KAIST "낮은 비용과 적은 공정으로 3차원 나노구조 제작"

(내외방송=정지원 기자) 차세대 반도체 공정 핵심기술인 3차원 나노구조를 단일 노광으로 제작하는 효율적인 방법이 개발돼 반도체 역량 강화에 크게 이바지할 것으로 전망된다.

KAIST는 27일 "전석우 신소재공학과 교수와 신종화 교수 공동연구팀이 이 기술을 개발했다"고 밝혔다.

이번 연구는 갈수록 복잡해지는 반도체 구조와 배선(전선 연결)구조 등을 기존 2차원 평면 노광 방식으로 건물을 한층 한층 제작하듯이 진행하던 방식에 비해 훨씬 더 낮은 비용과 공정으로 제작할 수 있는 근거를 마련한 획기적인 연구 결과다.

노광 공정은 빛을 이용해 실리콘 웨이퍼(얇은 판)에 전자회로를 새기는 기술이다.

연구팀은 수반행렬 방법을 기반으로 한 역설계 알고리즘을 활용해 적은 연산으로 원하는 형태의 나노 홀로그램(3차원 영상으로 된 입체 사진)을 생성하는 위상마스크(파동의 진행을 회전 원운동에 대응시켜서 나타내는 판)의 격자구조를 효율적으로 찾아내는 방법을 제시했다.

이는 기존의 반도체 리소그래피 공정(실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 반고체 상태인 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리하는 기술)에 적용됐다.

연구팀은 광감응성 물질(열 영향을 받아 전기나 자기를 띠는 것)에 단 한 번의 빛을 쏴 목표하는 나노 홀로그램을 형성하고 물질화해 원하는 3차원 나노구조를 노광으로 구현할 수 있다는 것을 실험으로 증명했다.

최근 리소그래피와 패터닝 기술(기판에 원하는 회로나 모양을 만듦)의 발달로 소재의 형상을 나노스케일에서 구현하는 기술도 함께 발달해 기존 소재의 물성을 극복하는 메타 소재(기존의 소재로는 불가능했던 주파수 등을 제어 가능한 소재)와 3차원 프린팅 연구가 주목받고 있다.

특히 3차원 나노소재를 구현하기 위해 활용되는 기존 공정들은 구현하는 구조의 자유도와 생산성, 정밀도를 모두 만족하기 어려운 점이 있었기 때문에 이를 개선하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다.

다양한 3차원 패터닝 공정 중에서도 근접장 나노패터닝은 단일 노광으로 주기적인 3차원의 나노구조를 정확하고 생산성 있게 구현할 수 있다.

하지만, 현재까지 주기적인 위상마스크 패턴을 활용해 구현할 수 있는 구조의 자유도는 제한됐으며 이를 극복하기 위해서는 감광물질에 원하는 형태의 홀로그램을 구현하는 위상마스크의 디자인을 계산하는 과정이 필요했다.

연구팀은 수학적 방법론인 '수반행렬 방법 알고리즘'을 위상마스크의 패턴이 빛과 상호작용하는 광학현상에 적용했다.

이를 통해 원하는 홀로그램 형상을 효율적으로 계산해 광감응성 소재에 그 형상을 얻어내는 데 성공했다.

이 알고리즘은 수식으로 표현된 목표 디자인을 최소한의 계산 경로로 찾아내는 것이며 행렬 연산을 활용해 많은 계산량을 효율적으로 처리할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 기존의 방식으로 얻어내는 것이 불가능했던 새로운 배열의 3차원 나노구조를 얻어내는 데도 성공했다.

이 연구는 기존의 반도체 노광공정이 갖는 자유도의 한계를 극복하고, 더 나아가 복잡한 나노구조를 구현할 수 있다는 것을 이론과 실험적으로 증명했다.

이렇게 제작된 3차원 나노구조는 원자층 증착법(표면에 보호막을 증착)을 활용해 구조에 따라 물질의 주입과 지환으로 다양한 소재를 원하는 구조로 제작할 가능성을 열어주는 계기가 됐다.

이 기술이 차세대 반도체 소자인 GAA(Gate All Around)소자나 3차원 반도체 집적기술에 적용된다면 차세대 반도체 역량 강화에 크게 이바지할 것으로 기대된다.

이외에도 순수한 나노구조에서 나타나는 새로운 물성을 확보하는 메타 소재 연구에서 원하는 나노구조를 낮은 비용과 대면적으로 생산함으로써 국내의 소재 경쟁력을 크게 강화할 원천기술이 될 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업과 삼성전자의 지원을 통해 수행됐다.

전석우 KAIST 교수와 신종화 교수가 교신 저자로, 남상현 박사와 김명준, 김나영 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 지난 25일 온라인 게재됐다(논문명: Photolithographic Realization of Target nanostructrures in 3D Space by Inverse Design of Phase Modulation).