KAIST "HBM 표면 품질 높일 '나노 사포' 개발"

반도체 표면을 원자 수준까지 균일하게 가공할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 표면을 매끄럽게 하는 '사포' 개념을 나노 기술로 확장한 것이 핵심이다. 이 기술은 고대역폭 메모리(HBM) 등 첨단 반도체 공정에서 표면 품질과 가공 정밀도를 높일 가능성을 보여준다.

KAIST는 기계공학과 김산하 교수 연구팀이 탄소나노튜브를 연마재로 활용한 '나노 사포'를 개발했다고 11일 밝혔다.

나노 사포 이미지(AI 생성). KAIST

사포는 표면을 문질러 매끄럽게 만드는 일상적 도구다. 하지만 반도체처럼 극도로 정밀한 표면 가공이 필요한 분야에서는 적용하는 게 어렵다. 일반 사포는 연마 입자를 접착제로 붙이는 방식으로 만들어져 미세한 입자를 고르게 고정하는 데 한계가 따르기 때문이다.

반도체 업계에서는 이를 보완하기 위해 연마 입자를 액체에 분산시킨 화학액, 이른바 슬러리를 사용하는 평탄화 공정(Chemical Mechanical Polishing·CMP)을 활용해 왔다. 다만 이 방식은 추가적인 세정 공정이 필요한데다 폐기물이 많이 발생해 환경 부담이 크다는 단점이 있다.

이와 달리 연구팀이 개발한 나노 사포는 기존 반도체 제조 공정보다 표면을 정밀하게 가공하는 것은 물론 공정 과정에서 발생하는 환경 부담도 줄이는 새로운 평탄화 기술로 평가받는다.

슬러리를 사용한 평탄화 공정의 단점을 해소하기 위해 연구팀은 사포의 개념을 '나노' 수준으로 확장했다. 또 머리카락보다 두께가 얇은 탄소나노튜브를 수직으로 정렬한 후 폴리우레탄 내부에 고정하고 표면에 일부만 노출하는 방식으로 '나노 사포'를 구현하는 데 성공했다.

이 구조는 연마재 이탈을 구조적으로 억제해 표면 손상 우려가 없고 반복적인 사용에도 성능을 안정적으로 유지한다.

(왼쪽부터) 기계공학과 강석경 박사, 김산하 교수. KAIST

특히 나노 사포는 연마재 밀도를 기준으로 상용 사포 중 가장 미세한 제품보다 '50만배' 높은 수준을 보인다.

사포의 정밀도는 표면에 연마 알갱이가 얼마나 촘촘하게 배열됐는지를 나타내는 '연마재 밀도(입방수)'로 표현된다. 이 수치는 사포의 단위 면적당 연마 알갱이 수를 나타내는 지표로 활용된다.

예컨대 일상적으로 사용하는 사포의 입방수는 통상 40~3000 수준에 그치지만, 나노 사포의 입방수는 10억 이상이다. 이는 극도로 촘촘한 구조로 표면을 수 나노미터(원자 몇 개의 두께에 해당) 수준까지 정밀한 가공이 가능한 것을 의미한다.

연구팀은 실제 실험을 통해서도 나노 사포의 효과를 확인했다. 나노 사포로 구리 표면을 수 나노미터 수준까지 매끄럽게 가공할 수 있었고 반도체 패턴 평탄화 과정을 실험했을 때도 기존 CMP 공정보다 디싱(dishing) 결함이 최대 67%까지 감소한 결과를 얻은 것이다.

디싱 결함은 배선 중앙이 움푹 파이는 현상으로 HBM 등 첨단 반도체의 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 주요 결함으로 꼽힌다.

나노 사포는 연마재가 사포 표면에 고정된 구조로 기존 공정처럼 슬러리 용액을 지속해 공급할 필요가 없어 세정 공정을 줄일 수 있고 폐슬러리도 발생하지 않아 반도체 제조 공정을 보다 친환경적으로 전환할 수 있다.

연구팀은 이 기술이 AI 서버에 사용되는 HBM 등 첨단 반도체 평탄화 공정과 차세대 반도체 연결 기술로 주목받는 하이브리드 본딩 공정에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.

일상적 사포의 개념을 나노 정밀 가공 기술로 확장해 반도체 제조에 필요한 원천기술 확보 가능성을 제시했다는 점도 이번 연구의 성과다.

김 교수는 "이번 연구는 일상에서 흔히 사용하는 사포의 개념을 나노 수준으로 확장해 초미세 반도체 제조에 적용할 수 있음을 보여준 독창적 사례"라며 "나노 사포 기술이 반도체 성능을 높이는 것은 물론 친환경 제조 공정을 가능케 할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 강석경 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 최근 복합재료 및 나노공학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 컴포짓 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr