나무 깎던 사포, 이제 반도체 공정의 비밀병기로 변신

김산하 KAIST 기계공학과 교수
나노 사포로 반도체 표면 고르게
기존 공정보다 결함 67% 줄어

김산하 KAIST 기계공학과 교수가 개발한 반도체 연마용 나노 사포. [자료=KAIST]

고대역폭메모리(HBM) 등 차세대 반도체의 성능과 안정성을 높이는 비결은 다름 아닌 사포였다. 나무나 플라스틱을 깎는 데만 쓰던 사포의 원리를 활용해 반도체를 원자 수준으로 가공할 수 있는 기술이 나왔다.

김산하 KAIST 기계공학과 교수는 머리카락보다 수만 배 가는 탄소나노튜브를 활용한 ‘나노 사포’를 개발했다고 11일 밝혔다. 반도체 표면을 더 정밀하게 가공하면서 결함은 줄이고, 그 과정에서 나오는 환경 부담은 줄이는 기술이다.

반도체는 표면이 얼마나 고른지가 성능을 좌우한다. 반도체 소자의 표면으로 전자가 움직이는데 표면에 결함이 있으면 전자 움직임에 방해가 되어 전체 성능이 크게 떨어진다. 또한 반도체는 절연막, 금속막 등 수백 겹의 박막을 쌓아 만든다. 표면이 조금이라도 고르지 않은 상태에서 박막을 쌓으면 나중에는 구조 전체가 뒤틀리게 된다.

특히 나노미터(nm) 수준의 첨단 공정이 도입되면서 표면 가공은 더욱 중요해졌다. 반도체 회로가 미세해질수록 작은 결함이 가져올 영향이 크기 때문이다.

지금까지는 반도체 표면을 연마하기 위해 연마 입자가 들어있는 화학 용액을 사용했다. 하지만 용액을 뿌린 뒤에 다시 세정하고 건조시켜야 하는 추가 공정이 필요하고, 환경 부담이 컸다.

연구진은 우리가 알던 사포를 훨씬 정교하게 만들어 문제를 해결했다. 탄소나노튜브를 수직으로 정렬해 폴리우레탄 내부에 고정한 후, 표면에 일부만 노출시켜 나노 사포를 만들었다. 가느다란 탄소나노튜브가 사포에 발라져있는 연마 입자의 역할을 해 반도체 표면을 가공한다.

이는 상용 사포 가운데 가장 미세한 제품보다도 약 50만 배 높은 수준이다. 보통 사포에는 연마 알갱이가 단위면적당 최대 3000개 정도 있는데, 이번에 개발된 나노 세포에는 단위면적당 10억 개 이상이 있다. 덕분에 반도체 표면을 원자 수준으로 정밀하게 가공한다.

반도체 평탄화 실험 결과, 기존 공정과 비교했을 때 나노 사포는 디싱 결함을 최대 67%까지 줄였다. 디싱 결함은 반도체 배선 중앙이 움푹 파이는 현상으로, 첨단 반도체의 주요 결함 중 하나다. 기존 공정보다 훨씬 간단한 방법으로 더 좋은 효과를 누릴 수 있게 됐다.

이번 연구는 사포라는 일상 아이디어에서 첨단 공정의 가능성을 열었다는 평가를 받는다. HBM 같은 첨단 반도체 평탄화 공정 등에 적용될 경우, 반도체 제조의 원천 기술을 한국이 갖게 되는 장점도 있다.

김 교수는 “일상에서 흔히 사용하는 사포를 나노 수준으로 확장해 초미세 반도체 제조에 적용할 수 있음을 보여준 독창적 연구”라며 “반도체 성능 향상뿐 아니라 친환경 제조 공정으로 이어지길 기대한다”고 했다.

강석경 KAIST 기계공학과 박사, 김산하 기계공학과 교수. [사진=KAIST]