더 작고 빠르고 싸게…美연구진, 차세대 마이크로칩 기술 개발

미국 존스홉킨스대 연구진이 스마트폰, 자동차, 항공기 등 각종 전자기기에 쓰이는 마이크로칩을 더 작고 빠르며 저렴하게 만들 수 있는 새로운 소재와 공정을 개발했다./존스홉킨스대

미국 연구진이 스마트폰, 자동차, 항공기 등 각종 전자기기에 쓰이는 마이크로칩을 더 작고 빠르며 저렴하게 만들 수 있는 새로운 소재와 공정을 개발했다. 앞으로 차세대 반도체 제조에 적용돼 전자기기 성능 향상과 비용 절감에 도움을 줄 것으로 기대된다.

미국 존스홉킨스대 연구진은 “육안으로 보이지 않을 만큼 작은 회로를 정밀하고 경제적으로 찍어낼 수 있는 방법을 찾았다”고 국제 학술지 네이처 케미컬 엔지니어링(Nature Chemical Engineering)에 11일(현지 시각) 발표했다.

연구를 이끈 마이클 차팟시스(Michael Tsapatsis) 화학생체분자공학과 교수는 “기업들은 10~20년 뒤 더 작고 정교한 칩을 만들기 위한 로드맵을 갖고 있다”며 “생산 라인에서 재료를 빠르고 정밀하게 조사해 경제적으로 더 작은 구조를 만드는 공정을 찾는 것은 큰 난제였다”고 말했다.

마이크로칩은 얇은 실리콘 판(웨이퍼) 위에 회로가 새겨져 기본적인 연산 기능을 수행한다. 보통은 웨이퍼 위에 ‘레지스트(resist)’라는 얇은 막을 입히고, 여기에 빛을 쏘아 화학 반응을 일으켜 전기가 흐르는 길과 소자가 놓일 회로를 만든다.

문제는 회로를 더 작게 만들수록 훨씬 강력한 빛(방사선)이 필요한데, 기존 레지스트는 방사선에 충분히 반응하지 못했다는 점이다. 필요한 고성능 레이저 장비는 이미 있지만, 그에 맞는 새로운 재료와 공정이 없었던 것이다.

초극자외선(B-EUV) 리소그래피를 사용하여 생성된 큰 가시 패턴이 있는 10cm 실리콘 웨이퍼./존스홉킨스대

존스홉킨스대 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속과 유기물을 섞어 만든 새로운 레지스트를 개발했다. 특히 차세대 빛인 ‘초극자외선(B-EUV)’에 반응하는 레지스트를 만들어, 현재 반도체 공정에서 만들 수 있는 가장 작은 회로 크기인 10나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m)보다 더 작은 회로 패턴을 구현할 수 있게 했다. 예를 들어 아연(zinc) 같은 금속은 B-EUV 빛을 흡수해 전자를 내보내고, 이 전자가 유기물과 반응해 회로 패턴을 새기는 ‘스위치’ 역할을 한다.

또한 연구팀은 ‘화학적 액상 증착(CLD)’이라는 새로운 방식으로 이 레지스트를 실리콘 웨이퍼 위에 균일하고 정밀하게 입히는 데도 성공했다. 이 방식은 다양한 금속과 유기물을 빠르게 조합해 실험할 수 있어, 앞으로 수많은 새로운 조합을 시험해볼 수 있다.

차팟시스 교수는 “이 화학에는 최소 10가지 금속과 수백 가지 유기물을 활용할 수 있다”며 “앞으로 10년 안에 반도체 제조에 실제로 쓰일 가능성이 크다”고 전망했다. 그는 또 “빛의 종류마다 금속이 반응하는 방식이 달라서, 기존 극자외선(EUV)에서는 별로였던 금속도 B-EUV에서는 훌륭한 후보가 될 수 있다”며 “아연이 대표적인 사례”라고 설명했다.

참고 자료

Nature Chemical Engineering(2025), DOI: https://www.nature.com/articles/s44286-025-00273-z

염현아 기자(yeom@chosunbiz.com)

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