“반도체 속 머리카락보다 가는 결함도 잡는다”…DGIST, 초음파 센서 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 반도체 칩을 뜯거나 손상시키지 않고 내부의 미세한 균열과 기포까지 선명하게 찾아낼 수 있는 초음파 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 렌즈 옆면에 나사산 모양의 홈을 새겨 영상의 선명도를 떨어뜨리는 잡음을 줄인 것이 핵심이다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 반도체 내부의 초미세 결함을 정밀하게 확인할 수 있는 ‘나사산 렌즈 집속형 초음파 센서’를 개발했다고 28일 밝혔다.

전기차와 항공우주 산업에서는 높은 전압과 열을 견디는 전력반도체의 신뢰성이 중요하다. 반도체 내부에 미세한 균열이나 빈 공간이 발생하면 제품 성능 저하와 고장으로 이어질 수 있기 때문이다.

이 같은 결함을 찾아내기 위해 초음파를 이용한 비파괴 검사가 활용되지만, 기존 센서는 렌즈 내부에서 초음파가 반복적으로 반사되면서 발생하는 잡음 때문에 미세한 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었다.

특히 산업용 검사 장비는 설치 공간이 좁아 센서 크기를 키우기도 쉽지 않다.

연구팀은 소리의 반사를 줄이는 무향실의 쐐기형 흡음 구조에서 해결책을 찾았다. 초음파 렌즈 옆면에 비스듬한 나사산 형태의 홈을 촘촘히 새겨 초음파 반사파가 여러 방향으로 흩어지도록 설계했다.

이를 통해 렌즈 내부에서 반사파가 한곳에 모여 발생하는 잡음을 억제하면서도 센서 크기와 핵심 부품은 그대로 유지할 수 있게 됐다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 나사산 높이 500㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m), 경사각 30도가 잡음 억제와 제작 편의성 측면에서 효과적인 설계 조건임을 확인했다.

실제 차량용 전력반도체 모듈에 적용한 결과, 기존 센서에서는 잡음에 가려 보이지 않던 머리카락 굵기 4분의 1 수준의 금속선과 미세 기포 등 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 성공했다. 영상의 선명도는 컴퓨터단층촬영(CT)에 버금가는 수준이라는 게 연구팀 설명이다.

이번 기술은 기존 압전소자와 조립 공정을 유지하면서 렌즈 옆면 가공만 추가하면 돼 산업 현장 적용이 비교적 쉽다는 장점이 있다.

향후 전기차·항공우주용 전력반도체는 물론 다층 반도체 패키지 내부의 공극, 박리, 미세 균열 등을 검사하는 데 활용될 전망이다. 고해상도 음향현미경과 의료용 초음파 센서로도 응용 범위를 넓힐 수 있다.

다만 초음파 주파수와 렌즈 소재에 따라 나사산 구조를 다시 최적화해야 하며, 자동화된 고속 검사 장비와의 통합 검증도 필요하다. 연구팀은 상용화까지 약 2년이 걸릴 것으로 예상하고 있다.

장진호 교수는 “산업용 초음파 센서의 가장 큰 난제였던 렌즈 내부 잡음 문제를 단순한 형상 가공만으로 해결했다는 데 의미가 있다”며 “향후 반도체 제조기업과 공동연구를 통해 실제 공정 결함에 대한 검증을 확대하고 차세대 비파괴 검사 시스템 개발에 속도를 내겠다”고 말했다.

이번 연구에는 DGIST 강성우 박사후연수연구원과 박현규 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 비파괴 검사 분야 국제학술지 ‘NDT & E International’에 게재됐다.