표준연, 다층막 나노구조 완벽 재현하는 광학단층촬영 기술 개발
국내 연구진이 반도체, 디스플레이, 센서 등에 사용되는 다층막 나노구조의 내부를 세계 최고 수준인 1 nm(나노미터)급 이하의 정밀도로 3차원 측정할 수 있는 기술을 개발하였다.
한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소 김영식 박사 연구팀은 우주용 광학기술을 융합하여 다층막 나노소자의 구조를 측정하는 단층촬영(Tomography) 기술을 개발하였다. 연구팀은 그동안 다층막 측정의 난제로 남아있던 ‘직접적인 비파괴 측정’을 실현함으로써 나노구조의 완벽한 3차원 이미지를 얻을 수 있게 되었다.
나노기술의 핵심은 정해진 2차원 면적에 최대한 많은 소자를 배치하는 것이다. 제한된 공간에서 박막 층을 겹겹이 쌓는 3차원 다층막 구조가 개발되면서 나노기술은 초고속화․대용량화의 한계를 뛰어넘게 되었다.
다층막 나노소자는 현재 반도체, 플렉시블 디스플레이, IoT 센서, 태양광 전지 등 고도의 성능이 요구되는 첨단산업분야 전반에서 수요가 급증하고 있다.
문제는 첨단 나노기술의 공정 또한 복잡해지고 있는데 이를 뒷받침할 측정기술이 절대적으로 부족하다는 것이다. 나노기술 수요에 대응하기 위해서는 생산성이 매우 중요하지만 현재 다층막 나노구조를 측정하는 기술은 과정이 복잡하거나 현장 적용이 어렵다는 문제를 안고 있다.
현재 공정에서는 측정을 위해 타원계측법을 이용하거나 모조품 형태의 시료를 모니터링하고 있다. 하지만 현재의 비파괴 측정은 간접적인 정보를 종합하여 나노구조를 예측하는 방식이라 얻을 수 있는 정보가 제한적이며 복잡한 추가 공정을 거쳐야만 한다.
가장 직접적이며 신뢰성이 높은 방법은 주사전자현미경을 이용하여 구조의 단면을 관찰하는 것이다. 하지만 단면을 절단하는 파괴적인 측정법이기 때문에 현장 적용이 어렵다.
KRISS 김영식 박사 연구팀이 개발한 광학단층촬영 기술은 겹겹이 쌓인 물질마다 빛의 간섭에 차이가 발생한다는 점을 이용하였다. 여기에 분광 분석기술, 편광 및 반사율 측정기술 등을 하나로 융합함으로써 다층막 나노구조를 실제와 가장 유사하게 구현할 수 있게 되었다.
이번에 적용된 각각의 광학기술들은 김영식 박사가 KRISS의 우주용 광학부품을 제작하는 과정에서 개발하였던 기술이다.
광학단층촬영 기술의 가장 큰 특징은 나노구조에 어떠한 손상도 주지 않음과 동시에 현미경처럼 층별 두께와 표면의 형상까지 직접적으로 측정할 수 있다는 점이다. 또한 완벽한 정보를 바탕으로 3차원 이미지를 구현할 수 있어 구조를 정확하게 분석할 수 있다.
추가 공정 없이 생산과 검사 라인을 일원화할 수 있다는 점에서 생산성 증대, 품질 향상, 원가 절감 등의 제조 혁신이 기대된다.
김영식 박사는 “KRISS의 핵심 우주광학기술을 산업에 적용시켜 탄생한 광학단층촬영 기술은 나노 검사공정을 획기적으로 단축시킬 수 있다.”며 “국내 측정장비의 수준을 한 단계 발전시켜 현재 3 % 미만으로 매우 낮은 우리나라의 시장 점유율을 향상시키는데 기여하겠다.”고 말했다.