• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2011년도 추계학술발표대회
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• pp.24.1-24.1
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• 2011

CMP (Chemical Mechanical Planarization)는 고직접도의 다층구조의 소자를 형성하기 위한 표면연마 공정으로 사용되며, pattern 크기의 감소에 따른 공정 중요도는 증가하고 있다. 반도체 소자 제조 공정에서는 낮은 비용으로 초기재료를 만들 수 있고 우수한 성능의 전기 절연성질을 가지는 산화막을 만들 수 있는 단결정 실리콘 웨이퍼가 주 재료로 사용되고 있으며, 반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼 표면의 거칠기는 후속공정에 매우 큰 영향을 미치므로 CMP 공정을 이용한 평탄화 공정이 필수적이다. 다결정 실리콘 박막은 현재 IC, RCAT (Recess Channel Array Transistor), 3차원 FinFET 제조 공정에서 사용되며 CMP공정을 이용한 표면 거칠기의 최소화에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있다. 본 연구에서는 알칼리성 슬러리를 이용한 단결정 및 다결정 실리콘의 식각 및 연마거동에 대한 특성평가를 실시하였다. 화학적 기계적 연마공정에서 슬러리의 pH는 슬러리의 분산성, removal rate 등 결과에 큰 영향을 미치고 연마대상에 따라 pH의 최적조건이 달라지게 된다. 따라서 단결정 및 다결정 실리콘 연마공정의 최적 조건을 확립하기 위해 static etch rate, dynamic etch rate을 측정하였으며 연마공정상의 friction force 및 pad의 온도변화를 관찰한 후 removal rate을 계산하였다. 실험 결과, 단결정 실리콘은 다결정 실리콘보다 static/dynamic etch rate과 removal rate이 높은 것으로 나타났으며 슬러리의 pH에 따른 removal rate의 증가율은 다결정 실리콘이 더 높은 것으로 관찰되었다. 또한 다결정 실리콘 연마공정에서는 friction force 및 pad의 온도가 단결정 실리콘 연마공정에 비해 상대적으로 더 높은 것으로 나타났다. 결과적으로 단결정 실리콘의 연마 공정에서는 화학적 기계적인 거동이 복합적으로 작용하지만 다결정 실리콘의 경우 슬러리를 통한 화학적인 영향보다는 공정변수에 따른 기계적인 영향이 재료 연마율에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 이를 통한 최적화된 공정개발이 가능할 것으로 예상된다.

• 한국결정성장학회지
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• 제6권3호
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• pp.360-367
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• 1996

실리콘 단결정에서 존재하는 산화저층결합(OISF)은 실리콘 웨이퍼의 전기적 성질에 많은 영향을 미치게 되는데 이 산화적층결함의 핵(nuclei)은 결정성장 과정에서 형성되며, 그 주요 원인으로는 초기 산소 농도, dopant의 종류 및 농도, 냉각속도 등이 있다. 본 연구에서는 냉각 속도에 따른 실리콘 단결정 내의 산화적층결함에 관하여 조사하였다. 수평관상로를 이용하여 실리콘 단결정괴를 Ar 분위기에서 $1400^{\circ}C$까지 승온후 각기 다른 냉각속도로 냉각하였다. 이후 $1150^{\circ}C$에서 산화처리를 한 후 실리콘 단결정 내의 산화적층결함의 농도를 조사하였으며, FTIR을 이용하여 산화석출물이 산화적층결함의 형성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 실리콘 단결정 내에서 산화적층결함이 가장 많이 형성되는 중간 단계의 냉각속도 범위가 있음을 확인하였으며 실리콘 단결정 내의 산소가 석출물의 형태로 존재할 때 산화적층결함이 많이 형성됨을 알 수 있었다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2007년도 춘계학술발표회 초록집
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• pp.155-156
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• 2007

