서강대·삼성전자 연구진, 반도체 소재 성능 좌우하는 '열 이력' 규명

똑같은 탄화도라도 '열처리'가 소재 성능 가른다

고온·단시간 열처리로 표면 결함 줄여…국제 학술지 '폴리머 테스팅' 게재

[서울=뉴시스] 서강대 기계공학과 김상엽(왼쪽) 교수, 송진우 석박통합과정. (사진=서강대 제공) 2026.06.04. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 서강대학교는 기계공학과 김상엽 교수팀이 삼성전자와 산학 공동연구를 통해 차세대 반도체 초미세 공정 핵심 소재의 성능을 좌우하는 '열 이력(thermal history)'의 중요성을 규명했다고 4일 밝혔다.

이번 연구의 대상인 '스핀온카본(SOC·Spin-on Carbon) 하드마스크'는 반도체 초미세 공정에서 패턴을 아래층으로 정밀하게 전사하는 과정을 돕는 핵심 소재로, 표면 단차를 메우는 평탄화(planarization) 능력이 뛰어나다.

다만 기존의 화학기상증착(CVD) 방식으로 제작한 비정질 탄소막에 비해 부식에 버티는 성질이 약하다는 한계가 있어, 그동안의 연구는 주로 전구체(precursor)의 분자 구조 설계나 단순한 최종 열처리 온도 조절에 집중돼 왔다.

이에 연구팀은 최종 도달 온도뿐 아니라, 그 온도에 이르기까지 소재에 누적되는 '열 이력'이 최종 성능을 결정한다는 점에 주목했다. 이를 위해 3-성분 분산 활성화 에너지 모델(DAEM)을 구축해, 서로 다른 온도 조건에서도 이론적으로 동일한 탄화도(carbonization degree)를 달성하는 열처리 경로를 설계했다.

실험 결과, 박막 표면이 진공 챔버 내 잔류 산소에 노출되는 시간을 최소화한 '고온·단시간(700°C, 1분)' 열처리 방식이 탁월한 효과를 증명했다. 동일한 탄화도에 도달하는 기존의 '저온·장시간(650°C, 112분)' 공정과 비교했을 때, 식각 내성은 26.4% 향상하는 반면 표면 결함 밀도는 6.5% 감소시킨 것으로 나타났다.

이는 분광 분석을 통해, 열처리 시간이 길어질수록 표면 산화에 의한 손상이 지배적으로 작용하기 때문임을 입증한 것이다.

제1저자인 송진우 석박통합과정은 "하드마스크 탄화를 통한 성능 향상과 더불어 소재가 겪는 열처리 경로의 속도론적 중요성을 입증할 수 있어서 뜻깊다"며 "표면 산화와 벌크(Bulk) 탄화의 경쟁적 반응을 관리하는 것이 반도체 미세 공정의 생산성과 품질을 확보하는 가이드라인이 됐으면 좋겠다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 소재·고분자 분야 국제 학술지 '폴리머 테스팅(Polymer Testing)'에 게재됐다.


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