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카이스트 연구팀 "3차원 나노구조, 이젠 한 번에 제작할 수 있다"

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[김미정 기자]
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반도체 제작 핵심축인 3차원 나노구조를 단일 노광으로 만드는 방법이 나왔다. 기존 2차원 평면에서 진행하던 방식보다 공정비용이 낮다. 다양한 소재를 원하는 구조로 만들 수 있어 차세대 반도체 소자 역량 강화뿐만 아니라 국내 소재 경쟁력까지 높일 원천기술이 될 전망이다.

노광공정이란 빛으로 실리콘 웨이퍼(얇은 조각)에 전자회로를 새기는 공정법을 말한다.

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카이스트(총장 이광형)가 전석우 신소재공학과 교수와 신종화 교수 연구팀이 차세대 반도체 공정 핵심기술인 3차원 나노구조를 단일 노광으로 제작하는 방법을 개발했다고 27일 밝혔다.

공동연구팀은 수반행렬 방법(Adjoint method) 기반 역설계 알고리즘을 활용했다. 이를 통해 적은 연산으로 원하는 형태의 나노 홀로그램을 만드는 위상 마스크 격자구조를 효율적으로 찾아내는 방법론을 제시했다. 해당 방법론으로 연구팀은 광감응성 물질에 빛을 한 번 쏘아 목표로 하는 나노 홀로그램을 만들어 물질화함으로써 원하는 3차원 나노구조를 노광 한 번으로 구현할 수 있음을 증명했다.

최근 리소그래피·패터닝 기술 발달로 소재 형상을 나노스케일에서 구현하는 기술이 발달했다. 이에 따라 기존 소재 물성을 극복하는 메타 소재·3차원 프린팅 연구가 주목받고 있다.

기존 공정법인 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanoPatterning)은 단일 노광으로 주기적인 3차원 나노구조를 정확하고 생산성 있게 구현할 수 있다. 그러나 현재까지 주기적 위상 마스크 패턴으로 구현할 수 있는 구조 자유도는 제한됐다. 이를 극복하려면 감광물질에 원하는 형태의 홀로그램을 구현하는 위상 마스크 디자인을 계산하는 과정이 필요하다.

기존에는 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)으로 역계산을 진행했다. 그러나 이는 계산방식이 비효율적인데다가 계산량까지 많아 활용이 제한된다. 최근 주목받는 머신러닝(ML)도 학습하려면 데이터셋이 최고 수천 개 이상 필요해 현실적으로 역계산 활용에는 무용지물이다.

3차원 나노소재를 구현하기 위해 활용했던 기존 공정은 구현하려는 구조의 자유도, 생산성, 정밀도가 온전치 않은 한계가 있어 이를 개선하기 위한 방법이 절실했다는 의미다.

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연구팀은 수반행렬 방법(Adjoint Method) 기반 알고리즘을 위상 마스크 패턴이 빛과 상호작용하는 광학현상에 적용했다. 이를 통해 원하는 홀로그램 형상을 광감응성 소재에 효율적으로 계산해 원하는 형상을 얻는 데 성공했다.

해당 알고리즘은 수식으로 표현된 목표 디자인을 간단한 계산 경로로 찾아내는 알고리즘이다. 행렬 연산을 활용해 많은 계산량을 효율적으로 처리할 수 있다. 기존 단순한 주기적 위상 마스크 패턴은 수직 입사하는 빛으로 특정 배열의 나노구조만 발생시켰다.

연구팀은 해당 연구에서 위상 마스크에 반도체 공정에 적용할 수 있는 수직 입사 빔 방식으로 기존 마스크로는 얻어내는 게 불가능했던 새로운 배열의 3차원 나노구조를 얻는 데 성공했다.

기존 반도체 노광공정이 갖는 자유도 한계를 극복하고 보다 복잡한 나노구조를 구현할 수 있다는 것을 이론적, 실험적으로 증명한 셈이다.

전석우 카이스트 신소재공학과 교수는 "홀로그램으로 3차원 공정이 가능해 마스크 모양을 기존보다 자유롭게 생성할 수 있어 의미있다"고 와의 통화에서 설명했다. 신종화 교수도 "나노스케일에서 다양한 기능을 가진 3차원 나노구조 소자를 만드는 연구도 진행 중이다"고 전했다.

이번에 제시된 3차원 나노구조는 원자층 증착법을 활용해 구조에 따라 물질 주입·치환으로 다양한 소재를 원하는 구조로 제작할 수 있다. 이번 기술이 반도체 소자인 'GAA(Gate All Around)' 소자나 3차원 반도체 집적기술에 적용된다면 차세대 반도체 역량 강화에 크게 이바지할 전망이다.

또 소재 물성이 순수한 나노구조에서 기인하는 새로운 물성을 확보하는 메타 소재 연구에서 원하는 나노구조를 낮은 비용으로 대면적에 생산할 수 있어 국내 소재 경쟁력을 크게 강화할 원천기술이 될 것이다.

이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 이달 25일 게재됐다. 논문명은 'Photolithographic Realization of Target Nanostructures in 3D Space by Inverse Design of Phase Modulation' 다. 신종화 카이스트 저자가 교신 저자로, 남상현 박사, 김명준·김나영 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업(NRF-2020M3D1A1110522)과 삼성전자(G01190420) 지원으로 수행됐다.

AI타임스 김미정 기자 kimj7521@aitimes.com

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