현재 다결정 잉곳은 석영 유리로 된 로에 기판의 성격을 결정짓는 도펀트(Dopant)를 첨가하고 용해한 실리콘을 채운 후 지향성 응고방식으로 하단부부터 서서히 응고시켜 제작된다. 이렇게 만든 다결정 잉곳을 일정 크기로 절단한 후, 다시 와이어 절단 공정으로 약 150∼200㎛의 두께로 절단하는데, 이것이 웨이퍼의 생산 과정이다. 이렇게 만들어진 웨이퍼는 절단면을 연마해 셀 공정에 투입된다.

그러나 앞서 설명한 것처럼 다결정 웨이퍼 제조공정에서 잉곳을 절단할 때 잉곳의 절단칩으로 30~50%가 버려진다. 이는 큰 손실로 이어지며 결과적으로 웨이퍼 가격 상승의 결정적인 요인으로 작용한다. 따라서 절단 시 버려지는 고가의 잉곳 절단부위, 그로 인해 손실되는 그간의 작업공정과 실리콘 소재를 아낄 수 있는 방법이 강구되면 현재 웨이퍼의 가격을 50% 이상 절감할 수 있는 가장 강력한 무기가 될 수 있다.

이번 기사에서 소개할 기술은 다결정 잉곳을 만드는 방법과 비슷한 공정으로 몇 가지 기술을 추가 및 응용해 다결정 잉곳제조가 아닌, 다결정 웨이퍼를 직접 성형·생산하는 기술이다. 이는 곧 그리드 패리티(Grid Parity)를 달성하는데 한 발 다가설 수 있는 계기가 되어줄 것이다.

금형틀의 전체적인 구조

용해 실리콘으로 잉곳을 만들어 다결정 웨이퍼를 제작해오던 기존의 방법에서 탈피, 금형틀을 구성해 용해 실리콘에서 바로 웨이퍼를 성형할 수 있는 제조 방식이 개발됐다. 자세한 금형틀의 구조를 그림 1에 나타냈다.

고정틀은 웨이퍼의 성형을 위한 금형틀을 수납하는 수단으로, 정면투시도와 측면투시도에서 보는 바와 같이 내부가 윗면 개시부로 벌어지는 각을 가지고 있어 조립되었던 물질이 윗면 개시부로 쉽게 빠질 수 있도록 되어있다.

간격틀은 두개가 한조를 이룬다. 간격틀의 바깥쪽 면은 고정틀의 내부 각에 대응되는 각을 가지고 구비되고, 내부 면에는 위에서 아래방향으로 수직의 홈을 가지고 있다. 이 홈의 간격은 수 밀리미터(mm) 내에서 배열되어 만들어졌으며, 그 홈의 수단은 금형판 조립 홈이다. 금형판 조립 홈들의 간격은 약 3mm로, 간격틀의 길이가 1,000mm일 때 그 개수는 약 300개 내외에서 구비할 수 있다. 즉 한 번의 공정으로 300개의 웨이퍼를 생산할 수 있는 개념이다.

측면틀도 역시 두개가 한 조이며, 목적은 웨이퍼 성형이 끝나고 금형에서 웨이퍼를 분리할 때 쉽게 분해할수 있도록 하기 위한 수단이다. 측면틀 역시 바깥쪽에는 고정틀의 내부 측면 테이퍼 각과 대응되는 각으로 구비된다.

고정틀의 내부에 간격틀을 그림 1과 같이 조립하고, 그 측면에 측면틀을 조립해 간격틀 조립상태와 같이 조립하며, 고정틀의 내부에 구비된 윗면 개시부로 넓어지는 각으로 인해 뒤집으면 간격틀과, 측면틀이 고정틀에서 쉽게 빠져나와 분리되는 구조로 조립된다.

금형판 활용한 150㎛ 두께의 웨이퍼 생산 과정

그림 1에 간격틀의 금형판 조립홈을 확대해 보인 도면을 나타냈으며, 그림 2에는 금형판 조립과정과, 웨이퍼 성형금형을 보인 도면과 함께 웨이퍼 성형공간부를 확대해 보인 도면을 나타냈다. 그림 2는 완성된 웨이퍼 성형금형으로 웨이퍼 성형 제조공정을 설명하는 도면이다.

