나노 구조 내부를 1nm급 이하의 정밀도로 3차원 측정하는 ‘광학단층촬영기술’

현재의 측정 기술이 보이고 있는 한계

나노 기술의 핵심은 정해진 2차원 면적에 최대한 많은 소자를 배치하는 것이라고 할 수 있다. 제한된 공간에서 박막층을 쌓는 3차원 다층막 구조가 개발되면서, 나노 기술은 초고속화·대용량화란 한계를 넘어설 수 있었다. 그리고 이로 인해 다층막 나노 소자가 △ 반도체 △ Flexible 디스플레이 △ IoT 센서 △ 태양광 전지 등처럼 고도의 성능을 요구하는 첨단 산업 시장에서 강세를 띠게 됐다. 그런데 문제는, 첨단 나노 기술의 공정이 점차 복잡해지고 있는 데 반해, 이를 뒷받침할 수 있는 측정 기술이 절대적으로 부족하다는 사실이다. 이는 현재의 다층막 나노 구조를 측정하는 기술이 복잡한 과정과 현장 적용에 적합지 못하다는 약점을 안고 있음을 의미한다.

현재 이뤄지고 있는 대부분의 공정에서는 측정을 위한 타원계측법을 이용하거나, 모조품 형태의 시료를 모니터링하는 조치가 이뤄지고 있다. 하지만 지금의 비파괴 측정은 간접적인 정보를 종합해 나노 구조를 예측하는 방식을 따르고 있어, 그 정보가 제한적인데다가 복잡한 추가 공정을 거쳐야만 한다. 가장 직접적이고 신뢰성이 높은 방법은 주사전자현미경으로 구조의 단면을 관찰하는 것이지만, 이 방식도 단면을 절단해야 하는 파괴적 측정법이어서 현장 적용에 관한 어려움을 안고 있다.

높은 정밀도로 다층막 나노 구조를 측정

앞서 설명했듯 나노 구조 측정 기술은 계속해서 고도화되는 나노 기술을 지원하는 데 한계를 보여 왔다. 이 같은 상황 속에서 지난 10월, KRISS 첨단측정장비연구소 소속의 김영식 박사 연구팀이 △ 반도체 △ 디스플레이 △ 센서 등의 다층막 나노 구조 내부를 1nm급 이하의 고정밀도로 3차원 측정하는 광학단층촬영기술을 개발해냈다.

연구팀은 신기술에 우주용 광학 기술을 융합했는데, 이 덕분에 그동안 다층막 측정에서 큰 과제로 남아 있던 ‘직접 비파괴 측정’이 가능해졌다. 이 같은 성과는, 반도체·디스플레이 등의 분야에서 제조된 제품이 지니고 있는 나노 구조와 관련된 3차원 이미지를 얻는 데 많은 도움을 줄 것으로 보인다.

빛의 간섭에서 발생하는 차이에 착안

김영식 박사 연구팀은 광학단층촬영기술 개발 시에 겹겹이 쌓인 물질마다 빛의 간섭에 있어서 발생하는 차이를 지니고 있다는 사실에 주목했다. 더해 연구팀은 신기술에 분광분석기술과 편광 및 반사율측정 기술 등을 융합해 다층막 나노 구조를 실제와 가깝게 구현했다. 광학단층촬영기술의 장점 중 하나는 나노 구조에 손상을 주지 않고 현미경처럼 층별 두께와 표면의 형상을 직접적으로 측정한다는 것이다. 이 덕분에 이 기술을 활용하는 엔지니어 등은 정확한 정보에 기초한 3차원 이미지를 구현해, 구조를 있는 그대로 분석할 수 있게 됐다.

게다가 새로운 기술은 제조업체 등에게 추가 공정 없이도 생산 및 검사 라인을 일원화할 수 있는 토대를 제공할 수 있는데, 이는 생산성 증대와 품질 향상, 원가 절감 등의 제조 혁신에 도움이 된다. 이와 관련해 김영식 박사는 “KRISS의 핵심 우주 광학 기술을 산업에 적용시켜 개발한 광학단층촬영기술은 나노 검사 공정을 획기적으로 단축시킬 수 있다”면서 “신기술은 국내 측정 장비의 수준을 한 단계 더 발전시켜, 현재 3% 미만인 한국의 시장 점유율 향상에 기여할 수 있다”고 설명했다.

자료 제공 : KRISS