▲ 반도체 소자 내의 미세 구조와 동적 특성을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술의 원리 및 응용 (그림/자료제공=한국연구재단)  © 특허뉴스

기존에는 볼 수 없었던 반도체 소자 내에서의 빠르고 불규칙적인  움직임을 이제 초고속 카메라로 관측할 수 있게 되었다.

한국연구재단은 김정원 교수(한국과학기술원) 연구팀이 반도체 소자 내의 미세 구조와 동적 특성을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술을 개발하였다고 밝혔다. 

최근 복잡도와 기능성이 높아진 마이크로/나노 소자 개발이 증가함에 따라 소자 내의 미세 구조와 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 기술 개발의 필요성이 높아지고 있다. 

일례로 반도체 산업은 다양한 3차원 집적회로와 소자가 발전하며 더 큰 웨이퍼 영역에 대해 더 높은 분해능 및 빠른 측정속도를 가지는 미세구조 계측 기술이 요구되고 있다. 

또한, 동적 특성 측정은 소자 내에서의 다양한 물리현상을 이해하여 응용 기술을 개발하는 기반이 되는 만큼 더 높은 해상도, 더 빠른 측정속도와 더 큰 측정범위가 요구되지만, 기존의 측정 기술들은 이 같은 복합적인 성능을 구현하는 데 한계가 있다.  

연구팀은 복잡한 3차원 형상을 고속으로 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술을 개발하여, 복잡하고 불규칙적인 고속의 동역학 현상을 성공적으로 관측하였다. 

먼저, 100펨토초(10조분의 1초)의 펄스폭을 가지는 빛 펄스를 1000개 이상의 색으로 쪼갠 후, 각기 다른 색을 가진 펄스들을 이용해 서로 다른 공간적 위치에서의 높낮이를 정밀하게 측정하였다. 

이 기술은 초당 2.6억 개 픽셀의 높낮이 차이를 330피코미터(30억분의 1미터) 수준까지 측정할 수 있을 정도로 빠르고 정밀하다. 

연구팀은 고속 형상 이미징 속도와 높은 공간 분해능을 갖춘 초고속 카메라 기술이 점점 고도화·집적화 되는 반도체 공정 및 3D 프린팅 과정을 실시간으로 모니터링하며 공정을 제어할 수 있어, 공정 수율 향상에 크게 기여할 것으로 기대하였다. 

한편 이번 연구에서는 1차원 선 모양의 빛을 스캔해 움직이는 방식으로 2차원 표면의 높낮이를 측정하였으나, 향후 2차원 표면의 높낮이를 스캔 없이 한 번에 측정하는 방식으로 발전시킬 계획이다.

김정원 교수는 “새로운 초고속 카메라 기술은 다양한 진폭이 존재하면서 동시에 매우 빠른 순간 속도를 갖는 미세 구조의 움직임을 포착할 수 있어, 기존에 관찰하지 못했던 복잡한 물리 현상을 탐구하는 차세대 계측 기술로 발전할 것”이라고 기대를 밝혔다.  

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 및 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학 분야 국제학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 2월 15일 게재되었다.