"깨뜨리지 않고 안다" 차세대 반도체 비파괴 분석법 개발

GIST, 이차원 반도체 단결정 즉시 판별…웨이퍼 공정 적용 기대

[광주=뉴시스] 광주과학기술원(GIST) 화학과 임현섭 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재가 제대로 합성됐는지 여부를 시료를 전혀 손상시키지 않고도 정확히 판별할 수 있는 비파괴 분석 기술을 개발했다. (그패픽=GIST 제공) photo@newsis.com

[광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 화학과 임현섭 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재가 제대로 합성됐는지 유무를 시료 손상 없이 정확히 판별할 수 있는 비파괴 분석 기술을 개발했다고 밝혔다.

현재 반도체 산업의 주력인 실리콘은 미세화가 진행될수록 성능과 전력 효율 유지에 한계가 있어서 이를 대체할 차세대 소재로 원자 한 층 두께의 '이차원 반도체'가 주목받고 있다.

이 중 이황화몰리브덴(MoS₂)은 대표적인 후보 물질이다.

그러나 이차원 반도체를 실제 칩에 적용하려면 원자들이 한 방향으로 완벽하게 정렬된 '단결정' 상태를 유지해야 한다.

겉보기에는 완벽해 보여도 실제로는 방향이 180도 뒤집힌 결정(domain)이 섞여 있는 경우가 많아 소자 성능이 크게 떨어진다.

문제는 단결정 여부를 확인하는 기존 분석법 대부분이 시료를 잘라내거나 손상시키는 방식이어서 반도체 웨이퍼 공정에 적용하기 어렵다는 점이었다.

임현섭 교수 연구팀은 이러한 한계 해결을 위해 저에너지 전자회절(LEED) 기법을 활용했다.

전자빔 에너지를 변화시키며 나타나는 회절 신호의 강도 변화를 정밀 분석한 결과 시료를 전혀 훼손하지 않고도 '진짜 단결정'과 방향이 뒤섞인 결정을 명확히 구분하는 데 성공했다.

이번 기술은 단순히 이미지를 보는 수준을 넘어 결정 정렬 정도를 정량적으로 판단할 수 있는 새로운 해석 기준을 제시한 것이 특징이다.

[광주=뉴시스] (왼쪽부터) GIST 화학과 김도훈, 안채현, 임현섭 교수, 전준병, 주혜리, (의자에 앉은) 오주희. (사진=GIST 제공) photo@newsis.com

연구진은 이 기술이 마치 엑스레이처럼 웨이퍼 전체의 결정 품질을 한눈에 확인할 수 있어서 이차원 반도체의 대량 생산 과정에서 수율을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또 이 방법은 MoS₂뿐 아니라 다양한 이차원 반도체와 초박막 적층 구조에도 적용이 가능해 차세대 반도체 공정 전반의 품질 관리 표준 기술로 확장될 가능성이 크다.

임현섭 교수는 "실리콘을 넘어설 차세대 반도체 소재가 실제 산업 현장에 적용되기 위해선 대면적 합성 기술과 이를 검증할 수 있는 확실한 평가 기술이 반드시 함께 갖춰져야 한다"며 "이번에 개발한 비파괴 분석법은 실험실 수준에 머물던 이차원 반도체 연구를 산업 현장의 웨이퍼 공정으로 연결하는 중요한 가교역할을 할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 2026년 1월8일 온라인으로 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 lcw@newsis.com

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