이 다르고, 규격을 벗어난 양 끝은 잘라 버립니다. k₀가 0.8인 붕소와 0.3인 인을 번갈아 선택해 보면 끝부분 농도 비가 얼마나 달라지는지 볼 수 있습니다.

자르는 순간 절반이 사라진다

다 자란 잉곳은 다이아몬드 와이어로 얇게 썰립니다. 문제는 톱날 자체에도 두께가 있다는 점입니다. 이 커프 손실이 웨이퍼 두께와 비슷한 수준이라, 어렵게 키운 실리콘의 20% 안팎이 톱밥으로 사라집니다.

그리고 지름을 키우면 면적은 제곱으로 늘어납니다. 200 mm에서 300 mm로 가면 면적이 2.25배가 되고, 한 장에서 나오는 칩도 그만큼 늘어납니다. 장비와 공정을 전부 새로 만들어야 하는데도 업계가 지름을 계속 키워 온 이유입니다.