반도체 및 광학 응용 분야를 위한 일반적인 결정 기판

크리스탈 기판은 반도체 제조, 포토닉스, 광전자 및 고급 광학 공학의 가장 기초적인 요소입니다. 집적 회로, 레이저 다이오드, LED, 광 검출기, MEMS 구조, 비선형 광 변조기, 고출력 레이저 부품과 같은 장치의 품질을 최종적으로 결정하는 것은 구조적 완벽성, 전자 동작, 광학적 투명성 및 열 성능입니다. 다음은 일반적으로 사용되는 기판에 대한 일반적인 개요와 함께 애플리케이션 및 사양에 대한 세부 정보를 제공합니다.

실리콘 - 마이크로일렉트로닉스 및 MEMS를 위한 범용 기판

실리콘은 비용 효율성, 성숙한 공정 생태계, 기계적 견고성으로 인해 마이크로전자공학 및 MEMS 제조에서 여전히 가장 널리 사용되는 결정 기판입니다. 이러한 특성 덕분에 로직 디바이스, 전력 전자 장치 및 센서 플랫폼을 구현하는 데 있어 실리콘의 관련성은 계속 유지되고 있습니다. 광학 분야에서 실리콘은 1.2~8μm 적외선 범위의 투명성 덕분에 적외선 부품, 광자 집적 회로, 수동 도파관 및 열 화상 소자의 주요 재료로 사용됩니다. 고속 광자 회로와 고급 MEMS 공진기는 5G 통신, LiDAR 시스템 및 정밀 센싱에 적용되는 SOI 웨이퍼를 통해 구현됩니다.

일반적인 실리콘 기판 사양에는 다양한 종류가 있습니다: CZ, FZ, SOI, 99.99% 이상의 순도, 도핑에 따라 밀리옴에서 메가옴 수준의 저항률 옵션이 있습니다. 방향은 디바이스 요구 사항에 맞게 (100), (111), (110) 등이 있습니다. 도핑에는 붕소, 인 또는 비소가 포함됩니다. 직경은 2인치에서 12인치까지 다양합니다. 표면 마감은 낮은 산란과 정밀한 평탄도가 요구되는 광학 애플리케이션을 위해 단면 연마부터 양면 연마까지 다양합니다.

사파이어는 광전자 및 레이저 기술을 위한 고성능 기판 소재입니다.

사파이어는 질화 갈륨 에피택시에 가장 많이 사용되는 기판으로 청색 LED, UV LED, 고출력 레이저 다이오드 및 많은 RF 부품의 기초를 형성합니다. 또한 경도와 열전도율이 매우 높아 고에너지 광학 시스템, 시계창, 적외선 광학 및 방사선이 강한 환경에서도 유용합니다. 이러한 사파이어의 특성은 화학적 안정성과 열 순환에 대한 저항성과 결합되어 열악한 환경의 센서와 고온의 광학 창에도 적합합니다.

사파이어 기판은 일반적으로 다양한 에피택셜 요구 사항을 충족하기 위해 C-플레인, A-플레인, R-플레인 및 M-플레인 방향으로 준비됩니다. 고급 기판은 TTV가 5μm 미만이고 표면 거칠기가 Ra <0.3nm로 낮은 우수한 평탄도를 제공합니다. 사파이어는 순도가 매우 높으며 단면 또는 양면 폴리싱 형태로 제공됩니다. 사파이어는 2040°C의 매우 높은 융점 때문에 장기적인 열 안정성이 중요한 곳에서 선택됩니다.

석영 및 용융 실리카 - 광학 안정성 및 자외선 투명성

석영 및 용융 실리카 기판은 자외선 광학, 광학 코팅, 간섭계, 미세 유체 장치 및 반도체 리소그래피용 포토마스크에 널리 사용됩니다. 열팽창이 적고 심자외선(~180nm)에서 적외선까지 투명성이 뛰어나 고출력 레이저 시스템, 정밀 광학 및 파장 안정 부품에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 용융 실리카는 OH 함량이 매우 낮고 복굴절률이 낮기 때문에 선호되는 반면, 석영은 발진기, 필터 및 공진기에 사용되는 압전 특성으로 인해 가치가 높습니다.

이러한 기판은 광학 플레이트의 경우 0.5-10mm, 웨이퍼 형식의 경우 200-800μm의 두께를 가진 고순도 등급으로 제공됩니다. 표면 마감에는 일반적으로 레이저 애플리케이션을 위한 초광택(<1Å 거칠기)이 포함됩니다. 쿼츠의 방향에는 압전 요구 사항에 따라 X-컷, Y컷, Z컷이 있습니다. 석영 웨이퍼는 일반적으로 2~6인치 직경으로 제공되며 용융 실리카 플레이트는 크기와 형상을 맞춤화할 수 있습니다. 낮은 열팽창 계수(~0.5ppm/K)로 고에너지 레이저 노출 시 치수 안정성을 보장합니다.

