반도체 수율 전쟁 '게임체인저' 나왔다

김정원 카이스트 교수 연구팀
내부 동역학 실시간 촬영 '초고속 카메라' 개발

우리나라 삼성전자와 대만 TSMC가 사활을 걸고 3나노 반도체의 수율 확보 경쟁을 벌이고 있는 가운데, 우리나라 과학자들이 반도체 수율을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 반도체 소자 내부를 초고속·고해상도로 실시간 촬영해 문제점을 수정할 수 있게 된다. 한국-대만 간 반도체 전쟁의 승패를 가를 '게임체인저'가 될지 주목된다.

한국연구재단은 김정원 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 교수 연구팀이 반도체 소자 내의 미세 구조와 동적 특성을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

반도체 이미지. 자료사진. 기사와 관련이 없음.

최근 복잡도와 기능성이 높아진 마이크로·나노 소자 개발이 증가함에 따라 소자 내의 미세 구조와 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 기술 개발의 필요성이 높아지고 있다. 반도체 산업은 다양한 3차원 집적회로와 소자가 발전하면서 더 큰 웨이퍼 영역에 대해 더 높은 분해능 및 빠른 측정 속도를 가지는 미세구조 계측 기술이 요구되고 있다. 동적 특성 측정은 소자 내에서의 다양한 물리현상을 이해해 응용 기술을 개발하는 기반이 되는 만큼 더 높은 해상도, 더 빠른 측정 속도와 더 큰 측정범위가 요구된다. 기존의 측정 기술들은 이 같은 복합적인 성능을 구현하는 데 한계가 있다.

연구팀은 복잡한 3차원 형상을 고속으로 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술을 개발해 복잡하고 불규칙적인 고속의 동역학 현상을 성공적으로 관측했다. 100펨토초(10조분의 1초)의 펄스폭을 가지는 빛 펄스를 1000개 이상의 색으로 쪼갠 후, 각기 다른 색을 가진 펄스들을 이용해 서로 다른 공간적 위치에서의 높낮이를 정밀하게 측정한 것이다. 이 기술은 초당 2.6억 개 픽셀의 높낮이 차이를 330피코미터(30억분의 1ｍ) 수준까지 측정할 수 있을 정도로 빠르고 정밀하다. 고속 형상 이미징 속도와 높은 공간 분해능을 갖춘 초고속 카메라 기술이 점점 고도화·집적화되는 반도체 공정 및 3D 프린팅 과정을 실시간으로 모니터링하며 공정을 제어할 수 있어 공정 수율 향상에 크게 기여할 것으로 기대되는 기술이다.

연구팀은 1차원 선 모양의 빛을 스캔해 움직이는 방식으로 2차원 표면의 높낮이를 측정했지만 앞으로 2차원 표면의 높낮이를 스캔 없이 한 번에 측정하는 방식으로 발전시킬 계획이다.

김 교수는 “새로운 초고속 카메라 기술은 다양한 진폭이 존재하면서 동시에 매우 빠른 순간 속도를 갖는 미세 구조의 움직임을 포착할 수 있다"면서 "기존에 관찰하지 못했던 복잡한 물리 현상을 탐구하는 차세대 계측 기술로 발전할 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 지난 15일 광학 분야 국제학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 실렸다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr