보도자료

home 정보공개 알림소식 보도자료
50년의 난제, 플라즈마 히스테리시스를 해결하다
2018-04-19관리자
페이스북공유하기

- 반도체 소자ㆍ장비의 불균형 해소 기대 - 


누군가의 과거 이력(履歷)을 전혀 보지 않고 평가하기란 결코 쉽지 않다. 신기한 것은 과학의 세계에서도 이와 같은 현상이 존재한다는 것이다. 어떤 물질이 거쳐 온 과거가 현재 상태에 영향을 주는 히스테리시스(Hysteresis, 이력(履歷)현상)가 바로 그것이다. 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 연구진이 50여 년 동안 학계에서 풀리지 않던 플라즈마*의 특정 현상에 대한 문제를 해결했다.

  * 플라즈마(Plasma): 전자, 이온, 그리고 중성기체(활성종)로 구성된 이온화된 기체를 의미한다. 전기적으로 준중성(quasi-neutral)이며 집단행동(collective behavior)을 하는 특성을 지니고 있다. 고체, 액체, 기체 이외의 ‘제4의 물질상태’라고도 불린다.

KRISS 반도체측정장비팀 이효창 선임연구원은 플라즈마 히스테리시스의 원인을 밝혀내고 제어하는 데 성공했다. 반도체나 디스플레이 공정에서 품질을 저하시키는 고질적 문제가 해결됨에 따라 생산에 가속도가 붙을 것으로 기대된다.

플라즈마는 전자, 이온, 활성종의 제어가 가능하여 핵융합에서부터 환경, 항공우주, 바이오 및 의학까지 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 특히 최근에는 첨단기술의 집약체인 반도체와 디스플레이 분야에서 진가를 발휘하고 있는데, 소자의 증착ㆍ식각ㆍ세정 등 가공 공정 전반에 활용되어 집적도를 향상시켰기 때문이다.

하지만 완벽에 가까워 보이는 플라즈마도 예상치 못한 현상을 초래했다. 소자 공정은 그때그때 요구하는 플라즈마의 조건이 다르며, 이 과정에서 ‘유도결합 플라즈마 장비’의 전력 외부 변수를 조절한다. 문제는 전력을 조절해도 플라즈마의 상태가 원하는 조건으로 바뀌지 못한 채 과거에 의존하는 히스테리시스가 발생한다는 것이다.

플라즈마 히스테리시스가 발생하면 소자 성능 및 수율에 치명적인 악영향을 미치지만, 지금까지는 이에 대한 원인조차 알 수 없었던 것이 사실이다. 다만 원하는 플라즈마 상태 및 공정 결과가 나올 때까지 시행착오를 반복하며 설정을 변경하는 방법만이 최선이었다.

○ 플라즈마 히스테리시스를 해결하고자 1900년도 후반부터 수많은 이론적, 실험적 연구들이 시도되었지만 주된 원인을 밝혀내지 못해 플라즈마 물리학계의 난제로 남아있었다.

이효창 선임연구원은 정밀 측정법을 이용, 히스테리시스의 원인이 플라즈마 내 전자에너지 분포에 의한 차이라는 사실을 최초로 입증했다. 이번 결과는 수십 년간 축적된 KRISS의 정밀측정기반 연구를 바탕으로 플라즈마 히스테리시스에 대한 이론을 정립한 다음, 이론에 대한 모델링 및 실험을 통해 입증된 성과이다.

연구원은 한 발 더 나아가 특정 비활성 기체를 주입하거나 생산장비의 외부 조건을 변경시키는 방법을 고안, 최적화된 공정에서 안정적으로 플라즈마를 사용할 수 있는 독자적인 제어기술을 개발했다.

  플라즈마 제어기술을 통해 고품질의 소자를 안정적으로 생산하고, 장비를 최적화하는 원천기술까지 확보할 수 있기 때문에 반도체 시장의 양대 산맥인 소자ㆍ장비 산업이 동반성장할 수 있다.

이효창 선임연구원은 “우리나라는 명실상부한 반도체와 디스플레이 강국이지만, 수십억원이 넘는 고부가가치의 첨단장비는 전량 수입에 의존하고 있다”며 “국산화에 이바지할 수 있는 차세대 공정장비 핵심기술을 통해 소자기술에만 집중된 국내 반도체 산업의 불균형을 해소하겠다”라고 말했다.

이번 연구결과는 응용물리분야의 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews- IF: 13.667)에 3월 게재된 초청 총설논문(Invited Review Article)이다.