본 연구에서는 태양전지 표면에 입사된 빛의 반사율을 최소화하기 위해서 단결정 실리콘 기판 표면에 다공성 실리콘층을 적용하여 반사방지막(Anti-Reflection Coating, ARC)을 형성하는 실험을 하였다. 다공성 실리콘(Porous silicon, PSi)은 실온에서, 기판 성질에 따라 일정 비율로 만든 전해질 용액($HF-C_2H_5OH-H_2O$)을 사용하여 실리콘 표면에 양극산화처리 함으로써 단순 공정만으로 실리콘 기판의 반사율을 낮출 수 있다. 본 연구는 일정한 면저항을 가지는 단결정 실리콘 기판에 다공성 실리콘층을 여러 조건으로 형성하여 반사방지막으로써의 특성을 비교 분석하였다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2007년도 춘계학술발표대회 및 제12회 신소재 심포지엄
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• pp.22.2-22.2
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• 2007

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.187.2-187.2
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• 2011

태양광산업의 value chain중 up-stream쪽인 고순도 실리콘산업은 셀, 모듈, 시스템 쪽에 비하여 영업 이익률이나 부가가치 측면에서 매우 높은 성장성을 현재 보여주고 있으며 최근 원자력산업의 안전성 문제가 대두됨으로 인하여 태양광수요가 전 세계적으로 증대되는 경향을 나타내어 태양광용 실리콘의 수요가 확대됨과 아울러 spot시장에서의 가격 또한 상승하고 있다. 이런 관점에서 잉곳 및 웨이퍼 가공 중에 발생하는 고순도 실리콘 폐기물의 재활용 이 다시 주목받고 있다. 태양전지 웨이퍼(wafer)용 소재는 6N급 이상의 결정질 실리콘 잉곳(ingot)이 주를 이루며, 고효율의 셀을 제조하기 위해서 단결정 실리콘 잉곳이 많이 사용된다. 실리콘 단결정을 육성하는 방법에는 Floating zone 법, Czochralski 법, Bridgeman 법, CVD 등 매우 다양하다. 이 중 Czochralski 법은 전체 생산량의 대부분을 차지하고 있는 방법으로, 용융액에서 결정을 인상하여 ingot을 제작하는 방법이다. 그러나 대량의 전기에너지를 소비하여 제작되는 고순도의 실리콘 단결정 잉곳은 후 가공공정에서 그 절반 이상이 분말(powder) 및 슬러지(sludge)로 폐기되므로, 자원의 재활용 및 환경오염 측면에서 주요과제가 되고 있다. Czochralski 법으로 제작된 ingot의 경우 그 표면이 매끄럽지 못하여, 웨이퍼 단위의 가공 시 형태가 진원이 될 수 있도록 표면을 미리 연마(grinding)하는데, 이때에도 미세 분말이 다량 발생하게 된다. 본 연구에서는 이러한 고순도 단결정 실리콘 ingot의 연마 가공공정에서 발생한 미세 분말을 용해하여 보았다. 진공 챔버(chamber) 내부에 유도가열 코일과 냉도가니로 구성된 장비를 통해 전자기유도가열을 이용하여 실리콘 분말 폐기물을 용해하고, 그 시편을 ICP-MS 및 비저항 측정을 통해 분말 의 특성을 조사하여 재활용 가능성을 검토해 보았다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2004년도 추계학술대회 논문집 Vol.17
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• pp.214-217
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• 2004

숭화법을 이용한 탄화규소(Silicon carbide) 단결정 성장시 사용되는 원료의 상(phase)이 단결정 성장에 미치는 영향을 알아보기 위해 알파형 탄화규소 분말(${\alpha}-SiC$ powder)과 베타형 탄화규소 분말(${\beta}-SiC$ powder)을 각각 사용하였다. 알파형 탄화규소 분말을 사용한 경우에 단결정(single-crystal)을 성장할 수 있었으나, 베타형 탄화규소 분말을 사용하였을 때에는 다결정(poly-crystal)이 성장되었다. 다결정 형성요인에 관한 EPMA 분석결과, 베타형 탄화규소 분말의 탄소에 대한 실리콘의 원소조성비$(N_{Si}/N_C\;=\;1.57)$가 알파형 탄화규소 분말의 경우보다$(N_{Si}/N_C\;=\;0.81)$ 높음을 확인하였다. 따라서 흑연도가니(crucible) 내부의 실리콘 원자가 알파형 탄화규소 분말을 사용하는 경우보다 높은 과포화상태가 되어 종자정 표면에 미세한 실리콘 액적(droplet)이 중착되고 이것으로부터 일정하지 않은 방향성(random orientation)을 갖는 탄화규소 다결정(다양한 방향성을 갖는 다형 포함)이 성장한 것으로 실리콘과 탄소 원소에 대한 EPMA 지도(map) 결과를 통해 확인할 수 있었다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2010년도 하계학술대회 논문집
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• pp.266-266
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• 2010

