“반도체 손상없이 주름까지 잡아낸다”…韓 연구진, 빛으로 분석 성공

[헤럴드경제=구본혁 기자] 머리카락보다 수천 배 얇은 반도체 표면에 생긴 미세한 주름을 소재 손상 없이 빛으로 분석할 수 있는 길이 열렸다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 화학물리학과 이재동 교수와 바이오메디컬연구부 김현민 책임연구원 연구팀이 연세대 전기전자공학부 안종현 교수팀과 공동으로 주름진 초박막 실리콘의 광학 반응 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

실리콘은 반도체를 만드는 핵심 소재다. 두께를 수십 나노미터(㎚·10억분의 1m) 이하로 줄이면 자유롭게 휘어지는 특성을 갖게 돼 차세대 유연 전자소자와 광소자에 활용할 수 있다.

문제는 실리콘 막이 얇아질수록 미세한 주름에도 소재의 특성이 크게 달라진다는 점이다. 주름의 볼록한 부분과 오목한 부분에서 실리콘이 늘어나거나 압축되는 정도가 달라지고, 이에 따라 빛에 반응하는 특성도 복잡하게 변한다.

이 같은 미세 변형은 반도체 성능과 직결되지만 기존 분석법으로는 정확하게 측정하기 어려웠다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 빛의 진동수를 3배 높여 새로운 빛을 만들어내는 ‘3차 조화파 발생(THG) 현미경’과 양자역학 기반 제일원리 계산을 결합했다.

연세대 연구팀이 정밀 공정으로 주름진 실리콘 나노막을 제작하고, DGIST 연구팀은 여기에 파장 1040나노미터의 적외선을 조사했다.

그 결과 실리콘 내부 전자와 빛이 공명하면서 약 346나노미터 파장의 강한 자외선 신호가 발생했다.

연구팀이 이 신호를 분석한 결과, 주름의 봉우리와 골 부분에서 빛의 편광 방향에 따른 신호 세기 비율이 뚜렷하게 달라지는 것을 확인했다.

특히 실리콘 막의 두께가 15나노미터 수준까지 얇아지면 새로운 현상이 나타났다.

실리콘 내부 전자구조 변화뿐 아니라 주름진 표면의 입체적 형상 자체가 주변 빛의 분포를 바꾸면서 광학 신호에 큰 영향을 미친 것이다.

연구팀은 전자기장 시뮬레이션을 통해 주름 주변의 빛 분포까지 계산에 반영했고, 실험 결과와 이론적 예측이 일치한다는 사실을 확인했다.

이번 연구성과는 반도체를 절단하거나 손상하지 않고도 내부 변형 상태를 분석하는 차세대 비파괴 검사기술 개발에 활용될 것으로 기대된다.

특히 휘어지는 디스플레이와 유연 전자소자, 복잡한 3차원 반도체 구조의 미세 변형을 정밀하게 분석하고 소자 성능을 예측하는 데 기여할 전망이다.

다만 실제 반도체 제조공정에 적용하려면 광학 측정 장비의 정밀도와 속도를 높이고, 복잡한 3차원 소자 구조에 대한 추가 검증이 필요하다.

이재동 교수는 “향후 소재를 손상하지 않고 3차원 반도체 구조의 변형률을 정밀하게 진단하는 차세대 비파괴 검사기술로 발전할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

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