박막형성기체 중에서 SiO2 막에 사용되는 기체로 가장 거리가 먼 것은?
- SiH4
- O2
- N2O
- PH3
정답과 해설 보기
정답 ④ · 문항은 SiO2 박막 형성에 사용되지 않는 기체를 고르는 문제이다. SiO2 증착에는 실란계 전구체(SiH4)와 산화제(O2 또는 N2O)가 일반적으로 사용되며 이들로부터 산화막이 형성된다.
SiO2 막 형성에 SiH4, O2, N2O는 반응물이나 산화제로 쓰이지만 PH3는 도핑용이다.
개념 한 쪽
화공기사 반도체 원료 및 제조공정 — 단결정·도핑·세정·광촉매
반도체 공정은 고순도 단결정 실리콘 제조에서부터 도핑, 박막 형성, 식각 후 세정까지 여러 단계로 구성된다는 사실을 이해해야 한다. 대표적인 소재·공정 명칭과 용도, 그리고 온도나 불순물의 효과를 구별할 줄 알아야 한다는 점을 명확히 해야 한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「반도체 원료 및 제조공정」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 박막 형성 기체 판별 | 1 | SiO2 박막 형성에 관여하지 않는 기체를 가리기 |
| 도핑과 전기적 특성 연결 | 1 | 도핑이 캐리어와 저항에 미치는 영향을 설명하도록 요구 |
| 반도체 물성 일반성 판별 | 1 | 온도 변화에 따른 전도도 변화 등 일반 성질의 옳고 그름 판단 |
뜻
단결정 실리콘은 반도체 제조의 기본 소재로, 가장 보편적으로 쓰이는 성장법은 Czochralski(CZ) 방법과 플로팅 존(FZ) 방법이라는 것을 알아야 한다. CZ법은 용융된 실리콘에 시드를 담가 회전 인출하여 잉곳을 만드는 방식이고, FZ법은 용융 영역을 다결정 봉을 따라 이동시켜 도가니 없이 단결정을 성장시키는 방법이다.
반도체의 전기적 특성은 불순물 도핑과 온도에 크게 좌우된다. 도핑은 캐리어 농도를 증가시켜 전기 저항을 감소시키는 작용을 하며, p형 도핑은 3족 원소를 첨가하여 만든다는 점을 기억해야 한다. 진성 반도체는 불순물이 거의 없는 상태로 전자-정공 쌍이 전도를 담당하며, 온도가 오르면 전자-정공 쌍 생성이 증가해 전도도가 증가한다는 점을 구별해야 한다.
공정 중 식각 등 후처리 단계에서는 세정 공정이 중요하며, 피라나 용액은 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)의 혼합물로 유기물 제거에 쓰인다는 사실을 숙지해야 한다. 또한 박막 형성에 쓰이는 기체는 목적에 따라 구분해야 하며, SiO2 박막 형성에는 SiH4, O2 또는 N2O 같은 물질이 사용되고 PH3는 주로 도핑 가스로 쓰인다는 구별을 해야 한다.
광촉매나 표면 처리와 관련된 소재도 출제된다면 TiO2가 광촉매로 널리 사용된다는 점을 기억해야 한다. TiO2는 자외선 조사로 전자-정공 쌍을 생성해 산화환원 반응을 촉진하므로 환경 처리용 광촉매의 대표 물질로 분류된다는 점을 알아두어야 한다.
예제
문제 유형: 진성 반도체의 전기전도도 계산 예시를 보인다. 전기전도도 σ는 전하량 q, 전자 농도 n, 정공 농도 p, 전자 이동도 μn, 정공 이동도 μp로 σ = q (n μn + p μp)로 정의된다. 예시 문제에서 n = p = 6.8×10^12 /m^3, μn = 0.19 m^2/V·s, μp = 0.0425 m^2/V·s, q = 1.6×10^-19 C라면 합성 이동도는 μn+μp = 0.2325 m^2/V·s이고 n(μn+μp) = 6.8×10^12 × 0.2325 = 1.581×10^12 이므로 σ = 1.6×10^-19 × 1.581×10^12 ≈ 2.53×10^-7 S/m가 된다. 이 계산은 진성 반도체 조건에서 전자와 정공 기여를 모두 고려하여 전기전도도를 구하는 절차를 보여준다.
또 다른 예시는 박막 형성 관련 선지 판별이다. SiO2 박막 형성에 관여하지 않는 기체를 고르는 문제에서 PH3는 인 도핑용 가스로 SiO2 형성 반응의 주성분이 아니므로 정답으로 판정한다는 식으로 접근한다.
대표 기출 3문항
반도체에 대한 일반적인 설명 중 옳은 것은?
- 진성반도체의 경우 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 감소한다.
- p형 반도체는 Si 에 V족 원소가 첨가된 것이다.
- 불순물 원소를 첨가함에 따라 저항이 감소한다.
- LED(light emitting diode)는 n형 반도체만을 이용한 전자소자이다.)
정답과 해설 보기
정답 ③ · 반도체의 전기적 특성은 불순물 도핑 여부에 따라 달라집니다. 진성 반도체는 온도가 증가하면 전도전자와 정공의 수가 증가하여 전기전도도가 상승하므로 1번은 틀린 설명입니다.
불순물 도핑은 캐리어 농도를 증가시켜 저항을 감소시키며, p형은 3족 원소 도핑이다.
반도체의 일반적인 성질에 대한 설명 중 틀린 것은?
- 4족 원소가운데 에너지 갭의 크기순서는 탄소 ＞ 실리콘 ＞ 게르마늄 이다.
- 에너지 갭의 크기가 클수록 전기전도도는 감소한다.
- 진성 반도체의 전기전도도는 온도가 증가함에 따라 감소한다.
- 절대온도 0K에서 전자가 존재하는 최상위 에너지 준위를 페르미 준위라고 한다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 반도체의 성질 설명들 중 틀린 것을 찾는 것이다. 진성 반도체는 온도가 증가하면 열로 인해 전자-정공 생성이 늘어나므로 전기전도도가 증가하게 되어 '온도 증가 시 전도도가 감소한다'는 진술은 잘못이다.
진성 반도체는 온도가 오르면 전자-정공 쌍이 증가하여 전기전도도가 증가하므로, 감소한다는 ③번이 틀린 설명이다.
자주 묻는 물음
- 진성 반도체의 페르미 준위는 어디에 위치하나?
- 진성 반도체의 페르미 준위는 밴드갭의 중앙에 위치한다는 점을 기억한다.
- 단결정 실리콘을 만들 때 CZ법과 FZ법의 차이는 무엇인가?
- CZ법은 용융된 실리콘에서 시드를 인출하여 잉곳을 만드는 방식이고, FZ법은 용융 영역을 이동시켜 도가니 없이 단결정을 성장시키는 방식으로 FZ법은 도가니 오염이 적다는 차이를 가진다.
- 피라나 용액과 SC1·SC2의 주요 용도 차이는 무엇인가?
- 피라나 용액(H2SO4+H2O2)은 유기물 제거에 사용하고, NH4OH+H2O2+H2O(SC1)는 입자 제거·유기물 제거 보조, HCl+H2O2+H2O(SC2)는 금속 이온 제거에 주로 사용된다는 구분을 한다.
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