언론보도

한국광기술원, 세계 최초 저온합성공정을 적용한 고성능 그래핀-구리 배선 제작 기술 개발

한국광기술원, 세계 최초 저온합성공정을 적용한 고성능 그래핀-구리 배선 제작 기술 개발

 

 

○ 한국광기술원(원장 신용진)은 저온합성공정 기술을 이용하여 반도체 전극의 물리적 손상을 방지할 수 있는 고성능 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술을 세계 최초로 개발했다고 지난 3일 밝혔다.

○ 한국광기술원 AI에너지연구센터 손명우 박사팀이 보유한 그래핀 저온 대면적 합성 기술을 기반으로 개발한 이 기술은 반도체 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용이 가능하다.

○ 지금까지 그래핀-구리 배선은 800℃ 이상의 고온에서 저압화학기상증착법을 활용하여 구리 호일 위에 그래핀을 합성하고, 구리 배선에 전사하여 제작하지만, 고온으로 인해 배선 기판이나 반도체에 물리적 손상이 발생하는 문제를 안고 있다.

○ 최근에는 저온의 화학기상증착법에 플라즈마를 적용하여 그래핀을 구리 배선에 직접 합성하는 방식을 사용하기도 하지만 플라즈마의 높은 에너지로 인한 그래핀의 물리적인 손상은 여전히 해결되지 않아 배선 성능의 저하를 초래한다.

○ AI에너지연구센터 손 박사팀은 이런 문제를 해결하기 위해 벤젠이나 피리딘 등의 액상 탄소소스를 그래핀 공정에 사용하여 약 400℃ 이하의 저온상압화학기상증착법으로 기판 또는 반도체의 물리적 손상없이 그래핀-구리 배선 제작에 성공했다.

○ 그리고 아르곤 가스를 주입하는 정화공정을 새롭게 개발하여 저온합성공정 시스템 내부의 오염 요소를 제거함으로써 저온합성 그래핀의 저품질 문제까지도 해결했다.

○ 개발된 그래핀-구리 적층 배선의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼을 분석한 결과, 기존 대비 결정성이 우수한 고품질의 다층 그래핀 합성임을 확인했으며 전류밀도나 평균수명도 우수한 성능을 보였다.

* 2D 피크의 반치폭(FWHM(2D)) : 약 60 cm-1 (기존 플라즈마 적용방식, 70 cm-1이상)

* 비저항 : 구리 배선 대비 약 3.5% 감소

* 전류밀도 : 구리 배선 대비 약 24.1% 개선

* 평균수명(MTTF, mean time to failure) : 구리 배선 대비 10배 이상 개선

○ 이에 따라 저저항, 고전류밀도, 신뢰성이 높은 장점을 지닌 그래핀 기반 배선이 적용된 반도체 소자의 상용화에 가장 큰 걸림돌이던 고온합성공정을 저온합성공정으로 대체함과 동시에 반도체 표면에 직접 그래핀-구리 적층 배선을 적용한 배선 일체형 반도체 제품화가 가능할 것으로 기대된다.

○ 본 연구로 개발된 기술을 활용한 그래핀 기반 배선 일체형 반도체 사업화로 세계 반도체 시장의 약 10%를 차지하는 전력반도체 및 마이크로집적회로 분야에서 100억 달러 (약 10조원) 규모 이상의 경제적 파급효과가 있을 것으로 예상된다.

* 출처 : 2020 ~ 2021년 전 세계 반도체 시장 전망, 세계반도체무역통계기구

○ 손명우 박사는 “저온합성공정의 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술로 반도체 성능과 신뢰성 향상이 가능함에 따라, 그래핀 기반 미래형 반도체 및 전자 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.”며, “특히 고효율 배터리 음극제 소재 개발 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.

○ 이번에 개발한 기술은 과학기술정보통신부의 ‘과학기술분야 기초연구사업’, ‘나노소재원천기술개발사업’과 ‘산업통상자원부’의 ‘핵심소재원천기술개발사업’의 지원을 받아 수행했다.

○ 한편, 한국광기술원 AI에너지연구센터 손명우 박사(제1저자, 교신저자)와 광주과학기술원 장재원 박사(공동 제1저자)가 주도하고, 한국세라믹기술원 지상수 박사(공동 교신저자)가 참여한 이번 연구결과는 ‘엔피제이 2D 머티리얼스 앤 어플리게이션스(npj 2D Materials and Applications)’에 최근 게재됐다.

 

 

2021.06.07