2024 스탠포드 첨단 재료 대학 장학금 수상자 발표

올해 Stanford Advanced Materials (SAM)는 구형 분말 기술의 혁신을 장려하는 데 중점을 두었습니다. 이 분야의 응용, 도전 과제 및 발전에 관한 연구 제안서, 프로젝트 또는 연구를 공유하도록 학생들을 초대했습니다.

지난 몇 달 동안 미국 전역의 학생들로부터 인상적인 제안서가 많이 접수되었습니다. 신중한 검토를 거쳐 2024년 Stanford Advanced Materials College 장학금 수상자를 발표하게 되어 기쁘게 생각합니다:

터커 어벡
서던 캘리포니아 대학교
화학공학, 주니어

반도체 제조를 위한 박막 증착에 구형 분말 기술을 사용하는 것에 대한 터커의 연구는 창의성과 잠재적 영향력에서 두각을 나타냈습니다.

작품을 제출한 모든 학생에게 감사의 말씀을 전합니다. 여러분의 아이디어와 노력은 정말 고무적이었으며, 앞으로의 모든 노력에 최선을 다하길 바랍니다.

장학금 프로그램 및 향후 기회에 대한 자세한 내용은 장학금 페이지에서확인하세요 .

수상 프로젝트

제목: 박막 증착에서 구형 분말 기술의 개발 및 적용

초록:

박막 증착에서 구형 분말 기술의 개발과 적용은 반도체 제조 분야에서 상당한 발전을 가져왔습니다. 이 연구에서는 스퍼터링 증착 공정에서 기존의 고체 플레이트 타겟과 비교하여 고온 재용융 구상화(HRS)를 통해 생산된 구형 분말 타겟을 사용하는 것이 미치는 영향을 조사합니다. 이 연구는 구형 분말로 박막의 구성, 구조 및 증착 기술을 최적화함으로써 균일성과 품질을 향상시켜 반도체 수율을 현저하게 개선하는 것을 목표로 합니다. 이 실험에서는 압력, 타겟-기판 거리, 증착 시간 등의 매개변수를 제어하여 구형 분말로 증착된 박막과 고체 플레이트로 증착된 박막을 체계적으로 비교합니다. 입자 크기, 방향 및 결함 밀도를 분석하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 필름의 품질을 평가합니다. 학계 연구에 따르면 구형 분말은 표면 상호 작용과 패킹 밀도가 개선되어 결함이 적고 필름 품질이 우수하다고 합니다. 이러한 발전은 고성능 반도체 재료에 대한 수요 증가를 충족하고 제조 효율성과 제품 성능을 통해 반도체 기술의 미래에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

배경:

증착은 금속 소스에서 기판 위에 매우 얇은 물질 층을 추가하는 작업입니다. 박막 재료는 물리적 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD) 등 다양한 방법을 통해 기판 위에 증착할 수 있습니다[1].

그림 1: (왼쪽) 고온 재용융 구상화 공정에서 구리 원자의 미세한 형태, (오른쪽) HRS 기술을 사용한 구상화 모식도 [4].

물리적 기상 증착의 일종인 스퍼터링은 대상 물질에 고에너지 이온을 방출하여 원자를 방출하고 기판 위에 증착하는 방식입니다. 이 방법은 경제적이고 넓은 면적에 증착할 수 있기 때문에 대규모 반도체 제조에 특히 적합합니다[2].

스퍼터링 타겟의 특성은 박막의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 전통적으로 스퍼터링 타겟은 단단한 판이나 디스크 형태를 취했지만, 최근의 발전으로 이 공정에서 구형 분말 기술을 사용할 수 있게 되었습니다[3]. 구형 분말 타겟은 고온 재용융 구상화(HRS)를 통해 제조할 수 있으며, 금속 입자를 온도점보다 훨씬 높은 온도에서 가열하여 입자가 녹고 융합되도록 합니다. 이렇게 가열된 입자는 빠르게 냉각되어 구형으로 응고되는 구상화 과정을 거칩니다. 그림 1은 급속 가열 및 냉각 공정과 입자 모양에 미치는 영향을 포함한 전체 HRS 공정을 보여줍니다[4].

HRS는 분말 타겟이 구형이 되도록 하여 박막의 균일성과 밀도를 개선합니다[2].

방법론:

이 실험은 스퍼터링 증착 공정에서 구형 분말과 고체 플레이트 타겟 간의 박막 품질 차이를 확인하기 위해 설계되었습니다. 두 스퍼터링 기술 간의 박막 품질을 결정하기 위해서는 압력 및 타겟-기판 차이와 같은 주요 파라미터를 제어해야 합니다[5]. 또한 기판 세척과 같은 기판 전처리는 두 기술 간의 증착이 가능한 한 일관되게 유지되도록 일정하게 유지되어야 합니다[6].

