흑연이 마이크로전자 부품에서의 응용 잠재력

2004년 흑연이 처음으로 기계적으로 박리된 이래로 흑연은 불가사의한 일을 할 수 있기 때문에 재료 과학의 연구 이슈가 되었다.다음 글은 앞으로 몇 년 동안 반도체 공정을 어떻게 철저히 바꿀 것인지를 중점적으로 소개할 것이다.

흑연 단분자막은 단원자 두꺼운 탄소 침적층으로 구성되어 있다.핵 키가 이 원자들을 한데 연결하기 때문에 발생하는 구조는 비범한 강도를 가지고 있다.이런 재료의 견고성은 그것이 가장 도전적인 작업 환경에서 일할 수 있다는 것을 의미한다.이 밖에 그래핀은 더욱 높은 수준의 전자 이동률(실리콘보다 130배 이상 높음)을 제공하여 매력적인 전도성능으로 전환시켰다.

흑연이 전자 공정의 각 지점에서의 가치

마이크로전자학에서는 몇 가지 관건적인 분야가 흑연의 사용에서 이익을 얻을 수 있다.여기에는 다음이 포함됩니다.

• 전력 시스템 - 광대역 틈반도체 기술(즉 탄화규소와 질화갈륨)의 보충으로 흑연은 이 분야의 일부 병목을 돌파하여 스위치 속도를 가속화하고 효율을 현저히 높일 수 있다.

• 광전자-그래핀의 고광학 투명도는 현재 사용되고 있는 산화인듐 주석 박막에 대체품을 제공할 수 있음을 의미한다.

• Data processing - Adding graphene to high-density microprocessor resources can greatly increase throughput. This will help to break through the "Moore's Law" that has long defined the semiconductor industry, and overcome the power leakage problems caused by the move to smaller process nodes.

• 사물인터넷(IoT)과 기타 사물인터넷 설비를 포함한 거대한 시장 잠재력도 있다.

센서는 그래핀에 매우 유리한 기회를 제공했다.분석회사 Research and Markets는 2024년까지 전 세계 그래핀 센서 업무의 연간 가치가 약 9.8억 달러에 이를 것으로 추정했다.그 최신 보고서에서 개술한 주요 용도는 생물 센서와 광전기 부품이다.특히 전자 센서 분야에서 사람들은 그래핀이 머지않아 기능을 발휘하는 데 필요한 특성을 가지고 있다고 생각한다.그러나 이런 재료의 이런 분야에서의 성공은 어느 정도에 효율적인 생산 방법에 달려 있다.

흑연 필름을 박리함으로써 일부 마이크로 전자 부품을 소량 생산할 수 있다.그러나 본질적으로 말하자면 전 세계 마이크로전자 업계는 그렇지 않다.이것은 모두 규모 경제 때문에 대량의 설비가 비교적 낮은 단위 원가로 제조되기 때문이다.만약 그래핀이 신형 마이크로전자 부품에 성공적으로 집적되려면, 합성 그래핀에 쓰이는 공예는 반드시 반도체 제조에 쓰이는 공예와 완전히 같아야 한다.

고수율 그래핀의 합성

현재 대면적의 흑연 합성에 사용되는 주요 방법은 화학 기상침적(CVD)과 플라스마 강화 화학 기상침적(PECVD)이다.반드시 주의해야 할 것은 이 두 과정 모두 이와 관련된 중대한 문제가 존재한다는 것이다.

CVD/PECVD 방법으로 그래핀을 생산할 때 합성은 실제 반도체 기판이 아니라 금속 촉매제(통상 동박이나 니켈박)에서 이루어진다.합성된 흑연은 반드시 금속박에서 제거하여 반도체 기판으로 옮겨야 한다.따라서 이런 방법으로 생산된 그래핀의 순도와 구조의 완전성을 보장하기 어렵다.오염물의 존재는 진정한 위협을 구성한다.이것은 전이 과정에서 사용하는 화학품이나 촉매제가 부식된 후 남은 금속박일 수도 있다.이런 오염물이나 구조 이상은 합성 그래핀의 성능 파라미터에 불리한 영향을 미칠 수 있다.

