한양대 김학성 교수팀, 이승환(이상 기계공학부) 교수팀이 SK하이닉스와의 산학협력을 통해, 반도체 계면 접착력을 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 기존 방식으로는 측정할 수 없었던 반도체 내부의 미세 계면 접착력을 ‘레이저 스폴레이션(Laser Spallation)’ 기법을 통해 정량화해, 차세대 반도체 공정의 신뢰성과 품질 향상의 기반을 마련했다.

반도체 제품은 수백 겹의 미세한 층이 적층된 복잡한 구조로 돼 있다. 이에 각 재료 간의 계면 접착력은 장기 사용 중에 발생할 수 있는 박리와 결함을 방지하는 핵심 신뢰성 지표로 작용한다. 김 교수는 “반도체 공정 중이나 사용 중에 접착력이 약한 계면이 박리되면, 전체 제품의 고장으로 이어질 수 있다”며 “계면 접착력은 제품 성능은 물론 수명까지 좌우하는 중요한 항목이다”고 설명했다.

기존의 계면 접착력 측정 방식은 단순한 구조에서만 적용 가능한 기계적 방식으로, 반도체처럼 미세하고 복잡한 구조에서는 한계가 존재했다. 김 교수는 “기존 방식은 두 재료를 잡고 물리적으로 떼어내는 방식인데, 반도체 내부는 작고 깨지기 쉽다”고 설명했다. 이 교수는 “반도체 분야는 정확한 계면 측정 데이터를 확보하지 못한 채 공정을 진행할 수밖에 없었다”며 “이는 한쪽 눈을 감고 항해하는 일과 같았다”고 덧붙였다.

이번 연구의 핵심 기술은 ‘레이저 스폴레이션’이다. 이 기법은 실리콘 뒷면에 레이저를 조사해 압축파를 생성하고, 압축파가 실리콘을 관통하면서 박막 계면에 인장응력을 유도해 계면을 분리하는 원리이다. 김 교수는 “쉽게 말하자면 뒷면에서 힘을 가했을 때 앞면이 얼마나 저항할 수 있는지를 측정하는 것이다”며 “이 과정을 통해 계면 접착력의 수치화가 가능하다”고 설명했다.

연구팀은 레이저 스폴레이션 기법을 활용해, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성된 실리콘 산화막의 우수한 접착력을 입증했다. 이 교수는 “계면 형성 방식에 따라 접착력이 달라질 수 있다는 이야기가 많았지만, 이를 수치로 증명해 낸 연구는 드물었다”며 “이번 연구는 계면 접착력을 정량적 데이터로 입증했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이번 성과는 10여 년간 이어진 한양대와 SK하이닉스 간의 긴밀한 산학 협력을 바탕으로 이뤄졌다. 김 교수는 “레이저 스플레이션은 레이저와 역학적 해석 기술이라는 서로 다른 두 분야의 깊은 이해가 동시에 필요한 기술이다”며 “SK하이닉스와의 오랜 신뢰와 협업을 통해 도전적인 연구 목표를 이룰 수 있었다”고 말했다.

김 교수는 이번 성과의 전망에 대해 “레이저 스플레이션 기술은 모든 계면에 적용 가능한 기술이기에, 첨단 패키징과 글라스 기판 등에 활용하며 성과를 확대할 계획이다”며 “SK하이닉스 역시 공정 최적화 및 제품 신뢰성 확보의 실질적 도구로 활용할 것을 검토 중이다”고 말했다. 이 교수는 “제조 단계부터 계면 신뢰성을 점검할 수 있게 된 만큼, 이번 기술이 반도체 업계 전반에서 유용하게 활용될 수 있을 것이다”고 덧붙였다.

이번 연구는 전자공학이나 재료공학의 영역으로 여겼던 반도체 기술에 대해 기계공학이 중심적으로 기여한 대표 사례다. 김 교수는 “이번 성과는 기계공학이 반도체 기술에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 답이다”며 “전공 간 장벽을 넘나드는 융합이 핵심 경쟁력인 시대이다”고 강조했다.

한양대는 2022년부터 첨단반도체패키징센터를 설립해 운영하며, 기계·전자·전기·물리·재료공학 등 여러 분야의 교수진 간 활발한 융합 연구 성과를 이어가고 있다. 센터장을 맡고 있는 김 교수는 “한양대가 가진 융합 인프라와 산학협력을 통해, 반도체 분야에서의 활발한 융합 연구를 이어가겠다”고 말했다. 이 교수는 “세계 반도체 산업을 선도하는 핵심 기술 개발에 지속적으로 기여할 수 있게 노력하겠다”고 덧붙였다.