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반도체소자 속 미세 움직임 초고속 카메라 촬영

KAIST 김정원 교수 연구팀, 반도체 소자 동적 특성 고해상도 측정

마이크로 영역 물성 탐구하는 차세대 계측 기술 발전 기대

반도체 기술이 고도화 및 집적화됨에 따라 이들의 정적인 특성과 동적인 움직임을 빠르고 정확하게 이미징하는 기술의 수요가 높아지고 있다. 예를 들어 3차원 집적회로 및 MEMS 소자를 포함하는 복잡한 구조의 반도체 웨이퍼 공정의 수율 향상을 위해 고성능 형상 이미징 기술이 필요한데, 기존의 광학 간섭계나 공초점 현미경 기술은 측정 가능 범위가 수 마이크로미터 수준으로 너무 작거나, 이미징 시간이 수백 초를 넘어가는 정도로 속도가 느리다는 한계가 있었다. 기존에는 볼 수 없었던 반도체 소자 내에서의 빠르고 불규칙적인 움직임을 이제 초고속 카메라로 관측할 수 있게 되었다

 

반도체 소자 내의 미세 구조와 동적 특성을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술의 원리 및 응용

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.

□연구개요

논문은 Massively parallel electro-optic sampling of space-encoded optical pulses for ultrafast multi-dimensional imaging이며 

저자는 김정원 교수 (교신저자/한국과학기술원), 나용진 박사 (제1저자/한국과학기술원), 곽현수 박사 (공저자/한국과학기술원), 안창민 박사과정 (공저자/한국과학기술원), 이승언 박사과정 (공저자/한국과학기술원), 이우진 박사과정 (공저자/한국과학기술원), 강주식 박사 (공저자/한국표준과학연구원), 이정철 교수 (공저자/한국과학기술원), 서준호 박사 (공저자/한국표준과학연구원), 유홍기 교수 (공저자/한국과학기술원) 등이다. 

1. 연구의 필요성

○ 광 계측 및 이미징 기술은 마이크로/나노 소자 내의 진동 분석과 같은 나노미터 이하 규모부터 자율주행 자동차의 라이다 기술 등 미터 이상의 긴 규모까지 현대 과학기술 전반에서 가장 중요한 기술 중 하나로 활용되고 있다.

○ 특히 반도체 기술이 고도화 및 집적화됨에 따라 이들의 정적인 특성과 동적인 움직임을 빠르고 정확하게 이미징하는 기술의 수요가 높아지고 있다. 예를 들어 3차원 집적회로 및 MEMS 소자를 포함하는 복잡한 구조의 반도체 웨이퍼 공정의 수율 향상을 위해 고성능 형상 이미징 기술이 필요한데, 기존의 광학 간섭계나 공초점 현미경 기술은 측정 가능 범위가 수 마이크로미터 수준으로 너무 작거나, 이미징 시간이 수백 초를 넘어가는 정도로 속도가 느리다는 한계가 있었다.

○ 한편 차세대 센서로 활용될 마이크로 및 나노 스케일의 초소형 장치들의 물리적 특성을 파악하고 센싱 성능을 향상시키기 위해 이들의 공진(resonance) 움직임을 정확히 파악하는 기술이 중요하다. 특히 최근 다양한 비선형 및 과도 운동 등의 복잡한 동역학 현상들에 대한 관심이 높아짐에 따라 이러한 현상들을 실시간 측정할 수 있는 다차원 이미징 기술이 요구되고 있다. 기존의 측정 기술들은 진동체의 고속 움직임을 실시간 관측하기는 어렵기 때문에 여러 기술을 함께 사용하거나 움직임을 반복 측정하는 방법을 사용하고 있지만, 시스템 복잡도가 높고 여전히 측정하지 못하는 현상들이 많아 새로운 고속 동역학 이미징 기술이 필요한 상황이다.

2. 연구내용

○ 이번 연구는 기존의 고속 이미징 방식들과는 완전히 다르게 광주파수빗(optical frequency comb)이라는 광원과 우리 연구팀의 고유 기술인 전광 샘플링 기반 타이밍 검출(electro-optic sampling-based timing detection, EOS-TD)이라는 기술의 접목을 통해서 이루어졌다.

○ 먼저 광주파수빗에서 발생하는 40 nm 이상의 넓은 대역폭(bandwidth)을 갖는 광 스펙트럼을 그레이팅(grating)을 이용하여 중심 파장이 각기 다른 1000개 이상의 하위 펄스들을 1차원 선형 형태로 공간적으로 분산하는 공간-파장 인코딩 기술(space-to-wavelength encoding)을 이용하였다. 이를 통해 서로 다른 파장을 가진 하위 펄스들은 입사되는 대상의 3차원 형상에 따라 서로 다른 펄스 비행시간(time-of-flight, TOF)을 겪게 된다.

○ 우리 연구팀의 EOS-TD 기술을 이용하면 100아토초(10-16초=1경분의 1초) 이하의 오차로 펄스들 간의 시간차를 감지할 수 있는데, 이를 이용하여 1000개 이상의 각 하위 펄스들의 TOF 정보를 병렬적으로 한꺼번에 감지할 수 있다. 최종적으로는 EOS-TD의 출력을 라인-스캔 카메라(line-scan camera)를 이용하여 측정하면 공간의 1차원 라인 형상을 고속으로 측정할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

○ 이렇게 구현한 초고속 병렬형 TOF 카메라는 초당 최대 2.6억 개의 픽셀에 대한 형상 이미징이 가능하고, 데이터 평균화를 통해 최고 성능으로 330 피코미터(30억분의 1미터)의 높낮이 차이까지도 분해 가능하다.

○ 연구팀은 측정 대상을 모터를 이용하여 고속 스캔하여 고속 3차원 이미징을 구현할 수 있었다. 초고속 픽셀 속도 덕분에 6.4 mm x 2.4 mm 영역을 1024 x 882 픽셀 해상도로 측정하는 데에는 단 3.47밀리초 밖에 소요되지 않았다(초당 약 300회 측정 가능). 또한 기계적 공진기(mechanical resonator)의 고속의 다양한 움직임들을 반복 측정하지 않고 실시간으로 측정할 수 있었다.

○ 이러한 고속 형상 이미징 속도와 높은 공간 분해능을 이용하면 반도체 공정이나 3D 프린팅 과정을 실시간으로 모니터링하며 공정을 제어할 수 있어 점점 고도화 및 집적화 되는 산업 공정의 수율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 굉장히 작은 진폭부터 큰 진폭까지 존재하면서 동시에 초고속 순간 속도를 갖는 미세 진동체의 움직임을 실시간, 고해상도로 포착할 수 있음을 보였기 때문에, 기존에 관찰하지 못했던 복잡한 비선형(nonlinear) 및 과도(transient)의 물리 현상들을 탐구하는 차세대 계측 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.

□그림 설명

(그림1) 반도체 소자 내의 미세 구조와 동적 특성을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술의 원리 및 응용

개발된 기술은 광주파수빗에서 발생한 빛 펄스를 1000개 이상의 다른 색을 가진 펄스들로 쪼갠 후, 각기 다른 색을 가진 펄스들로 서로 다른 공간적 위치에서의 높낮이를 정밀하게 측정하는 방식이다. 초당 2.6억개의 픽셀들에 대한 높낮이 차이를 330피코미터(30억분의 1미터)까지 측정할 수 있을 정도로 빠르고 정밀하며, 3차원 형상 이미징이나 고속의 동역학 현상 이미징에 활용했다.

한국연구재단 홍보실 제공 

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