그림 2에서 보는 바와 같이 고정틀, 간격틀의 조립상태에서 간격틀의 홈에 금형판을 끼워 조립해 웨이퍼 성형금형을 구비한다. 이로써 금형판 사이사이에 웨이퍼가 성형된다. 조립될 때 금형판과 금형판의 사이, 즉, 웨이퍼 성형공간은 약 150㎛의 간격을 유지해 조립된다. 그로 인해 생산되는 웨이퍼는 약 150㎛ 두께로 생산이 가능하다.

웨이퍼 성형금형 요소인 고정틀, 간격틀, 측면틀, 금형판의 재질은 고순도의 석영유리, 또는 고순도의 사파이어 재질로 사용할 수 있다. 바람직하게는 고가이기는 하지만 사파이어 소재가 좋으며, 모두 재사용을 할 수 있다.

용해된 실리콘이 용착되지 않도록 하기 위한 수단으로는 표면에 반도체 공정의 식각 공정으로 미세한 돌기를 구비해 자가 세정능력을 부여할 수 있다. 성형고정에서 실리콘의 잔여물이 묻어있을 경우에는 NF3의 세정 가스가 채워진 챔버에서 잔유물을 제거할 수 있다.

웨이퍼 생산 전 도핑가스 코팅부터 응고과정

고정틀, 간격틀, 측면틀, 금형판이 모두 조립된 웨이퍼 성형금형은 그림 3에서 보는 것과 같이 도핑가스 코팅 과정의 공정을 거친다. 챔버 내에서 약 800∼900℃의 예열과정을 거치면서 POCI3, H3PO4, BBR3 등 목적하는 도펜트를 챔버에 공급해 웨이퍼 성형금형의 모든 면에 코팅을 한다. 이 작업은 성형되는 웨이퍼와 각 고정틀, 간격틀, 측면틀, 금형판의 접촉면에서 도펜트가 이형제 역할을 해 서로 용착이 되지 못하도록 함으로써, 성형되는 웨이퍼와 각 금형수단의 파손을 막고 분리가 쉽게 할 수 있도록 하는 공정이다. 부수적으로 웨이퍼의 도핑 및 확산공정의 효과까지 가지게 된다. 즉, 성형공정에서 이형제로 사용하는 도펜트가 웨이퍼의 양면에 도핑되고 확산되는 효과를 가져 차후 셀 공정에서 도핑과정과 확산공정을 생략할 수 있는 이점을 가진다.

예열 및 도핑가스 코팅 과정이 끝난 웨이퍼 성형금형은 용해 실리콘 주입 챔버로 옮겨 용해된 실리콘을 각 금형판의 사이에 구비된 웨이퍼 성형공간에 채우고, 응고 챔버로 옮겨진다. 지향성 응고 챔버로 옮겨진 웨이퍼 성형금형은 하단부부터 서서히 응고되어 잉곳이 아닌 웨이퍼를 곧바로 성형하게 되며, 완전히 식은 웨이퍼 성형금형을 분리실로 옮겨 뒤집어서 조립의 역순으로 고정틀, 간격틀, 측면틀, 금형판을 분리하면 각 금형판 사이에서 웨이퍼를 얻어낼 수 있다. 이 같은 공정의 반복으로 대량의 웨이퍼를 저렴하게 만들 수 있다.

효과 및 기대치

이 기술은 종래 잉곳 제조기술로 웨이퍼를 생산할 수 있는 기술로 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 먼저 고정틀, 간격틀, 측면틀, 금형판의 재사용이 가능해 유지비용이 적다. 무엇보다 잉곳 생산과정에서의 손실이나 이 잉곳의 절단과정에서의 실리콘 손실이 없고, 웨이퍼의 양면 연마과정을 비롯해 도핑과정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 면적이 큰 웨이퍼를 더 얇은 두께로 만들 수 있으며, 제조시간의 단축 또한 가능하다. 이로써 웨이퍼 제조 원가를 혁신적으로 줄일 수 있으며 수율을 높일 수 있다. 이는 웨이퍼 제조 설비 시설에 큰 비용이 들지 않아 중소기업의 진입에 가능성을 활짝 열어줄 것으로 기대된다.

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