POSTECH “꿀벌의 지혜, 반도체 세계에서도 필요하다”

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 김진곤 교수·강석원 박사 연구팀은 블록 공중합체(block copolymers, 이하 BCP)의 수소결합을 통해 고밀도 나노 구조를 만드는 데 성공했다. 

이번 연구는 그 우수성을 인정받아 미국 화학회에서 출판하는 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 보충표지논문(Supplementary Cover)으로 게재됐다.

작은 반도체 칩 안에 많은 부품과 회로를 효과적으로 담기 위해서는 나노미터(nm) 규모에서 패턴을 초고밀도로 배열하는 정교한 기술이 필요하다. 

매우 짧은 파장의 극자외선을 이용한 리소그래피(lithography) 공정은 미세한 패턴을 생성할 수 있지만 공정이 까다롭고 초기 투자와 유지보수 비용이 매우 크다는 한계가 있었다.

최근 들어 이러한 한계를 극복할 해결책으로 두 종류의 분자 블록이 결합된 BCP가 주목받고 있다. BCP는 블록 간 상호 작용을 통해 스스로 특정한 패턴의 나노 구조를 만드는 ‘자기조립’이 가능하다. 

이때, 부피 분율이 큰 블록은 매트릭스(바탕)가 되며 작은 블록이 특정한 나노 패턴을 형성한다. 즉, 부피 분율이 더 큰 블록이 스케치북이라면 나머지 블록이 그 위에서 원이나 선 등의 패턴을 그리는 펜이 되는 것이다.

하지만 부피 분율이 작은 블록이 패턴을 만드는 경우 패턴 간 간격이 넓어 초고밀도 패턴을 제조하기 어렵다. 

따라서 한정된 면적에서 고밀도 패턴을 형성하기 위해서는 부피 분율이 큰 블록이 나노 패턴을 형성하여야 하는데, 연구팀은 수소결합을 형성할 수 있는 두 가지 다른 BCP를 이용해 이러한 문제를 해결했다.

연구팀은 두 BCP의 분자량과 혼합 비율을 조절해 원형 단면이 아닌 정사각형 또는 육각형 패턴을 형성했다. 특히, 빈 공간이 거의 없이 촘촘하게 배열된 육각형 구조는 벌집구조처럼 주어진 공간을 최대로 활용할 수 있었다.

연구를 이끈 김진곤 교수는 “BCP를 사용하면 기존 공정에 비해 경제적일 뿐 아니라 정교하고 복잡한 나노 패턴을 빠르게 만들 수 있다”며 “이번 연구가 반도체의 성능을 향상시키는 연구에 큰 도움이 되길 바란다”고 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업, 리더연구창의연구자사업의 지원으로 수행됐다.