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[IT뉴스]AI 반도체 발열 정확히 본다…세계 최초 '나노 열영상 현미경' 개발

온카뱅크관리자

2025-11-27 12:07:30

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국기초과학지원연구원 
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 <img alt="주사 광학 탐침 열반사 현미경 사진. 외부 진동·환경 영향을 최소화하기 위해 아크릴 밀폐함을 적용했으며 확대 이미지에서 광섬유 탐침이 시료를 스캔하는 모습을 확인할 수 있다. KBSI 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/27/dongascience/20251127115951794xoao.png" data-org-width="680" dmcf-mid="2woinN9URG" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/27/dongascience/20251127115951794xoao.png" width="658">
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 주사 광학 탐침 열반사 현미경 사진. 외부 진동·환경 영향을 최소화하기 위해 아크릴 밀폐함을 적용했으며 확대 이미지에서 광섬유 탐침이 시료를 스캔하는 모습을 확인할 수 있다. KBSI 제공
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 인공지능(AI) 반도체의 초고집적·고전력 연산이 확대되면서 미세 반도체 발열 문제가 주요 이슈로 떠올랐다. 반도체 공정이 미세화될수록 발열 영역은 더 작고 복잡해져 기존 열영상 기술로는 문제 지점을 정확히 파악하기 어려웠다. 국내 연구진이 전자 소자 내부의 미세한 열 흐름을 나노미터(nm) 수준에서 관찰할 수 있는 초고분해능 열영상 기술을 개발했다.
 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 장기수 연구장비개발부 책임연구원팀이 동작 중인 100nm 선폭 전자 소자의 열분포를 직접 촬영할 수 있는 신개념 열영상 현미경 시스템 '주사 광학 탐침 열반사 현미경(SPTRM, Scanning-probe-based Thermoreflectance Microscopy)'을 27일 공개했다. 연구 결과는 국제학술지 'IEEE 계측 및 측정 회보'에 10월 31일 실렸다. 
 SPTRM은 시료에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 채택했다. 미세·취약 구조의 변형이나 손상 없이 열영상을 얻을 수 있다. 전기적 신호를 직접 검출하는 방식이 아닌 온도 변화에 따른 반사율 변화를 측정하는 광학 기반 기술로 소자 동작 시 흐르는 전류나 인가전압이 측정 신호에 간섭을 일으키는 전기적 영향을 원천적으로 차단한다.
 기존 적외선 현미경은 광학 회절한계로 인해 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)의 해상도에 머물러 미세 반도체의 실제 발열 구조를 구분하기 어려웠다. SPTRM은 광학 회절 한계를 뛰어넘기 위해 전단력 피드백 방식으로 50nm 개구부의 광섬유 탐침을 측정 시료 표면에 근접시켜 광섬유 개구부에서 나오는 빛의 회절을 최소화했다.
 회절한계는 빛이 물체 주변에서 퍼지는 회절 현상으로 인해 일반 광학 현미경이 빛의 파장보다 작은 구조를 선명하게 구분할 수 없는 근본적 해상도 한계를 말한다. 
 시료 표면에서 반사된 빛은 같은 광섬유를 통해 수집된다. 온도에 따른 반사 신호의 변화를 분석해 초고분해능 열영상을 얻었다. 연구팀은 동일한 광섬유로 빛을 조사·수광하는 구조를 세계 최초로 적용해 정렬 오차와 신호 손실을 크게 줄였다. 
 실험 결과 동일 조건에서 적외선 카메라로는 식별할 수 없었던 선폭 100nm 박막 발열체의 열분포를 SPTRM에서는 명확히 관찰하며 기술의 우수성을 입증했다.
 SPTRM은 시료 재질에 따라 최적 파장을 선택해 높은 민감도로 측정할 수 있어 순물질 및 화합물 반도체 소자 개발에서 폭넓게 활용 가능하다. AI 반도체·전력반도체·3D 적층 소자·메모리 소자 등의 미세 발열 특성을 분석해 반도체 공정 결함과 과열 원인을 기존보다 더 빠르고 정확하게 진단할 수 있다.
 마이크로 LED, 고주파(RF) 소자, 미세전자기계시스템(MEMS), 광자공학(Photonics) 소자 등 미세 발열 특성을 정밀하게 제어해야 하는 다양한 전자·광전자 소자 개발에도 활용할 수 있다.
 정문경 선임연구원은 "작고 복잡한 전자 소자의 열 문제를 눈으로 확인할 수 있게 됐다"며 "발열 원인을 조기에 찾아 소자의 고장 및 성능 감소 위험을 낮추고 에너지 효율을 높이는 데 도움이 될 것"이라고 밝혔다.
 장기수 책임연구원은 "소자에 닿지 않고 열분포를 이미징하기 때문에 안전하고 측정 신뢰도가 높다"며 "반도체 공정 불량 탐지, 전자기기 신뢰성 평가에 널리 쓰이길 기대한다"고 말했다. 또 "연구장비의 상용화 가능성도 높다고 판단해 관련 특허 출원도 완료했다"고 덧붙였다.
 [조가현 기자 gahyun@donga.com]
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