한양대-SK하이닉스 산학협력 통한 차세대 반도체 신뢰성 기술 개발 성과

레이저로 정밀하게 측정하는 반도체 계면 접착력

“앞으로도 기계공학-반도체 간의 융합 이어 나갈 것”

한양대 김학성 교수팀, 이승환(이상 기계공학부) 교수팀이 SK하이닉스와의 산학협력을 통해, 반도체 계면 접착력을 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 기존 방식으로는 측정할 수 없었던 반도체 내부의 미세 계면 접착력을 ‘레이저 스폴레이션(Laser Spallation)’ 기법을 통해 정량화해, 차세대 반도체 공정의 신뢰성과 품질 향상의 기반을 마련했다.

계면 접착력, 반도체 신뢰성의 핵심

반도체 제품은 수백 겹의 미세한 층이 적층된 복잡한 구조로 돼 있다. 이에 각 재료 간의 계면 접착력은 장기 사용 중에 발생할 수 있는 박리와 결함을 방지하는 핵심 신뢰성 지표로 작용한다. 김 교수는 “반도체 공정 중이나 사용 중에 접착력이 약한 계면이 박리되면, 전체 제품의 고장으로 이어질 수 있다”며 “계면 접착력은 제품 성능은 물론 수명까지 좌우하는 중요한 항목이다”고 설명했다.

기존의 계면 접착력 측정 방식은 단순한 구조에서만 적용 가능한 기계적 방식으로, 반도체처럼 미세하고 복잡한 구조에서는 한계가 존재했다. 김 교수는 “기존 방식은 두 재료를 잡고 물리적으로 떼어내는 방식인데, 반도체 내부는 작고 깨지기 쉽다”고 설명했다. 이 교수는 “반도체 분야는 정확한 계면 측정 데이터를 확보하지 못한 채 공정을 진행할 수밖에 없었다”며 “이는 한쪽 눈을 감고 항해하는 일과 같았다”고 덧붙였다.

 

레이저 스폴레이션' 통한 정밀 측정의 실현

이번 연구의 핵심 기술은 ‘레이저 스폴레이션’이다. 이 기법은 실리콘 뒷면에 레이저를 조사해 압축파를 생성하고, 압축파가 실리콘을 관통하면서 박막 계면에 인장응력을 유도해 계면을 분리하는 원리이다. 김 교수는 “쉽게 말하자면 뒷면에서 힘을 가했을 때 앞면이 얼마나 저항할 수 있는지를 측정하는 것이다”며 “이 과정을 통해 계면 접착력의 수치화가 가능하다”고 설명했다.



연구팀은 레이저 스폴레이션 기법을 활용해, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성된 실리콘 산화막의 우수한 접착력을 입증했다. 이 교수는 “계면 형성 방식에 따라 접착력이 달라질 수 있다는 이야기가 많았지만, 이를 수치로 증명해 낸 연구는 드물었다”며 “이번 연구는 계면 접착력을 정량적 데이터로 입증했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.



긴밀한 산학 협력과 함께

이번 성과는 10여 년간 이어진 한양대와 SK하이닉스 간의 긴밀한 산학 협력을 바탕으로 이뤄졌다. 김 교수는 “레이저 스플레이션은 레이저와 역학적 해석 기술이라는 서로 다른 두 분야의 깊은 이해가 동시에 필요한 기술이다”며 “SK하이닉스와의 오랜 신뢰와 협업을 통해 도전적인 연구 목표를 이룰 수 있었다”고 말했다.



김 교수는 이번 성과의 전망에 대해 “레이저 스플레이션 기술은 모든 계면에 적용 가능한 기술이기에, 첨단 패키징과 글라스 기판 등에 활용하며 성과를 확대할 계획이다”며 “SK하이닉스 역시 공정 최적화 및 제품 신뢰성 확보의 실질적 도구로 활용할 것을 검토 중이다”고 말했다. 이 교수는 “제조 단계부터 계면 신뢰성을 점검할 수 있게 된 만큼, 이번 기술이 반도체 업계 전반에서 유용하게 활용될 수 있을 것이다”고 덧붙였다.

기계공학-반도체로 보는 융합의 힘



이번 연구는 전자공학이나 재료공학의 영역으로 여겼던 반도체 기술에 대해 기계공학이 중심적으로 기여한 대표 사례다. 김 교수는 “이번 성과는 기계공학이 반도체 기술에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 답이다”며 “전공 간 장벽을 넘나드는 융합이 핵심 경쟁력인 시대이다”고 강조했다.



한양대는 2022년부터 첨단반도체패키징센터를 설립해 운영하며, 기계·전자·전기·물리·재료공학 등 여러 분야의 교수진 간 활발한 융합 연구 성과를 이어가고 있다. 센터장을 맡고 있는 김 교수는 “한양대가 가진 융합 인프라와 산학협력을 통해, 반도체 분야에서의 활발한 융합 연구를 이어가겠다”고 말했다. 이 교수는 “세계 반도체 산업을 선도하는 핵심 기술 개발에 지속적으로 기여할 수 있게 노력하겠다”고 덧붙였다.



출처 : 뉴스H(http://www.newshyu.com)