AI 반도체의 초고집적·고전력 연산이 확대되면서 미세 반도체 발열 문제가 성능 저하와 오작동의 주 원인으로 떠오른 가운데, 전자 소자 내부의 미세한 열 흐름을 나노미터(nm) 수준에서 직접 볼 수 있는 열영상 기술이 개발됐습니다.

한국기초과학지원연구원(KBSI) 연구장비개발부 장기수 박사팀은 동작 중인 선폭 100 nm(0.1 μm) 전자소자의 열분포를 직접 이미징할 수 있는 신개념 열영상 현미경 시스템인 주사 광학 탐침 열반사 현미경(SPTRM)을 개발했습니다.

SPTRM은 시료에 직접 닿지 않고 온도 변화에 따라 달라지는 빛의 반사율을 측정해 열영상을 얻을 수 있는 비접촉 방식입니다.

전류나 전압을 직접 측정하지 않아 전기적 간섭을 원천 차단할 수 있고, 미세·취약 구조를 손상시키지 않는 것이 강점이다.

기존 적외선 현미경은 광학 회절한계 때문에 수 나노미터(μm) 해상도에 머물러 미세 발열 구조를 구분하기 어려웠습니다.

반면 SPTRM은 전단력(튜닝 포크) 피드백 방식을 이용해 50 nm 개구부를 가진 광섬유 탐침을 시료 표면에 근접시켜 회절을 최소화하고, 같은 광섬유로 빛을 쏘고 반사 신호를 함께 수집하는 구조를 세계 최초로 적용해 정렬 오차와 신호 손실을 크게 줄였습니다.

이를 통해 적외선 카메라로는 보이지 않던 선폭 100 nm 박막 발열체의 실제 열분포를 선명하게 관찰하는 데 성공해 나노 규모 발열 구조 이미징 능력을 입증했습니다.

또 시료 재질에 따라 최적의 파장을 선택해 높은 민감도로 측정할 수 있어, 순수 및 화합물 반도체 등 다양한 소자 연구에 적용 가능합니다.

연구원은 이 기술을 통해 AI 반도체, 전력반도체, 3D 적층 소자, 메모리 소자 등에서 미세 발열 특성을 정밀 분석하고, 공정 결함·과열 원인을 보다 빠르고 정확하게 진단해 개발 기간 단축과 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

아울러 마이크로 LED, RF 소자, MEMS, 포토닉스 소자 등 미세 발열 제어가 중요한 전자·광전자 소자에도 활용 전망입니다.

장기수 박사는 "소자에 닿지 않고 열분포를 이미징하기 때문에 안전하고 신뢰도가 높다"며 "반도체 공정 불량 탐지와 전자기기 신뢰성 평가에 널리 쓰일 수 있고, 상용화 가능성도 높다고 판단해 특허 출원까지 마쳤다" 말했습니다.

KBSI 정문경 박사·한일규 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 측정/계측 장비 분야의 국제 학술지 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 10월 31일 자 온라인판에 실렸습니다.

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