실리콘 나노잉크를 이용한 프린팅 공정을 적용하여 결정질 실리콘 박막을 제조하였으며, 다양한 공정조건에 따른 박막의 특성을 연구하였다. 기존의 실리콘 박막형 제조 기술은 고가의 진공프로세스이므로, 비진공 프린팅 공정의 대체를 통하여 박막 태양전지의 제조원가를 획기적으로 절감할 수 있다. 실리콘 나노입자는 저온 플라즈마를 사용하여 합성하였으며, 스핀코팅 (spin coating), 드롭핑 (dropping), 딥핑 (dipping) 등의 프린팅 공정을 이용하여 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 박막을 형성하였다. 사용된 실리콘 나노입자는 10 ~ 50 nm 의 크기와 단결정 구조를 갖는다. 이러한 실리콘 나노입자는 Propylene Glycol 용매에 분산시켜 하부기판에 프린팅 하였다. 이렇게 증착된 나노입자들은 $600{\sim}1000^{\circ}C$의 온도와 다양한 분위기에서 열처리되어 고밀도화 되었다. 제조된 실리콘 박막의 물성 분석은 SEM, EDX, 그리고 X-ray 회절 측정을 통하여 수행되었다.

• 한국진공학회지
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• 제3권4호
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• pp.466-481
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• 1994

차세대 집적회로 제조공정에 있어 핵심기술인 선택적 단결정 실리콘 성장공정에 대한 이동현상, 열역학, 미시적 전산모사를 수행하여 다각적인 분석과 이해를 시도하였다. 첫째, 실리콘 단결정 성장 공 정에 가장 많이 사용되는 배럴 반응기를 대상으로 유한 요소법을 이용하여 이동현상적 이론연구를 수행 하였다. 반응기내의 기체속도 분포, SiH2Cl2 농도분포를 각각 구하였으며 압력, 기판온도, 총유량 HCl 유 량변화 등의주요공정변수가 증착율과 균일도 지수에 미치는 영햐을 고찰하였다. 이러한 연구를 통하여 저온, 저압, 총유량이 많고 첨가되는 HCl 유량이 작은 경우가 균일도 확보를 위하여 적합한 조업조건임 을 알수 있었다. 둘째 Si-H-Cl 계에 대한 열역학적 기체의 Cl/H비가 낮은 경우가 선택적 실리콘 증착 에 적합함을 알수 있었다. 셋째, Monte Carlo법을 이용한 선택적 실리콘 미세박막 성장패턴에 관한 이 론 연구를 수행하여 종횡비, 재방출, 표면확산에 따른 박막증착 패턴의 변화를 고찰하였으며 표면확산이 선택도 상실 현상의 중요한 원인이 될 수 있음을 발견하였다. 또한 최상의 선택도 확보를위해서는 낮은 부착계수와 낮은 표면확산계수를 유지해야 됨을 알수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.373-375
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• 2011

