반도체 생산 전력 95% 줄이는 핵심 소재 개발

ETRI 연구팀 "첨단 반도체용 칩렛 패키징 기술 국산화"

국내 연구진이 공정을 대폭 단축해 전력 사용량을 95%까지 줄일 수 있는 첨단 인공지능(AI) 반도체 핵심 소재 기술을 개발했다.

ETRI가 개발한 첨단 반도체 칩렉 집적 공정 수행 장면. 사진출처=ETRI 제공

한국전자통신연구원(ETRI)은 자체 보유한 나노 소재기술을 이용해 세계 최초로 반도체 공정에 꼭 필요한 신소재를 개발해 냈다고 28일 밝혔다. 최첨단 반도체 개발의 키를 쥐고 있는 패키징(Packaging) 분야의 핵심원천 신소재 기술개발로, 향후 자율주행, 데이터센터 등 고성능이 필요한 AI반도체 제조의 핵심 소재기술로 사용될 전망이다.

기존 일본이 보유한 기술 대비 95% 전력 절감이 가능한 획기적인 반도체 칩렛 패키징 기술이다. 공정단계도 기존 9단계를 3단계로 대폭 줄였다. 반도체 웨이퍼에 연구원이 개발한 신소재인 비전도성 필름(NCF)을 붙인 후 타일처럼 생긴 칩렛에 면 레이저를 조사(照射)해 경화하는 총 3단계로 이뤄진다.

그동안 반도체 업계에서는 첨단 반도체 패키징 공정에 주로 일본 소재를 사용해 왔다. 하지만 공정이 총 9단계를 거치는 등 복잡하고 다양한 장비가 사용되며 높은 전력소모, 청정실 유지비용, 유해물질 배출 등이 큰 단점이었다.

대만반도체제조회사(TSMC), 인텔, 삼성전자 등 글로벌 반도체 기업들이 수 나노미터(㎚)의 첨단 반도체 선단으로 만들어진 고밀도 칩을 위한 새로운 집적 기술개발에 박차를 가하고 있다. 기존 기술로는 칩렛 집적기술이 요구하는 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 칩간 연결통로라 할 수 있는 접합부의 세척 불가능, 상온에서 접합의 필요성 등이 적용하기 어렵다는 단점도 있었다.

연구팀은 자체 보유한 나노소재 설계기술과 나노신소재를 활용해 20여년의 핵심원천기술 연구 끝에 이를 개선하는 데 성공했다. 첨단 반도체 웨이퍼 기판에 개발한 나노 신소재를 적용한 후 다양한 웨이퍼에서 제작된 칩렛으로 타일을 만들어 1초 정도의 면 레이저를 쏘아서 접합 공정을 완성하고 후경화 공정으로 완료된다. 이 신소재는 고분자 필름으로10~20나노미터(㎛)두께의 에폭시 계열 소재에 환원제 등이 첨가된 나노소재이다. 이 소재에 레이저를 쏘면 반도체 후공정(패키징)의 단계에서 세척, 건조, 도포, 경화 등에 이르는 전 단계를 해결한다.

기존에는 웨이퍼에서 분리한 칩을 보드에 붙여 한 개씩 잘라서 쓰는 방식이었지만, 연구팀이 개발한 신소재는 칩렛을 웨이퍼 기판에 마치 타일을 붙이듯 직접 찍어 붙이는게 가능하다. 공정이 간단해져 전체 생산라인을 기존 20m 이상을 4m, 즉 20%로 줄일 수 있다. 질소 가스도 필요 없어 유해물질이 발생하지 않는 장점도 있다. 첨단 칩렛 패키지에 적용할 수 있는 고정밀 공정이다. 세계 최초로 상온(25℃)에서 집적 공정이 가능하다. 기존 공정들은 모두 스테이지 온도를 100℃로 가열해 전력 소모는 물론 열 팽창으로 인한 오차 증가, 신뢰성 저하의 문제를 가지고 있었다.

연구팀은 "특성 온도 변화 이상에서 활성화되는 나노 소재 설계 기술을 이용해 온도 상승으로 인한 흄(연기) 발생 없이 상온 스테이지에서도 접합 공정이 가능한 신소재와 신공법을 세계 처음으로 개발해 냈다"며 "미국의 마이크로 LED 관련 스타트업은 물론 첨단 반도체 분야의 세계적인 파운드리 회사가 공정성과 신뢰성 평가를 진행하고 있어 향후 우수 평가시 3년 내 상용화가 가능할 것"이라고 설명했다. 이어 " 반도체 디스플레이 업체가 필요로 하는 저전력·친환경 공법에 본 기술이 해답을 제공할 수 있을 것"이라며 "첨단 칩렛 집적과 마이크로 LED 전사·접합 공정에 적용해 기술의 확장성과 응용성을 확대할 계획"이라고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr