본문 바로가기 주메뉴 바로가기

플라즈마

  • Fusion Story
  • 플라즈마
플라즈마의 다른 글

202102.22

반도체 성능, 플라즈마에 달렸다!

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1246

2020 KFE 최우수논문상 수상자 ‘플라즈마연구지능화연구단 장원석 선임연구원



“처음 시작할 때는 금방 끝날 줄 알았어요. 하지만 플라즈마 공정은 더 다양해졌고, 반도체 생산 장비는 10년전 보다 진화했습니다. 여전히 더 많은 것을 알아야하며, 알고 싶은 욕구가 더 크기에 멈출 수가 없습니다.”


2020년 한국핵융합에너지연구원 최우수논문상 수상자 장원석 선임연구원(플라즈마기술연구소 해석기술개발팀)이 밝힌 소회입니다. 플라즈마 물성 전문가인 그는 2010년부터 시작한 연구 결과를 바탕으로 2020년 논문을 발표하였습니다. 자그마치 10년의 끈기가 이룬 결실이지만, 그는 “앞으로 걸어갈 길이 멀다”며 “플라즈마가 국민의 생활에 녹아드는 기술이 될 수 있도록 끊임없이 노력하겠다”고 새로운 각오를 다지는 천상 연구자입니다.



플라즈마기술연구소 장원석 선임 연구원



최근 반도체 시장은 코로나19 장기화에 따른 비대면 트렌드 확산으로 스마트 제품과 모바일 기기 수요가 증가하며 경쟁이 더욱 뜨겁습니다. 빠른 속도로 혁신에 혁신을 더하는 반도체 분야에서 오래전 실험을 바탕으로 작성한 논문이 주목받는 이유가 무엇일까요?



플라즈마에 대한 이해가 반도체 경쟁력을 좌우한다!


플라즈마가 처음부터 반도체 공정에 사용된 것은 아닙니다. 반도체 집적회로는 다이오드, 트랜지스터, 코일, 축전기와 같은 전자 부품이 밀집해 있는데요. 반도체 집적도가 급격히 높아진 1980년대 후반 웨이퍼에 회로를 인쇄하듯 찍는 방식이 도입됐습니다. 플라즈마가 해결사로 등장한 것도 이 무렵이죠. 특히 웨이퍼의 불필요한 부분을 제거해 반도체 회로 패턴을 만드는 식각을 비롯해 반도체의 성능과 직결되는 증착·세정공정에서 플라즈마는 혁혁한 공을 세웠습니다. 플라즈마에 대한 이해가 반도체 경쟁력을 좌우한다고 해도 과언이 아닙니다.


“인공지능 개발을 위해 기본적인 학습 데이터가 필요하듯 반도체 공정 개발에도 플라즈마 물성 데이터가 요구됩니다. 특히 플라즈마는 가스 종류와 발생 방법, 운전 조건에 따라 다양한 물리·화학적 특성을 나타내기 때문에 각각의 반응을 진단·분석하는 선행과정이 중요하지만 플라즈마의 물성이 워낙 복잡한 탓에 지금까지도 미지의 영역이 많습니다.”


장원석 연구원은 2020년 SCI 국제학술지인 ‘어플라이드 서피스 사이언스’(Applied Surface Science)에 ‘A unified semi-global surface reaction model of polymer deposition and SiO2 etching in fluorocarbon plasma’라는 제목의 논문을 발표했습니다. 즉, 불화탄소 계열의 공정가스를 사용한 플라즈마가 실리콘 기반 산화막(SiO2) 표면을 식각 할 때 일어나는 반응을 측정과 진단에 기반한 모델링을 통해 예측한 내용입니다.


논문의 출발은 핵융합연과 전북대, 경원테크 그리고 표준연과 부산대가 우리나라 반도체 산업 경쟁력 강화를 목표로 산학연 컨소시엄을 결성하고 반도체 공정용 시뮬레이션 개발에 뛰어들던 2009년으로 거슬러 올라갑니다. 핵융합연은 반도체 공정 개발의 첫 단추라 할 수 있는 플라즈마 물성 연구를 목표로 플라즈마 표면 반응 모델 개발에 나섰고, 장 연구원은 플라즈마의 물성을 측정하고, 진단하는 과업을 담당하였습니다.


플라즈마 진단 작업이 진행 중인 ICP 식각장비와 QMS 플라즈마 진단 장비 모습



고분자층 규명하며 플라즈마 물성에 한 걸음 더 가까이!


“논문은 반도체 공정 단계 중 식각(etching) 공정에 초점을 맞추었습니다. 반도체는 웨이퍼를 얼마나 좁고, 깊게 파는지, 즉 식각 결과에 따라 소자의 집적도와 메모리 용량이 달라집니다.”


장 연구원은 불화탄소(fluorocarbon)계열의 가스를 사용해 웨이퍼 표면을 좁고 깊게 파는 비등방식각에서 플라즈마와 웨이퍼 입자들이 서로 어떤 반응을 일으키는지를 진단·분석하였습니다. 그의 논문이 주목받는 이유는 실제 실험 결과를 분석해 현실적인 플라즈마 표면 반응 모델을 제시했기 때문입니다. 그의 설명을 들어볼까요?


“반도체 공정에 이용하는 플라즈마는 공정 가스, 온도, 압력, 발생원 등 다양한 조건에 따라 물리·화학적 특성이 달라집니다. 하지만 플라즈마에서 생성된 이온과 라디칼에 의한 복잡한 현상들은 과학자들조차 완벽히 규명하지 못한 상황입니다. 때문에 반도체 제조 현장에서는 플라즈마의 이론적 해석과 예측을 불가능한 영역으로 간주하고, 경험치에 바탕한 관리를 해왔습니다.”


불화탄소 혼합가스로 만들어진 플라즈마 불빛. 옅은 푸른색을 띄고 있다.



장 연구원은 경험적으로 결과를 예측하던 시스템에 보다 명확한 원인과 과정에 대한 이해를 더하는 연구를 진행했습니다. 먼저 플라즈마로부터 실리콘 산화막으로 입사하는 이온과 증착에 관여하는 라디칼을 측정하여 정량적으로 분석하였습니다. 그 후 분석 결과를 반영한 모델링을 통해서 플라즈마 입자들의 식각·증착 반응으로 생겨난 고분자층 분석을 수행한 결과, 보다 정밀한 식각 특성을 확보할 수 있었습니다. 보통은 식각 과정의 부산물 정도로만 여겨졌던 고분자 층의 특성을 함께 고려한 점이 이번 연구의 정밀성을 높이는 데 유효했습니다.


설명은 간단해 보이지만 실제 실험과 분석 과정은 녹록지 않았습니다. 반도체 플라즈마 공정에서 발생하는 모든 입자를 측정한다는 것은 쉽지 않았습니다. 특히 플라즈마는 반응 시 다양한 화학반응을 일으키며 입자가 이온도 될 수 있고 반응 활성종이 될 수도 있는 만큼 입자 하나하나의 반응을 쫓아 모델을 개발하기란 굉장히 복잡하고 난해하기 때문입니다.


실험도 우여곡절이 많았습니다. 플라즈마 진단 장비인 QMS를 이용하여 ICP 식각 장비에서 발생된 플라즈마 입자들을 측정하는 경우, 100 마이크로 남짓한 핀홀(미세한 구멍)을 경계로 이 두 장비를 고진공 상태로 유지시키고 측정을 하다보면, 입자들로 인해 검출기가 오염이 되거나 핀홀이 막히는 등의 문제들이 발생하곤 했습니다. 이럴 때면 발생한 문제점을 해결하고, 다시 장비를 안정화 시킨 후 고진공 상태를 만들어야 하기에 실험은 당초 예상했던 시간의 몇 배가 걸리곤 했습니다. 때문에 장 연구원은 실험기간 동안 실험 장비가 있는 전북대 연구실에 상주해야 하는 날도 많았습니다.


