Surface deformation of amorphous silicon thin film on elastomeric substrate

연구 배경

a-Si 박막은 박막 트랜지스터, 이차전지 음극, 이미지 센서, 태양전지에 쓰이며, 표면에 질감을 주면 부피 대비 표면적을 늘리고 접착력과 마찰력을 줄일 수 있습니다. 기존 표면 개질은 별도의 층이나 입자를 더해야 했습니다. 가열한 탄성체 위 단단한 박막의 좌굴은 더 간단한 방법으로 금속 박막과 c-Si 리본에서 연구되었으나, a-Si 박막의 좌굴은 거의 다루어지지 않았습니다. a-Si 막은 c-Si나 III-V 막과 달리 희생 산화막 식각을 위한 구멍이나 나노리본 없이도 넓은 면적으로 분리할 수 있습니다.

설계와 접근

두께 300 nm의 SiO2 희생층 위에 플라스마 화학기상증착으로 280 °C에서 두께 270 nm의 수소화 a-Si 막을 올리고, 49~51% 불산(HF)으로 산화막을 식각해 막을 분리했습니다. 분리한 막은 105~150 °C로 가열한 PDMS에 옮겼습니다. 냉각 과정에서 a-Si(~1 × 10⁻⁶ K⁻¹)와 PDMS(~3.1 × 10⁻⁴ K⁻¹)의 큰 열팽창계수 차이로 막에 등이축 압축이 걸리고 주름으로 완화되며, 가열 온도가 사전 변형률을 정합니다.

평가 방법

시료가 식는 동안 실시간 광학현미경으로 패턴 형성을 기록하고 영상에서 파장과 조그 각을 측정했습니다. 진폭은 100 × 100 μm² 영역의 원자힘현미경(AFM)과 백색광 간섭계로, 막 두께는 단면 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 측정했습니다. 105, 120, 135, 150 °C에 해당하는 사전 변형률은 열팽창계수 차이로부터 약 2.47, 2.94, 3.40, 3.86%로 계산했고, 측정한 진폭과 파장을 c-Si 좌굴 모델의 1차원 및 체커보드 좌굴 해석해와 문헌의 탄성률·푸아송비를 이용해 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

패턴은 위치에 따라 달랐습니다. 가장자리 근처에서는 1차원 물결 주름, 중앙에서는 무질서한 2차원 패턴, 가장자리에서 먼 영역에서는 규칙적인 헤링본 구조가 생겼습니다. 저자들은 이를 자유 가장자리 근처의 일축 응력과 안쪽으로 갈수록 이축으로 바뀌는 응력으로 설명했습니다. 사전 변형률 약 3.8%에서의 실시간 관찰에서는 58초까지 1차원 주름이 형성된 뒤 수직 방향의 두 번째 압축으로 헤링본이 만들어졌으며, 저자들은 두 방향의 압축이 순차적으로 작용하면 헤링본이, 동시에 등이축으로 작용하면 무작위 배열이 형성된다고 결론지었습니다.

헤링본이 형성되는 동안 파장은 20초에 약 38.1 μm(조그 각 180°)에서 34.8 μm로 줄었고 76초 이후 32.0 μm로 안정되었습니다. 조그 각은 60~80초 사이에 82.8°까지 급격히 줄었습니다. 저자들은 60초 이전에는 누적 변형이 임계값보다 낮았던 것으로 추정했습니다. AFM 단면에서 헤링본의 파장과 진폭은 PDMS를 105 °C로 가열한 시료에서 30.8 μm와 2.7 μm, 150 °C 시료에서 30.7 μm와 2.9 μm였습니다.

사전 변형률 2.47~3.86% 범위에서 진폭은 선형으로 증가해 1차원 주름은 2.1 μm에서 2.7 μm로, 2차원 무작위 패턴은 3.1 μm에서 4.1 μm로 커졌고, 헤링본 진폭도 비슷한 선형 증가를 보였습니다. 계산한 1차원 진폭은 2.1, 2.3, 2.5, 2.7 μm로 실험 불확도 안에서 측정값과 일치했으며, 체커보드 해석해도 2차원 진폭과 잘 맞았습니다. 1차원 주름 파장은 계산값 38.8 μm, 측정값 39.0 μm였고, 2차원 무작위 패턴은 측정값 50.3 μm, 이론값 54.9 μm였습니다. 저자들은 c-Si 막에 대해 정립된 좌굴 모델을 a-Si 막에도 확장할 수 있다고 결론지었습니다.

남은 과제

헤링본 구조는 해석적 식이 없어 이론과 비교하지 않았으며, 저자들은 2차원 무작위 패턴의 파장 차이(50.3 μm 대 54.9 μm)를 체커보드 식을 무작위 배열에 적용한 데서 온 것으로 보았습니다. 파장이 변하지 않는다는 결과는 시험한 사전 변형률 3.86%까지의 범위에 해당합니다.

다른 연구와의 연결

Khang 등은 탄성 기판 위의 물결형 단결정 실리콘에 유전체, 도핑 패턴, 전극을 집적해 늘어나는 트랜지스터와 다이오드를 만들었습니다. 이 연구는 비정질 실리콘 막이 주름 패턴을 형성하는 과정과, c-Si 좌굴 모델이 그 진폭과 파장을 설명하는지를 다룹니다.