유기준 교수팀, 초박막 고밀도의 단결정 실리콘 반도체 박리 기술 개발

한 장의 단결정 실리콘 웨이퍼에서 다수의 고품질 반도체의 박막 전사 기술을 개발 … 반도체 칩 생산 비용의 극단적 절감 기대

응용 물리 분야 최상위 저널 ‘Small(IF 15.153)’ 게재

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수(연세-KIST 융합연구원) 연구팀은 세계 최초로 한 장의 단결정 실리콘 웨이퍼에서 여러 차례 고밀도의 단결정 실리콘 나노 및 마이크로 박막을 박리하는 기술을 개발했다. 재사용이 가능한 단결정 실리콘 박막 제작 기법은 새로운 유연한 무기물 기반 전자소자 연구 분야로의 확정성을 보여 주며, 초저비용 반도체 기반의 플렉시블 디바이스 개발로 이어질 것으로 예측된다. 

단일 원소로 이뤄진 반도체 물질인 단결정 실리콘은 높은 전기적, 기계적, 광학적 성능을 보유하고 있으면서도 저렴한 제조 공정 과정을 가져 여전히 반도체 전자소자 제작에 있어 대체 불가능한 물질로 활용되고 있다. 더불어 실리콘의 두께를 매우 얇은 박막 형태로 제작하게 됨으로써 굽힘 강도를 급격히 감소시킴으로 유연 전자소자로의 적용으로 이어졌다. 

이러한 실리콘의 뛰어난 특성을 활용하기 위해 유연한 기판에 단결정 실리콘 박막을 전사하는 방법들이 개발됐다. 기존의 방법으로는 실리콘-산화물-실리콘 형태로 이뤄진 ‘SOI(Silicon-on-Insulator)’ 웨이퍼에서 박막으로 이뤄진 위쪽 실리콘에 구멍 형태의 배열로 실리콘 박막을 에칭해 가운데 산화막 층을 제거해 실리콘 박막만을 유연한 기판 위에 전사하는 방법이 사용됐다. 

하지만 이러한 SOI 웨이퍼의 경우 일반적인 단결정 실리콘 웨이퍼에 비해 가격이 매우 높으며, 한번 실리콘 박막을 전사한 이후에 다시 재사용이 불가능해 저비용 유연 소자 제작에 적용하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 리본 형태의 단결정 실리콘의 경우 서로 분리된 구조 형태를 가지기 때문에 고밀도 형태의 전자소자 개발에 활용하기 적합하지 않으며 다양한 전자소자에 적용하는 데 어려움이 있다. 

본 연구에서는 이러한 단점들을 극복하며 높은 전기적, 기계적, 광학적 성능을 보유하고 있는 단결정 실리콘 박막을 단결정 실리콘 웨이퍼를 재사용해 전사하는 방법을 개발했다. 실리콘 마이크로바 셀들을 서로 연결하는 디자인을 통해 하나의 밀집된 형태의 서로 연결된 대형 박막을 형성했다. 

SOI 웨이퍼의 경우 웨이퍼 제작 공정에서 결정된 실리콘 박막의 두께를 조절하는 것이 어렵다는 단점을 가지고 있지만, 연구팀이 개발한 공정 방법은 실리콘의 에칭 두께에 따라 수백 나노에서 십 마이크로 이상의 두께로도 박막을 제작할 수 있다는 장점을 보여 준다. 이러한 실리콘 박막의 경우 최대 90%의 고밀도를 갖도록 제작 가능하며 실리콘 박막 전사 이후에도 화학적인 웨이퍼 평탄화 과정을 통해 재사용이 가능하다는 점에서 단결정 실리콘의 뛰어난 물질적 특성을 활용할 뿐만 아니라 비용적으로도 저렴한 형태로 전자소자를 제작할 수 있는 특징을 보여 준다.

개발된 실리콘 박막 전사 공정은 실리콘에 추가적인 도핑 과정을 통해 태양전지, 트랜지스터 어레이로 제작돼 개발된 기술의 유연 전자소자로의 적용 가능성을 입증했다. 해당 기술은 앞서 제작된 소자뿐만 아니라 다양한 유연 전자소자로 활용 가능하다는 점에서 이후 저비용 전자소자 분야에 학술 가치가 매우 높으며, 바이오 분야, 소재 분야, 센서 분야 등 다양한 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 

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유기준 교수는 “기존의 경우 고밀도를 가지는 실리콘 박막을 유연 전자소자에 적용하기 위해서는 가격이 매우 비싼 SOI 웨이퍼를 활용했다. 하지만 본 연구를 통해 저비용으로 높은 물질적 특성을 보유하고 있는 단결정 실리콘 박막을 활용할 수 있어 저비용으로 유연 전자소자를 개발할 수 있고 반도체 칩 생산 절감 등의 산업적으로 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 전했다. 

본 연구는 이주영 연구원, 신종운 연구원, 김규빈 연구원, 주정은 연구원이 제1저자로, 유기준 교수, John A. Rogers 교수가 교신저자로 참여한 국제 공동 연구다. 5월 28일 응용 물리 분야 최상위 논문지인 ‘스몰(Small, IF 15.153)’에 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구, 기초연구사업, 나노소재원천사업 그리고 삼성전자의 삼성미래기술육성의 지원을 받아 수행됐다.

논문정보

●논문제목: Ultrathin Crystalline Silicon Nano and Micro Membranes with High Areal Density for Low-Cost Flexible Electronics

●논문주소: https://doi.org/10.1002/smll.202302597

용어설명

●실리콘(Silicon): 반도체 제조에 많이 사용되는 소재로 매우 뛰어난 전기적, 기계적, 열적 등의 안정적인 성능을 가지고 있다. 또한, 재료의 풍부함으로 인해 매우 값싼 물질로 전자소자의 가장 일반적인 재료로 많이 사용되고 있다. 도핑이라는 불술문을 주입하는 과정을 통해 손쉽게 반도체 소자의 작동 방식을 제어해 다양한 산업의 전자소자의 주요한 재료로 사용되고 있다. 특히 전자제품에 들어가게 되는 IC 회로의 칩으로써 사용되는 핵심적인 부품으로 제작되며 태양전지와 같은 재생 에너지 분야에서도 주요한 물질로 사용된다.

●에피택시(Epitaxi): 기반이 되는 물질 위에 다른 물질을 결정구조로 성장시키는 방식으로 일반적으로 고온에서 성장이 이뤄지면 성장되는 물질의 결정구조가 기반 물질을 따라가게 된다. III-V 화합물 반도체를 성장시키기 위해 일반적으로 활용되고 있다. 결정구조의 결함으로 인해 성능이 저하되거나 고온 공정으로 인해 제조 과정이 복잡하다는 단점이 존재하나 반도체 소자의 성능을 향상할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 레이저 혹은 LED 및 태양전지와 같은 광전자 소자를 만드는 데 사용된다. 

●Silicon-on-Insulator(SOI): 실리콘 웨이퍼 위에 산화막을 올리고 다시 실리콘을 증착하는 방식으로 이뤄진 웨이퍼이다. 두 실리콘 층 사이에 전기적으로 절연막 역할을 해주는 산화막이 있어 서로 분리돼 있는 특징을 가진다. 유연 전자소자 측면에서 위쪽 실리콘 박막을 전사해 사용함으로써 실리콘의 우수한 특징을 활용할 뿐만 아니라 높은 기계적 유연성을 가지는 소자를 제작하는 것이 가능하도록 한다. 이러한 특징으로 인해 웨어러블 디바이스, 임플란터블 디바이스 등의 제작에 활용할 수 있다.