ABSTRACT
Silicon is a key material in advanced technologies due to its thermal stability, appropriate bandgap, and wide applicability for advanced devices. Si microstructures offer enhanced surface area, thus improving performances for energy storage and biosensing applications. However, conventional top-down fabrication methods are complex, costly, and environmentally unfriendly as they rely on cleanroom facilities and toxic chemicals. This study proposed a simplified, eco-friendly bottom-up laser-based process to fabricate silicon microstructures. By controlling laser parameters during the interaction with silicon nanoparticles, diverse Si structures can be fabricated by Si nanoparticle coating and laser irradiation.
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KEYWORDS: Bottom-up process, Laser process, Silicon microstructure, Eco-friendly Fabrication process
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KEYWORDS: 상향식 공정, 레이저 공정, 실리콘 미세구조, 친환경 제조 공정
1. 서론
실리콘은 지구 지각에서 산소 다음으로 풍부한 원소로 1.1 eV에 해당하는 밴드갭 에너지로 인해 불순물 도핑을 통한 N형 및 P형 반도체 형성이 가능하며 높은 리튬 저장 용량으로 인해 차세대 음극재로 주목받는 등 첨단 분야에 중요한 소재 중 하나이다[
1].
실리콘은 이러한 첨단 디바이스에 벌크(Bulk) 형태보다는 미세구조 형태로 존재하며[
2], 표면적을 비약적으로 증가시켜 화학 반응 효율 및 에너지 변환 효율을 향상시키게 된다[
3-
6]. 미세구조 형태의 실리콘을 제조하기 위해서 벌크 실리콘을 선택적으로 제거하여 미세 구조화하는 하향식 공정(Top-down Process)이 주를 이루고 있으며, 그 중심에는 반도체 공정이 자리하고 있다. 반도체 공정은 주로 코팅, 증착, 노광, 식각과 같은 다단계의 복잡한 과정으로 이루어져 있고, 각 공정들은 매우 높은 수준의 진공도와 청정도를 요구하여 상당한 에너지와 막대한 규모의 설비 구성 비용이 요구된다[
7,
8]. 또한, 공정 중 유독한 화학물질이 대량 사용되며 최종 결과물을 완성시키는 데 수십~수백 번의 반복공정이 필요하다[
9,
10]. 기존 반도체 공정의 문제점을 해결하기 위해 학계에는 나노임프린팅, 자가 조립, 레이저 보조 식각 등 다양한 대체 공정들이 보고되고 있으나, 반도체 공정을 완전히 탈피하지 못하고 있다[
11-
14]. 따라서 기존 하향식 공정에서 벗어나 디바이스 제조에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 다양한 실리콘 미세구조를 친환경적이며 대기상태에서 비교적 간단한 공정으로 제조할 수 있는 새로운 상향식 공정(Bottom-up Process) 기반의 기술 개발이 필요하다.
이를 위해서 본 연구에서는 효율적이고 친환경적으로 대기상태에서 복잡한 실리콘 미세구조를 제조하는 방법으로 레이저와 실리콘 나노입자를 기반으로 실리콘 미세구조의 상향식 제조 공정을 제안한다. 레이저 공정은 마스크 없이 원하는 위치에 미세하게 에너지를 집중할 수 있어 공정 유연성과 정밀도가 우수하며, 비접촉·비가열 방식으로 열적 손상이 적고 다양한 기판에 적용 가능하다. 또한, 국소 조사만으로 고속·고해상도 가공이 가능하여 공정 시간 단축과 에너지 효율 향상에 유리하다. 제안된 공정은 실리콘 나노입자와 레이저 간의 물리적 상호작용을 기반으로 하며 나노입자에 간단히 레이저를 조사하는 것만으로 다소 복잡한 미세구조를 제작할 수 있는 특징이 있다. 반도체 공정에서 요구하는 유해 화학물질(불산, 트리클로로에틸렌 등)과 높은 수준의 청결도(ISO Class 5 이상) 및 고진공(10
-5 kPa 이하)이 불필요하고 공정 단계를 최소화함으로써, 상온·상압의 대기 환경에서 수행될 수 있다. 실리콘 나노입자와 분산용 용매만을 사용하므로 공정 전반의 유해성이 낮을 뿐만 아니라, 나노입자의 코팅, 레이저 조사 공정만으로 미세구조 형성이 가능하다는 점에서 적은 공정단계에서 기인하는 적은 공정 시간과 에너지 효율 측면에서도 높은 이점을 갖는다. 그럼에도 불구하고 레이저 조사 조건을 조절함으로써 간편하게 다양한 형태와 크기의 미세구조를 구현할 수 있다[
19].