중앙의 미세한 핀홀 구멍을 비롯한 주변부에 고분자가 증착되어 색이 변한 모습(왼)과 클리닝 작업을 통해 증착된 고분자를 걷어내는 모습(오)



이 같은 난관을 거쳐 장 연구원은 실험적인 접근으로 불화탄소 플라즈마의 진단을 통해 생성된 입자들을 정량적으로 분석하고, 이론적인 해석을 통해 개발한 모델을 이용하여 계산한 결과 실제 식각 결과와 얼마나 일치시킬 수 있는지 확인하였습니다. 이 같은 논문 내용은 유체기반 플라즈마 공정 해석 프로그램인 K-0DPLASMA와 3차원 시뮬레이션을 통해 반도체 주요 공정을 해석하고 예측할 수 있는 프로그램인 K-SPEED에 잘 반영되어 있습니다. 기존에도 공정해석용 소프트웨어는 있었지만 핵융합연이 제시한 모델과는 근본적인 차이가 있는데요. 바로 ‘정확한 플라즈마 물성 정보’의 유무입니다. 기존의 SW는 플라즈마 물성DB가 없기 때문에 분석결과에 한계가 있었습니다.


▶▶▶K-0DPLASMA가 궁금하다면?


▶▶▶K-SPEED가 궁금하다면?



플라즈마와 함께 한 20년, 반도체 산업에 기여할 수 있어서 보람


“산학연 컨소시엄으로 핵융합연 내부는 물론 전북대 화학공학과 임연호 교수님 등 좋은 멘토를 많이 만났습니다. 2012년 분석을 마치고 모델을 완성할 무렵에는 거의 매일 산학연 컨소시엄 구성원들이 밤샘 토론을 했습니다. 기초연구와 응용연구의 종합적인 접근으로 산업 발전에 기여할 수 있어 보람이 큽니다.”


장 연구원은 논문의 결실을 컨소시엄의 결과라며 공을 돌렸는데요. 반도체 기술 역시 현장의 경험에 시뮬레이션 기술, 해석기법이 모두 더해졌기에 보다 발전할 수 있었다는 설명도 덧붙였습니다.


장 연구원이 핵융합연과 인연을 맺은 지 올해로 19년째입니다. 한국이 ITER에 공식 가입하던 해인 2003년 연구학생으로 기초연 핵융합연구개발사업단과 인연을 맺은 후 2004년 정식 입사하였습니다. 핵융합연이 2005년 기초(연) 부설 핵융합연구센터로 출범했음을 감안하면 연구소 역사의 산증인이라고 해도 과언이 아닙니다.


그가 핵융합연의 일원으로 처음 진행한 프로젝트는 플라즈마 물성 DB 구축(산란단면적 데이터)이었습니다. 당시 5명이 3년에 걸쳐 10만여 건의 데이터베이스를 완성했던 경험은 장 연구원이 연구자로서 성장해오는 기반이 되었습니다. 높은 시장 점유율과 경쟁력을 보유한 우리나라 반도체 산업의 성장을 지켜보면서 우리나라가 플라즈마 연구분야에 큰 저력을 가지고 있음을 깨닫는 계기도 되었습니다. 시간이 흘러 연구학생이 플라즈마 물성 전문가로 성장했듯 그가 몸담은 핵융합연 플라즈마기술연구센터는 플라즈마기술연구소로 위상이 강화되었습니다.


플라즈마는 제조 경쟁력과 직결되는 원천기술입니다. 플라즈마 연구의 힘은 융합과 협업에서 탄생합니다. 연구자 개인이 아닌 산학연이 함께 노력해야 결실을 볼 수 있어요. 10년 전과 마찬가지로 산학연의 협업이 더욱 탄탄해지길 기대합니다.”


우리나라 반도체 산업의 중단 없는 혁신을 위해 장 연구원은 미래 20년도 플라즈마와 동고동락하겠다며 다짐합니다. 플라즈마의 물성 연구를 멈추지 않는 그의 마라톤은 플라즈마의 길을 안내하는 빛나는 이정표가 되어 줄 것입니다.



  •  좋아요 bg
    3
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    196
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    196
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP