GIST, 가짜 단결정 찾는 차세대 비파괴 검사 기술 개발..."웨이퍼 공정 바로 적용 가능"

단결정을 깨뜨리지 않고, 진짜와 가짜를 쉽게 구별할 수 있는 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)은 화학과 임현섭 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재 합성 정도를 시료 손상없이 정확히 판별할 수 있는 차세대 비파괴 분석 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

현재 반도체 주력 소재인 실리콘(Si)은 칩이 작아질수록 성능과 효율이 점점 떨어진다. 전력 소모 증가 등으로 성능 향상에 물리적인 제약도 있다.

차세대 비파괴 검사법을 상용화 수준으로 개발한 GIST 연구진. 왼쪽부터 화학과 김도훈 석박사 통합과정생(제1저자), 안채현 박사, 임현섭 교수, 전준병·주혜리 석사과정생, 맨 앞이 오주희 석박사 통합과정생.(사진=GIST)

이에 따라 주목받는 소재가 원자 한 층 두께에서도 우수한 전기적·광학적 특성을 구현할 수 있는 이차원 반도체 물질이다.

그 가운데서도 특히, 이황화몰리브덴(MoS₂)이 눈길을 끈다. 종이 한 장보다 훨씬 얇은 원자 한 층 두께의 초박막 구조를 지니고 있기 때문이다.

그러나 이 물질을 반도체 칩으로 활용하기 위해서는 모든 원자가 한 방향으로 정렬된 '완벽한 단결정' 상태를 유지해야 한다. 이유는 단결정과 그렇지 않은 결정들이 공존할 경우 경계면에서 전자 흐름이 방해받아 반도체 성능이 급격히 저하되고, 소자 신뢰성이 떨어지기 때문이다.

그래서 필요한 기술이 이차원 반도체 소재의 단결정 여부를 정확하게 가리는 평가 기술이다. 그런데 이 기술 구현이 생각만큼 쉽지 않다. 합성된 시료 원자가 겉으로는 질서정연하게 정렬된 완벽한 결정, 즉 ‘단결정’처럼 보여도, 실제는 원자 배열이 180도 뒤집힌 ‘가짜 결정(domain)’이 섞여 있는 경우가 종종 있다.

이를 정확히 파악하기 위해서 기존에는 시료를 절단했다. 또 시료 손상을 주지 않는 비파괴 검사는 얇은 원판 형태 재료를 가공하는 ‘웨이퍼 공정’에 적용하는 데 한계가 있었다.

웨이퍼 공정은 ‘전면 균일성’을 요구하는데, 비파괴 광학 기법은 국소 측정에 강해 대면적을 고속·고정밀로 스캔할수록 해석 오차와 시간이 급증한다.

연구팀은 이러한 한계 극복을 위해 ‘저에너지 전자회절(LEED) 기법에 주목했다. 이는 물질 표면에 낮은 에너지 전자빔을 조사하고, 전자가 원자 배열에 의해 회절되는 패턴을 분석해 표면 결정 구조와 배열 상태를 파악하는 분석 기법이다.

비파괴로 단결정 품질 검증하는 방법을 나타냈다. 전자빔 에너지를 바꿔가며 회절 패턴의 점들 밝기 변화를 측정하면, 원자 배열이 뒤집힌 ‘쌍둥이 결정’이 섞여 있는지, 얼마나 섞였는지 알 수 있다.(그림=GIST)

연구팀은 전자빔 에너지를 단계적으로 변화시키며 전자들이 원자 배열에 부딪혀 만들어내는 회절 패턴 강도 변화(회절 신호의 세기 변화)를 정밀 분석했다. 그 결과, 시료를 전혀 파괴하지 않고도 모든 결정이 한 방향으로 정렬된 ‘진짜 단결정’과 방향이 뒤섞인 결정이 포함된 시료를 명확히 구분하는 데 성공했다.

임현섭 화학과 교수는 "전자는 물질 가장 바깥 원자층에 민감하게 반응하기 때문에, LEED는 특히 원자 한 층 두께의 이차원 반도체와 같은 초박막 소재의 결정성 평가에 적합하다"고 설명했다.

임 교수는 또 "단층 이차원 반도체의 구조적 특성과 전자의 다중 산란 효과를 함께 고려해 결정이 얼마나 잘 정렬돼 있는지를 정량적으로 판단할 수 있는 방법(새로운 전자회절 해석 기준)을 제시, 단순한 이미지 관찰을 넘어 신뢰도 높은 단결정 판별 방법을 확립했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

GIST 기술사업화센터 문희곤 실장은 "새로운 분석 기법 제시에 그치지 않고, 산업 현장 적용 가능성을 함께 제시했다는 점에서도 주목된다"며 "아무리 우수한 반도체 소재가 개발되더라도, 이를 빠르고 정확하게 검사할 수 있는 기술이 없다면 대량 생산이 불가능하다"고 언급했다.

문 실장은 또 "이번에 공개한 분석법은 마치 엑스레이로 촬영하듯 웨이퍼 전체 단결정 품질을 한눈에 확인할 수 있어, 차세대 이차원 반도체 대량 생산 과정에서 정상 제품 비율, 즉 수율을 획기적으로 높일 핵심 기술로 기대된다"며 "차세대 반도체 공정 전반의 품질 관리 표준 기술로 확장될 가능성이 크다"고 덧붙였다.

임현섭 교수는 "실험실 수준에 머물던 이차원 반도체 연구를 산업 현장의 웨이퍼 공정으로 연결하는 중요한 가교 역할을 할 것”으로 기대했다.