반도체 호황기 이어갈 제조공정 기술
공정 단순화와 자유도 향상으로 효율성 극대화
국내 반도체 업계가 올해 3/4분기에 사상 최대 실적을 기록했다. 삼성전자는 이 기간에 반도체사업에서만 매출 65조4천 600억 원, 영업이익 17조5천700억 원을 달성했고, SK하이닉스는 매출 11조 4천168억 원, 영업이익 6조4천724억 원을 달성하는 등 그야말로 반도체 호황을 맞고 있다. 하지만 삼성전자 관계자는 지난 10월 31일 실적발표 자리에서 “4분기에는 반도체 시황 둔화로 실적이 하락할 것”으로 조심스럽게 예측했다. 반도체 호황이 언제까지 지속될지 모르는 상황에서 반도체 제조 공정의 효율화에 박차를 가해야 할 것으로 보인다. 이런 가운데 국내 연구진들이 반도체 제조 공정을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
정리 김경한 기자 | 자료 한국연구재단, 금오공과대학교, DGIST
이번 반도체 제조 공정의 효율화는 기존의 틀을 깨는 아이디어들이 주를 이뤘으며, 이를 통해 공정은 훨씬 단순화되고 비용이 절감될 것으로 기대되고 있다.
금오공과대학교 기계시스템공학과 강봉철 교수팀은 ‘나노 캐니언’이라는 독특한 나노조형 기술을 선보였다. 이 기술을 이용하면 실리콘 반도체 설비 구축에 필요한 복잡한 화학 공정을 생략할 수 있을 것으로 여겨진다.
한편, 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학전공 윤동원 교수팀은 폴리머 기판에 미세 회로패턴을 자유롭게 각인할 수 있는 공정기술을 개발했다. 이 기술은 기존 공정이 패턴 변경 시 고가의 스탬프 전체를 변경해야 했던 단점을 극복할 수 있는 것이다.
‘나노 캐니언’으로 광범위 파장 광센서 개발
단일 공정으로 친환경·저비용 반도체 제조 가능
금오공과대학교 기계시스템공학과 강봉철 교수 연구팀은 복잡한 다단계 공정 없이 대기 환경에서 단일 공정으로 고성능 반도체를 제조할 수 있는 친환경 및 저비용 실리콘 기반의 반도체 제조공정을 개발했다. 이는 미국 그랜드 캐니언(Greand Canyon)을 1조 배 이상 축소한 형상의 나노조형 기술을 이용함으로써 가능하게 됐다.
실리콘은 반도체 물질로서 각종 센서, 메모리, 태양전지, 배터리 등과 같은 수많은 디지털 기기의 작동을 위한 필수 핵심전자 소재다. 하지만 실리콘을 반도체로 사용하기 위해서는 정제, 도핑, 진공증착, 에칭, 표면 처리와 같은 까다롭고 복잡한 화학 공정을 거쳐야 한다. 이 때문에 설비 구축에 많은 비용이 들고 에너지 소모가 클 뿐만 아니라, 유독 화학물질을 사용하기 때문에 환경오염과 불산 누출과 같은 인명사고를 유발하기도 한다.
강봉철 교수팀은 화학적 부식 과정과 복잡한 다단계의 진공·미세화 공정 없이 실리콘 막을 제조하기 위해 실리콘 나노결정 용액에 레이저를 쬐어 대기환경에서 단일 공정으로 광 반응성이 우수한 광전자 소자용 블랙 실리콘 반도체를 제조하는 데 성공했다.
레이저를 쬐면 실리콘 나노 결정이 용융돼 자기 군집화가 일어나고 이러한 과정이 동시다발적으로 발생하면 서로 다른 크기의 마이크로와 나노 구조가 혼재한 실리콘 반도체 막이 형성된다.
이 실리콘 막은 100nm(나노미터) 이하의 나노 돌기로 덮여 있는 1~10μm(마이크로미터) 크기의 마이크로 실리콘 막이 나노 협곡을 경계로 무질서하게 분포된 구조를 갖는다. 이는 미국의 그랜드 캐니언을 1조 배 이상 축소한 형상과 유사해, 연구팀은 이 독특한 나노 협곡 구조를 ‘나노 캐니언(Nono Canyon)’이라 명명하고 학계에 최초로 보고했다[그림 1].
 [그림 1] 실리콘 나노 캐니언 형성 원리
나노 캐니언 구조는 빛 산란을 일으키는 경로를 다양화하기 때문에 자외선부터 적외선에 이르기까지 광범위한 파장의 빛에 대해 높은 흡수율을 나타낸다. 연구팀은 이러한 광학적 특성을 활용해 광감도가 우수한 고감도 광센서를 제작하는 데에도 성공했다.
