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나노소자 내부 구조 보는 고감도 현미경 개발

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2018년 12월 06일 08:32 프린트하기

이은성 한국표준과학연구원 책임연구원(위)과 장성훈 연구원팀이 광유도력 현미경으로 시료의 내부 구조를 측정하고 있다. - 사진 제공 한국 표준과학연구원
이은성 한국표준과학연구원 책임연구원(위)과 장성훈 연구원팀이 광유도력 현미경으로 시료의 내부 구조를 측정하고 있다. - 사진 제공 한국 표준과학연구원

나노미터 크기의 소자 내부 깊은 곳까지 측정할 수 있는 고감도 현미경 기술이 개발됐다. 반도체의 불량 요인으로 꼽히는 내부 공극 등의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.


장정훈 한국표준과학연구원 나노구조측정센터 연구원과 이은성 책임연구원팀은 나노미터급 반도체나 전자소자의 구조를 손상 없이 광학적인 방법으로 영상화하는 ‘광유도력 현미경’을 개발했다.


현재 물질을 나노미터 수준으로 관찰하는 대표적인 장비는 원자힘현미경이다. 이는 곤충이 더듬이를 짚으며 앞의 공간 정보를 파악하듯, 긴 바늘로 물질을 누르듯 훑으면서 3차원 영상을 얻는다. 하지만 원자힘현미경은 물질 표면 정보만 알 수 있어 반도체 내부 결함 등을 파악하지 못한다는 단점이 있었다. 반도체 내부의 기포인 공극은 반도체 생산 수율을 결정짓는 중요한 품질 문제인데, 이를 파악할 수 없었다. 빛의 산란 현상을 측정해 내부 구조를 측정하는 기술이 비파괴 측정기술도 있었지만, 별도의 기기를 설치해야 해 번거롭고 성능도 낮았다.


이 책임연구원팀은 빛 대신 탐침을 이용하되, 이를 통해 내부의 결함까지 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 탐침과 시료 사이에 레이저를 쏘면 ‘근접장’이라고 하는 강한 빛이 형성되는데, 이 빛에 의해 미세한 힘이 탐침에 발생한다. 만약 시료 내부에 공극 등 구조가 있으면 근접장이 영향을 받아 탐침에 가해지는 힘의 크기가 변한다. 

 

광유도력 현미경(PiFM)의 측정 원리 모식도. -사진 제공 한국표준과학연구원
광유도력 현미경(PiFM)의 측정 원리 모식도. -사진 제공 한국표준과학연구원

이 책임연구원팀은 이 힘의 크기를 측정해, 빛을 이용하는 기존의 공극 파악 기술보다 7.5배 깊은 곳(150nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m)에 있는 공극의 구조까지 측정하는 데 성공했다. 
이 책임연구원은 “이 기술은 초음파 진단으로 우리 몸 속 영상을 보는 것과 비슷하다”며 “기존 기술에 비해 훨씬 간단하면서도 측정 감도가 좋고 공간의 구조를 세밀하게 파악하는 능력(공간분해능)이 뛰어나다”고 밝혔다.


연구 논문 제1저자인 장정훈 연구원은 “지금까지는 반도체 내부 결함을 알려면 제품 테스트 단계에서 뜯어서 보는 수밖에 없었다”며 “이번 기술을 통해 내부 결함이 있는 제품을 사전에 검출해 공정 불량률을 감소시키고 생산성을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.


연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘빛 : 과학과 응용’ 10월 10일자에 게재됐다.

 

탄소섬유 제조의 기본물질 중 하나인 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 내부구조. -사진 제공 한국표준과학연구원
탄소섬유 제조의 기본물질 중 하나인 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 내부구조를 측정한 모습. 선명하게 구조가 보인다. -사진 제공 한국표준과학연구원
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