상온에서 전자빔을 이용해 반도체 칩 소재에 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 미세 패턴을 직접 새기는 신기술이 개발됐다.
미국 라이스대학교 연구팀은 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 이 같은 내용의 연구 결과를 21일(현지시간) 발표했다. 연구팀은 특정 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 '이방성'을 가진 삼산화 몰리브덴 결정에 전자빔을 쏘아 나노 크기의 주름 패턴을 만드는 데 성공했다.
연구팀은 반도체 칩의 주재료인 실리카 위에 얇은 삼산화 몰리브덴 결정층을 올렸다. 이후 전자빔을 쏘자 결정이 스트레스를 받아 변형되면서 아래쪽 실리카를 부드럽게 만들고 동시에 미세한 주름 패턴을 형성했다.
이해연 라이스대 재료과학·나노공학과 조교수는 "전자빔 아래에서 실리카의 원자 결합이 재배열될 수 있지만, 스스로 변형되지는 않는다"며 "삼산화 몰리브덴을 스트레스원으로 활용하는 아이디어를 적용했다"고 설명했다.
이렇게 생성된 나노 주름은 사람 머리카락보다 훨씬 가늘며, 빛을 구부리거나 분산시키는 '광학 격자' 역할을 할 수 있다. 이는 전자 신호와 빛 신호를 함께 처리하는 차세대 광전자 소자나 광학 반도체 칩 개발을 앞당길 수 있다.
기존의 기계적 스트레스 기반 패터닝 기술은 단단한 소재에 적용할 경우 균열이나 결함이 생기기 쉬웠다. 이번에 개발된 기술은 복잡한 공정 없이 상온에서 단 한 번의 단계로 패턴을 만들 수 있는 것이 장점이다.
이 조교수는 "화학 처리 과정에서 칩 표면에 잔여물이 남을 수 있는 기존 방식과 달리 공정이 단순하고 비용이 저렴하다"고 강조했다. 패터닝 작업이 끝난 후 삼산화 몰리브덴 층은 실리카에서 간단히 떼어낼 수 있다.
연구팀은 산화알루미늄, 질화규소 등 다른 절연 재료에서도 비슷한 효과를 확인했다. 이는 해당 기술이 기존 반도체 제조 공정에 폭넓게 적용될 수 있음을 시사한다.