[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 반도체 칩이나 광전소자 제조에 사용되는 나노 패터닝(Nano Patterning) 기술을 한 차원 높인 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 손 박사팀은 아주 손쉽고 간단하면서도 다양한 종류와 모양의 블록공중합체에 적용가능한 10nm(나노미터·1나노미터는 10억분의 1미터) 이하 초미세 나노패턴 제작 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

블록공중합체(Block copolymer)란 두 개 이상의 고분자가 하나의 고분자 사슬에 규칙적으로 연결된 고분자를 말한다. 연구결과(논문명 “Universal perpendicular orientation of block copolymer microdomains using a filtered plasma”)는 세계적 과학저널 네이처(Nature) 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 최신호에 게재됐다.

(위) 실험에 사용한 플라즈마전용 필터 (아래) 필터를 도입한 플라즈마공정 사진 [사진=KIST]

연구진에 따르면 최근 차세대 반도체를 위한 공정으로 10nm 수준의 초미세 패턴 제작기술에 대한 중요성이 대두되고 있다.

특히 스스로 나노구조를 만드는 블록공중합체의 자기조립(Self-Assembly) 특성을 이용한 미세 패터닝 기술은 비싸고 복잡한 극자외선(EUV) 공정과는 달리 저렴하고 빠르게 대면적의 초미세 나노 패턴을 얻을 수 있어 차세대 나노 패터닝 기술로 각광받고 있다.

하지만 그 동안 블록공중합체를 활용해 나노패턴을 만드는 과정에서 구조적 결함을 제거하고 패턴을 정렬하는 데 있어 기술적 한계가 있었다. 블록공중합체를 10nm 이하로 제작할 경우 패턴 전사에 필요한 수직 배향(Orientation·특정 구조의 방향)이 어렵다는 한계가 있었다. 매번 임의의 고분자를 합성해서 각각 필름의 위와 아래에 도입해야 했다.

손 박사팀은 이런 한계를 극복하고 아주 쉽고 간단한 공정으로 어떤 형태의 블록공중합체라도 배향을 조절할 수 있는 방법을 개발했다.

연구진은 필터를 도입한 플라즈마 처리방법으로 낮은 에너지의 입자들만 통과, 고분자 필름과 물리적인 충돌만 일어나도록 함으로써 표면에 3~5nm 수준의 얇은 화학적 결합층을 형성했다.

연구진은 이런 공정을 블록공중합체 필름에 도입해 두 고분자가 잘 섞인 얇은 층을 만들고, 이 층이 자연적으로 아래의 블록공중합체와 중립적인 경계면을 형성하게 해 수직 배향을 갖게 만들었다. 이 공정은 다양한 종류와 모양의 블록공중합체뿐만 아니라 다양한 공정 조건 하에서도 모두 수직 배향 형성이 가능함을 보였다.

연구팀은 이번 기술을 통해 실제 반도체 공정에서 3차원 입체구조 트랜지스터로 사용되는 핀펫(FinFET)을 모사한 3차원 구조를 구현할 수 있었다. 또한 미세 화학 패턴 위에서도 결함이 거의 없는 10nm 이하의 수직 줄무늬 패턴을 형성할 수 있음을 보였다.

(a) 블록공중합체 박막의 표면 가교를 통해 수직 배향을 가지는 블록공중합체 나노구조를 제작하는 방법에 대한 모식도 (b) 아르곤 플라즈마를 이용하여 블록공중합체의 표면에 가교층을 도입하여 중성층을 제작하는 방법에 대한 모식도 (c) 배향이 조절된 블록공중합체 나노 구조의 SEM 이미지와 모식도 (PS-b-PMMA, PS-b-PDMS, P2VP-b-PS-b-P2VP, PS-b-P2VP : 본 연구에서 사용한 블록공중합체의 종류 Lamellae : 라멜라 구조 Cylinder : 실린더 구조 Thermal : 열처리를 통해 나노구조를 제작 Solvent : 솔벤트 처리를 통해 나노구조를 제작 ) [자료=KIST]

손 박사는 “이번 성과는 그 동안 난제로 여겨졌던 범용적으로 사용가능한 블록공중합체의 배향 조절 이슈를 아주 간단하게 해결했다”며 “이번 유도 자기조립을 통한 10nm 이하 패터닝 기술이 초미세 반도체 공정 기술로 실질적으로 적용되길 기대한다”고 말했다. 

kimys@newspim.com