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Nikkei X-TECH_2023.12.27

나고야대학 발(發) 스타트업 Photo electron Soul, 전자총에 GaN
반도체 검사를 10배 빠르게

‘50년 만에 전자빔에 혁신을 불러일으킨다’. 이러한 목표를 내걸고 새로운 전자총 개발에 도전하고 있는 것은 나고야(名古屋)대학 발 스타트업 Photo electron Soul(나고야 시)이다. Photo electron Soul의 전자빔 시스템을 반도체 웨이퍼 검사 장치에 적용하면, 전자빔 스캔(주사) 속도를 최소 10배로 늘릴 수 있어 검사 시간이 대폭 단축될 것으로 전망된다고 한다. 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 질화갈륨(GaN)계 반도체이다.

전자빔은 전자현미경이나 반도체 검사장치 등에 이용된다. 그 전자빔을 내보내는 전자총은 전계방출(Field electron emission)형이라고 불리는 방식이 일반적이다. 이 방식이 실용화된 것은 약 50년 전. 성능은 조금씩 높아져 왔지만, 구조 자체는 거의 변하지 않아 최근에는 성능 향상의 여지가 적어지고 있다.

이러한 상황을 바꾸기 위해 Photo electron Soul은 나고야대학에서의 연구 성과를 바탕으로 2015년에 창업했다. 지금까지의 조달액은 누계 약 30억엔(2023년 9월 시점)이다.

-- 음극에 반도체 --
Photo electron Soul은 전자총의 음극(캐소드)에 반도체를 이용했다. ‘광전효과’를 이용해 전자를 방출시키기 때문에 ‘반도체 광음극(포토캐소드)’ 기술이라고 부른다. 광전효과는 물질에 빛을 조사했을 때 물질 내 전자가 방출되거나 전류가 흐르는 현상이다.반도체 광음극의 경우, 기능성 재료를 코팅한 음극 반도체에 그 밴드갭에 상당하는 파장의 빛을 조사하여 전자(광전자)빔을 출력한다.

반도체 광음극을 사용하면 기존의 전계방출형에 비해 10배 이상 밝은 전자빔을 조사할 수 있다. 구체적으로는, 검사 대상에 조사되는 전류량(전류 프로브)을 전계방출형에 비해 10배 이상으로 할 수 있다고 한다.

반도체 웨이퍼 검사 시에는 전자빔을 주사한다. 반도체 광음극형은 전자빔의 출력이 높기 때문에 전계방출형에 비해 10배의 속도로 전자빔을 주사할 수 있다. 반도체 웨이퍼 검사장치에 있어서 검사 시간의 대부분은 전자빔의 주사 시간이다. 즉, 주사 속도가 10배가 되면 검사 시간을 대략 10분의 1로 줄일 수 있다.

더 나아가 이 높은 출력의 전자빔을 복수로 분할하는 ‘멀티빔화’를 통해 검사대상에 대해 한번에 조사할 수 있는 빔의 수를 늘림으로써 검사를 더욱 고속화할 수 있다. 출력이 10배인 전자빔을 10개로 분할해 조사하면 검사 시간은 단순 계산으로 100분의 1이면 된다.

-- GaN 채택으로 수명 약 20배 --
이처럼 이점이 많은 반도체 광음극형이지만, 지금까지 크게 두 가지 과제가 있었다. 장치가 크다는 것과 수명이 짧다는 것이다.

장치가 커지는 원인 중 하나는 반도체 광음극에 코팅을 실시하는 부분과 전자빔을 방출하는 부분에 각각 진공 챔버가 필요했기 때문이다. 이를 해결하기 위해 Photo electron Soul은 코팅을 반복하는 프로세스를 컴퓨터로 제어할 수 있도록 해 진공 챔버를 일체화했다.

기존에는 사람이 수작업으로 코팅을 실시했다. 진공 챔버를 일체화한 결과, 기존의 반도체 광음극 방식에 비해 전자빔 시스템의 크기를 약 5분의 1로 줄일 수 있었다고 한다.

수명이 짧은 것은 음극에 갈륨비소(GaAs)계 반도체를 사용했기 때문이다. 그래서 Photo electron Soul은 이것을 GaN계 반도체로 전환. 이를 통해 수명이 약 20배로 늘어났다고 한다. Photo electron Soul은 GaN계 반도체를 사용하기 위해 GaN계 반도체의 청색 LED로 노벨 물리학상을 수상한 나고야대학의 아마노(天野) 교수 연구팀에 협력을 요청했다.

Photo electron Soul은 이미 장치 제조업체에 평가용 전자빔 시스템을 판매 중이다. 이 시스템을 양산기기로 제품화하는 것은 2024~2025년이 될 전망이다.

전자빔 시스템 사업을 본격화하기 위해 Photo electron Soul은 출자자인 우시오전기와 대리점 계약을 체결했다. 우시오전기가 가진 전 세계 판매망과 유지보수 체제를 활용할 방침이다.

반도체 검사 장치는 응용처 중 하나에 불과하며, Photo electron Soul은 전자현미경이나 가공기, 3D 프린터 등으로의 사업 전개도 시야에 넣고 있다.

<키워드>
전자빔: 전자를 전계 등으로 가속시킨 것이다. 전자현미경이나 반도체 검사장치, 가공기, 용접기, 3D프린터 등에서 이용된다. 선단이 바늘 모양의 음극에 강한 전계를 인가시키는 전계방출형이 일반적이다. 최근에는 음극에 반도체를 이용한 반도체 광음극형이 주목 받고 있다.

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