Table 1 Comparison between bottom-up and top-down fabrication methods
Table 1
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Categories |
Bottom-up methods |
Top-down methods |
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Process environment [15] |
Ambient temperature and pressure |
High temperature, high vacuum, cleanroom required |
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Chemical usage [16] |
Low-toxicity chemicals |
Hazardous chemicals |
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Process complexity [17] |
Simplified steps, potential for one-step process |
Multiple steps (lithography, etching, cleaning) |
|
Environmental impact [16] |
Minimal waste, eco-friendly solvents |
Significant chemical waste and energy consumption |
|
Cost efficiency [18] |
Low-cost equipment and materials |
Expensive tools and materials |
2. 실험
Fig. 1과 같이 본 공정은 코팅과 레이저 조사 과정을 반복하여 이루어진다. 20 µm 두께의 구리 호일 위에 Butanol에 분산된 20 wt%의 실리콘 나노입자 용액을 스핀코팅하였다. 본 공정에는 실리콘의 넓은 흡수 스펙트럼에 포함되며 레이저 공정 중 나노입자의 소결과 파쇄의 두 가지 물리적 현상을 유도하기 위한 1070 nm 파장의 Ytterbium Pulsed Fiber 레이저가 사용되었고, 2D Galvanometer 스캐너와 F-theta 렌즈를 이용하여 원하는 경로로 레이저 초점을 이동하며 레이저 공정을 진행하였다. 레이저 출력 및 펄스간 간격을 조절하여 다양한 형태의 실리콘 미세구조를 제조하였다. 제작된 미세구조 형상은 전계 방출형 주사전자현미경을 활용하여 분석하였다.
Fig. 1 Schematics of experiment steps. (a) Experimental setup and (b) Process procedures
Fig. 2 Photothermal interaction between pulsed laser and Si NPs
3. 결과 및 고찰
3.1 레이저-실리콘 나노입자 간 물리적 상호작용
본 연구에서는 펄스레이저와 실리콘 나노입자 간의 물리적 상호작용을 이용하여 다양한 디바이스 제작에 적용될 수 있는 형상 및 형태 가변형 미세구조를 제조하였다. 실리콘 나노입자에 레이저 펄스의 충격파와 열에너지로 인하여 나노입자의 파쇄와 소결이 반응이 동시에 발생하여 미세구조화가 진행된다[
15,
20-
22]. 이러한 두가지 상호작용은 레이저 펄스간 간격을 조절함으로써 제어가 가능하다[
23]. 펄스간 간격이 짧은 경우에는 광 에너지에 의해 전달되는 열 발생 및 응집현상 보다는 레이저 펄스에 의한 충격파가 더 지배적으로 작용하여 실리콘 나노입자의 파쇄작용이 강화되고 이로 인해서 미세구조 상부에 파쇄된 나노구조가 형성된다. 반면, 펄스 간 간격이 긴 경우 파쇄보다 열에 의한 용융 및 응집 현상이 활발히 일어나 나노입자들이 소결되어 마이크로 크기의 돌기 구조가 형성된다. 이러한 두 가지 구조형성 메커니즘을 기반으로 하여 다양한 형태의 미세구조 제조를 설계하였다. 이러한 펄스 레이저 공정 조건 기반 물리적 현상 조절과는 달리 연속파(Continous Wave, CW) 레이저를 사용한 경우에는 상대적으로 낮은 첨두 출력으로 인하여 구조 형성보다는 전반적인 과소결이 일어나며 평탄화된 표면이 형성되어 높은 표면적을 가지는 기능성 소자에 적합한 구조 형성에 부적절하였다.
Fig. 3Silicon structure types based on process parameters
3.2 다종 실리콘 미세구조 제조
기판과 미세구조 간의 물리적 결합력을 향상시키고, 순차적 반복공정으로 형성되는 미세구조 간의 접합 강도를 극대화하기 위해, 본 연구에서는 미세한 돌기 형태의 기반구조를 선정하였다. 해당 기반구조는 기판과의 밀착 면적을 증가시키고, 나노입자 기반 후속 구조체와의 계면 결합력을 향상시키는 데 유리하다. 이러한 기반구조 위에 실리콘 나노입자를 코팅하고 레이저를 조사하는 과정을 반복 수행하여 보다 복잡한 미세구조를 제작하였다.
