KAIST, AI 반도체 가공 새 길 개척···열쇠는 ‘나노 사포’

나노 사포 AI 생성 이미지 [이미지=KAIST]

[이뉴스투데이 김진영 기자] KAIST는 기계공학과 김산하 교수 연구팀이 머리카락보다 수만 배 가는 탄소나노튜브를 연마재로 활용한 ‘나노 사포’를 개발했다고 11일 밝혔다. 기존 반도체 제조 공정보다 표면을 더 정밀하게 가공하면서도, 공정 과정에서 발생하는 환경 부담을 줄일 수 있는 새로운 평탄화 기술이다.

사포는 표면을 문질러 매끄럽게 만드는 익숙한 도구지만, 반도체와 같이 극도로 정밀한 표면 가공이 필요한 분야에는 적용이 쉽지 않았다. 일반 사포가 연마 입자를 접착제로 붙이는 방식으로 만들어져, 미세한 입자를 고르게 고정하는 데 한계가 있기 때문이다.

반도체 산업에서는 이러한 한계를 보완하기 위해 연마 입자를 액체에 분산시킨 화학액, 이른바 슬러리를 사용하는 평탄화 공정(CMP, Chemical Mechanical Polishing)을 활용해 왔다. 하지만 이 방식은 추가적인 세정 공정이 필요하고, 폐기물이 많이 발생해 공정이 복잡하고 환경 부담이 크다는 단점이 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 사포의 개념을 나노 수준으로 확장했다. 탄소나노튜브를 수직으로 정렬한 뒤 폴리우레탄 내부에 고정하고, 표면에 일부만 노출시키는 방식으로 ‘나노 사포’를 구현했다. 이 구조는 연마재 이탈을 구조적으로 억제해 표면 손상 우려를 없앴으며, 반복 사용에도 안정적인 성능을 유지했다. 

이번에 개발된 나노 사포는 연마재 밀도 기준으로 상용 사포 가운데 가장 미세한 제품보다 약 50만 배 높은 수준을 구현했다. 사포의 정밀도는 표면에 연마 알갱이가 얼마나 촘촘히 배열돼 있는지를 나타내는 ‘연마재 밀도(입방수)’로 표현된다. 이 수치는 사포의 단위 면적당 연마 알갱이 수를 나타내는 지표로, 일상에서 사용하는 사포가 보통 40~3000 입방수인 데 비해 나노 사포는 10억(1,000,000,000) 이상의 입방수를 갖는다. 이처럼 극도로 촘촘한 구조를 통해, 표면을 수 나노미터, 즉 원자 몇 개 두께에 해당하는 수준까지 정밀하게 가공할 수 있었다.

실제 실험에서도 나노 사포의 효과가 확인됐다. 거친 구리 표면을 수 나노미터 수준까지 매끄럽게 가공할 수 있었으며, 반도체 패턴 평탄화 실험에서는 기존 CMP 공정과 비교해 디싱(dishing) 결함을 최대 67%까지 줄이는 결과를 보였다. 디싱 결함은 배선 중앙이 움푹 파이는 현상으로, HBM 등 첨단 반도체의 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 주요 결함이다.

특히 이 기술은 연마재가 사포 표면에 고정된 구조여서, 기존 공정처럼 슬러리 용액을 지속적으로 공급할 필요가 없다. 이에 따라 세정 공정을 줄일 수 있고 폐슬러리도 없어, 반도체 제조 공정을 보다 친환경적으로 전환할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 이 기술이 AI 서버에 사용되는 HBM과 같은 첨단 반도체 평탄화 공정과, 차세대 반도체 연결 기술로 주목받는 하이브리드 본딩 공정에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 일상적인 사포의 개념을 나노 정밀 가공 기술로 확장해, 반도체 제조에 필요한 원천기술 확보 가능성을 제시했다는 점에서도 의미가 크다.

김산하 교수는 “일상에서 흔히 사용하는 사포의 개념을 나노 수준으로 확장해 초미세 반도체 제조에 적용할 수 있음을 보여준 독창적인 연구”라며 “이 기술이 반도체 성능 향상뿐 아니라 친환경 제조 공정으로 이어지길 기대한다”고 말했다.