한양대학교 화학과 김두리 교수 연구팀이 기존 광학 현미경의 해상도 한계를 극복하고, 반도체 나노 결함을 초고해상도로 관찰할 수 있는 새로운 광학 이미징 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 광학·전자 현미경의 기술적 한계를 동시에 보완할 수 있는 새로운 검사 플랫폼으로 주목받고 있다.

초미세 공정 기술의 발전으로, 오늘날의 반도체는 머리카락보다 수천 배 얇은 나노 단위의 구조로 더욱 미세해졌다. 이러한 초미세 반도체 구조에서는 아주 작은 결함 하나도 전체 제품의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 하지만 현재 널리 사용되는 광학 현미경은 빛의 회절 한계로 인해 나노 구조 관찰이 어렵고, 전자현미경은 고해상도이지만 시간이 오래 걸리고 고비용이라는 제약이 있다.

김 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해, 반도체의 핵심 재료 중 하나인 실리카(SiO₂) 구조에 결함을 인위적으로 만들어 강한 발광 특성을 유도하는 방식의 이미징 기술을 개발했다. 전자빔(물리적 자극)과 티올 수용액(화학적 자극)을 결합해 실리카 구조 내 결함을 유도하고, 이를 이용해 기존 광학 장비로는 불가능했던 나노 단위 이미징을 실현한 것이다.

이 기술은 기존 광학 장비로는 구분이 어려웠던 수십 나노미터 크기의 실리카 패턴과 결함을 정밀하게 포착할 수 있다. 특히 ▲나노입자 ▲패턴 단절(line break) ▲박리(delamination) 등 다양한 결함 유형을 전자현미경보다 더 높은 민감도로 감지할 수 있는 것이 특징이다. 또한, 실리카 소재에만 선택적으로 반응하는 ‘재료 특이적(material-specific)’ 관찰이 가능하다는 점에서도 활용도가 높다.

김두리 교수는 “이번 연구는 광학 현미경의 해상도를 5배 이상 향상시켜, 나노 수준의 구조까지 선명하게 관찰할 수 있는 기술적 돌파구”라며, “향후 반도체뿐 아니라 바이오, 나노소재 분석 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업(우수신진연구지원사업)과 한국도레이과학진흥재단의 한국도레이펠로십의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 세계적 권위의 국제 학술지 「Journal of the American Chemical Society (JACS)」에 7월 25일 온라인 게재됐으며, 해당 논문 ‘Super-Resolution Imaging of Semiconductor Nanopatterns Using the Non-Bridging-Oxygen-Hole-Center-Based Photoluminescence Enhancement Effect’에는 홍리홍, 정의돈 연구원이 제1저자, 고가은 연구원이 참여저자로, 김두리 교수가 교신저자로 참여했다.