다이아몬드 반도체를 위한 새로운 레이저 슬라이싱 기술

May 16, 2023

실리콘 기반 소재는 현재 반도체 분야에서 확실한 선두주자입니다. 그럼에도 불구하고 전 세계 과학자들은 차세대 전자 장치 및 고전력 시스템을 위한 우수한 대안을 찾기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 흥미롭게도 다이아몬드는 전기 자동차 및 발전소의 빠른 통신 및 전력 변환과 같은 응용 분야에서 가장 유망한 재료 중 하나입니다.

반도체 산업에 대한 매력적인 특성에도 불구하고 다이아몬드를 얇은 웨이퍼로 효율적으로 절단하는 기술이 부족하여 다이아몬드의 적용이 제한됩니다. 결과적으로 다이아몬드 웨이퍼는 하나씩 합성해야 하므로 대부분의 산업에서 제조 비용이 엄청나게 높습니다.

이제 치바대학교 공학대학원 히다이 히로후미 교수가 이끄는 일본 연구팀이 이 문제에 대한 해결책을 찾았습니다.최근 연구에서는 , 2023년 5월 18일에 온라인으로 제공되고 2023년 6월 Diamond & 관련 재료에 게재되었습니다. 그들은 최적의 결정학적 평면을 따라 다이아몬드를 깔끔하게 슬라이스하여 매끄러운 웨이퍼를 생산하는 데 사용할 수 있는 새로운 레이저 기반 슬라이싱 기술을 보고합니다. 그들의 연구는 치바 대학 이공계 대학원의 석사 과정 사카모토 코스케(Kosuke Sakamoto)와 전 박사 과정 학생이자 현재 도쿄 공과대학 조교수인 도쿠나가 다이지로(Daijiro Tokunaga)가 공동 집필했습니다.

다이아몬드를 포함한 대부분의 결정의 특성은 다양한 결정학적 평면(결정을 구성하는 원자를 포함하는 가상 표면)에 따라 다릅니다. 예를 들어 다이아몬드는 {111} 표면을 따라 쉽게 절단될 수 있습니다. 그러나 {100}을 슬라이싱하는 것은 {111} 벽개면을 따라 균열을 발생시켜 커프 손실을 증가시키기 때문에 어렵습니다.

이러한 바람직하지 않은 균열의 전파를 방지하기 위해 연구진은 짧은 레이저 펄스를 재료 내의 좁은 원뿔 모양 볼륨에 집중시키는 다이아몬드 가공 기술을 개발했습니다. “집중된 레이저 조명은 다이아몬드를 다이아몬드보다 밀도가 낮은 비정질 탄소로 변형시킵니다. 따라서 레이저 펄스로 수정된 영역은 밀도와 균열 형성이 감소합니다.”라고 Hidai는 설명합니다.

이러한 레이저 펄스를 정사각형 격자 패턴으로 투명한 다이아몬드 샘플에 조사함으로써 연구원들은 재료 내부에 균열이 발생하기 쉬운 작은 영역의 격자를 만들었습니다. 그리드의 수정된 영역 사이의 공간과 영역당 사용되는 레이저 펄스 수가 최적이라면 모든 수정된 영역은 {100} 평면을 따라 우선적으로 전파되는 작은 균열을 통해 서로 연결됩니다. 결과적으로, {100} 표면을 가진 매끄러운 웨이퍼는 샘플 측면에 대해 날카로운 텅스텐 바늘을 누르기만 하면 블록의 나머지 부분에서 쉽게 분리될 수 있습니다.

전반적으로, 제안된 기술은 다이아몬드를 미래 기술에 적합한 반도체 재료로 만드는 중추적인 단계입니다. 이에 대해 Hidai는 다음과 같이 말합니다. “다이아몬드 슬라이싱은 고품질 웨이퍼를 저렴한 비용으로 생산할 수 있으며 다이아몬드 반도체 장치를 제조하는 데 없어서는 안 되는 기술입니다. 따라서 이번 연구를 통해 전기 자동차와 기차의 전력 변환율 향상 등 우리 사회의 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 다이아몬드 반도체 실현에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 되었습니다.”

이 탐나는 크리스탈이 보다 지속 가능한 미래를 보장할 수 있는 기술을 포함하여 첨단 기술 개발을 향한 우리의 탐구에서 우위를 점할 수 있기를 바랍니다!

- 이 보도자료는 원래 치바대학 홈페이지에 게재된 것입니다.