나노급 소자 구조 영상화하는 광유도력 현미경 개발

표준연 이은성 책임연구원팀, 반도체 공극 비파괴적인 검사 가능

▲ 광유도력 현미경 ⓒ한국표준과학연구원

한국표준과학연구원 나노구조측정센터 이은성 책임연구원팀이 광학적인 방법으로 나노미터급 반도체나 전자소자 구조를 광학적인 방법으로 영상화하는 광유도력 현미경을 개발했다.

이 기술을 이용하면 소자를 절단하지 않는 비파괴적인 검사가 가능해, 반도체 내부에 발생하는 공극(void)과 같은 결함 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다.

물질을 나노미터 수준으로 관찰하는 가장 대표적인 장비는 원자힘 현미경이다.

마치 시각장애인이 대상을 손으로 더듬으며 정보를 파악하듯 원자힘 현미경은 탐침으로 물질을 눌러 훑으면서 원자의 힘을 이용해 3차원 영상을 얻는다.

하지만 원자힘 현미경은 표면의 형상은 알 수 있지만 내부 깊은 곳의 결함을 파악하는 것은 불가능하다.

물질의 내부 구조를 비파괴적으로 보기 위해선 반드시 광학적 방법을 사용해야만 하는데, 기존에는 시료에 의해 산란된 빛을 측정하는 방식을 이용했다.

이를 위해선 광검출장치를 별도로 설치하고, 빛의 파장에 맞춰 장치를 수정하면서 다양한 필터까지 설치해야만 했다.

이와 같은 번거로운 방법을 통해서도 측정 가능한 시료의 깊이는 20 나노미터 수준에 불과했다.

이은성 책임연구원팀이 개발한 광유도력 현미경은 빛이 아닌 원자힘 현미경처럼 힘을 측정하는 간단한 방법을 사용하면서도 물질의 150 나노미터 깊은 곳 광학적 특성까지 파악하여 구조를 영상화할 수 있다.

연구팀은 제거 대상인 오염물질이 오히려 현미경의 해상도를 올린다는 사실도 최초로 보고했다.

연구팀은 이 실리콘오일의 광열역학적 반응을 역으로 이용해 탐침이 받는 힘의 미세한 신호변화를 증폭시키는 데 성공했다.

▲ 광유도력 현미경(PiFM)의 측정 원리 모식도 ⓒ한국표준과학연구원

이은성 책임연구원은 “비파괴적으로 나노구조의 내부를 들여다볼 수 있는 이번 기술은 초음파 진단으로 우리 몸 속 영상을 보는 것에 비유할 수 있다”며 “기존 기술에 비해 훨씬 간단하면서도 측정감도와 공간분해능이 높다”고 밝혔다.

장정훈 박사후연구원은 “지금까지는 반도체 내부 결함의 경우 제품 테스트 단계까지 간 다음 뜯어서 보는 수밖에 없었다”며 “이번 기술을 통해 내부 결함이 있는 제품을 사전에 검출하면 공정 불량률을 감소시키고 생산성 향상을 가져올 수 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science and Applications - IF: 13.625)’에 게재됐다.