30㎝ 실리콘웨이퍼에 그래핀 직접 성장시키는 기술 개발

고려대 김지현 교수 "기존 장비 활용 가능…그래핀 산업화 앞당겨"

국내 연구진이 반도체 산업에서 널리 사용되는대면적 실리콘 웨이퍼 위에 미래 신소재로 주목받는 그래핀 박막을 직접 손쉽게 생성시키는 기술을 개발했다.

고려대 화공생명공학과 김지현 교수팀은 4일 실리콘 소자공정에서 많이 사용되는 이온 주입법(ion implantation)으로 지름 30㎝ 이상의 대면적 실리콘 웨이퍼 위에 그래핀 박막을 두께를 조절하면서 직접 성장시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 연구결과는 미국물리학협회(AIP)의 국제학술지 '어플라이드 피직스 레터스'(Applied Physics Letters, 7월 21일자) 온라인판에 게재됐다.

탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 결합해 원자 한 개 두께의 얇은 막을 이루는그래핀은 전자소자 등 많은 분야에서 가능성이 매우 큰 신소재로 주목받지만 대면적합성이 어려운 점 등이 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

대표적인 대면적 그래핀 합성법인 화학적 기상 증착법(CVD)은 질 좋은 그래핀을금속 표면 위에 성장시킬 수 있지만 실리콘 기판에 직접 성장시키기 어려워 먼저 금속 위에 성장시킨 다음 실리콘 기판으로 옮기는 전사과정이 필요하다.

하지만 전사과정에서 다양한 불순물이 그래핀 박막에 영향을 줘 결함의 원인이될 수 있고 현재 산업계에서 사용되는 실리콘 기반 장치를 이용하기 어렵다는 문제가 있다.

연구진은 이 연구에서 현재의 실리콘 소자공정과 완벽히 호환 가능한 이온주입법을 직접 지름 30㎝의 대면적 실리콘 웨이퍼에 적용, 그래핀 층수를 조절하면서 기존 화학적 기상 증착법보다 낮은 온도에서 실리콘 웨이퍼 위에 고품질의 그래핀을직접 합성하는 데 성공했다.

먼저 실리콘 기판 위에 200나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 얇은 니켈(Ni) 층을 증착시킨다. 그 위에 500℃의 고온에서 이온주입법으로 탄소이온을 주입한 다음600∼900℃로 열처리한 후 냉각시키면 니켈층 아래와 위에 그래핀이 생성된다.

니켈층은 고온에서 탄소 원자를 품고 있다가 온도가 낮아지면 탄소를 배출, 그래핀이 성장하도록 하며 화학적 방법으로 쉽게 제거된다.

연구진은 탄소 주입법으로 주입되는 탄소량을 제어하면 생성되는 그래핀 층수를조절할 수 있어 다양한 반도체 기기에서 요구되는 물성을 제공할 수 있고 전사과정이 필요 없어 결함 발생 등 문제도 극복할 수 있을 것으로 기대된다고 설명했다.

김지현 교수는 "이 방법은 현재 산업 현장에서 사용되는 기존 반도체 공정 인프라를 이용할 수 있어 그래핀 산업화를 앞당기는 계기가 될 것"이라며 "후속 연구로그래핀 성장온도를 600℃ 이하로 낮추고 공정최적화로 그래핀 두께·물성 등의 균일성을 높이는 게 과제"라고 말했다.

scitech@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>