[더테크 이지영 기자]  스마트폰과 AI 서비스 성능을 좌우하는 핵심 요소 중 하나는 반도체 표면의 정밀도다. 표면이 미세하게라도 거칠면 전기적 특성과 신뢰성이 저하되기 때문이다. KAIST 연구진이 일상에서 사용하는 사포 개념을 나노 기술로 확장해, 반도체 표면을 원자 수준까지 균일하게 가공할 수 있는 새로운 평탄화 기술을 개발했다.

KAIST는 기계공학과 김산하 교수 연구팀이 탄소나노튜브를 연마재로 활용한 ‘나노 사포’ 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 머리카락보다 수만 배 가는 탄소나노튜브를 수직 정렬한 뒤 폴리우레탄 내부에 고정하고 일부만 노출시키는 구조로, 기존 연마 공정의 한계를 극복한 것이 핵심이다.

기존 반도체 제조에서는 화학적 기계 연마(CMP) 공정을 활용해 표면을 평탄화한다. 연마 입자를 슬러리 형태로 분산시켜 사용하는 방식으로, 세정 공정이 복잡하고 폐슬러리 발생 등 환경 부담이 크다는 문제가 있었다. 또한 입자 분산 구조 특성상 연마재 탈락과 표면 손상 위험이 존재했다.

연구팀이 개발한 나노 사포는 연마재를 구조적으로 고정해 이러한 문제를 해결했다. 특히 연마재 밀도는 상용 사포 대비 약 50만 배 높은 수준을 구현했다. 일반 사포의 입방수가 40~3000 수준인 반면, 나노 사포는 10억 입방수 이상을 달성했다. 이 초고밀도 구조 덕분에 표면을 수 나노미터, 즉 원자 몇 개 두께 수준까지 정밀하게 가공할 수 있다.

실험 결과도 의미 있는 성과를 보여줬다. 거친 구리 표면을 나노미터 수준까지 매끄럽게 가공했으며, 반도체 패턴 평탄화 실험에서는 CMP 대비 디싱 결함을 최대 67% 감소시켰다. 디싱은 배선 중앙이 움푹 파이는 현상으로 HBM과 같은 고성능 반도체의 신뢰성을 저하시킬 수 있는 주요 결함이다.

환경 측면에서도 장점이 크다. 연마재가 사포 표면에 고정돼 슬러리 공급이 필요 없고, 세정 공정과 폐기물 발생을 줄일 수 있어 친환경 반도체 제조 공정으로의 전환 가능성을 제시한다.

연구팀은 이번 기술이 AI 서버용 HBM과 차세대 하이브리드 본딩 공정 등 초정밀 반도체 제조에 적용될 것으로 기대하고 있다. 김산하 교수는 “일상적인 사포 개념을 나노 정밀 가공 기술로 확장한 독창적 연구”라며 “반도체 성능 향상과 친환경 제조로 이어지길 기대한다”고 밝혔다.