한양대 김두리 교수팀, 나노미터급 미세 결함 찾는 초고해상도 반도체 검사 기술 개발 … 형광분자 부착·시료 절단 없이 가능

한양대학교는 화학과 김두리 교수 연구팀이 형광 분자 부착 없이 반도체 나노 구조를 초고해상도로 구현할 수 있는 새로운 형광 이미징 기술 '인버티드 페인트(Inverted PAINT)'를 개발했다고 13일 밝혔다.

최근 반도체 소자의 미세화가 가속하면서 기존 계측 기술은 해상도와 적용 범위에서 한계에 직면해 있다. 업계에선 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m)급 구조 관찰이 가능한 초고해상도 형광 현미경 기술이 주목받아 왔다. 해당 기술은 기존 광학 현미경의 해상도 한계를 넘어 수십㎚ 이미지를 구현할 수 있어 2014년 노벨화학상을 받았다. 다만 형광 분자를 시료에 직접 부착하고 복잡한 전처리가 필요해 산업 현장 적용에 제약이 있었다.

김 교수 연구팀이 개발한 인버티드 페인트 기술은 시료 위에 올려놓은 형광체와 반도체 표면 간 전기적 상호작용에서 발생하는 순간적인 형광 신호를 검출하는 방식이다. 이를 통해 형광 분자 부착 없이도 약 10㎚급 해상도로 표면의 정밀 구조를 구현할 수 있다.

특히 전하 분포에 따라 형광체가 반응하는 원리를 이용해 재료 특이적 시각화가 가능하다. 예를 들어 실리카(음전하)와 실리콘(양전하)처럼 표면 전하 특성이 다른 재료를 각각 다른 색상으로 구분해 여러 색의 초고해상도 이미지를 구현할 수 있다. 이는 광학 현미경이나 전자현미경으로는 구현하기 어렵다.

또한 산업용 반도체 웨이퍼(실리콘 기판)를 대상으로 한 실험에서는 기존 방법으로는 식별이 어려웠던 수십㎚ 크기의 미세 결함을 선명하게 포착했다. 시료 절단 없이 3차원 구조 시각화가 가능함을 입증했다.

김 교수는 "그동안 반도체 업계에서 주목받아 온 초고해상도 형광 현미경 기술을 반도체 나노구조 검사에 실질적으로 적용할 수 있게 발전시킨 것이 이번 연구의 핵심"이라며 "반도체 외 불투명한 무기 재료에도 활용할 수 있어 초고해상도 형광 이미징 기술을 더 범용적인 분석 도구로 확장할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 논문은 소재과학 분야의 세계적 국제 학술지 '첨단 소재(Advanced Materials)'에 게재됐다. 정의돈 연구원이 제1저자, 김두리 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업(우수신진연구지원사업, 기초연구실지원사업)과 한국도레이과학진흥재단의 한국도레이펠로십 지원을 받아 수행됐다.