플라즈마 히스테리시스의 증명 결과 (측정, 이론, 모델링)

국내 연구진이 어떤 물질이 거쳐 온 과거가 현재 상태에 영향을 주는 히스테리시스(Hysteresis) 문제를 해결했다. 반도체나 디스플레이 공정에서 품질을 저하시키는 고질적 문제가 해결됨에 따라 생산에 가속도가 붙을 것으로 기대된다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)은 이효창 반도체측정장비팀 선임연구원이 50여 년 동안 학계에서 풀리지 않던 플라즈마 히스테리시스(이력(履歷)현상)의 원인을 밝히고 이를 제어하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

플라즈마(Plasma)는 전자, 이온, 그리고 중성기체(활성종)로 구성된 이온화된 기체를 의미한다. 전기적으로 준중성(quasi-neutral)이며 집단행동(collective behavior)을 하는 특성을 지니고 있다. 고체, 액체, 기체 이외의 ‘제4의 물질상태’라고도 불린다.

특히 반도체 디스플레이 분야에서 주목을 받고 있는데 이는 플라즈마가 소자의 증착·식각·세정 등 가공 공정 전반에 활용돼 집적도를 향상시키기 때문이다.

플라즈마에서 생성된 이온이 가속돼 표면에 입사하면 비등방성 식각이 가능하며, 이온과 활성종의 시너지 효과에 의해 식각률이 극적으로 증진된다.

플라즈마 기술로 식각률이 증진되면서 소자의 집적도가 향상되었고, 차세대 3차원 구조 반도체인 3D 낸드플래시메모리, 3D D램, 핀펫 등이 탄생했다.

최근에는 식각뿐만 아니라 세척 공정 장비로도 사용하며 핵융합 구성 장치, 우주선 추진체, 대기 환경 정화 및 에너지 산업 등 다양한 분야에서 활발하게 활용되고 있다.

하지만 소자 공정중 그때그때 요구하는 플라즈마의 조건이 다르고, 이과정에서 플라즈마의 상태가 원하는 조건으로 바뀌지 못하고 과거에 의존하는 ‘히스테리시스’가 발생하곤 했다.

플라즈마 히스테리시스가 발생하면 소자 성능 및 수율에 치명적인 악영향을 미치지만, 지금까지는 이에 대한 원인조차 알 수 없었고, 다시 원하는 결과가 나올때 까지 설정을 변경하는 방법이 최선이었다.

플라즈마 히스테리시스를 해결하고자 1900년도 후반부터 수많은 이론적, 실험적 연구들이 시도되었지만 주된 원인을 밝혀내지 못해 플라즈마 물리학계의 난제로 남아있었다.

이에 이효창 선임연구원은 정밀 측정법을 이용, 히스테리시스의 원인이 플라즈마 내 전자에너지 분포에 의한 차이라는 사실을 최초로 입증했다.

이번 결과는 수십 년간 축적된 KRISS의 정밀측정기반 연구를 바탕으로 플라즈마 히스테리시스에 대한 이론을 정립한 다음, 이론에 대한 모델링 및 실험을 통해 입증된 성과이다.

연구원은 한 발 더 나아가 특정 비활성 기체를 주입하거나 생산장비의 외부 조건을 변경시키는 방법을 고안, 최적화된 공정에서 안정적으로 플라즈마를 사용할 수 있는 독자적인 제어기술을 개발했다.

이효창 선임연구원은 “우리나라는 명실상부한 반도체와 디스플레이 강국이지만, 수십억원이 넘는 고부가가치의 첨단장비는 전량 수입에 의존하고 있다”며 “국산화에 이바지할 수 있는 차세대 공정장비 핵심기술을 통해 소자기술에만 집중된 국내 반도체 산업의 불균형을 해소하겠다”라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 응용물리분야의 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews-IF: 13.667)에 3월 게재된 초청 총설논문(Invited Review Article)으로 게재됐다.