종이처럼 얇은 '마법 렌즈'로 반도체 결함 잡는다

포스텍 노준석 교수팀, 반도체 검사 혁신할 ‘다기능 메타렌즈 ’개발

포스텍(포항공대)은 3일 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 연구팀이 반도체 산업에서 검사 장비의 혁신을 가져올 ‘마법의 렌즈’ 기술을 개발했다고 밝혔다. 

반도체 제조의 핵심은 눈에 보이지 않을 정도로 매우 작은 미세한 결함을 찾는 것이다. 

노준석 교수, 김주훈 씨(왼쪽부터). 포스텍 제공

이를 위해 자외선부터 가시광까지 다양한 파장의 빛을 사용하는데, 빛의 파장마다 다른 렌즈가 필요하기 때문에 여러 개의 렌즈를 갈아 끼우거나 복잡한 렌즈 시스템이 필요했다. 

마치 안경을 쓰는 사람이 근시용, 원시용 안경을 상황에 따라 바꿔 써야 하는 불편함과 비슷하다.

연구팀이 만든 ‘실리콘 나이트라이드(Si₃N₄)’ 기반 메타렌즈는 종이처럼 얇으면서도 자외선부터 가시광선까지 광범위한 영역에서 작동할 수 있다. 

더욱 놀라운 것은, 빛의 편광상태(우원편광 또는 좌원편광)에 따라 초점이 맺히는 위치를 다르게 조절할 수 있다는 것이다.

이 기술이 가져올 변화는 무궁무진하다. 

‘웨이퍼(wafer) 패턴 검사’나 ‘포토마스크 결함 검사’ 등에서 기존의 복잡한 렌즈 시스템을 단 하나의 메타렌즈로 대체할 수 있어, 장비 크기를 획기적으로 줄이고, 제조 및 유지보수 비용도 대폭 절감할 수 있다. 

특히, 다양한 파장과 편광 상태를 활용해 기존 장비로는 감지하기 어려운 초미세 결함까지 정확하게 찾아낼 수 있어 정확도와 속도가 비약적으로 향상될 전망이다.

노준석 교수는 "연구팀이 개발한 메타렌즈 기술은 반도체 검사뿐만 아니라 의료 영상, 바이오센서, 고해상도 디스플레이 검사 등 다양한 분야에 적용될 수 있다"라며 "앞으로 이 기술을 더욱 발전시켜 실제 산업 현장에 적용할 수 있도록 연구를 계속할 방침"이라고 밝혔다.

이 연구는 최근 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 게재됐다.

한편, 이번 연구는 포스코, 삼성전자, 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

포항=이영균 기자 [e-mail]