나노기술 및 정책 정보

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● 한국에너지기술연구원(KIER) 오준호 박사, 충북대학교 김가현 교수 공동 연구팀은 단결정 실리콘을 모체 기판 위에 상향식으로 성장시킨 후, 기존에 다공성 구조로 인하여 불량으로 여겨졌던 플라즈마 에피탁시 실리콘을 역이용하여 실리콘 웨이퍼를 간편하게 박리하는 기술을 개발

● 기존 에피탁시 실리콘 웨이퍼 제작 방식은 모체 기판 상부에 다공성 구조의 실리콘 분리층을 하향식으로 형성하고 단결정 실리콘을 성장한 후 박리를 통해 분리하였는데, 이 방법으로는 모체 기판 표면의 일부가 같이 떨어지기 때문에 모체 기판이 조금씩 손실되어 수차례의 박리 공정 이후 모체 기판이 소모돼 제조비용 증가의 원인으로 작용

● 플라즈마 에피탁시 실리콘은 높은 결함밀도 및 다공성 구조의 특성으로 인해 태양전지 공정 중 발생하는 불량으로 취급됐으며, 이 물질의 성장을 억제하거나 물질 내부의 결함 및 공극률을 저감하는 연구들이 주를 이루었으나 연구팀은 플라즈마 에피탁시에 대한 역발상을 구사해 결함밀도를 증가시키고 계면의 공극률을 극대화하는 방법을 선택

● 모체기판 위에 다공성 구조의 플라즈마 에피탁시 실리콘을 성장시킨 후 열처리 과정을 거쳐 중간에 떼어내기 쉬운 얇은 틈을 만든 후 다시 결정질 실리콘을 그 위에 두껍게 증착시키면 태양전지나 다른 반도체 소자로 쓸 수 있는 웨이퍼는 절취선을 따라 쉽게 떼어내듯 분리할 수 있고 모체기판은 손상 없이 무한대로 활용이 가능

● 연구팀은 화학기상증착법으로 성장시킨 플라즈마 에피탁시 실리콘의 나노 다공성 구조 특성 및 공극이 재구성되어 나노-틈(Nano-gap)을 형성하는 현상을 최초로 발견하고 그 원인을 규명

● 고온에서 물질 내부에 나노 크기의 공극들이 서로 결합하는 것과 같이 고체에서도 고온의 수소 환경에서 동일한 현상이 나타나는 것을 확인

● 해당 연구를 통해 원재료의 낭비를 획기적으로 줄이고 태양전지 제조단가를 절반으로 절감할 수 있으며 플라즈마 에피탁시 실리콘 및 단결정 실리콘 성장을 위해 산업계에서 널리 사용되고 있는 화학기상증착법을 적용하고 있기 때문에 다양한 차세대 반도체 소자에 응용 가능하므로 산업적 파급효과가 클 것으로 기대 

※ 용어설명

- 에피탁시(epitaxy): 라틴어 어원 epi(위에)+taxis(정렬된)에서 유래한 용어로써, 반도체 소재/소자분야에서 단결정기판위에 단결성소재를 성장하는 첨단 기술을 칭하는 용어

- 플라즈마 에피탁시(plasma-assisted epitaxial growth): 에피탁시를 구현하는 방법 중에, 단결정기판위에 플라즈마를 이용한 가스분해반응을 통하여 단결정소재를 성장하는 방법

- 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD): 반도체 제조 공정 중의 한 단계로써 가스의 화학반응을 이용하여 절연 물질이나 반도체, 금속 등을 침적하는 방법으로 웨이퍼의 표면에 필요한 물질을 응착시킬 때 이용

※ Advanced Materials 게재 (2021.10.14.), “Fully Bottom-Up Waste-Free Growth of Ultrathin Silicon Wafer via Self-Releasing Seed Layer”

※ 산업통상자원부(에너지기술개발사업), 과학기술정보통신부 (과학기술분야 기초연구사업) 지원