혁신적 확장 공정으로 2D 소재의 반도체 제조 라인 대규모 통합 실현

2차원(2D) 소재는 오늘날 실리콘 기술로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 작은 크기와 확장된 기능성을 가진 장치를 제공할 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 이 잠재력을 활용하려면 2D 소재를 반도체 제조 라인에 통합할 수 있어야 합니다. 이는 악명 높은 어려운 단계입니다. 스웨덴과 독일의 그래핀 플래그십 연구원 팀이 이제 이를 가능하게 하는 새로운 방법을 보고합니다.

2D 소재 통합의 과제

2D 소재를 실리콘이나 집적 전자장치가 있는 기판과 통합하는 것은 여러 과제를 안고 있습니다. "특수 성장 기판에서 센서나 부품을 구축할 최종 기판으로 옮기는 이 중요한 단계가 항상 존재합니다."라고 KTH의 그래핀 플래그십 준회원 연구원 아르네 퀠말츠(Arne Quellmalz)는 말합니다. "예를 들어 실리콘 판독 전자장치와 온칩 광통신용 그래핀 포토디텍터를 결합하고 싶지만, 그 소재들의 성장 온도가 너무 높아 장치 기판에서 직접 할 수 없습니다."

기존 전사 방법의 한계

현재 성장 기판에서 원하는 전자장치로 2D 소재를 전사하는 대부분의 실험적 방법은 대량 생산과 호환되지 않거나 2D 소재와 그 전자적 특성이 크게 저하됩니다. 퀠말츠와 동료들이 제안한 해결책의 아름다움은 반도체 제조의 기존 툴킷에 있다는 점입니다: 비스벤조사이클로부텐(BCB)이라는 표준 유전체 재료와 기존 웨이퍼 본딩 장비를 사용하는 것입니다.

BCB 수지 활용 웨이퍼 본딩 공정

"우리는 기본적으로 BCB로 만든 수지로 두 웨이퍼를 접착합니다."라고 퀠말츠는 말합니다. "수지를 가열해 꿀처럼 점성이 생기면 2D 소재를 눌러 붙입니다." 실온에서 수지는 고체화되어 2D 소재와 웨이퍼 사이에 안정적인 연결을 형성합니다. "소재를 쌓으려면 가열과 압착 단계를 반복합니다. 수지가 다시 점성이 되어 쿠션이나 워터베드처럼 작용하여 층 스택을 지지하고 새로운 2D 소재 표면에 적응합니다."

실증 결과 및 장점

연구자들은 그래핀과 이황화 몰리브덴(MoS2)을 전이금속 디칼코게나이드 대표로 전사하고, 그래핀을 육방정 질화붕소(hBN) 및 MoS2와 적층해 이종구조를 만들었습니다. 전사된 모든 층과 이종구조는 높은 품질로, 최대 100mm 크기 실리콘 웨이퍼 위에서 균일한 커버리지를 보였고 전사된 2D 소재에 변형이 거의 없었습니다.

연구자들에 따르면 그들의 전사 방법은 원리적으로 크기와 성장 기판 종류에 관계없이 모든 2D 소재에 적용 가능합니다. 그리고 반도체 산업에서 이미 일반적인 도구와 방법에만 의존하므로, 기존 집적회로나 마이크로시스템 위에 2D 소재가 통합된 새로운 세대 장치의 시장 출현을 크게 가속화할 수 있습니다. 이 작업은 그 목표를 향한 중요한 단계이며, 아직 많은 과제가 남아 있지만 잠재적 응용 범위는 광범위합니다: 포토닉스, 센싱, 뉴로모픽 컴퓨팅 등. 2D 소재의 통합은 유럽 하이테크 산업의 진정한 게임체인저가 될 수 있습니다.