IBS "EUV 7나노 한계 깰 새로운 기술 개발"

펨토초 레이저 압축 장치. IBS 제공

[이데일리 이재운 기자] 국내 연구진이 반도체 제조 등에 활용하는 최신 기술인 극자외선(EUV) 기술로 지금보다 더 미세한 공정을 적용할 수 있도록 하는데 성공했다. 나노미터(nm) 단계에서 현재 상용화 단계를 넘어설 수 있는 기반을 마련했다는 설명이다.

27일 기초과학연구원(IBS)은 초강력 레이저과학 연구단 김경택 교수(GIST 물리광과학과) 연구진이 기존 물리 이론으로 설명되지 않은 새로운 극자외선 발생 경로를 규명했다고 밝혔다.

극자외선은 파장이 10~120nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m)인 빛을 말한다. 짧은 파장을 이용해 반도체 기판에 회로를 조밀하게 그려내는 극자외선 리소그래피(노광), 나노미터 해상도로 물질을 관측하는 극자외선 이미징에 활용된다. 또 극자외선을 쪼여 물질의 물성을 파악하는 분광학 연구에도 유용하게 사용된다.

극자외선을 다양한 분야에 활용하려면 빛 파장의 위상과 주파수가 같아 서로 간섭할 수 있도록 하는 결맞음성(Coherence)을 갖춰야 한다. 별개의 파장이 서로 보강하는 간섭이 일어나 강력한 빛을 생성할 수 있게 되기 때문이다.

지금까지는 이를 위해 ‘다중광자흡수(Multiphoton excitation)’ 현상이 유일한 방안으로 꼽혔는데, 현재 기술력으로는 7nm 수준까지만 가능했다.

연구팀은 이 방식 외에 다른 방식을 모색하던 중 광원에서 강력한 빛을 가하게 되면, 다중광자흡수 현상과 다른 새로운 경로로 극자외선이 발생한다는 사실을 발견했다. 1000조 분의 1초라는 찰나의 순간에 빛을 가하는 펨토초 레이저를 이용해 발생시킨 극자외선은 기존과 달리 레이저의 위상 변화에 따라 세기와 발생방향이 달라지는 특성을 보였다. 추가 실험을 통해 연구진은 ‘좌절된 터널링 이온화(Frustrated Tunneling Ionization; FTI)’현상으로 인해 이러한 극자외선이 발생한다는 점을 증명했다.

강력한 에너지를 가진 펨토초 레이저는 전자 하나 하나의 움직임을 조절할 수 있다. 연구진은 원자에서 완전히 분리된 전자들이 펨토초 레이저의 위상 변화에 따라 서로 보강하거나 상쇄하는 간섭 현상을 일으켰고, 이 때문에 FTI 극자외선의 세기와 발생 방향이 달라지는 것이라고 연구팀은 설명했다.

이를 활용하면 극자외선 발생 과정에서 광원의 세기를 고려한 개발이 가능해지고, 산업계에서 요구하는 더 강력한 극자외선 광원 개발도 가능해져 현재 최고 선폭인 7nm보다 더 가는 회로를 한 번의 노광으로 그려낼 수 있다고 설명했다.

김경택 교수는 “IBS 연구진이 개발해온 펨토초 레이저는 세계적으로도 극소수의 연구실만이 가지고 있는 최첨단 기술”이라며 “새로운 광원의 발견은 종종 새로운 학문분야의 탄생으로 이어지는 만큼 이번에 규명한 극자외선이 무궁무진한 관련 연구로 확장될 수 있으리라 기대한다”고 말했다.

연구성과는 광학 분야 세계적 권위지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics, IF 32.521) 9월 25일자에 게재됐다.