반도체 소재의 응용 및 개발 동향

반도체 소재(반도체? 소재)는 반도체 특성(도체와 부도체 사이의 전도도, 저항률 약 1mΩ·cm~1GΩ·cm 범위)을 갖는 물질의 일종으로, 반도체 소자 및 집적회로용 전자재료.

1. 반도체 소재의 주요 종류

반도체 소재는 화학적 조성에 따라 구분되며, 특별한 구조와 특성을 지닌 비정질 반도체와 액체 반도체는 별도의 분류로 분류된다. 이러한 분류 방법에 따르면, 반도체 재료는 원소 반도체, 무기 화합물 반도체, 유기 화합물 반도체, 비정질 및 액체 반도체로 나눌 수 있습니다.

1. 반도체: 원소 주기율표의 IIIA족에서 VIIA족까지 분포하는 반도체 재료로 11개의 원소가 있으며, 아래 표의 검은색 상자에는 이 11가지의 원소 반도체가 있습니다. 그 중 C는 다이아몬드를 나타낸다. C, P 및 Se는 절연체와 반도체의 두 가지 형태를 가지며, B, Si, Ge 및 Te는 반도체 형태를 가지며, Sn, As 및 Sb는 반도체와 금속의 두 가지 형태를 갖습니다. P는 녹는점과 끓는점이 너무 낮고, I는 증기압이 너무 높아 분해되기 쉬워 실용가치가 거의 없다. As, Sb, Sn의 안정한 상태는 금속인 반면, 반도체는 불안정합니다. B, C, Te 역시 준비과정의 어려움과 성능의 한계로 인해 활용되지 못했다. 따라서 이들 11개 원소 반도체 중 Ge, Si, Se 3개 원소만이 활용되고 있다. Ge와 Si는 여전히 모든 반도체 재료 중에서 가장 널리 사용되는 두 가지 재료입니다.

(반도체재료)

2. 무기화합물반도체 : 이원계, 삼원계, 사원계 등으로 구분된다. ?바이너리 시스템에는 다음이 포함됩니다. ①IV-IV 그룹: SiC 및 Ge-Si 합금은 모두 섬아연석 구조를 가지고 있습니다. ② III-V족 : 주기율표의 III족 원소인 Al, Ga, In과 V족의 원소인 P, As, Sb로 구성되며 대표적인 것이 GaAs이다. 그들은 모두 섬아연석 구조를 가지고 있으며 응용 측면에서 Ge와 Si에 이어 두 번째이며 개발 전망이 뛰어납니다. ③ II-VI족: II족의 Zn, Cd, Hg 원소와 VI족의 S, Se, Te 원소로 구성된 화합물은 중요한 광전자 재료입니다. ZnS, CdTe 및 HgTe는 섬아연석 구조를 가지고 있습니다. ④ I~VII족: I족 원소인 Cu, Ag, Au와 VII족 원소인 Cl, Br, I로 구성된 화합물로, 그중 CuBr과 CuI는 섬아연석 구조를 가지고 있습니다. ⑤ V-VI족: V족 원소인 As, Sb, Bi와 VI족 원소인 S, Se, Te로 구성된 화합물은 Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3 등과 같은 형태를 가지며 중요한 열전재료이다. . ⑥4번째 사이클의 B족 산화물과 전이족 원소인 Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni의 산화물이 주요 서미스터 재료이다. 7 특정 희토류 원소 Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm과 V족 원소 N, As 또는 VI족 원소 S, Se, Te로 구성된 화합물? ?이러한 이원 화합물 외에도 Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP 등과 같은 이들과 요소 사이 또는 요소 사이에 고용체 반도체가 있습니다. 이러한 고용체를 연구하면 단일 재료의 특정 특성을 개선하거나 새로운 응용 분야를 개척하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.

(반도체 재료 원소 구조 다이어그램)

반도체 재료

삼원계에는 다음이 포함됩니다. 족: 이는 II족과 IV족 원자로 대체됩니다. III-V족의 III족 원자 2개로 구성됩니다. 예를 들어, ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2 등. 그룹: CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 등과 같이 II-VI족의 II족 원자 2개를 대체하는 I족 1개와 III족 원자 1개로 구성됩니다. : Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4 등과 같은 그룹의 III족 원자 2개를 대체하는 I족 원자 1개와 V족 원자 1개로 구성됩니다.

또한 구조가 기본적으로 섬아연석과 더 복잡한 무기 화합물인 4차 시스템(예: Cu2FeSnS4)이 있습니다.

3. 유기 화합물 반도체: 잘 알려진 유기 반도체에는 나프탈렌, 안트라센, 프탈로시아닌 및 일부 방향족 화합물이 포함됩니다.

