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서울공대 이야기

나노테크놀로지 공정 기술

2004.07.29 06:45

lee496 조회 수:3474

 

나노테크놀로지 공정 기술


김 기 범

서울대학교 공과대학 재료공학부 교수


1. 서  언


21세기에 들어서 나노테크놀로지(Nanotechnology; NT)는 BT(Biotechnology; 생명 기술), IT(Information Technology;정보기술)와 더불어 차세대 산업을 이끌어 갈 핵심 기술의 하나로 대두되었으며, 작년에 미국의 National Nanotechnology Initiative Program(NNI)의 시작을 필두로 일본, 유럽 등 전 세계적으로 이 분야의 기술적 우위를 선점하기 위한 범국가적 연구 사업이 시작되었다.  우리 나라도 작년에 “테라급 나노소자 개발사업단”이 프론티어 연구 사업의 일환으로 시작되었으며, 극히 최근에는 범부처적인 나노테크놀로지 사업에 대한 종합적 연구 계획이 수립되어 내년부터는 본격적으로 연구사업이 실행될 예정으로 있다. 특히, NT는 재료 또는 기본 소자 기술로서, BT나 IT와 접목하여 보다 크게 미래 산업을 이끌 견인차 역할을 할 수 있다는 점에서, 그 중요성이 부각되고 있다.


일반적으로 나노테크놀로지는 물질을 나노미터의 수준에서 조절하여 형성함으로서 기존의 bulk재료에서는 볼 수 없는 새로운 기계적, 물리적, 화학적 성질을 유도하고, 이를 이용하여 새로운 소재 및 소자를 형성, 이용하거나 또는 단순히 물리적 크기가 작아짐으로서 얻을 수 있는 정보 저장 및 처리의 극대화를 이용하는 기술로 정의할 수 있다. 우리가 통상적으로 이해하고 있는 물질의 성질은 수많은 원자의 결합(1022 ~ 1023 #/cm3)에 의하여 나타나는 성질이므로, 이러한 거시적 수준에서 물질의 물리적, 화학적 성질은 물질 크기가 일반적인 원자 크기의 수십 배에 달하는 나노미터의 수준에서는 전혀 다른 특성을 표출하게 된다. 아울러, 기존의 반도체 집적 공정의 발달사에서도 볼 수 있듯이, 단위 면적 당 보다 많은 정보를 저장하고, 보다 빠르게 정보를 처리하기 위해서는 소자의 크기가 작아져야 하며, 이러한 의미에 있어서도 나노테크놀로지의 부각은 지난 40여 년간 지속되어 온 반도체 집적 공정의 발전 역사와 흐름을 같이 하는 기술 영역이다.


2. 나노테크놀로지의 핵심은 공정기술이다


나노테크놀로지는 궁극적으로는 나노 크기의 물체를 이용한 소재 및 소자와 관련이 있는 기술이지만, 이 기술의 핵심은 그 사용하는 물질에 있는 것이 아니라 임의의 물질을 나노 크기로 제어하여 형성하는 공정 기술의 개발에 있다. 즉, 인류의 문명 발달사는 크게 나누어 인류가 사용하는 소재와 공정 기술에 의하여 흔히 정의되는 데(문명사를 일반적으로 정의하는 방법의 하나는 인류가 어떠한 재료를 사용하였는가에 달려 있었다. 토기 문명, 석기 문명, 청동기 문명, 철기 문명으로 정의되는 문명사는 결국 인류가 어떠한 재료를 사용하였는가에 따라 정의됨을 볼 수 있다. 또한 석기 문명을 크게 나누어 구석기, 신석기 시대로 정의함은 공정의 개념이 들어간 것임을 알 수 있다.), 이러한 면에서 보면 나노테크놀로지는 어떠한 재료를 나노  크기의 수준으로 형성하고 그것의 성질을 이용한다는 관점에서, 결국은 공정 기술의 하나라고 정의 할 수 있다.


이러한 공정 기술의 개발에 대한 관점에서 나노테크놀로지 분야에서 흔히 이야기되고 있는 것은 두 가지 기술이 있는데, 이것은 top-down으로 통칭되는 기술과 bottom-up으로 통칭되는 기술이라 할 수 있다. 아래에서는 각 기술에 대한 간략한 설명과 연구 동향, 그리고 그 문제점에 대하여 고찰해 보고자 한다.



2-1. Top-down Approach:


이 기술은 벌크 형태의 물질(또는 2차원의 관점에서는 박막 형태의 필름)에서 시작하여, patterning과 etching 기술을 통해 나노 크기의 물질을 형성하는 방법이다.    이 방법은 종래의 반도체 집적 공정에서 통상 사용하는 방법의 연장선상에 있는 데, 이러한 방법은 patterning을 형성하는 방법에 의하여 다시 (a) 광학적 방법(optical lithography), (b) 전자빔(e-beam lithography)을 이용하는 방법, 그리고 (c) 탐침을 이용하는 방법(AFM(Atomic Force Microscopy) 또는 STM(Scanning Tunneling Microscopy) lithography)등으로 나누어 볼 수 있다. 먼저 광학적 방법을 이용하는 patterning 기술은 현재의 반도체 집적 공정을 형성하기 위하여 주로 사용되는 방법인데, 이 방법은 사용하는 빛의 파장에 의한 회절 한계(diffraction limit)에 의하여 나노미터 수준의 patterning을 형성하는 데에는 기본적인 한계를 갖고 있다.

