KAIST 연구진이 일상에서 쓰는 사포 개념을 나노 기술로 확장해 반도체 표면을 원자 수준까지 균일하게 가공할 수 있는 ‘나노 사포’를 개발했다. 고대역폭 메모리(HBM) 등 첨단 반도체 공정에서 표면 품질과 가공 정밀도를 동시에 끌어올릴 수 있는 원천기술로 주목된다.
KAIST는 기계공학과 김산하 교수 연구팀이 머리카락보다 수만 배 가는 탄소나노튜브(CNT)를 연마재로 활용한 나노 사포를 구현했다고 11일 밝혔다. 기존 반도체 평탄화 공정(CMP)은 연마 입자를 화학액 슬러리에 분산해 사용하는 방식이어서 추가 세정 공정이 필요하고 폐기물이 많이 발생하는 단점이 있다. 연구팀은 연마재를 사포 표면에 구조적으로 고정하는 방식으로 슬러리 의존도를 낮추고 환경 부담을 줄일 수 있는 평탄화 경로를 제시했다.
나노 사포는 탄소나노튜브를 수직으로 정렬한 뒤 폴리우레탄 내부에 고정하고, 표면에 일부만 노출시키는 구조를 채택했다. 이 방식은 연마재 이탈을 억제해 표면 손상 우려를 낮추고 반복 사용에서도 안정적인 성능을 유지하도록 설계됐다. 연마재 밀도(입방수) 기준으로 상용 사포 중 가장 미세한 제품 대비 약 50만 배 높은 수준을 구현한 점도 특징이다. 일상 사포가 40~3000 입방수 수준인 데 비해, 나노 사포는 10억(1,000,000,000) 이상의 입방수를 갖는다.
실험 결과도 제시됐다. 거친 구리 표면을 수 나노미터, 즉 원자 몇 개 두께 수준까지 매끄럽게 가공했으며, 반도체 패턴 평탄화 실험에서는 CMP 대비 디싱(dishing) 결함을 최대 67% 줄이는 결과를 보였다. 디싱 결함은 배선 중앙이 움푹 파이는 현상으로 HBM 등 첨단 반도체의 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 주요 결함으로 꼽힌다. 연구팀은 나노 사포가 슬러리를 지속 공급할 필요가 없는 구조여서 세정 공정 축소와 폐슬러리 저감에 도움이 될 수 있다고 설명했다.
연구 결과는 국제 학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials에 2026년 1월 8일 온라인 게재됐고, 제31회 삼성휴먼테크논문대상 기계공학 분과 금상(1위)도 수상했다.
김산하 KAIST 기계공학과 교수는 “일상에서 흔히 사용하는 사포의 개념을 나노 수준으로 확장해 초미세 반도체 제조에 적용할 수 있음을 보여준 독창적인 연구”라며 “이 기술이 반도체 성능 향상뿐 아니라 친환경 제조 공정으로 이어지길 기대한다”고 밝혔다.
헬로티 김재황 기자 |