갈륨 비소(GaAs): 고속 및 광전자 디바이스를 위한 직접 밴드갭 기판

GaAs 기판은 높은 전자 이동도, 직접 밴드갭 방출, 효율적인 광 흡수가 필요한 광전자 장치에 이상적입니다. 적외선 LED, VCSEL, 포토다이오드, 양자 캐스케이드 레이저 및 많은 고주파 RF 부품은 모두 GaAs 기판에 의존합니다. 갈륨 비소의 가장 일반적인 용도는 위성 통신과 5G 전력 증폭기입니다. 갈륨비소 기판은 AlGaAs 및 InGaAs와 격자가 일치하기 때문에 양자 우물 및 초격자를 포함한 복잡한 다층 에피택셜 구조에 적합합니다.

GaAs 기판의 일반적인 제조에는 반절연 및 전도성 유형이 포함되며, RF 또는 광학 애플리케이션에 맞게 저항을 설계할 수 있습니다. 방향은 일반적으로 반위상 경계를 최소화하기 위해 오프컷 옵션이 있는 (100)을 포함합니다. 표준 직경은 2, 3, 4, 6인치입니다. 이러한 모든 기능은 MBE 또는 MOCVD 에피택시에 필수적입니다.

리튬 니오베이트(LiNbO₃), 탄탈산리튬(LiTaO₃) - 비선형 및 전기 광학 기판

비선형 광학 재료 중 리튬 니오베이트와 탄탈산 리튬은 비선형 광학, 음향 광학 변조기, SAW 필터, 주파수 배가 및 고속 통합 포토닉스에 매우 중요한 역할을 합니다. LiNbO₃의 강력한 전기 광학 효과로 인해 통신 및 양자 포토닉스 분야의 변조기에 선호되는 플랫폼입니다. 초전 및 압전 특성은 센서, 적외선 감지기, 정밀 주파수 제어 장치를 지원합니다.

상용 기판은 일반적으로 X-컷, Y컷, Z컷 방향으로 제공됩니다. 광학 산란과 광굴절 효과를 최소화하려면 순도 및 결함 제어가 중요합니다. 두께는 광학 플레이트의 경우 0.5-100mm, 웨이퍼 형식의 경우 ~300-700 µm입니다. 표면 품질에는 단면 또는 양면 광택 마감, 도파관 및 상호 작용 영역의 거칠기가 매우 낮은 마감 등이 포함됩니다.

관련 자료 탄탈산 리튬 웨이퍼와 리튬 니오베이트 웨이퍼 비교: 기술 애호가를 위한 종합적인 비교

실리콘 카바이드 - 고전력 전자 제품을 위한 견고한 기판, SiC

SiC는 차세대 와이드 밴드갭 전자 제품을 위한 가장 가치 있는 기판 중 하나로, SiC MOSFET, 쇼트키 다이오드, 전력 모듈 및 고온 센서를 지원합니다. SiC의 넓은 밴드갭과 높은 열전도율은 전기 자동차, 재생 에너지 인버터, 항공 우주 전자 장치 및 산업용 전원 공급 장치에서 매우 필수적인 고전압, 빠른 스위칭 속도 및 가혹한 조건에서 장치를 작동할 수 있게 해줍니다.

SiC 웨이퍼는 결함 감소에 최적화된 순도의 4H, 6H 및 반절연 등급으로 제공됩니다. 표면 마감에는 결함 밀도가 매우 낮은 CMP 폴리싱 에피 레디 표면이 포함됩니다. 표준 크기에는 2, 4, 6인치 및 빠르게 성장하고 있는 8인치 포맷이 포함됩니다. 오리엔테이션과 마이크로파이프 밀도는 디바이스 수준의 성능에 중요한 품질 지표입니다.

표 1: 반도체 및 광학 애플리케이션에 사용되는 주요 결정 기판의 특성

표 1에는 기판 유형, 순도, 배향, 도핑, 표면 마감 등 기판의 주요 특징이 요약되어 있어 일상적인 R&D 및 생산 상황에서 쉽게 참조할 수 있습니다. 자세한 제품 정보는 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.

결론

결정 기판은 모든 최신 반도체, 광자 및 광학 기술의 근간이 되는 기본 구조입니다. CMOS 및 MEMS용 실리콘, GaN 에피택시용 사파이어, UV 광학용 석영, 고속 광전자용 GaAs, 전기 광학 변조용 LiNbO₃, 와이드 밴드갭 전력 장치용 SiC 등 모든 기판 재료는 최종 시스템의 성능과 신뢰성을 직접 형성하는 독특한 전자, 광학 및 열적 이점을 공유할 수 있습니다.