[충청뉴스 이성현 기자] 한국에너지기술연구원은 충북대 연구팀과 함께 실리콘 태양전지 및 반도체소자의 핵심 소재이니 단결정 실리콘 웨이퍼를 원재료 낭비 없이 제조하는 혁신 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
이번에 개발한 기술은 단결정 실리콘을 모체 기판 위에 상향식으로 성장시킨 후 기존에 다공구조로 인하여 불량으로 여겨졌던 플라즈마 에피탁시 실리콘을 역이용해 마치 절취선을 따라 떼어내듯이 실리콘 웨이퍼를 간편하게 박리하는 기술이다.
기술의 핵심은 플라즈마 에피탁시 실리콘의 다공구조를 제어하고 위에 성장시킨 단결정 실리콘 웨이퍼를 통째로 떼어내는 방법으로 제조 공정을 혁신한 것이다.
플라즈마 에피탁시 실리콘 연구는 2000년대 중반부터 이루어졌지만, 높은 결함밀도 및 다공구조의 특성으로 인해 태양전지 공정 중 발생하는 불량으로 취급됐으며, 이 물질의 성장을 억제하거나 물질 내부의 결함 및 공극률을 저감하는 연구들이 주를 이뤘다.
연구팀은 이에 플라즈마 에피탁시에 대한 역발상을 구사해 오히려 결함 밀도를 증가시키고 계면의 공극률을 극대화하는 방법을 선택했다. 즉, 마치 빵 반죽에 기포가 발생해 부드러워지듯이 실리콘 웨이퍼 제작 시 결함과 구멍을 이용해 떼어내는 부분을 약하게 만드는 것이다.
연구팀은 모체기판 위에 다공구조의 플라즈마 에피탁시 실리콘을 성장시킨 후 열처리 과정을 거쳐 중간에 떼어내기 쉬운 얇은 틈을 만들었다. 이후 다시 결정질 실리콘을 그 위에 두껍게 증착시키면 태양전지나 다른 반도체 소자로 쓸 수 있는 웨이퍼는 절취선을 따라 쉽게 떼어내듯 분리할 수 있고 모체기판은 손상 없이 무한대로 활용이 가능하다.
이 기술을 활용하면 원재료의 낭비도 획기적으로 줄이고 태양전지 제조 단가를 절반으로 저감할 수 있다. 또 플라즈마 에피탁시 실리콘 및 단결정 실리콘 성장을 널리 쓰이고 있는 화학기상증착법에 기반하기 때문에 다양한 차세대 반도체 소자에 응용 가능하므로 산업적 파급효과가 클 것으로 기대하고 있다.
에너지연 오준호 박사는 “이번에 개발한 기술은 각종 반도체·태양전지·디스플레이·센서 공정에 널리 쓰이고 있는 화학기상증착법에 기반하기 때문에, 실리콘 웨이퍼를 이용한 다양한 소자 제작기술에 파급효과가 클 것으로 기대된다”며 “소자 제작기술과의 연계를 통해, 정부 주도의 국내 밸류체인 소재·부품·장비분야 경쟁력 강화 전략에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.
