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"기존 캔틸레버 방식의 원자현미경은 3D 측정이 가능하지만 탐침 마모가 심하고 속도가 느려 연구소용이나 샘플링 검사에만 활용되고 있습니다. 수정진동자(QTF) 기반 멀티헤드 원자현미경으로 이 같은 문제를 해결해 반도체 계측·검사 시장의 새로운 표준을 세우겠습니다."
제원호 멀티스케일인스트루먼트(MSI) 대표(서울대학교 물리·천문학부 명예교수)는 최근 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'와의 인터뷰에서 독자 개발한 수정진동자(QTF) 기반 멀티헤드 원자현미경을 설명하며 이렇게 밝혔다.
서울대 창업지원단의 'SNU 빅스케일업(Big Scale-up)' 2기 기업인 멀티스케일인스트루먼트는 최근 한국투자파트너스, 아이디벤처스, 기술보증기금, 서울대학교기술지주 등으로부터 시리즈A 투자를 유치하며 수정진동자(QTF) 기반 멀티헤드 원자현미경의 양산 팹(Fab) 검증과 상용화에 속도를 내고 있다.
◇ 반도체 3D 적층 시대 노린 차세대 원자현미경
AI(인공지능) 서비스 고도화로 대규모 연산 데이터를 빠르게 처리해야 하는 수요가 폭증하자 반도체 업계는 회로 선폭을 3나노미터(nm) 이하로 줄이는 극미세화와 함께 칩을 수직으로 쌓아 올리는 고대역폭메모리(HBM) 등 3D(3차원) 패키징 전환에 집중하고 있다. 제한된 면적에서 전력 효율과 데이터 전송 속도를 극대화하려는 전략이다.
문제는 칩을 수직으로 쌓는 공정 특성상, 평면을 내려다보는 기존 검사 장비로는 수직 단차나 결함을 잡아내기 어렵다는 점이다. 그동안 실제 양산 라인에서는 위에서 아래로 전자빔을 쏴 평면을 들여다보는 2D 주사전자현미경(CD-SEM)이나 광학 검사 장비가 주류로 쓰여왔다. 하지만 나노미터 단위의 수직 단차와 패턴 기울기를 파악하려면 3D 측정이 가능한 원자현미경이 필수적이다.
3D 측정이 가능한 캔틸레버 방식의 원자현미경이 개발됐지만 양산 라인 적용에는 구조적 한계를 안고 있었다. 이 원자현미경은 얇은 판 끝에 달린 미세 탐침으로 표면을 긁거나 두드리며 검사하는 방식인데 탐침이 웨이퍼에 끌려 들어가며 마모와 파손이 잦았다. 이 때문에 웨이퍼를 실시간 전수 검사하는 인라인 공정으로 적용하지 못하고 연구실이나 샘플링 검사 수준에 머물러 왔다.
제 대표는 "대형 팹은 캔틸레버 탐침 교체 비용만 매달 수억원 가까이 들어가고, 측정 속도도 느려 웨이퍼가 쏟아져 나오는 양산 라인 전수 검사에 쓰기엔 무리가 있다"며 "부품비 부담과 측정 신뢰성 문제 때문에 지금까지 글로벌 팹들이 본격적인 원자현미경 도입을 꺼려온 것"이라고 지적했다.
멀티스케일인스트루먼트는 디지털 시계 부품으로 쓰이던 수정진동자(QTF)의 '단단한 강도'를 이용해 이 같은 문제를 해결했다. 탐침이 쉽게 휘어져 웨이퍼에 달라붙던 기존 캔틸레버 방식과 달리 단단한 강도 덕에 웨이퍼 손상 없는 비접촉 측정이 가능하다. 탐침을 한달 이상 장기간 쓸 수 있는 데다 가격도 절반 이하로 부담이 적다.
여러 개의 원자현미경을 동시에 가동하는 멀티헤드 구조도 구현했다. 12인치 웨이퍼 위에서 8개의 계측 헤드가 각각 따로 움직이는 시제품을 완성했고, 헤드들이 서로 부딪히거나 신호 방해 없이 고해상도 이미지를 측정하는 실증 테스트를 마쳤다. 향후 16개, 최대 32개까지 헤드를 늘릴 계획이다. 8개 헤드만으로도 시간당 120장 이상의 웨이퍼를 검사할 수 있어, 양산 라인의 생산 속도를 늦추지 않고 전수 검사까지 소화할 수 있다는 것이 회사 측 설명이다.
◇ 챔버 내부 파고든 '집적형 원자현미경'도 개발
멀티스케일인스트루먼트 반도체 증착·식각·화학기계연마(CMP) 등 핵심 공정 장비 내부에 직접 결합할 수 있는 원자현미경도 개발하고 있다.
첨단 초미세 공정에서는 웨이퍼를 밖으로 꺼내는 순간 진공 상태가 깨지면서 공정 시간이 지연된다. 반면 장비 내부에 센서를 넣으면 웨이퍼를 꺼내지 않고도 식각 패턴의 기울기나 표면 결함을 바로 잡아낼 수 있다. 제 대표는 월 5만장 규모의 3nm 이하 양산 라인의 경우 불량을 조기에 막아 연간 400억~550억원에 달하는 손실을 줄이고, 6개월 안에 장비 도입 비용을 회수할 수 있다고 설명했다.
제 대표는 "공정 장비 챔버 안에 직접 센서를 넣는 집적형 원자현미경은 글로벌 시장에서도 경쟁자가 없는 독자적 영역"이라며 "현재 국내 주요 메모리 제조사를 비롯해 글로벌 반도체 장비사들과 기술 협의 및 샘플 평가를 추진하고 있다"고 밝혔다.
◇ "2027년 글로벌 팹 양산 라인 진입 목표"
멀티스케일인스트루먼트는 8인치와 12인치 웨이퍼를 모두 지원하는 연구·산업 겸용 모델인 '제우스 X(Jheus X)' 공급을 시작한 데 이어 연말에는 실제 양산 라인용 8헤드 시제품인 '크로노스(Chronos) V8'을 선보일 계획이다.
최근 확보한 시리즈A 투자금은 연구개발(R&D) 핵심인력 확충과 데모룸, 전용 조립시설 확장에 집중 투입할 예정이다. 글로벌 시장 진출도 본격화한다. 회사는 오는 2027년 1월 미국 라스베이거스에서 열리는 'CES 2027' 서울통합관에 참가해 멀티헤드 시제품을 공개하고 글로벌 반도체 고객사 확보에 나선다는 구상이다.
제 대표는 "세상을 바꾸는 혁신기술은 언제나 초기에 비현실적이라는 편견과 마주한다"며 "일론 머스크가 스페이스X 기술로 신형 로드스터를 만들 듯 결국 시장을 증명해 내는 것은 기술의 실체"라고 말했다. 그러면서 "수정진동자 기술력으로 기존 원자현미경의 한계를 넘어 차세대 AI 반도체 계측 시장을 선도하겠다"고 강조했다.