▣ 벌크 웨이퍼로부터 기계적으로 플랙서블하면서 투명한 단결정 실리콘을 얻기 위해 포괄적인 배치 제조 공정을 최초 개발


플랙서블하면서 투명한 전자소자들에 대한 연구 및 상용화에 대한 기술들이 하루가 다르게 발전함에 따라, 현재 이런 플랙서블하면서 투명한 고성능 컴퓨터가 실현될 날이 언제일지에 대한 관심이 고조되고 있다.


이미 플라스틱 기반 유기 전자소자, 고가 실리콘-온-절연체 혹은 일반적이지 않은 실리콘(111)로부터 이전된 실리콘 층, 일반적인 벌크 웨이퍼의 후면 연마, 고가의 고에너지 삽입과 변형 기반 박리는 흥미로운 응용들의 가능성을 보여준다.

여기서, 플라스틱 기반 유기 전자소자는 일반적인 실리콘에 비해 고유 이동도가 매우 낮다. 그리고, 벌크 웨이퍼의 후면 연마는 공정이 전체 웨이퍼의 벌크 부분을 낭비한 것처럼 고가이면서 벗겨지기 쉽다. 또한, 고가의 고에너지 삽입과 변형 기반 박리는 가능한 손상이 공정의 연마 특성에 대하여 일어날 수 있고 투명성을 제공하지 못한다.


최신 컴퓨터들은 3.1GHz 혹은 더 높은 스위칭 주파수의 고성능 계산과 휴대 전화가 1.8GHz의 속도에서 구동하고 있는 다중 작업 작동들에 대한 고 유전성/금속 게이트 기반 평면과 비평면 트랜지스터를 이용한다.

우리의 디지털 삶과 이를 지원하는 소자들은 무척 빠른 보폭으로 변화하고 있지만, 여전히 이런 모든 소자들은 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 만들어진다. 또한 이런 단결정 실리콘 웨이퍼는 조절가능한 반도체 특성, 유리한 기계적인 특성과 가격 경쟁력으로 인해 가장 통상적인 선택이다.


전기 공학과 부교수인 무하마드 무스타파 후세인이 이끄는 킹 압둘라 과학기술대학(KAUST)의 집적화 나노기술 연구소의 연구팀은 벌크 (bulk) 웨이퍼로부터 기계적으로 플랙서블하면서 투명한 단결정 실리콘 (1000)을 얻기 위해 포괄적인 배치 (batch) 제조 공정을 최초로 개발했다.


"Structural and electrical characteristics of high-k/metal gate metal oxide semiconductor capacitors fabricated on flexible, semi-transparent silicon (100) fabric"이라는 제목으로 Applied Physics Letters와 "Flexible semi-transparent silicon (100) fabric with high-k/metal gate devices"라는 제목으로 physica status solidi 에 게재된 두 논문에서 연구팀은 플랙서블하면서 투명한 플랫폼 상의 고성능 컴퓨터로 향한 실용적인 방법을 개발했다.


연구원들이 개발한 제거 기술을 가지고, 최신의 CMOS 상보 공정들로 만들어진 소자를 만든 후 소자들과 하부 실리콘를 보호하기 위해 후속 수직 측벽 형성에 앞서 소자들 사이에 사용되지 않는 실리콘 부분을 트렌치들을 만들기 위해 식각했다. 이후, 연구원들은 다른 부분들과 상호 연결될 때, 소자들이 떨어져 나갈 수 있도록 하는 기판의 상부 부분을 제조했는데, 그 방법은 기판의 내부로부터 실리콘을 제거하기 위해 등방성 실리콘 식각을 통해 독립되는 동굴들을 형성하는 것이다.


희생층이 실리콘 섬유로 칭한 상부층을 독립하기 위해 제거되는 MEMS 공정들과 달리, 연구원들의 경우에서 어떠한 희생층도 필요치 않지만, 연구원들은 소자들이 위치한 상부 표면을 보호하기 위해 하드 상부 마스크와 후속 독립 등방성 식각 단계의 화학적인 효과부터 홀들을 보호하는 스페이서 같은 보호 기술을 이용했다.


4인치 직경 실리콘 웨이퍼까지 실현됐던 독립 실리콘 웨이퍼는 기계적으로 플랙서블하고 광학적으로 투명하다. 이 공정은 고성능 계산에 대한 요구를 유지하게 해주고 수 억 개의 트랜지스터 집적화에 대한 울트라 고분해능 리소그래피, 복잡한 회로 제조를 위한 다중 수준의 상호 연결과 가격경쟁력을 유지해준다.


또한, 연구원들은 남아있는 기판이 화학적 기계적 연마(CMP) 후 재사용 가능한지 시험했다.


비록 유기 전자소자들이 저가 창고형 제조를 이용하여 제조될 수 있지만, 비트 정보당 영역 비용은 실리콘 칩들에 비해 훨씬 더 낮다. 그러므로, 연구원들의 연구는 전자소자에서 가장 일반적인 실리콘의 플랙서블하면서 투명한 플랫폼 위에 진보된 소자들을 만드는 실용적인 방법을 보여주고 있다.

 

그림 설명: (a) 독립된 샘플의 상부, 측면, 하부의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지들. 상부는 캐패시터 지형 (청색)이 보이고, 하부는 ALD 스페이서의 규칙성이 보이며, 측면은 두께 균일성이 보인다. (b) 독립된 샘플은 매우 유연성을 보여 손가락 둘레를 감싼다. (c) 파괴 전의 최소 휨 반지름. (d) KAUST 로고가 있는 LED 스크린이 부분적으로 덮인 반투명 샘플.


URL : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=29310.php

 

<출처>KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-03-05

Posted by TopARA

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