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 2] 제안된 임팩트 방식 핫엠보싱 공정기술의 모식도

[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.