본 총설에서는 Si비등방성 식각(anisotropic etching) 공정인 metal-assisted chemical etching(MAC etch 혹은 MACE) 분야 기본 원리, 중요 변수, 그리고 최근 연구 성과들을 정리하였다. 1990년에 최초로 Si 표면에 금속 촉매를 증착한 후 $H_2O_2$/HF 기반 식각을 진행하면 용액 중에서도 비등방성 식각을 통해 다양한 고종횡비(high aspect ratio) 나노구조를 형성할 수 있다는 것이 밝혀 졌다. 고가의 진공기반 장비가 필요한 건식 식각에 비해, 습식 식각을 통해서도 상대적으로 간편하고 경제적으로 종횡비가 큰 Si 마이크로/나노 구조를 만들 수 있게 되었다. 초기 연구들을 통해 MAC etch중 산화제가 촉매에 의해 환원되고, 촉매/Si 계면 근처의 Si 원자들이 선택적으로 식각/용해되어 수직 방향으로 촉매가 Si 기판을 파고 들어가며 비등방성 식각이 발생함이 밝혀졌다. MAC etch에 영향을 미치는 중요 변수로는 금속 촉매의 종류 및 모양, 식각액의 조성, Si기판의 도핑 농도이다. 또한 본 총설은 MAC etch에 의해 형성된 Si 나노 구조를 이용한 태양전지, 수소 연료, 리튬 이온 전지 등의 응용 분야를 다루었다.
본 총설에서는 Si 비등방성 식각(anisotropic etching) 공정인 metal-assisted chemical etching(MAC etch 혹은 MACE) 분야 기본 원리, 중요 변수, 그리고 최근 연구 성과들을 정리하였다. 1990년에 최초로 Si 표면에 금속 촉매를 증착한 후 $H_2O_2$/HF 기반 식각을 진행하면 용액 중에서도 비등방성 식각을 통해 다양한 고종횡비(high aspect ratio) 나노구조를 형성할 수 있다는 것이 밝혀 졌다. 고가의 진공기반 장비가 필요한 건식 식각에 비해, 습식 식각을 통해서도 상대적으로 간편하고 경제적으로 종횡비가 큰 Si 마이크로/나노 구조를 만들 수 있게 되었다. 초기 연구들을 통해 MAC etch중 산화제가 촉매에 의해 환원되고, 촉매/Si 계면 근처의 Si 원자들이 선택적으로 식각/용해되어 수직 방향으로 촉매가 Si 기판을 파고 들어가며 비등방성 식각이 발생함이 밝혀졌다. MAC etch에 영향을 미치는 중요 변수로는 금속 촉매의 종류 및 모양, 식각액의 조성, Si기판의 도핑 농도이다. 또한 본 총설은 MAC etch에 의해 형성된 Si 나노 구조를 이용한 태양전지, 수소 연료, 리튬 이온 전지 등의 응용 분야를 다루었다.
This review article summarizes metal-assisted chemical etching (MAC etch or MACE), an anisotropic etching method for Si, and describes principles, main factors, and recent achievements in literature. In 1990, it was discovered that, with metal catalyst on surface and $H_2O_2$/HF as etchan...
This review article summarizes metal-assisted chemical etching (MAC etch or MACE), an anisotropic etching method for Si, and describes principles, main factors, and recent achievements in literature. In 1990, it was discovered that, with metal catalyst on surface and $H_2O_2$/HF as etchant, Si substrate can be etched anisotropically, in even in solution. In contrast to high-cost vacuum-based dry etching methods, MAC etch enables to fabricate a variety of high aspect ratio nanostructures through wet etching process.
This review article summarizes metal-assisted chemical etching (MAC etch or MACE), an anisotropic etching method for Si, and describes principles, main factors, and recent achievements in literature. In 1990, it was discovered that, with metal catalyst on surface and $H_2O_2$/HF as etchant, Si substrate can be etched anisotropically, in even in solution. In contrast to high-cost vacuum-based dry etching methods, MAC etch enables to fabricate a variety of high aspect ratio nanostructures through wet etching process.
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제안 방법
2,3) Huang 논문은 MAC etch의 자세한 메커니즘과 중요한 파라미터를 설명하고 포괄적으로 문헌을 정리하였고,3) Li 논문에서는 태양 에너지 변환이라는 응용분야에 집중하였다.2) 본 총설에서는 MAC etch의 기본적인 원리를 설명하고 핵심적인 실험변수들을 살펴본 후, 기존 총설들 이후 최근 보고들을 정리하였다.
또한 도핑되지 않은 Si의 낮은 전도도 문제도 Si 음극에 기반한 배터리의 성능을 저하시키는 요인이다. 이러한 문제에 대한 해결하기 위해 Si 마이크로 입자를 MAC etch를 통해 식각하여 일종의 3차원 나노기공 구조를 도입하였다(Fig. 8). 이렇게 제작된 기공성 Si 재료는 Li 충·방전시 기공이 부피 변화에 완충작용을 해 배터리의 성능과 주기 수명(cycle life)가 향상되었다.
성능/효과
19-24) Si 나노선을 이용한 태양 에너지 변환에 관해서는 Peng and Lee의 논문에 포괄적으로 정리되었다.24) MAC etch에 의해 형성된 Si 나노선은 그 지름이 수십~수백 nm 정도이고, 또한 이러한 나노선들이 수백 nm 간격으로 촘촘한 배열(array)을 이루고 있다. 나노선 배열 간격이 가시광선의 파장과 비슷하기 때문에 입사된 빛의 산란을 촉진시켜 빛의 반사를 최소화한다(anti-reflection).
7). 이러한 Si 나노선을 이용한 태양전지는 평면 Si 보다 우수한 성능을 보였으며 8.14%의 광전변환효율을 나타내었다.22)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Si 이란 무엇인가?
Si은 지구상 두 번째로 풍부한 원소이며, 현대 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체 물질이다. 마이크로 전자소자, 태양전지 등의 기반이 되는 물질이기 때문그 물리적, 화학적 성질이 반도체 재료 중 가장 광범위하게 연구되었다.
식각 공정은 무엇으로 구분되는가?
1) Si 공정은 결정 성장(crystal growth), 불순물 첨가(doping), 식각(etching) 등을 포함한다. 이 중 식각 공정은 식각 매질의 상(phase)에따라 습식 식각(wet etching)과 건식 식각(dry etching) 으로 구분된다. 건식 식각에서는 Deep reactive-ion etching(DRIE) 등 장비에서 직진성 플라즈마를 이용하므로 비등방성(anisotropic) 식각을 나타낸다.
Si이 반도체 재료 중 가장 광범위하게 연구된 이유는 무엇인가?
Si은 지구상 두 번째로 풍부한 원소이며, 현대 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체 물질이다. 마이크로 전자소자, 태양전지 등의 기반이 되는 물질이기 때문그 물리적, 화학적 성질이 반도체 재료 중 가장 광범위하게 연구되었다.1) Si 공정은 결정 성장(crystal growth), 불순물 첨가(doping), 식각(etching) 등을 포함한다.
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