Paragraf가 개발한 금속 유기화학 기상침적(MOCVD) 작업은 CVD와 PECVD가 더 이상 그래핀 합성의 발전 방향이 아니라는 것을 의미한다.이 특허 기술은 흑연과 다른 2차원(2D) 재료를 대규모로 생산할 수 있기 때문에 정말 독특하다.앞에서 논의한 CVD/PECVD 안배와 달리 MOCVD 안배는 원시 촉매에서 옮겨야 하며, MOCVD는 그래핀 재료를 반도체 기판으로 직접 층을 나누는 것을 허용한다.불편한 이동 절차를 피할 수 있기 때문에 오염은 더 이상 문제로 간주되지 않는다.

그래핀은 일치하고 완전히 중복될 수 있는 방식으로 전 사이즈 반도체 칩에 직접 놓을 수 있다.이것은 idm와fabs가 MOCVD 공정을 이미 만들어진 작업 절차에 포함시킬 수 있고 어떠한 중단도 일으키지 않는다는 것을 의미한다.

그래핀 자기 센서

그래핀의 초기 시장 중 하나는 호르 효과 센서 시장이다.이런 센서들은 공업과 자동차 시스템에 광범위하게 응용되고 비접촉 메커니즘을 제공하여 이 메커니즘을 통해 자장의 자기통 밀도를 확정할 수 있다.

Conventional Hall effect devices have a three-dimensional (3D) sensing element, where the height of the element affects the results obtained. Magnetic field components that are not perpendicular to the direction of the sensing element may have an effect on the detected magnetic field strength, giving a false number. This phenomenon is called the "planar Hall effect".

실제 신호와 가짜 신호를 구분하는 것은 신호 조절 회로에 추가 구성 요소를 포함해야 한다는 것을 의미한다.그렇지 않으면 실시간으로 데이터를 측정해야 하는 상황(예를 들어 차량 안전 시스템 등)에는 적용되지 않지만 수학 모델을 구축해야 할 수도 있다.전통적인 호르 효과 센서와 관련된 다른 단점은 동적 범위와 정밀도가 온도 변화의 영향을 받는 것을 포함한다.

그래핀은 2차원 재료이기 때문에 자장을 정확하게 측정하는 데 주요한 장점을 가진다. 왜냐하면 감지 부품의 두께를 고려할 필요가 없기 때문이다.전통적인 센서 소자 대신 그래핀 단분자막을 사용하는 호르 효과 센서는 평면 호르 효과로 인한 어떠한 오차도 없앨 수 있기 때문에 더욱 높은 정밀도를 지원할 수 있다.고려해야 할 다른 장점은 흑연의 더 높은 열 안정성을 포함한다. 이것은 흑연을 감지 소자로 사용하는 모든 설비가 온도 파동으로 인한 오차의 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.이것은 극단적인 온도 응용 프로그램에 이 설비들을 배치할 수 있게 할 것이다.

트랜지스터에서 호르 효과 센서 칩의 전기 파라미터를 측정하다

그래핀을 기반으로 한 호르 효과 센서는 이전에도 본 적이 있지만 이런 센서들은 소량으로만 생산할 수 있고 단위 원가가 높아 앞에서 논의한 필요한 규모 경제를 실현할 수 없다.OCVD 공정 덕분에 Parague의 GHS 시리즈 센서는 공업과 자동차 고객이 기대하는 생산량을 창출할 수 있다.이 부품들은 그래핀 단분자막에 의존하기 때문에 평면 호르 효과의 영향을 받지 않는다.따라서 그들은 자장의 강도를 확정할 때 더욱 높은 정밀도를 제공한다.그것들은 추가 신호 조절 하드웨어가 필요 없는 nT 해상도 수준을 제공한다.따라서 센서 시스템은 더욱 선형적이다.그 밖에 전통적인 호르 효과 센서에 비해 그들은 더욱 큰 동적 범위를 가지며 온도 안정성과 우수한 선형도를 향상시켰다.

Paragraf GHS 호르 효과 센서 예시 - Paragraf가 개발한 일련의 선진 그래핀 부품 중 첫 번째

게임 규칙을 바꾸는 합성 과정을 이용하여 그래핀(그리고 그에 따른 많은 조작 우위)은 최종적으로 상업화 생산의 마이크로 전자 설비에 사용할 수 있다.전자 소자 제조업체들은 현재 파라다이스를 통해 오염 문제의 장애를 받지 않고 대면적의 그래핀을 얻을 수 있다.과거에 여러 차례 그래핀을 마이크로전자 환경에서 가능하게 하려고 시도했지만 사실상 업계가 필요로 하는 대량의 생산 요구를 만족시키는 방식으로 실현된 것은 처음이다.