4. 비정질 및 액체 반도체: 이 유형의 반도체와 결정질 반도체의 가장 큰 차이점은 결정 구조가 엄격하게 주기적으로 배열되어 있지 않다는 것입니다.

2. 반도체 재료의 실제 응용

다양한 반도체 장치를 준비하려면 단결정 슬라이싱, 연삭, 연마, 박막 등을 포함하여 반도체 재료에 대한 형태학적 요구 사항이 다릅니다. 다양한 형태의 반도체 재료에는 다양한 처리 기술이 필요합니다. 일반적으로 사용되는 반도체 재료 준비 공정에는 정제, 단결정 준비 및 박막 에피택셜 성장이 포함됩니다.

반도체 재료 모든 반도체 재료는 원료의 정제가 필요하며, 요구되는 순도는 6"9" 이상, 최대 11"9" 이상입니다. 정제 방법은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 물질의 화학적 조성을 바꾸지 않고 정제하는 것을 물리적 정제라고 하고, 다른 하나는 먼저 원소를 화합물로 정제한 후 정제된 화합물을 원소로 환원시키는 방법을 말한다. 물리적 정제. 화학적 정제. 물리적 정제 방법에는 진공증발법, 부분정제, 결정인입정제 등이 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 부분정제입니다. 화학적 정제의 주요 방법으로는 전기분해, 착화, 추출, 증류 등이 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 방법은 증류이다. 각 방법에는 특정 제한 사항이 있으므로 여러 가지 정제 방법을 결합한 프로세스를 사용하여 자격 있는 물질을 얻는 경우가 많습니다.

(반도체 재료)

대부분의 반도체 장치는 단일 웨이퍼 또는 단일 웨이퍼를 기반으로 하는 에피택셜 웨이퍼로 만들어집니다. 용융 성장 방법을 사용하여 일괄적으로 반도체 단결정을 생산합니다. 초크랄스키(Czochralski) 방법은 실리콘 단결정의 80%가 가장 널리 사용되며, 대부분의 게르마늄 단결정 및 인듐 안티몬화물 단결정은 이 방법으로 생산됩니다. 실리콘 단결정의 최대 직경은 300mm에 이릅니다. 용융물에 자기장을 도입하는 초크랄스키(Czochralski) 방법을 마그네트론 풀링이라고 합니다. 이 방법을 사용하면 균일성이 높은 실리콘 단결정이 생성됩니다. 도가니 용융물 표면에 액체 피복제를 첨가하는 것을 액체 밀봉 초크랄스키법(liquid-sealed Czochralski method)이라고 하며, 이 방법은 갈륨비소, 갈륨인화물, 인듐인화물 등 분해압력이 큰 단결정을 끌어당기는 데 사용됩니다. 부유 구역 용융 방식의 용융물은 용기와 접촉하지 않으며, 이 방법을 사용하여 고순도 실리콘 단결정을 성장시킵니다. 수평대 용해법은 게르마늄 단결정을 생산하는 데 사용됩니다. 수평 배향 결정화 방법은 주로 갈륨비소 단결정을 제조하는 데 사용되는 반면, 수직 배향 결정화 방법은 카드뮴 텔루라이드 및 갈륨 비소를 제조하는 데 사용됩니다. 다양한 방법으로 생산된 벌크 단결정은 결정 배향, 롤링, 기준면 제작, 슬라이싱, 연삭, 모따기, 연마, 에칭, 세척, 테스트 및 패키징 공정의 전부 또는 일부를 거쳐 해당 웨이퍼를 제공합니다.

단결정 기판 위에 단결정 박막을 성장시키는 것을 에피택시라고 한다. 에피택시 방법에는 기체상, 액체상, 고체상, 분자선 에피택시 등이 포함됩니다. 산업 생산에서는 주로 화학적 기상 에피택시를 사용하고 이어서 액체상 에피택시를 사용합니다. 금속 유기화합물 기상 에피택시와 분자선 에피택시는 양자우물이나 초격자와 같은 미세구조를 만드는 데 사용됩니다. 비정질, 미세결정 및 다결정 필름은 주로 다양한 유형의 화학 기상 증착, 마그네트론 스퍼터링 및 기타 방법을 사용하여 유리, 세라믹, 금속 및 기타 기판에 만들어집니다.

