기계/재료

베이징대, 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조 및 장비 개발 관련 성과

발행일 : 2019 / 06 / 05

최근 베이징대학/베이징그래핀연구원 펑하이린(彭海琳) 연구팀과 베이징그래핀연구원 류중판(劉忠範) 연구팀은 공동으로 “에피택셜 기판 제조-그래핀 에피택셜 성장” 아이디어에 기반해 4인치 CuNi(111) 구리니켈합금 단결정 박막을 제조한 후 해당 박막을 성장 기판으로 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 초고속 제조를 달성했다. 또한 파트너와 협력해 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비를 자체적으로 개발함과 아울러 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 생산량을 달성했다. 해당 설비의 연간 생산능력은 10,000장에 달해 세계 최초로 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조를 달성했다. 해당 논문은 “Science Bulletin”에 온라인으로 게재되었다.

미래 첨단과학기술산업 경쟁을 주도할 전략적 신소재로 자리매김하는 그래핀은 응용범위가 광범위하다. 그래핀의 독특한 성능을 보유할 수 있는 까닭은 단일층 탄소원자 평면구조 때문이다. 그래핀은 지금까지 발견된 두께가 가장 얇고 강도가 가장 높으며 구조가 가장 치밀한 재료로 전기학, 광학, 열학, 화학 등 성능이 뛰어나다. 퍼펙트한 구조를 보유한 그래핀 박막은 미래 고성능 전자장치 및 광전자장치 제조에 있어 혁신적 재료가 될 전망이다.

화학기상증착법은 반도체산업에서 다양한 박막재료 증착에 가장 광범위하게 사용되는 기술로 대면적 고퀄리티 그래핀 박막재료 대량 제조에 있어 최선의 방법이다. 하지만 화학기상증착법으로 제조한 그래핀 박막에 흔히 결정립계, 주름, 점결함(point defect), 오염 등이 존재하는데 이는 그래핀 성능을 심각하게 저하시킨다. 따라서 쾌속 대량 생산이 가능하며 웨이퍼 제조 프로세스와 호환이 가능한 방식으로 고퀄리티 그래핀 단결정 웨이퍼를 제조하는 것은 전자급 그래핀 재료 규모화 응용의 핵심이다.

연구팀은 전단계 연구에서 구리(111)/사파이어 웨이퍼에서 그래핀 단결정을 에피택셜 성장시키는 방법을 제안했고 또한 세계 최초로 4인치 무주름 그래핀 단결정 웨이퍼 화학기상증착 제조를 구현했다(ACS Nano 2017 11,12337)

특히 이번 성과를 아래 세 가지로 귀납한다.

1) 그래핀 단결정 성장 기판 설계 및 선택 면에서 4인치 사파이어 웨이퍼를 기판으로 채택하고 마크네트론 스퍼터링 및 고체상태 에피택셜 재결정 방법을 사용해 500nm 두께의 CuNi(111) 단결정 박막을 제조했다. 동 방법은 계면 응력공학을 통해 사파이어에서 에피택셜의 면심입방결정구조 금속 단결정에 흔히 존재하는 쌍정(twin crystal) 문제를 양호하게 회피한다. 뿐만 아니라 니켈을 도입해 구리박막의 고온성 휘발로 발생하는 단차를 효과적으로 줄임으로써 4인치 범위에서 구리니켈 단결정 박막의 양호한 편평도를 확보했다. 동 방법은 다양한 성분비 CuNi 합금 단결정 기판의 효과적 획득이 가능해 응용공간을 확대시켰다.

2) 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 에피택셜 성장 면에서 연구팀은 상압 화학기상증착 방법을 사용해 CuNi(111) 합금 단결정에서 그래핀 단결정 도메인의 에피택셜 성장, 방향성이 일치한 그래핀 단결정 도메인의 심리스 스플라이싱(seamless splicing)을 구현함으로써 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼를 획득했다. 뿐만 아니라 동일한 성장조건에서 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼의 성장시간을 10분으로 단축시켰는데 이는 Cu(111) 위에서의 그래핀 성장속도보다 50배 빠르다. 따라서 생산에너지소비는 대폭 줄이고 생산능력은 크게 향상시켰다. 심층적 메커니즘 연구 결과, 적은 함량의 Ni 성분(10%)은 탄소원의 분해 속도를 효과적으로 향상시켜 그래핀의 쾌속 성장을 도왔다. 뿐만 아니라 그래핀 성장은 여전히 표면반응 주도를 유지했고, 제조된 그래핀은 단일층이었으며, 주름 문제를 극복해 매우 편평했다.

3) 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비 개발 면에서 연구팀은 파트너와 협력해 파일럿규모의 그래핀 단결정 웨이퍼 성장 장비를 자체적으로 설계·개발했다. 연구팀은 상압 화학기상증착의 기본원리에 기반하고 설비 온도범위, 기류강약, 급기방식, 챔버압력, 거치대 등에 대한 최적화를 통해 성장챔버 내부 온도장 및 흐름장을 균일적으로 조절했다. 성장 조건 최적화 후 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 성장을 달성했다. 연구팀이 제조한 그래핀 단결정 웨이퍼는 시트 간 및 시트 내 균일성이 양호했고 그 품질은 소형 성장시스템과 비슷했다. 해당 설비의 연간 최대생산능력은 10,000장에 달하며 6~8인치 그래핀 단결정 웨이퍼도 제조할 수 있다.

한마디로 동 방법은 전자급 그래핀 단결정 웨이퍼 대규모 생산에 실행 가능한 기술경로 및 장비기반을 마련했다.