이로써 기존 다단계의 복잡한 화학·진공·미세화 공정 없이 대기상태에서 단일 공정만으로 친환경적으로 실리콘 반도체를 제작할 수 있는 길이 열렸다.
강봉철 교수는 “기존 화학적 부식을 통한 하향식 반도체 제조방식에서 나노 크기 실리콘 결정의 응집을 통해 제조하는 상향식으로 반도체 공정의 패러다임을 바꿨다”라며, “향후 이미지 센서, LED, 디스플레이, 태양전지, 배터리 등 다양한 전자산업계 생산 현장을 안전한 공정으로 탈바꿈하는 데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 교육부 및 한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 미국화학회가 발행하는 재료 분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces) 10월 24자 논문으로 게재됐다.
폴리머 기판에 회로패턴 자유롭게 각인
패턴 변경 시의 추가비용·시간 절감 기대
DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수 연구팀은 전자제품의 필수부품인 폴리머 기판에 미세 회로패턴을 자유자재로 각인할 수 있는 ‘핫엠보싱’ 공정기술을 개발했다. 이 기술은 캐나다 사이먼프레이저대(Simon Fraser University) 김우수 교수팀 및 ㈜프로템과 공동으로 연구한 결과 나온 것이다.
기존의 핫엠보싱 공정 장비는 평판이나 롤 표면에 미세 패터닝을 위한 각인 형상을 만들고, 이를 스탬프로 이용하기 위해 유연필름 상에 롤이나 평판으로 가압·가열해 미세 회로패턴의 형상을 만들었다. 따라서 미세 패턴의 형상과 크기를 바꾸기 위해선 고가의 스탬프나 롤러를 바꿔야 해 비용과 시간이 많이 소요됐다.
윤동원 교수팀은 기존 공정의 단점을 극복한 새로운 공정방식 개발에 성공했다. 먼저 전자기장 이론을 적용해 합엠보싱 공정에 필요한 수십 메가파스칼(MPa)의 압력을 필름에 가할 수 있는 전자기 구동기를 개발했다. 그후 핫플레이트 등 가열기구를 이용해 가열된 필름 위에 원하는 구동기를 고정시켜 패턴을 각인할 수 있는 정밀 위치 제어 시스템을 성공적으로 개발해 새로운 공정기술을 완성했다[그림 2].
 [그림 2] 제안된 임팩트 방식 핫엠보싱 공정기술의 모식도
이 기술을 활용하면 수십~수백 μm(마이크로미터) 크기의 미세 회로패턴을 원하는 위치에 만들고자 하는 형상으로 각인할 수 있게 돼 패턴 변경으로 발생하는 추가비용과 시간을 절감할 수 있게 된다. 또한 기존의 공정 장비와 함께 사용할 수 있을 만큼 장비 호환성도 높아 향후 관련 공정 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다[그림 3].
 [그림 3] 임팩트 방식 핫엠보싱 공정기술을 통한 회로패턴 형성실험 수행
DGIST 윤동원 교수팀은 새로 개발된 핫엠보싱 공정기술을 이용해 다양한 조건에서 나노·마이크로 회로패턴을 형성하는 실험을 수행했다. 이에 따라 수십~수백 마이크로미터(μm) 크기의 회로패턴을 각인하는데 성공했다.
연구팀은 앞으로 이 기술이 유연전자 소자, 센서 등의 제작에 활용될 예정이라고 밝혔다. 이를 위해 현재 참여기업과 함께 개발 기술을 적용한 핫엠보싱 미세패턴 생산공정 장비의 실용화를 위한 연구를 꾸준히 진행 중이다.
윤동원 교수는 “이번에 개발한 공정기술은 추가 교체 없이 원하는 미세 회로패턴을 유연한 폴리머 전자 기판에 자유롭게 각인할 수 있어 기존 공정보다 경제적이고 효율적인 패턴 각인 작업이 가능하다”라며 “앞으로 해당 공정기술을 반도체, 유연전자 소자 등 전자 및 디스플레이 산업 등 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속연구를 계속 진행할 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 산업통상자원부 국제공동과제 지원으로 수행됐으며, 재료 및 공학 분야 국제학술지 어드밴스드 엔지니어링 머티리얼즈(Advanced Engineering Materials) 9월 24일자 내부 표지논문으로 게재됐다.
<Energy News>
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