3. 반도체 소재 개발 현황

반도체 장비 시장에 비해 반도체 소재 시장은 오랫동안 보조 역할을 해왔지만, 칩 출하량이 늘어나면서 소재 시장도 성장세를 보이고 있다. 시장은 지속적인 성장을 이어갈 것이며, 화려한 장비 시장이 가져온 그림자를 없애기 시작했습니다. 매출 기준으로 보면

Semiconductor Materials Japan은 최대 반도체 재료 시장으로서의 지위를 유지하고 있습니다. 그러나 대만, ROW 및 한국도 중요한 시장으로 떠오르기 시작했습니다. 재료 시장의 부상은 이들 지역의 장치 제조 발전을 반영합니다. 웨이퍼 제조재료 시장과 패키징 재료 시장 모두 성장세를 보이고 있으나, 향후 성장세는 둔화되는 경향을 보이나 성장 모멘텀은 여전히 유지될 전망이다.

(반도체재료)

미국반도체산업협회(SIA)는 2008년 반도체 시장 매출이 2,670억 달러에 육박해 5년 연속 성장을 이룰 것으로 전망했다. . 공교롭게도 반도체 소재 시장 역시 같은 기간 매출과 출하량 기록을 꾸준히 갈아치웠다.

웨이퍼 제조 재료와 패키징 재료 모두 성장을 이루었으며, 올해 시장 매출은 각각 268억 달러와 199억 달러로 예상됩니다.

일본은 반도체 재료 시장에서 계속 선두 위치를 유지하고 있으며, 대만은 2004년에 북미를 제치고 두 번째로 큰 반도체 재료 시장이 되었습니다. 북미는 ROW(기타 국가)와 한국에 이어 5위입니다. ROW에는 싱가포르, 말레이시아, 태국 및 기타 동남아시아 국가 및 지역이 포함됩니다. 많은 신규 공장이 이 지역에 투자되고 있으며, 각 지역은 북미보다 강력한 패키징 기반을 갖추고 있습니다.

칩제조재료는 반도체 재료 시장의 60%를 차지하며, 대부분이 실리콘 웨이퍼에서 나온다. 실리콘 웨이퍼와 포토마스크는 웨이퍼 제조 재료의 62%를 차지했습니다. 습식 화학 시약, 포토마스크 및 스퍼터 타겟을 제외한 모든 웨이퍼 제조 재료는 2007년에 큰 성장을 경험하여 웨이퍼 제조 재료 시장의 전체 성장에 기여했습니다. 2008년 웨이퍼 제조재료 시장의 성장세는 7배로 상대적으로 둔화됐다. 2009년과 2010년 성장률은 각각 9배, 6배로 예상된다.

반도체 소재 시장에서 가장 중요한 변화 중 하나는 패키징 소재 시장의 성장이다. 1998년 반도체 소재 시장에서 패키징 소재 시장이 차지하는 비중은 33%였으며, 2008년에는 이 비중이 43%까지 늘어날 것으로 예상된다. 이러한 변화는 볼 그리드 어레이, 칩 스케일 패키징 및 플립 칩 패키징에서 라미네이트 기판과 고급 고분자 재료의 사용이 증가했기 때문입니다. 제품 휴대성과 기능성으로 인해 포장에 대한 요구가 높아짐에 따라 이러한 소재는 향후 몇 년 동안 더욱 강력한 성장을 경험할 것으로 예상됩니다. 또한, 금 가격의 급격한 상승으로 인해 와이어 본딩 부문은 2007년에 36% 성장을 기록했습니다.

웨이퍼 제조재료와 마찬가지로 반도체 패키징 재료도 향후 3년간 성장률이 둔화돼 2009년과 2010년 5배 증가해 각각 209억 달러, 220억 달러에 이를 전망이다. 통계에 포함되지 않은 금 가격 요소와 롤링 기판을 제외하면 실제 성장률은 2 대 3입니다.

4. 반도체 소재의 전략적 위치

20세기 중반 단결정 실리콘과 반도체 트랜지스터의 발명과 실리콘 집적회로의 성공적인 개발은 전자산업의 발전을 가져왔다. 1970년대 혁명 1990년대 초 석영 광섬유 소재와 GaAs 레이저의 발명은 광섬유 통신 기술의 급속한 발전을 촉진하고 점차 첨단 산업을 형성하여 인류를 정보화 시대로 이끌었습니다. 초격자 개념의 제안과 반도체 초격자 및 양자우물 물질의 성공적인 개발은 광전자소자의 설계적 사고를 완전히 바꾸었고, 반도체 소자의 설계 및 제조를 '불순물 공학'에서 '에너지 밴드 공학'으로 발전시킬 수 있게 해주었다. 나노과학과 기술의 개발과 적용은 인간이 원자, 분자 또는 나노 수준에서 강력하고 새로운 장치와 회로를 제어, 조작 및 제조할 수 있게 하여 세계의 정치, 경제 환경과 군사 대결의 형태에 심각한 영향을 미치며 사람들의 생활 방식을 완전히 변화시킵니다.

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