반도체 공정용 ‘맞춤형 펄스 전원’ 개발

반도체 초미세 공정의 정밀도를 높일 수 있는 새로운 전원 기술이 국내에서 개발됐다. 한국전기연구원(KERI) 전기물리연구센터 장성록 박사 연구팀은 반도체 가공 과정에서 이온의 충돌 강도를 정밀하게 제어할 수 있는 ‘바이어스용 맞춤형 펄스 전원(Tailored Pulse Power modulator for bias)’을 선보였다.


새로 개발한 전원 기술은 기존 고주파(RF) 방식의 한계를 극복했다. RF 전원은 단순한 위·아래 파형만 제공해 미세 패턴 형성 과정에서 정밀도가 떨어졌다. 반면 펄스 전원은 낮은 전력을 충전한 뒤 순간적으로 고전력을 방전해 원하는 깊이와 모양의 식각을 구현할 수 있다.

그러나 초당 40만 회(400kHz)까지 방전해야 하는 반도체용 펄스 전원은 전력 손실과 발열 문제가 심각했다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 스위치 전압·전류가 ‘0’에 가까운 지점에서 동작하는 ‘소프트 스위칭’ 기법을 세계 최초로 적용했다. 그 결과 전력 손실을 78% 이상 줄이고, 발열을 억제해 장비 소형화와 전력 밀도 향상, 수명 연장을 동시에 달성했다.


또한 경사형(기울어진 선형 파형)과 계단형(단계적 파형) 두 가지 맞춤형 펄스 방식을 모두 구현해 식각·세정·증착 등 복잡한 반도체 공정에 폭넓게 적용할 수 있도록 했다. 해당 기술은 환경·국방·의료 등 펄스 전원이 필요한 다른 산업 분야에도 활용 가능성이 있다.

연구팀은 한국핵융합에너지연구원의 플라즈마 지능화 융합연구단과 협력해 반도체 공정 챔버 내에서 실증을 진행했고, 실제 장비 적용 가능성을 확인했다. 앞으로 한국기계연구원, 한국핵융합에너지연구원과의 공동 연구를 통해 상용화를 추진할 계획이다.

장성록 박사는 “맞춤형 펄스 전원은 반도체 성능 향상과 공정 혁신을 동시에 이끌 수 있는 기반 기술”이라며 “차세대 공정 진입에 어려움을 겪는 기업들에게 실질적인 대안이 될 것”이라고 말했다.

KERI는 관련 특허를 확보했으며, 산학연 협력과 기술 이전을 통해 반도체를 비롯한 다양한 산업 공정에 적용 범위를 넓혀간다는 방침이다.