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[경제] Science 게재 일자 : 2020년 02월 17일(月)
사진 한장으로… 반도체·태양광전지 ‘초미세 결함’ 찾아낸다
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▲  그래픽 = 송재우 기자
■ 실시간 3차원 나노소자 측정기술

나노 소자가 측정장비 통과하면
대물렌즈에 특정 간섭무늬 생성
영상분광기·편광카메라로 분석
반사율·위상 정보 등 정밀 확인
두께·굴절률 파악해 불량 검출

초고속화·대용량화 한계 넘어서
공간분해능력도 10배 이상 향상


사진 한 방으로 반도체의 내부 결함을 찾아내는 실시간 3차원 나노 소자 측정기술이 나왔다. 한국표준과학연구원(KRISS) 첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원팀은 반도체나 디스플레이 패널, 태양광 전지 등 3차원 나노 소자의 내부 결함을 이미지 한 장으로 0.1초 만에 검사하는 새 측정기술을 개발하는 데 성공했다. 1초라도 늦어지면 생산량에 큰 영향을 끼치는 생산 라인의 제조공정에서 지연 없이 불량을 검출해 제품의 품질 경쟁력을 높일 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 국제학술지 옵틱스 익스프레스(Optics Express-IF: 3.561)와 옵틱스 레터스(Optics Letters-IF: 3.886)에 게재됐다.

초기의 메모리 소자 기술은 제한된 평면에 최대한 많은 소자를 배치하는 정밀화, 마이크로화에 사활을 걸었다. 그러나 2차원이 한계에 부딪히자 박막을 10층 이상 수직으로 겹겹이 쌓는 패키징 기술을 적용한 다층막 나노 소자로 새로운 돌파구를 마련했다. 3차원 나노 소자는 반도체, 플렉시블 디스플레이, 태양광 전지, 사물인터넷(IoT) 센서 등 첨단 분야에 널리 쓰이고 있다. 소자 성능이 향상될수록 공정 기술도 더 복잡해져 제품의 불량률이 높아지고 있다. 하지만 품질 검사는 아직도 완성품 중 일부를 파괴해 들여다보는 방식을 주로 사용한다. 가장 대표적인 전자현미경(SEM)의 경우 측정하려는 조각을 잘라 코팅한 후 단면을 관찰하기 때문에 1시간 정도의 시간이 소요된다. 반면 비파괴 검사는 외부 진동 같은 환경 변화에 취약해 현장에서 쓰기 어려웠다. 불량을 제때 검출하지 못하면 수조 원대의 리콜 사태가 빚어질 수 있는 만큼, 빠르고 정확한 측정이 필요하다. 품질검사는 3차원 나노 소자의 생산성 하락과 단가 상승의 요인이 되고 있다. 김영식 책임연구원팀은 겹겹이 쌓은 3차원 다층막 나노 소자의 이미지 한 장으로 두께와 굴절률을 동시에 파악할 수 있는 측정기술을 개발했다. 두께와 굴절률은 일정하게 유지해야만 소자의 수율을 확보할 수 있는 핵심 요소다. 연구팀은 영상분광기, 편광카메라, 대물렌즈를 하나의 시스템에 융·복합했다. 여러 번의 측정을 거쳐야 하던 기존의 복잡한 과정을 한 번의 측정으로 해결했으며, 공간분해능(能)도 10배 이상 향상시켰다. 나노 소자가 생산 라인에 설치된 측정장비를 통과하면 장비의 대물렌즈에 특정 간섭무늬가 생성된다. 이 무늬가 영상분광기와 편광카메라를 통해 분석되면 다양한 입사각과 파장, 그리고 편광 상태에 따른 반사율 및 위상 정보를 동시에 얻을 수 있는데 이 정보들로 소자의 각 층에 대한 최종적인 두께와 굴절률 값을 산출하게 된다. 김 연구원은 “기존 측정 방법의 공간분해능이 10㎛ 이상인 반면에 본 측정 방법은 1㎛ 이하로 정밀해졌다”며 “특히 종래 여러 번 측정하면 시간이 3초 이상 걸리지만 이런 과정을 단 한 번 0.1초 이하로 줄였기 때문에 30배 이상 측정 시간이 단축된다”고 말했다.

그동안 소자의 비파괴 검사기술은 외부 영향이 적은 연구실에서만 제한적으로 사용했으나, 이번에 개발한 새 측정기술은 생산 라인에 쉽게 장착해 빠르게 검사할 수 있게 함으로써 산업현장에도 적용할 수 있게 됐다. 무엇보다 제대로 이뤄지지 못했던 첨단소자의 두께 관리가 가능해져 품질 면에서 큰 이점을 갖게 될 것으로 보인다. 생산품질 관리를 위해서는 두께의 균일성(uniformity)이 매우 중요하다. 만약 두께가 일정하게 관리돼야 하는 부분에서 다른 두께가 도포되면 결함이나 불량이 발생하게 된다.

한국표준과학연구원 측은 “일본의 수출규제에 따른 국산 측정장비의 자립화는 물론, 첨단 소자의 수율 확보에도 기여할 수 있는 기술”이라며 “3차원 반도체, 차세대 디스플레이 등 국가 경쟁력 확보와 직결되는 최첨단 산업에 필수적인 장비가 될 것”이라고 말했다.

■ 용어설명

다층막(다층 박막, multilayer film) : 나노 소자의 집적도를 극대화하기 위해 투명하고 전도성을 띠는 박막을 적층형으로 쌓아 올린 구조. 1층의 단순 곡면구조가 아닌 다층 복합 곡면구조(complex surface) 수요가 급증하면서, 각 층의 두께 및 굴절률을 측정할 수 있는 기술이 요구된다.

편광(polarized light) : 진공에서와 같이 전기장과 자기장이 진행 방향에 수직인 빛에 대해, 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 빛. 전기장의 방향이 전파되는 방향에 대해 수직 방향으로 진행하면 수직 편광, 수평 방향으로 진행하면 수평 편광이라 한다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com
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