증착 과정에서 두 스퍼터링 방법 모두 증착 시간이 일정하게 유지되므로 필름의 두께와 균일성을 쉽게 비교할 수 있습니다. 또한, 두 기술 간의 성장 속도는 타원 측정법과 같은 두께 측정 기술을 사용하여 일관되고 최적화됩니다 [6].

그림 2: 박막 품질 테스트: 구형 분말과 얇은 디스크로 타겟 생성, 스퍼터링 장비를 통한 재료 증착, 주사 전자 현미경(SEM)을 통한 재료 특성 분석 [7][8][9] 등

결과의 신뢰성을 높이기 위해 여러 구형 분말과 고체 디스크를 실험에 사용합니다. 이 접근 방식은 더 많은 데이터 포인트를 제공하고, 다양한 샘플에서 재현성을 보장하며, 스퍼터링 공정의 일관성과 균일성을 평가함으로써 통계적 신뢰성을 높입니다.

스퍼터링 공정의 결과는 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 분석됩니다. SEM 기술은 재료의 미세 구조를 특성화하고 증착된 박막의 품질을 결정합니다[4].

결과:

미세 구조 특성 분석 결과를 이해하려면 입자 크기와 방향을 모두 분석해야 합니다. SEM 장비를 사용하면 박막 내 개별 입자의 크기를 분석하고 구형 분말과 기존 고체 판을 비교할 수 있습니다. 그림 3은 다층 박막의 단면을 SEM으로 촬영한 이미지입니다.

그림 3: 50k× 배율로 촬영한 태양광 패널 다층 박막의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 [10] [그림 3: Zeiss Auriga FIB-SEM 시스템을 사용하여 촬영한 다층 박막의 주사 전자 현미경 이미지].

이 이미지는 SEM에 사용된 가속 전압과 샘플과 전자총 사이의 거리를 나타내는 2.00kV의 전자 고장력(EHT)으로 50,000배율에서 5.0mm로 촬영한 것입니다 [10].

이 배율에서 샘플의 미세 구조와 입자 경계에 대한 정보를 얻을 수 있어 박막의 품질을 결정하는 데 도움이 됩니다. 그림 3에서는 재료 사이의 뚜렷한 계면으로 인해 입자 경계가 눈에 띄게 나타납니다. 매끄러운 계면은 증착 과정에서 대상 물질이 기판에 강하게 접착되었음을 나타냅니다.
또한 구형 분말 및 고체 기반 박막의 SEM 분석은 박막의 잠재적 결함에 대한 중요한 정보를 밝혀낼 수 있습니다. 어두운 부분이나 필름의 나머지 부분보다 밀도가 낮은 영역은 증착 공정 중에 발생한 결함을 나타낼 수 있습니다.
주사 전자 현미경(SEM)을 통해 박막을 분석함으로써 구형 분말 기술은 긍정적인 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대됩니다. 이러한 박막에서 관찰되는 매끄러운 경계는 구형 분말 타깃의 고유한 특성인 향상된 접착력 때문일 수 있습니다. 이는 구형 파우더의 표면 상호 작용이 개선되고 균일한 증착이 가능하기 때문일 수 있습니다. 또한 구형 분말의 패킹 밀도가 증가하면 결함 발생이 감소하여 박막의 전반적인 품질과 일관성에 기여할 것으로 예상됩니다. 따라서 구형 분말은 박막 증착에서 높은 정밀도와 균일성이 요구되는 응용 분야에 유망한 소재가 될 수 있습니다[5].

잠재적 시사점:

고품질 박막은 첨단 프로세서와 메모리 장치의 성능과 신뢰성을 위해 매우 중요합니다[11]. 구형 분말 혁신은 고품질 박막이 글로벌 및 국내 반도체 수요를 충족하는 데 도움이 될 것입니다.

박막 품질은 여러 산업에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 전기 자동차(EV) 산업의 반도체 시장 수요는 2024~2029년 사이에 23억 3천만 달러에서 83억 달러로 확대될 것으로 예상됩니다.

그림 4: 2020~2029년 전기 자동차(EV) 시장의 반도체 시장 수요 증가[12].

구형 분말 기반 증착은 반도체의 품질을 향상시켜 증가하는 수요를 더 쉽게 충족시킬 수 있습니다. 구형 분말이 제공하는 균일성과 정밀성은 첨단 반도체 애플리케이션에 필수적인 최고 품질의 박막을 생산할 수 있도록 보장합니다[5].

