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표준연, 백년의 난제 ‘플라스마 히스테리시스’ 현상 규명

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2018년 04월 12일 11:55 프린트하기

‘넌 예전에 뭐했어? 어떻게 지냈어?’ 누구나 각기 다른 발자취를 걷는다. 이를 ‘과거’라 한다. 과학계에서도 많은 비밀을 담고 있는 주변 환경 속 과거에 관심이 많다. 옛 지층을 연구해 인류의 발자취를 찾고, 먼 과거에서 날아온 빛을 통해 당시 우주의 상태를 분석한다.

 

우리를 둘러싼 작은 세계를 연구하는 물리학계에선 이 같은 과거를 특별히 히스테리시스(이력) 현상이라 부른다. 어떤 물질이 거쳐온 과거가 현재 상태에 영향을 준다는 뜻이다.

 

최근 국내 연구팀이 히스테리시스로 인해 제어할 수 없었던 플라스마 문제를 해결했다. 지난 100년 이상 풀지 못한 첨단 과학의 난제였다.

 

이효창 한국표준과학연구원(KRISS) 반도체측정장비팀 선임연구원팀은 플라스마 히스테리시스 현상을 규명하고 이를 실험적으로 제어하는데 성공했다고 12일 발표했다.

 

 

KRISS 이효창 선임연구원이 플라즈마 측정을 하고 있다(왼쪽), 플라스마를이용해 반도체기판에 원하는 소자를 얹고있는 상상도-한국표준과학연구원 제공
KRISS 이효창 선임연구원이 플라즈마 측정을 하고 있다(왼쪽), 플라스마를이용해 반도체기판에 원하는 소자를 얹고있는 상상도-한국표준과학연구원 제공

 

플라스마는 이온화된 기체 상태를 말하며, 일반적인 고체와 액체, 기체 이외의 제4의 물질 상태로 불린다. 전기적으로 준중성이며, 집단적으로 행동하는 특징을 가졌다. 반도체와 디스플레이 뿐 아니라 핵융합 구성장치, 우주선 추진체, 의료진단기기 등 다양한 기기에 들어가는 소자 생산 공정에 널리 쓰인다.

 

차세대 반도체 소자의 세정이나 증착에 필요한 플라스마 공정장비는 수 nm(나노미터, 10억분의 1m) 수준의 공정이 가능하도록 안정된 플라스마 상태를 유지해야한다. 그런데 플라스마 히스테리시스 현상으로 그 상태가 무작위로 변해 소자 생산 공정의 안정성이 낮았으며, 이로 인해 소자 성능도 떨어지는 문제가 있었다.

 

1900년대 후반부터 연구가 진행됐지만 이를 제어하는 방법을 찾지 못했고, 공정에 적합한 플라즈마 상태가 나올때 까지 시행착오를 반복하는게 최선이었다. 연구팀은 플라스마 히스테리시스의 원인이 전자에너지 분포의 차이라는 것을 규명, 비활성 기체를 주입하거나 생산장비 외부 조건을 변경하는 등 제어법을 개발해 실험으로 입증했다.

 

이효창 선임연구원은 “플라스마 상태를 효과적으로 제어하는 장비를 개발할 수 있을 것”며 “소자 기술뿐 아니라 장비 생신 기술도 한국이 주도적으로 이끌어가길 기대한다”고 말했다.

 

이 연구 결과는 지난 3월 학술지 ‘응용 물리 리뷰’에 게재됐다.

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