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반도체 나노소자 제조공정의 획기적인 변화다양한 연구업적 축적한 세계적 석학과 함께 획기적인 성과 이룩
  • 공동취재단
  • 승인 2009.12.08 16:39
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▲ 경희대 나노 광물성 연구실의 석·박사급 연구원들은 반도체 나노 구조에 있어서의 계면 분석방법과 실시간 모니터링 방법 등에 대한 전문지식을 습득하고, 해외파견 및 연수 등과 같은 견문을 넓힐 수 있는 기회를 통해 우수 전문 인력으로의 박차를 가하고 있다.
2008년 도입된 세계 수준의 연구중심대학(WCU) 육성사업에 선정된 경희대학교 물리학과 나노 광물성 연구실(김영동 책임교수)은 분광타원편광분석기(Spectroscopic Ellipsometry, SE)를 이용한 반도체, 유전체 등의 물리적 특성 연구를 국가지정연구실(NRL)인 나노 광물성 연구실을 통해 수행해왔다.
특히 이 타원편광분석법분야에서 세계최고의 학자로 인정받는 David E. Aspnes 교수를 초빙하여, 현재의 물리적 접촉을 이용한 반도체 공정의 검사분야에서 빛을 이용함으로써 보다 빠르게 비파괴적인검사를 하는 획기적인 방법을 제시함에 따라 ‘나노 구조체의 비파괴 분석법 개발’ 이란 과제로 WCU 사업에 선정되었다.
그동안 산업기술의 핵심을 이루어 왔던 반도체물질의 전기특성분야를 넘어서서 이제 반도체의 광특성을 이용하는 분야는 통신과 디스플레이로 대표되는 미래의 첨단산업에 있어서 선도적 역할을 해 나갈 핵심분야이다. 그러므로 이러한 광특성을 표현하는 가장 근본 물질 상수인 유전율 함수에 대한 연구는 필수적이다. 경희대학교 물리학과 나노 광물성 연구실에서는 유전함수를 측정하는 분광타원편광분석기를 이용하여 성장된 광결정 재료 및 박막의 기본 광학물성을 조사, 해석하여 선형 및 비선형 광학 실험의 데이터 해석에 필수적인 각종 유전함수를 정확히 측정, 제공하고 있다. 특히 이 연구실에서는 각종 반도체 박막을 연구하여 다양한II-VI 물질 및 III-V족 물질 중에 많은 주요 화합물 반도체의순수한 유전율 함수와 밴드갭 등의 광학상수, 밴드구조 등을 발표하고 있다. 이러한 유전율 함수의 데이터베이스는 밴드계산 등 기초물리학 계산 및 반도체 공정에서의 계면에서의 인터페이스 효과분석과 실시간 모니터링 등 다양한 분야에 이용될 것이다.

세계적 석학이 이끄는 나노 광물성 연구실
WCU 사업단에 초빙된 David E. Aspnes 교수는 미국 노스케롤라이나 주립대학의 특훈교수(distinguished professor)이며, 미국 과학 한림원(National Academy of Science) 회원으로 세계수준의 연구업적을 다량 보유하고 있는 세계적 석학이다. 특히 Aspnes 교수는 분광타원편광분석기를 70년대 중반에 개발했는데, 종전의 단파장 편광분석법으로는 불가능했던 전자밴드구조를 연구할 수 있게 되어 반도체 물성분석 연구 분야에 획기적인 발전을 가져왔다. 이를 이용해 다양한 반도체 물질인 Si, Ge, 및 II-VI, III-V 화합물 반도체 물질들에 대한 물성분석 연구를 세계최초로 실시하여 80년대까지 대부분의 반도체 물질의 유전율함수 데이터베이스를 확립하였다.
   
