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두께가 두껍고 단단한 반도체 결정에서 얇은 층을 제거하는 개념은 얇은 층으로 만들어진 집적 회로가 기존의 두꺼운 기판에 비해 개선된 열 특성, 경량 적층성 및 높은 유연성 등의 장점이 있어 수년 동안 활발히 연구되어 왔다. 주요한 진전으로, IBM의 연구 그룹은 널리 보급된 반도체 재료인 질화 갈륨 (GaN) 결정에 새로운 '제어 스폴링 (spalling)' 층 전이 기술을 성공적으로 적용하여 단일 기판에서 많은 층을 생산할 수 있었다. 연구팀은 Journal of Applied Physics ('Layer transfer of bulk gallium nitride by controlled spalling')에서 보고 한 바와 같이, 제어 스폴링이 결정질 손상을 일으키지 않고 두꺼운 GaN 결정으로 얇은 층을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 이 기술은 측정하기 어려운 변형 유도 광학 효과 및 파괴 인성과 같은 재료 시스템의 기본 물리적 특성을 측정할 수 있게 한다. 단결정 GaN 웨이퍼는 매우 비싸다. 겨우 2 인치 웨이퍼 한 개당 수천 달러의 비용이 들기 때문에 더 많은 층을 사용하면 각 웨이퍼에서 더 많은 가치를 얻을 수 있다. 얇은 층은 낮은 전기 저항을 제공하고 열을 제거하기 쉽기 때문에 전력 전자 장치에 성능 이점을 제공한다. 연구원은 '우선, 우리는 먼저 제거하려는 재료의 표면에 니켈 층을 증착한다. 이 니켈 층은 드럼 헤드처럼 인장 강도를 받는다. 그런 다음 니켈 위에 테이프 층을 굴리고 움직이지 않게 기판을 잡고 테이프를 떼어 낸다. 이렇게 하면 스트레스가 가해진 니켈 층이 기판에 들어가서 표면에 평행하게 움직이는 밑에 있는 물질에 균열을 만든다'고 전했다. 그들의 방법은 테이프, 니켈 층 및 니켈에 붙어있는 기재 물질의 얇은 층을 단순히 벗겨내는 것이다. 연구팀은 이미 실리콘, 게르마늄, 갈륨 아세나이드, 질화 갈륨/사파이어, 심지어 유리와 같은 비결정 물질의 전이를 시연했으며, 시작 물질에서부터 부분적으로 또는 완전히 완료된 회로로 제조 흐름에서 거의 언제든지 적용될 수 있다. 팔러 트릭 (parlor trick)을 신뢰할 수 있는 프로세스로 바꾸어서 이 접근법이 균열없는 전이를 위한 일관된 기술이 될 수 있도록 하기 위해 노력하면서 놀라움을 낳았다. 기판 스폴링 파괴의 기본 메커니즘은 재료 과학적 문제에서 시작되었다. 금속 증착은 종종 밑에 있는 기판의 균열을 일으키는 것으로 알려져 있는데, 이는 나쁜 것으로 간주된다. 그러나 이것은 준 안정 현상이다. 즉, 기판을 균열시키기에 충분히 두꺼운 층을 증착할 수 있다는 것을 의미한다. 그들의 다음 발견은 균열 발생을 일관성 있고 신뢰성있게 만드는 방법이었다. 레이저, 화학적 에칭, 열적, 기계적 균열 등을 균열을 생성하는 많은 방법이 있지만 가장 간단한 방법은 니켈 층의 두께를 매우 가깝게 가장자리 근처에서 끝내는 것이다. 이것으로 니켈 막 가장자리에 큰 스트레스 불연속성이 생기므로 테이프를 붙이고 테이프를 조금만 당기면 지속적으로 그 영역의 균열이 시작된다. 질화 갈륨은 우리 일상 생활에 필수적인 재료이다. 이 소재는 2014 년 노벨 물리학상을 수상한 청색 백색 LED와 고전력, 고전압 전자 장치를 제조하는데 사용되는 기본 소재이다. 또한 제어 스폴링과 결합될 때 초 미세 바이오전자소자 또는 이식형 센서를 허용할 수 있는 고유한 생체 적합성에 유용할 수 있다. 제어 스폴링은 이미 항공 우주 어플리케이션 및 유연한 최첨단 회로를 위한 매우 가볍고 고효율의 GaAs 기반 태양 전지를 만드는데 사용되었다. 이 그룹은 현재 이 접근법을 사용하여 고전압 GaN 디바이스를 제조하기 위해 연구 파트너와 협력하고 있다. 또한 에너지 부의 ARPA-E SWITCHES 프로그램을 통해 많은 GaN 기술 리더들과 훌륭한 상호작용을 했으며 향후 파트너십을 통해 새로운 디바이스를 가능하게 하는 제어 스폴링을 사용하기를 희망하고 있다. |
