한국전기연구원(KERI, 전기연)은 전기물리연구센터 장성록 박사팀이 반도체 초정밀 공정에서 활용될 수 있는 '바이어스용 맞춤형 펄스 전원(Tailored Pulse Power modulator for bias) 기술'을 개발했다고 15일 밝혔다.

바이어스 장치는 플라스마 내부 이온이 반도체 웨이퍼에 세게 충돌할 수 있게 끌어당기는 힘(전압)을 주는 역할을 한다.

이를 통해 표면을 깎고(식각), 오염물을 씻고(세정), 얇은 박막을 균일하고 단단하게 눌러주는(증착) 공정을 수행한다.

현재 산업계에서는 바이어스 전압을 걸기 위해 고주파(RF) 전원을 주로 활용하는데, 파형이 단순하게 위·아래로만 계속 바뀌어 미세공정에서 정밀성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 까다롭고 복잡한 공정에서도 맞춤형으로 바이어스 전압을 줄 수 있는 펄스 전원에 주목했다.

펄스 전원은 오랜 시간 낮은 전력으로 에너지를 충전한 뒤 높은 전력으로 순간 방전하는 기술이다.

펄스의 힘을 잘 조절하면 반도체 기판을 원하는 만큼 좁고 깊게 깎을 수 있어 다양한 공정에서 활용할 수 있다.

장성록 박사팀은 펄스를 내보낼 때 발생하는 전력 손실을 줄이기 위해 '소프트 스위칭'(soft switching) 기법을 도입했다.

이 기술은 스위치 전압이나 전류가 0에 가까운 지점에서 스위칭될 수 있게 고안돼 소자가 받는 스트레스를 줄이고 전력 손실을 78% 이상 저감시킨다.

이는 발열 문제 해결로도 이어져 전원장치의 규모 축소, 전력 밀도(부피 대비 출력) 상승, 수명 증가에도 기여한다.

연구팀은 이밖에도 콤팩트하고 세밀한 공정을 가능하게 하는 기울어진 선 형태의 '경사형' 방식, 반도체 공정에서 요구하는 다양한 모양을 구현하는 '계단형' 방식까지 모두 보유한 맞춤형 펄스 전원 기술을 개발했다.

이는 반도체는 물론 환경, 국방, 의료 등 펄스 전원이 필요한 기타 산업에도 적용할 수 있는 수준이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 향후 한국핵융합에너지연구원과 공동연구에 나서 실제 식각·세정 장비에 맞춤형 펄스 전원을 적용하는 등 기술 상용화를 추진해 나갈 계획이다.

장성록 박사는 "맞춤형 펄스 전원을 이용한 공정 혁신은 반도체의 성능을 향상시킬 것"이라며 "이 기술이 우리가 사용하는 전자기기를 더 작고 빠르고 오래가도록 만들 것으로 기대한다"고 말했다.