KBSI 주사 광학 탐침 열반사 현미경…"발열 분석·전자소자 개발 활용"
전자 소자 나노 열분포 초고해상도 포착 '열영상 현미경' 개발KBSI 주사 광학 탐침 열반사 현미경…"발열 분석·전자소자 개발 활용"
(세종=연합뉴스) 양영석 기자 = 국내 연구진이 전자 소자 내부의 미세한 열 흐름을 나노미터 수준에서 선명하게 관찰할 수 있는 초고분해능 열 영상 기술을 개발했다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 장기수 박사 연구팀이 동작 중인 100nm(나노미터, 10억분의 1미터) 선폭 전자 소자의 열 분포를 직접 이미지 처리할 수 있는 신개념 열 영상 현미경 시스템인 주사 광학 탐침 열 반사 현미경(Scanning-probe-based Thermoreflectance Microscopy, SPTRM) 개발에 성공했다고 27일 밝혔다.
연구팀이 개발한 SPTRM은 시료에 접촉하지 않는 비접촉 방식으로, 미세·취약 구조의 변형이나 손상 없이 열 영상을 얻을 수 있다.
또 전기적 신호를 직접 검출하는 방식이 아닌 온도 변화에 따른 반사율 변화를 측정하는 광학 기반이라서 소자 동작 시 흐르는 전류나 인가전압이 측정 신호에 간섭을 일으키는 전기적 영향을 원천적으로 차단할 수 있다.
최근 인공지능(AI) 반도체의 초고집적·고전력 연산이 확대되면서 미세 반도체의 발열 문제는 산업·사회 전반의 주요 이슈로 떠오르고 있다.
AI 칩은 연산 과정에서 순간적으로 많은 전력이 집중적으로 소비되며 상당한 열이 발생하는데, 이 열이 성능 저하와 오작동의 주요 원인이 된다.
반도체 공정이 미세화될수록 발열 영역은 더 작고 복잡해져 기존 기술인 적외선 현미경으로는 빛이 퍼지는 회절 현상으로 인해 문제 지점을 정확하게 파악하기 어려웠다.
이번에 개발한 SPTRM은 빛의 회절을 최소화했고, 빛의 온도에 따른 반사 신호의 변화를 분석해 초고분해능 열 영상을 얻을 수 있었다.
연구팀은 동일한 광섬유로 빛을 쪼이고 받는 구조를 세계 최초로 적용해 정렬 오차와 신호 손실을 크게 줄였고, 그 결과 나노미터급 발열체의 실제 열 분포 이미지 처리에 성공했다.
실제 실험 결과 동일 조건에서 적외선 카메라로는 식별할 수 없었던 선폭 100nm 박막 발열체의 열분포를 SPTRM에서는 명확히 관찰됐다.
해당 기술을 통해 AI 반도체·전력반도체·메모리 소자 등의 미세 발열 특성을 분석해 반도체 공정 결함과 과열 원인을 정확하게 진단할 수 있으며 궁극적으로 반도체 소자 개발 시간을 단축할 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다.
KBSI 정문경 박사는 "작고 복잡한 전자 소자의 열 문제를 눈으로 확인할 수 있게 됐다"며 "이 기술은 발열 원인을 조기에 찾아 소자의 고장 및 성능 감소 위험을 낮추고 에너지 효율을 높이는 데 도움이 된다"고 말했다.
youngs@yna.co.kr
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