현재의 반도체 집적 공정의 기술은 0.1 마이크로미터 수준의 크기를 형성할 수 있는 정도에 와 있으며, 앞으로도 EUV(Extreme Ultra Violet)등의 단파장 빔을 사용하여 보다 작은 크기의 patterning을 할 수 있는 기술이 개발 단계에 있다. 하지만, 궁극적으로 광학적인 방법을 사용하여 나노미터 수준의 patterning을 할 수 있는 기술은 개발되기 어려울 것으로 보는 것이 타당할 것이다. 전자빔을 이용하는 방법으로는 focussed e-beam을 scanning 하는 방법과 e-beam을 투영하여 mask의 영상을 기판에 투영하는 방법이 있다.  전자의 방식은 이미 많은 개발이 이루어져 있으나(7 나노미터 수준의 patterning이 가능), 나노미터 수준의 focussed e-beam을 scanning 하는 방식이기 때문에 궁극적으로 생산성에 문제가 있어, 현재는 optical lithography를 위한 mask의 제작 정도에 사용되고 있는 실정이다.  후자는 미국의 Bell-lab.(SCALPEL)과 IBM(PREVAIL)등에서 지난 10여 년간 개발이 이루어져 왔으나, 그 생산성의 문제에 있어 아직도 optical lithography 기술을 넘어서는 결과를 얻지 못하여, 아직도 중요한 시장을 형성하지 못하고 있다.  그러나, pattern 크기에 있어 이미 30 나노미터 수준을 달성할 수 있는 결과를 보여 주었기 때문에, 앞으로는 이러한 e-beam projection의 기술이 꾸준히 개발될 것으로 예상한다. 마지막으로, STM의 tip을 이용한 patterning 기술은 이미 나노미터 수준의 pattern이 가능함을 입증하였으나, 이 역시 생산성에 있어서는 근본적인 문제가 있어 큰 스케일의 wafer 상에 pattern을 형성하는 단계에는 이르지 못할 것으로 예상된다.


결과적으로 보면, patterning과 etching 방법을 이용하여 나노미터 수준의 소자를 실험실적으로 제작하는 것은 이미 가능한 일이다. 단지 이러한 기술이 보편화되기 위해서는 그 생산성을 현저하게 늘릴 수 있는 기술이 개발되어야 한다는 점이며, 바로 이 점이 나노테크놀로지가 궁극적으로 지향해야 하는 점이다.

2-2. Bottom-up Approach:


Bottom-up 기술이란 앞에서 이야기하는 top-down 방식의 기본적인 문제점을 인식하여, 새로운 방법으로 나노 크기의 입자를 형성하고 배열하는 제반의 방식을 의미한다. 즉, 자연에 존재하는 원자들 사이의 결합력을 이용하여, 나노미터 크기의 입자를 형성하고, 이러한 입자를 2차원 또는 3차원으로 배열하여 사용하는 방법을 통칭한다. 현재 연구가 되고 있는 방법들로는, 기상(vapor phase)에서 원자들의 homogeneous nucleation에 의한 입자 형성 방법, 또는 원하는 기판 위에서 heterogeneous nucleation에 의한 입자 형성 방법이 있으며, 또는 용액 내에서의 화학적 반응을 이용하여 입자를 형성하는 방법 등이 있다. 더 나아가서는 생명체의 복제 및 성장 과정이 주변의 원자들을 결합하여 고분자의 물질을 형성하는 과정이기 때문에 이것 역시 bottom-up 기술의 극한으로 보는 관점이 있다. 이 모든 bottom-up 기술의 장점은 위에서 언급한 top-down의 기술과 비교하여, 그 생산성에 있어서 현저한 장점이 있다는 것이다. 그러나, bottom-up 기술에서 해결되어야 하는 점은 형성된 입자 크기가 균일하지 않다는 문제와 그것을 2차원 또는 3차원으로 배열하려고 할 때, 자연적으로 생성되는 결함의 문제, 공간적으로 밀도가 균일하지 않다는 것(spatial density variation) 등이다. 이것은 다시 말하면, 이 방법에 의하여 제조된 소자 및 소재의 성질을 완전히 예측하기가 불가능하다는 점이다.


3. 결 언


본 논고의 결언을 맺기 위하여, 사진을 하나 첨부하였다 (Fig. 1).  이 사진은 고분해능 투과 전자 현미경을 사용하여 Si 단결정을 [110]축에서 관찰한 전자현미경 사진이다. 그림에서 보이는 각 점은 Si 원자 두 개의 image가 중첩되어 나타나는 것으로 점과 점 사이의 거리는 3Å(0.3nm) 정도이다. 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자의 크기는 우리가 잘 알고 있는 바와 같이 수Å(1Å= 0.1 nm) 정도이다. 자연에 있는 원자의 배열은 이처럼 완벽하나, 원자의 크기보다 10배정도 큰 입자를 생성하고 그것을 배열하여 사용하려는 인간의 기술(나노테크놀로지)은 아직도 초보적인 단계에 머무르고 있다.


 

Fig.1  Si 단결정을 [110]축에서 관찰한 고분해능 투과전자현미경 사진

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