- KAIST 전석우·신종화 교수 연구팀. 반도체생산 속도·비용 대폭 절감

KAIST 부설 나노종합기술원 연구원이 운용중인 반도체 핵심소재 감광제 도포장비를 조작하고 있다.[헤럴드경제DB]
KAIST 부설 나노종합기술원 연구원이 운용중인 반도체 핵심소재 감광제 도포장비를 조작하고 있다.[헤럴드경제DB]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 전석우‧신종화 교수 공동연구팀이 차세대 반도체 공정 핵심기술인 3차원의 나노구조를 단일 노광으로 효율적으로 제작하는 방법을 개발했다고 27일 밝혔다. 노광 공정이란 빛을 이용해 실리콘 웨이퍼에 전자 회로를 새기는 공정을 말한다.

이번 연구 성과는 갈수록 복잡해지는 반도체 구조와 배선구조 등을 기존 2차원 평면 노광 방식으로 건물을 한층 한층 제작하듯이 진행하던 방식에 비해 훨씬 더 낮은 비용과 공정으로 제작할 수 있는 근거를 마련했다는 평가다.

최근 리소그래피 및 패터닝 기술의 발달로 소재의 형상을 나노스케일에서 구현하는 기술이 발달함에 따라 기존 소재의 물성을 극복하는 메타 소재 및 3차원 프린팅 연구가 주목받고 있다. 특히 3차원 나노소재를 구현하기 위해 활용되는 기존 공정들은 구현하는 구조의 자유도, 생산성, 정밀도를 모두 만족하기 어려운 점이 있어 이를 개선하기 위한 다양한 시도가 진행 중이다.

연구팀은 수학적 방법론인 수반행렬 방법 기반 알고리즘을 위상 마스크의 패턴이 빛과 상호작용하는 광학현상에 적용해, 원하는 홀로그램 형상을 광감응성 소재에 효율적으로 계산해 그 형상을 얻어내는 데 성공했다. 또 위상 마스크에 반도체 공정에 적용 가능한 수직 입사 빔 방식으로 기존의 마스크로 얻어내는 것이 불가능했던 새로운 배열의 3차원 나노구조를 얻어내는 데 성공했다. 이번 연구는 이를 통해 기존의 반도체 노광공정이 갖는 자유도의 한계를 극복하고 더 나아가 보다 복잡한 나노구조를 구현할 수 있다는 것을 이론적, 실험적으로 증명한 주요 연구다.

KAIST 부설 나노종합기술원 연구원이 운용중인 반도체 핵심소재 감광제 도포장비를 조작하고 있다.[헤럴드경제DB] 역설계 연산을 활용해 목표 소재를 구현하는 패터닝 기술 모식도.[KAIST 제공]
KAIST 부설 나노종합기술원 연구원이 운용중인 반도체 핵심소재 감광제 도포장비를 조작하고 있다.[헤럴드경제DB] 역설계 연산을 활용해 목표 소재를 구현하는 패터닝 기술 모식도.[KAIST 제공]

이렇게 제작된 3차원의 나노구조는 원자층 증착법을 활용해 구조에 따라 물질의 주입 및 치환으로 다양한 소재를 원하는 구조로 제작할 가능성을 열어준다. 이번 기술이 차세대 반도체 소자인 GAA(Gate All Around) 소자나 3차원 반도체 집적기술에 적용된다면 현재 국가적으로 많은 노력을 기울이고 있는 차세대 반도체 역량 강화에 크게 이바지할 것으로 기대된다.

전석우 교수는 “소재의 물성이 소재를 구성하는 원자나 결합이 아닌 순수한 나노구조에서 기인하는 새로운 물성을 확보하는 메타 소재 연구에서 원하는 나노구조를 낮은 비용으로 대면적에 생산함으로 국내의 소재 경쟁력을 크게 강화할 원천기술이 될 것”이라고 말했다.

한국연구재단과 삼성전자의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 5월 25일 온라인판에 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com