[반도체 소자] 밀러와 골뱅이 소면

 

이번 글의 내용은 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 신창환 교수님의 "반도 채 몰라도 들을 수 있는 반도체 소자 이야기" 강의를 정리 및 참조하였음을 먼저 밝힙니다.

 

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저번 포스트에서는 반도체 핵심인 "결정재료의 면/방향 표기법"을 알아보았습니다. 이번 포스트에서는 "밀러와 골뱅이 소면" 에 대해서 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

 

 

다음으로 설명할 것은 대괄호와 뾰족한 브래킷 (bracket) 괄호가 있습니다.

 

이 두 개의 notation은 면의 방향을 나타내는 것들입니다. 따라서 가장 앞면의 면의 방향을 보면,이 면의 방향은 면에 수직인 방향으로 바깥쪽으로 나오는 벡터 (vector) 를 활용하여 표시해줍니다.그래서 이 앞면의 경우는 1, 그 다음에 y 랑 z 축 방향으로 0랑 0이니까 1 0 0 이라고 표현해주면 됩니다.따라서 1 0 0 에 대괄호를 치게 되면 이것이 실질적으로 의미하는 바는 소괄호를 친 (1 0 0) 면의 방향을 나타내는 notation 이 됩니다.

 

 

따라서 크리스탈린 디렉션(crystalline direction)을 나타내게 됩니다.마지막으로 뾰족한 괄호는 동일한 디렉션 (direction) 들을 하나로 묶어서 표시하는 것입니다.등가의 equivalent direction 이라고 표현하며, [1 0 0]과 동일한 방향을 가지는 여러 vector 들을 다 묶어서 <1 0 0> 으로 표현하게 된다고 이해하면 됩니다.밀러지수를 간단하게 어떻게 계산하고 이해해야 하는지 말씀드렸습니다.

 

 

이렇게 넘어가면 잘 이해가 되지 않을 것 같습니다. notation을 보면 소, 중, 대 괄호를 쓴 것을 알 수 있습니다.그리고 여기는 면과 방향입니다.이렇게 기억을 하시고 소 면 방(발) ...드디어 여기 골뱅이소면이 나왔습니다.소, 면이 있고 면 방향이 나옵니다. 방향의 ㅇ을 ㄹ로 바꾸면 면발이 됩니다.그래서 골뱅이소면의 면발이라고 이해를 하면 이 테이블을 쉽게 암기할 수 있을 것입니다.잘 기억해주시기 바랍니다.

 

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실제 1 0 0 방향이 어디인지, 두 번째 예는unit cell의 가운데 면을 어떻게 방향으로 표시하는지에 대한 것입니다.이 면은 1 1 0 이고, 양쪽으로 소괄호를 치면 됩니다.간단하게 계산하면 이 빗금을 친 영역이 x 축 y 축과 만나게 됩니다.그 때 만나는 교점이 a 가 되고, z 축과는 평행이니 무한대입니다.역수를 취하면 1/a, 1/a, 1/무한대 이고, 1/무한대는 0입니다.다음 분모의 숫자들을 제거하기 위해 a를 곱하면 1, 1, 0 입니다.면이기 때문에 (1 1 0) 입니다.이 정도 내용은 암산으로 다 계산하실 수 있을 거라 믿습니다.

 

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그 다음 이야기는 웨이퍼에 대한 것입니다. crystalline 실리콘(Si) 재료를 써서 만든 얇은 박막으로 보이는 기판을 웨이퍼(wafer)라고 부릅니다.동네의 편의점에 가면 웨이퍼스 라고 되어있는 과자를 구매하면 한국말로 웨하스라고 되어있습니다.따라서 wafer는 아주 얇고 큰 평판과 같이 생긴 것이라고 이해하면 되는데, 제가 여러분의 이해를 돕기 위해서 4인치 wafer를 하나 가져왔습니다.

 

 

제가 들고 있는 것은 트위져입니다.이 트위져를 이용해서 wafer를 집어서 보면 앞은 거울처럼 보이고 뒷면은 불투명하게 보입니다.이 앞면 뒷면은 공정할 때도 많이 헷갈릴 수 있고, 실수를 많이 하게 됩니다.항상 거울과 같이 보이는 면 위에 반도체 칩을 공정한다고 이해하면 됩니다.

 

 

여기 슬라이드에 있는 상품제조가 완료된 그림을 보시면 반도체 칩이 거울과 같은 면에 칩으로 생산되어 있는 것을 확인할 수 있습니다.이 때, 표면의 면 방향이 (100) 면을 가지는 wafer를 주로 사용하며, 경우에 따라서 (110) 면 방향을 가진 wafer를 사용하기도 합니다.Wafer를 보여드렸습니다.만약 wafer의 어느 면에 반도체 칩을 만들어야 하는지 헷갈리면 고기 구울 때 쓰는 알루미늄 호일을 떠올리면 됩니다.알루미늄 호일의 한 쪽 면은 거울 같고, 반대쪽은 불투명합니다.고기를 얹을 때 반드시 거울과 같은 면에 올려서 구워 드셨을 겁니다.반도체 wafer도 동일합니다. 거울과 같은 표면에 반도체 칩을 만들게 됩니다.

 

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지난 시간에 unit cell에 대하여 말씀을 드렸었고,각 unit cell을 각 방향에 대해서 회전을 시킨 겁니다. 지난 시간에 들고 왔던 모형체도 이런 것이 있습니다. 이것을 (1 0 0) 면에서 보느냐 아니면 (1 1 0) 에서 보느냐 (1 1 1)에서 보느냐 보는 각도에 따라서 다양한 원자 배치 형태를 볼 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 결정 실리콘(Si) 재료 내를 떠돌아다니는 전자가 어떤 방향으로 이동하느냐에 따라 자기가 보는 원자의 패턴이 다르게 됩니다. 그 결과, 동일한 전압을 가해도 전자가 이동하는 정도는 굉장히 달라질 수 있습니다. 그래서 어떤 면 방향으로 전자들이 이동하느냐는 실제 반도체 집적회로 내에서 얼마만큼의 전류를 흘릴 수 있느냐와 많은 연관이 있습니다.

 

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요약

 

 

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긴 글 읽어주셔서 감사합니다.