한양대 김두리 교수팀, 나노 단위 반도체 미세결함도 찾아내는 초고해상도 광학 이미징 기술 개발 … 광학현미경 해상도 5배↑

한양대학교는 화학과 김두리 교수 연구팀이 반도체 나노 결함을 초고해상도로 관찰할 수 있는 새로운 광학 이미징 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 이번 연구는 광학·전자 현미경의 기술적 한계를 동시에 보완할 수 있는 새로운 검사 플랫폼으로 주목받고 있다.

오늘날 반도체는 초미세 공정 기술의 발전으로 머리카락보다 수천 배 얇은 나노(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 단위의 구조로 미세해졌다. 초미세 반도체 구조에서는 아주 작은 결함 하나도 전체 제품의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 하지만 현재 널리 사용되는 광학 현미경은 빛의 회절 한계로 인해 나노 구조 관찰이 어렵다. 전자현미경은 고해상도이지만, 시간이 오래 걸리고 고비용이라는 제약이 있다.

김 교수 연구팀은 이를 해결하고자 반도체 핵심 재료 중 하나인 실리카(SiO₂) 구조에 결함을 인위적으로 만들어 강한 발광 특성을 유도하는 방식의 이미징 기술을 개발했다. 전자빔(물리적 자극)과 티올 수용액(화학적 자극)을 결합해 실리카 구조 내 결함을 유도하고, 이를 이용해 기존 광학 장비로는 불가능했던 나노 단위 이미징을 실현했다.

이 기술은 기존 광학 장비로는 구분이 어려웠던 수십 나노미터 크기의 실리카 패턴과 결함을 정밀하게 포착할 수 있다. 특히 ▲나노입자 ▲패턴 단절(line break) ▲박리(delamination) 등 다양한 결함 유형을 전자현미경보다 더 높은 민감도로 감지할 수 있는 게 특징이다.

또한 실리카 소재에만 선택적으로 반응하는 '재료 특이적' 관찰이 가능하다는 점도 활용도가 높다.

김 교수는 "이번 연구는 광학 현미경의 해상도를 5배 이상 향상해 나노 수준의 구조까지 선명하게 관찰할 수 있는 기술적 돌파구"라며 "앞으로 반도체뿐 아니라 바이오, 나노소재 분석 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제 학술지 '미국화학회 저널(Journal of the American Chemical Society(JACS)'에 지난 25일 온라인 게재됐다. 홍리홍, 정의돈 연구원이 제1저자, 고가은 연구원이 참여저자, 김 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업(우수신진연구지원사업)과 한국도레이과학진흥재단의 한국도레이펠로십 지원을 받아 이뤄졌다.