비정질 탄화규소 박막

비정질 실리콘 카바이드(a-SiC)는 다양한 광학 및 전자적 특성으로 인해 큰 주목을 받고 있습니다. 강성, 낮은 열팽창률, 가시광선 투명성이 특징인 이 소재는 망원경 거울에 매력적인 소재입니다.

재료 과학은 새로운 소재인 a-SiC의 등장으로 혁명을 경험하고 있습니다. 강도와 무작위성 및 정밀도를 결합한 특성을 가진 이 소재는 마이크로칩 기술에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

힘

결정질 실리콘 카바이드(c-SiC)는 일반적으로 비정질보다 훨씬 강하지만, 비정질 SiC 박막에 대한 새로운 발견으로 고성능 기계 및 광학 장치의 문이 열렸습니다. 웨이퍼 규모의 박막 생산을 위한 최종 인장 강도가 10GPa에 달하는 비정질 SiC는 그래핀 나노리본과 같은 가장 강력한 재료만 사용할 수 있는 엘리트 클럽에 가입했습니다.

Si-C 기반 필름은 웨이퍼 규모로 생산할 수 있고 다양한 기판에 쉽게 적용할 수 있어 적응성이 뛰어나며 다른 코팅에 비해 화학적 불활성, 경도 및 기계적 안정성이 우수합니다[1]. 따라서 보호 코팅으로 적합할 뿐만 아니라 가스 연소기, 열 인쇄 헤드 및 연료 전지에 사용되는 세라믹 매트릭스 복합체의 보강재 역할도 하며, MEMS 센서 및 통합 포토닉스 애플리케이션에도 광범위하게 사용됩니다[1-3].

a-SiC는 질소와 인을 쉽게 도핑하여 n형 반도체를 형성하고 붕소, 알루미늄 및 갈륨을 도핑하면 p형 상태로 전환할 수 있습니다. 또한, 실리콘 원자를 탄소 원자로 대체하여 가시광선을 투과하는 강도로 인해 소자 제작 및 소자 설계와 제작 과정에서 설계 유연성을 높일 수 있으며, 저온 화학 기상 증착(CVD)을 이용한 a-SiC 증착은 c-SiC 및 이에 대응하는 c-SiC의 대안으로 활용될 수 있습니다.

무작위성

비정질 실리콘 카바이드(a-SiC)는 다양한 응용 분야에서의 방대한 잠재력으로 인해 빠르게 인기를 얻고 있습니다. 가장 주목할 만한 특성 중 하나는 강도로, 최대 10기가파스칼(GPa)까지 늘어나 기존의 예상을 뛰어넘는 강도를 자랑합니다. 즉, 덕트 테이프 한 장에 중형 자동차 10대를 매달아도 스트레스로 인해 끊어지기 전에 버틸 수 있습니다.

a-SiC의 강도는 무질서한 원자 구조로 인해 달성됩니다. 결정질 실리콘은 4중으로 정렬된 원자가 정돈된 결정 격자로 배열되어 있는 반면, a-SiC는 무작위로 배열되어 연속적인 무작위 네트워크를 형성하여 매우 강한 소재를 만듭니다.

펄스 마그네트론 스퍼터링은 스퍼터링 파워에 따라 기둥형 또는 콜리플라워형 구조를 가진 a-SiC로 만든 필름을 생성합니다. 어닐링 후에는 이 구조가 이완되어 구조에 동핵(Si-C) 결합보다 이종핵(Si-Si) 결합이 더 많이 존재하게 됩니다.

구조의 다양성은 증착 가스에 수소를 첨가하여 화학적 변화를 주는 등의 화학적 변형부터 이 물질을 사용하여 제작한 상온 링 공진기에서 4.66×105의 품질 계수를 달성하는 기계적 제작에 이르기까지 SiC의 다양한 전자 및 광학 특성을 개별 애플리케이션에 맞게 조정하는 합성 절차를 가능하게 합니다.

정밀도

탄화규소는 그래핀, 다이아몬드 등 잘 알려진 소재 중에서도 독특한 비정질 특성으로 주목받는데, 탄소 한 층이 전체 구성을 이루는 그래핀과 달리 그래핀처럼 확장 가능한 대신 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 훨씬 더 큰 범용성을 제공합니다.

비정질 실리콘 카바이드는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 대면적 전자 애플리케이션에 사용되는 TFT 소자의 활성층으로 오랫동안 선택되어 왔습니다. 이러한 선택은 결정질 실리콘에 비해 비용이 저렴하고 전자 성능이 우수하기 때문입니다.

그러나 비정질 구조는 또한 취성에 대한 내성이라는 중요한 이점을 제공합니다. 노르테는 자세히 설명합니다: 대부분의 소재는 레고 탑과 같은 정돈된 구조를 가지고 있지만, 비정질 탄화규소는 이러한 패턴이 없으며 복잡하게 조립된 레고 블록보다 무작위로 쌓아 올린 레고 블록과 더 비슷합니다. 이는 직관적이지 않은 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 균일하지 않기 때문에 강도가 높아집니다.

따라서 비정질 실리콘 카바이드 스트립은 다이아몬드보다 10배 더 많은 인장 응력을 견딜 수 있어 정밀한 온칩 인장 테스트에 이상적인 후보입니다. 또한, 비정질 실리콘의 특성은 결정 구조를 손상시킬 수 있는 습식 식각액에 비해 정확한 테스트를 위해 부유 나노 구조에 최소한의 교란을 일으키는 건식 식각액에 적합하여 결정 구조를 완전히 손상시킬 수 있는 습식 식각액이 필요한 결정질 실리콘과 대조적으로 적합합니다.

확장성

희소하고 값비싼 생산 공정이 필요한 그래핀이나 다이아몬드와 달리 비정질 실리콘 카바이드는 웨이퍼 규모의 생산 라인에서 대량 생산할 수 있어 정밀하고 견고한 마이크로칩 센서를 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

비정질 실리콘 카바이드는 무작위성과 정밀성을 결합한 특별한 소재입니다. 인장 강도는 케블라 같은 인기 소재를 능가하며, 한 조각을 부수는 데 중형 자동차 12대와 맞먹는 무게가 소요됩니다!

얇은 소재치고는 인상적인 성과입니다. 확장성은 섬세한 나노스트링의 서스펜션을 위한 높은 기계적 탄력성을 의미합니다. 이는 복잡한 현수 구조에서 높은 수율 강도를 달성할 수 있는 능력을 보여주며 초민감 마이크로칩 센서, 첨단 태양 전지 및 우주 탐사 기술과 같은 응용 분야에 대한 문을 열어줍니다.

a-SiC는 오늘날 사용되는 일반적인 표면 미세 가공 에칭제에 대한 내화학성이 뛰어나 미세 가공 공정에서 희생층으로 사용하기에 이상적인 소재입니다. 또한, 화학적 불활성으로 인해 건식 에칭제를 사용하면 나노스트링 구조를 손상시키지 않고 언더컷을 에칭할 수 있어 고유의 유연하고 견고한 특성을 활용하는 미래 연구의 토대를 마련할 수 있습니다.