▲ Aspnes 교수는 분광타원편광분석기를 70년대 중반에 개발, 종전의 단파장 편광분석법으로 불가능했던 전자밴드구조를 연구할 수 있게 되어 반도체 물성분석 연구 분야에 획기적인 발전을 가져왔다.
이 데이터들은 현재까지도 밴드계산, 물성분석, 소자개발 등에 참고자료로 널리 사용되고 있다. 또한 표면 분석장비인 RDS(Reflectance Difference Spectroscopy) 등도 개발하여 빛을 이용한 비파괴적인 분석법의 대가로 인정받고 있다.
Aspnes 교수는 물질과 빛의 상호작용에 관한 깊은 전자기학적 지식을 바탕으로 1차원적인 비파괴적 실시간 모니터링 제어 연구를 이미 90년대에 세계 최초로 수행하여 발표한 바 있다. 이론과 실험을 겸비한 Aspnes 교수는 EMA(Effective Medium Approximation) 법을 개발, 향상시켜 다양한 계면특성을 지닌 반도체 박막들의 분석에 크게 기여하였다.

빛을 이용한 비파괴 분석방법, 유일한 차세대 대안
현재 산업계에서는 대용량 정보저장용 매체, 디스플레이 및 광통신소자 등 초고속화, 고집적화, 저전력화를 요구하고 있어 반도체 산업의 나노구조들은 이제 lithography가 30nm 선폭을 요구하는 시기에 이르렀다. 그리하여 제품의 개발시기부터 공정의 제어 및 불량품의 판정에 이르기까지 직접적이나 파괴적인 방법은 한계에 다다랐고, 빛을 이용하는 비파괴 분석방법이 지속가능한 차세대로의 발전에 유일한 대안으로 부상하고 있다.
미세구조의 변화에 따른 민감성을 이용하여 전통적으로 타원편광분석법은 다층 및 나노구조의 박막 두께를 1/10나노미터의 두께까지 측정해왔다. 이 실험실에서는 이제 나노두께만이 아니라, 나노구조체의 3차원 구조를 형상화하는 단계로의 도약을 위한 연구를 하고 있다. 즉 나노 구조체의 제조공정에서 비파괴적인 방법으로 그 기하학적인 형상을 실시간으로 분석하고 제조공정을 컨트롤하는 것에 대한 연구를 수행하고 있다.
   
▲ 경희대 나노 광물성 연구실은 양자 광기능 물성 연구센터의 협력연구실이며, 최근 국가지정연구실(NRL)로 지정되어 보다 수준 높은 환경에서의 연구기회를 얻을 수 있게 되었다.
현재 경희대 연구실은 미국 일리노이대학 및 대만의 Academia Sinica 팀과의 공동연구로, 다양하게 난반사되는 모든 빛의 경로를 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 및 Green function approach를 이용함으로써 계산하였고, rotating compensator를 보강한 타원편광분석기를 사용하여, 일종의 산란 빛에 대한 측정인 scatterometry를 실험 가능하게 하는 방법을 보여주었다. 이를 이용하여 반도체 소자구조에서 shallow trench isolation 구조 등 3차원 나노구조체를 비파괴적 방법으로 분석해 낼 수 있다.
이는 반도체 공정과 디스플레이 공정 모니터링에 직접적인 도움을 줄 수 있으며, 특히 새로운 공정단계를 추가하여 각 단계 마다의 시료의 변화를 추적해나가야 하는 신기술 개발 연구에 필수 불가결한 요소로 적용될 것으로 기대된다.
현재의 반도체 소자는 더욱 나노화되고 고집적화 되고 있다. 따라서 소자의 성장을 실시간으로 제어하는 기술이 또한 절실히 필요하다. 타원편광분석법은 소자의 성장을 방해하지 않고, 비파괴적인 측정이 가능한 유용한 기술이다. 이 연구실은 올해 분석계산속도의 대폭적인 개선을 이루었으며 그 기술은 한국 및 미국에 특허 등록되었다. 이 기술을 바탕으로 나노 수준의 성장을 빛으로 감지하여 실시간 성장제어를 가능하게 함으로써, 반도체 공정에 획기적인 발전을 가져올 것이다. 또한 반도체 소자뿐만 아니라 DNA chip 등 바이오 공정과 각종 산업공정에 필수적인 모니터링 기술로 사용될 것으로 전망하고 있다.

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