최근 태양전지 연구에서 저가격화를 실현하는 방법 중 하나로 폐 실리콘 웨이퍼를 재생하는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존 웨이퍼 재생공정은 높은 재처리 비용과 복잡한 공정등의 많은 단점을 가지고 있다. 결정형 태양전지에서 저가격화 및 고효율은 태양전지를 제작하는데 있어 필수 요소 이다. 그 중 결정질 태양전지 고효율을 위한 여러 연구 방법 중 표면 텍스쳐링(texturing)에 관한 연구가 활발하다. 텍스쳐링은 표면반사에 의한 광 손실을 최소화 하여 효율을 증가시키기 위한 방법으로 습식 식각과 건식 식각을 사용하여 태양전지 표면 위에 요철 및 피라미드구조를 형성하여 반사율을 최소화 시킨다. 건식식각은 습식식각과 다른 환경적 오염이 적은 것과 소량의 가스만으로 표면 텍스쳐링이 가능하여 많은 연구가 진행중이다. 건식 식각 중 하나인 RIE(reactive ion etching)는 고주파를 이용하여 플라즈마의 이온과 silicon을 반응 시킨다. 실험은 RIE를 이용하여 SF6/02가스를 혼합하여 비등방성 에칭 및 피라미드 구조를 구현하였다. RIE 공정 중 SF6/02가스는 높은 식각 율을 갖으며 self-masking mechanism을 통해 표면이 검게 변화되고 반사율이 감소하게 된다. 이 과정을 통해 블랙 실리콘을 형성하게 된다. 블랙 실리콘은 반사율 10% 이하로 self-masking mechanism으로 바늘모양의 구조를 형성되는 게 특징이며 표면이 검은색으로 반사율이 낮아 효율증가로 예상되지만 실제 바늘 모양의 블랙 실리콘은 태양전지 제작에 있어 후속 공정 인 전극 형성 시 Ag Paste의 사이즈와 표면 구조를 감안할 때 태양 전지 제작 시 Series resistance를 증가로 효율 저하를 가져온다. 본 연구는 SF6/02가스를 혼합하여 기존 RIE로 형성된 바늘모양의 구조의 블랙 실리콘이 아닌 RIE 내부에 metal-mesh를 장착하여 단결정(100)실리콘 웨이퍼 표면을 텍스쳐링 하였고 SF6/02 가스 1:1 비율로 공정을 진행 하였다. metal-mesh 홀의 크기는 100um로 RIE 내부에 장착하여 공정 시간 및 Pressure를 변경하여 실험을 진행하였다. 공정 시간이 변경됨에 따라 단결정(100) 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 구조의 균일한 1um 크기의 블랙 실리콘을 구현하였다. 바늘모양의 블랙 실리콘을 피라미드 구조로 구현함으로써 바늘 모양의 단점을 보완하여 태양전지 전기적 특성을 분석하여 태양전지 제작시 변환 효율을 증가시킬 것으로 예상된다.

• 전력전자학회지
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• 제14권1호
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• pp.21-25
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• 2009

전력반도체소자는 1947년 트랜지스터의 출현으로 반도체시대가 도래한 이후 사이리스터, MOSFET 및 IGBT 등으로 발전하였다. 개발당시에는 10A 정도의 전류처리 능력과 수백V 정도의 진압저지능력을 가지고 있었지만, 현재에는 정격전류로는 약 8,000A, 정격전압으로는 무려 12kV 급까지 발전되었다. 그러나 전력반도체 소자의 대부분은 실리콘을 윈료로 제작되고 있으며 현재 실리콘의 물성적 한계에 직면하여 고전압, 저손실 및 고속 스위칭화에 대한 새로운 도전이 시작되고 있다. SiC 전력용 반도체는 실리콘 반도체의 이론적 물성한계를 극복할 수 있는 소재로서 80년대 이후 각광받아 왔다. 하지만 대구경의 단결정 웨이퍼 및 저결함의 에피박막의 부재로 90년대 중반까지는 가능성 있는 재료로서만 연구되었다. 90년대 중반 단결정 웨이퍼가 상용화된 이후 단결정 웨이퍼의 대구경화 및 저결함화가 급속히 진전되어 전력용 반도체 소자의 개발도 활기를 띄게 되었다. 본 기고에서는 탄화규소 반도체소자의 기술동향에 대해 소개하고자 한다.