또한 구형 분말 기술은 반도체 공급망의 탄력성과 보안을 강화할 수 있습니다. 반도체 부족으로 인해 배터리 전기 자동차(BEV) 생산에 큰 영향을 미친 코로나19 팬데믹 기간 동안 겪은 혼란은 안정적이고 효율적인 공급망의 중요성을 강조합니다[13]. 수율 개선은 공급망 문제를 극복하는 데 있어 핵심적인 요소입니다. 2018년 McKinsey & Company의 사례 연구에 따르면 한 주요 반도체 기업은 반도체 생산 공정의 8가지 주요 단계에서 수율 손실로 인해 약 6,800만 달러의 손실을 보고 있는 것으로 나타났습니다[14].

구형 분말 기술은 기능성 칩의 수율과 일관성을 개선함으로써 현재의 공급망 문제를 해결할 뿐만 아니라 미래의 기술 발전과 산업 성장을 지원합니다. 따라서 이 기술은 미래를 위한 고성능 전자 재료의 견고하고 안정적인 공급을 보장하기 위한 중요한 단계입니다[5].

약력:

터커 어벡은 서던 캘리포니아 대학교에서 재료 과학을 전공하며 화학 공학을 공부하고 있는 주니어입니다. 그는 최근 캘리포니아 드림즈에서 존 오브라이언 나노 제조 연구소에서 인턴십을 마치고 박막 기술을 포함한 마이크로 전자 제조에 대한 포괄적인 교육을 받았습니다. 터커는 차세대 반도체의 성능과 에너지 효율을 향상시키는 신기술을 개발하는 데 중점을 두고 재료 과학자가 되기를 꿈꾸고 있습니다.

인용된 작품

[1]E. Chen, https://www.mrsec.harvard.edu/education/ap298r2004/Erli%20chenFabrication%20II%20-%20Deposition-1.pdf

[2]"구형 분말 개요 | 적층 제조 재료", am-material.com, Oct. 27, 2023. https://am-material.com/news/spherical-powders-a-complete-guide/

[3]F. M. Mwema, E. T. Akinlabi, O. P. Oladijo 및 A. D. Baruwa, "고성능 스퍼터링 타겟 생산을위한 분말 기반 기술의 발전", 재료 성능 및 특성화, 9 호, no. 4, pp. 528-542, Sep. 2020, 도이: https://doi.org/10.1520/mpc20190160.

[4]Q. Bao, Y. Yang, X. Wen, L. Guo 및 Z. Guo, "고온 재용융 구상화 기술을 이용한 구형 금속 분말의 제조", Materials & Design, vol. 199, p. 109382, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109382.

[5]S. Yu, Y. Zhao, G. Zhao, Q. Liu, B. Yao 및 H. Liu, "구형 분말의 제조 기술 및 특성에 대한 검토", 국제 첨단 제조 기술 저널, 132, no. 3-4, pp. 1053-1069, Mar. 2024, 도이: https://doi.org/10.1007/s00170-024-13442-w.

[6]C. Linke, "Linking Target Microstructure with its Sputter Performance", 연례 기술 컨퍼런스 프로시딩, 60권, 2018년 4월, 도이: https://doi.org/10.14332/svc17.proc.42840.

[7]"스퍼터링 시스템 CS-200 - ULVAC 베트남 대표 사무소", ULVAC 베트남 대표 사무소, 2021 년 09 월 09 일. https://ulvac.com.vn/en/product/vacuum-equipments/sputtering-system/cs-200-series/ (2024 년 8 월 30 일 액세스).

[8]"주사 전자 현미경 (SEM) | 제품 | JEOL Ltd.", " 주사 전자 현미경 (SEM) | 제품 | JEOL Ltd." https://www.jeol.com/products/scientific/sem/.

[9]열분해 흑연 도가니, "Pyrolytic Graphite Crucible | Stanford Advanced Materials," Global Supplier of Sputtering Targets and Evaporation Materials | Stanford Advanced Materials, Aug. 20, 2018. https://www.sputtertargets.net/pyrolytic-graphite-crucible.html (2024년 8월 30일 액세스).

[10]W. Sun, F. Duan, J. Zhu, M. Yang 및 Y. Wang, "다층 박막의 SEM 이미지를 위한 에지 검출 알고리즘", 코팅, 14, no. 3, p. 313, Mar. 2024, 도이: https://doi.org/10.3390/coatings14030313.