레이저의 펄스 간 간격과 출력은 공정 결과에 결정적인 영향을 미쳤으며 이에 따라 다양한 미세구조가 형성되었다. 우선 펄스 간 간격이 길고 레이저 출력이 높은 조건에서는 국부적으로 높은 온도가 발생하고, 이로 인해 실리콘 나노입자 간의 열응집 반응이 상대적으로 활발하게 일어났다. 나노입자들이 열적으로 소결되며 점차적으로 입자 크기가 증가하고, 결국 구조체 전체의 체적이 커져 평균 지름 2.24 µm의 실리콘 돌기가 형성되는 결과를 얻었다. 반면, 동일한 펄스 간격에서 레이저 출력이 낮은 경우에는 초기 단계에서는 입자 간 소결이 반응이 원활히 일어나지만 낮은 출력으로 인해 입자 크기가 충분히 성장할 수 있는 온도에 도달하지 못한다[
14]. 그 결과, 평균 지름 770 nm의 돌기 크기에서 소결이 정지되고 초기 돌기형상의 기반구조 위에 또 하나의 돌기 형태가 추가로 형성되는 이중 돌기 구조가 생성된다. 이는 미세 구조의 수직적 계층화가 가능함을 실험적으로 보여주는 결과이다. 한편, 펄스 간 간격이 짧고 레이저 출력 또한 낮은 조건에서는 반복적이고 국소적인 저강도 조사로 인해 표면에 고밀도 에너지가 누적되면서 입자 간 소결보다는 기존 200 nm였던 실리콘 입자가 평균 50 µm 입자로의 파쇄 후 재증착을 통해 미세한 돌기들이 서로 다층적으로 집적되며 나노구조가 발달된 계층적 구조가 형성된다. 이러한 구조는 높은 표면적과 다공성을 갖춰 센서 및 광흡수층 등 다양한 기능성 응용에 유리한 특성을 제공할 것으로 기대된다. 마지막으로 펄스 간 간격이 짧고 레이저 출력이 높은 조건에서는 과도한 광/열 에너지가 짧은 시간 내에 기판에 전달되며 대부분의 실리콘 나노입자의 식각이 일어났을 뿐만 아니라 높은 열로 인한 기판의 표면 손상이 발생하였다.
Table 2Process parameters for each structure
Table 2
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Structure types |
Laser power [W] |
Feed per pulse [μm] |
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Bump structure |
8 |
5 |
|
Double bump structure |
4 |
5 |
|
Hierarchical structure |
4 |
1 |
|
Substrate damage |
8 |
1 |
Fig. 4SEM images of four types of microstructures. (a) Bump structure, (b) Double bump structure, (c) Hierarchical structure, and (d) Removal of silicon NPs
4. 결론
본 연구에서는 레이저와 나노입자를 활용한 미세구조의 상향식 제조 공정에서 레이저 조사 조건의 제어를 통해서 다양한 형태의 미세구조를 형성할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 펄스간격과 출력이라는 두 가지 공정 변수를 조절함으로써 (1) 소결 중심의 체적 확장형 구조, (2) 성장 조절에 따른 이중 돌기 구조, (3) 표면적이 극대화된 계층적 나노구조를 구현할 수 있었다. 이는 별도의 마스크, 식각, 혹은 리소그래피 공정과 같은 반도체 공정 없이 대기상태에서 간단한 공정으로 다양한 미세구조 제작이 가능함을 보여주었다. 결론적으로 본 연구는 레이저 조사 조건 제어만으로 다양한 구조적 기능을 설계할 수 있는 새로운 접근법을 제시하였으며 첨단 기능성 소자의 구조 설계 및 대면적 제조에 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다. 향후에는 본 공정을 기반으로 제작된 미세구조의 결정성, 비표면적, 산화비율 등 추가적인 구조 특성을 측정하고 실제 기능성 소자의 제작 및 구현하여 적용가능성을 실험적으로 규명할 예정이다. 이러한 후속 연구는 본 공정의 실용화 가능성과 산업적 응용 범위를 더욱 넓히는 데 기여할 것으로 판단된다.
ACKNOWLEDGMENTS
본 연구는 한국연구재단의 기초연구실지원사업(No. RS-2023-00217661, 광유도 계면 제어를 통한 제로 에너지 얼음 프리 스킨 제조), 중견연구자지원사업(No. RS-2023-NR076648, 광 유도 초고속 다중 물리/화학 에너지 인터렉션 기반 친환경 디바이스 구현)와 산업통상자원부의(No. RS-2024-00446120, 레이저 소결 패터닝 기반 차세대 LED 디스플레이 무베젤 배선 제조 및 리페어 통합 패키징 시스템 개발)의 지원을 받아 수행되었음.
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Biography
- Sung Jin Park
Master’s degree graduate in the department of mechanical gngineering, Kookmin university. His research interest is laser process.
- Bongchul Kang
Associate professor in the school of mechanical engineering, Kookmin university. He received Ph.D. at Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). His research interest is laser manufacturing and precision engineering.
Citations
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