한국표준과학연구원 반도체측정장비팀 이효창 선임연구원이 50여 년 동안 풀리지 않던 플라즈마 히스테리시스의 원인을 밝혀내고 제어하는 데 성공했다.

(Hysteresis, 이력(履歷)현상)이란 어떤 물리량이 그 때의 물리조건만으로 일의적으로 결정되지 않고, 그 이전에 그 물질이 경과해 온 과정에 의존(history-dependent)하는 현상이다. 플라즈마 히스테리시스는 자성체, 탄성체, 전자소자, 플라즈마 등에서 널리 관측되고 있다.

플라즈마 히스테리시스 문제 해결로 반도체나 디스플레이 공정에서 품질을 저하시키는 고질적 난제가 해결됨에 따라 생산에 가속도가 붙을 것으로 기대된다.

플라즈마는 전자, 이온, 활성종의 제어가 가능하여 핵융합에서부터 환경, 항공우주, 바이오 및 의학까지 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다.

특히 최근에는 첨단기술의 집약체인 반도체와 디스플레이 분야에서 진가를 발휘하고 있는데, 소자의 증착ㆍ식각ㆍ세정 등 가공 공정 전반에 활용되어 집적도를 향상시켰기 때문이다.

하지만 완벽에 가까워 보이는 플라즈마도 예상치 못한 현상을 초래했다.

소자 공정은 그때그때 요구하는 플라즈마의 조건이 다르며, 이 과정에서 ‘유도결합 플라즈마 장비’의 전력 외부 변수를 조절한다. 문제는 전력을 조절해도 플라즈마의 상태가 원하는 조건으로 바뀌지 못한 채 과거에 의존하는 히스테리시스가 발생한다는 것이다.

플라즈마 히스테리시스가 발생하면 소자 성능 및 수율에 치명적인 악영향을 미치지만, 지금까지는 이에 대한 원인조차 알 수 없었던 것이 사실이다.

다만 원하는 플라즈마 상태 및 공정 결과가 나올 때까지 시행착오를 반복하며 설정을 변경하는 방법만이 최선이었다.

플라즈마 히스테리시스를 해결하고자 1900년도 후반부터 수많은 이론적, 실험적 연구들이 시도되었지만 주된 원인을 밝혀내지 못해 플라즈마 물리학계의 난제로 남아있었다.

이효창 선임연구원은 정밀 측정법을 이용, 히스테리시스의 원인이 플라즈마 내 전자에너지 분포에 의한 차이라는 사실을 최초로 입증했다.

이번 결과는 수십 년간 축적된 표준연의 정밀측정기반 연구를 바탕으로 플라즈마 히스테리시스에 대한 이론을 정립한 다음, 이론에 대한 모델링 및 실험을 통해 입증된 성과이다.

연구원은 한 발 더 나아가 특정 비활성 기체를 주입하거나 생산장비의 외부 조건을 변경시키는 방법을 고안, 최적화된 공정에서 안정적으로 플라즈마를 사용할 수 있는 독자적인 제어기술을 개발했다.

플라즈마 제어기술을 통해 고품질의 소자를 안정적으로 생산하고, 장비를 최적화하는 원천기술까지 확보할 수 있기 때문에 반도체 시장의 양대 산맥인 소자ㆍ장비 산업이 동반성장할 수 있다.

이효창 선임연구원은 “우리나라는 명실상부한 반도체와 디스플레이 강국이지만, 수십억원이 넘는 고부가가치의 첨단장비는 전량 수입에 의존하고 있다”며 “국산화에 이바지할 수 있는 차세대 공정장비 핵심기술을 통해 소자기술에만 집중된 국내 반도체 산업의 불균형을 해소하겠다”라고 말했다.

이번 연구결과는 응용물리분야의 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews–IF: 13.667)에 3월 게재된 초청 총설논문(Invited Review Article)이다.