일본산업뉴스요약

교세라와 도레이, 광전융합 양산의 과제 극복을 위한 기술개발
접합을 빠르고 정확하게

반도체 관련 제조장치 및 부품 업체들이 차세대 컴퓨팅 기술로 주목 받고 있는 ‘광전융합’용 제품 개발을 서두르고 있다. 도레이(東レ)는 마이크로 LED 디스플레이 제조에 사용되는 매스 트랜스퍼(Mass Transfer, 물질 전달) 기술을 전용해 레이저 소자를 실리콘 기판에 고속으로 전사하는 장치를 개발했다. 교세라(京セラ)는 광디바이스를 간편하게 고정밀로 정렬하는 기술개발에 주력하고 있다. 나믹스(NAMICS, 니가타시)는 광섬유를 낮은 손실로 접속할 수 있는 접착제를 개발 중이다.

도레이 등 3사는 2025년 11월에 교토에서 개최된 전자 패키징 기술 분야의 국제 심포지엄  ‘IEEE CPMT Symposium Japan(ICSJ)’에서 최신 성과를 발표했다. AI(인공지능) 데이터센터의 소비전력 급증이 문제시되고 있는 가운데, 서버 전력을 크게 줄일 수 있는 광전융합 기술은 이번 ICSJ에서 주요 테마로 주목 받았다.

-- 빛의 접속, 정밀도와 생산성이 과제 --
광전융합은 컴퓨터 내 전기신호의 일부를 광신호로 대체하는 기술이다. 전기 대신 빛으로 데이터를 전송함으로써 정보 전달의 에너지효율이 개선되고, 데이터 이동에 따른 소비전력의 대폭적인 저감을 기대할 수 있다. 전기 신호는 전송 중에 에너지의 일부가 열로써 손실되지만, 광신호에서는 거의 감쇠하지 않기 때문이다.

광신호는 광섬유나 광도파로 내에서의 전송 효율은 높지만, 그 접속점에서의 전송 손실이 해결 과제로 떠오르고 있다. 접속점에서의 약간의 위치 어긋남이나 굴절률의 차이가 큰 전송 손실로 이어지기 때문이다. 특히 최첨단 패키징 기술인 ‘Co-Packaged Optics(CPO)’에서는 광변조기나 레이저 등의 광학 부품을 집적한 광집적회로(PIC) 실장 밀도가 높아 고도의 정렬이 요구된다.

정렬의 정밀도뿐만 아니라, 생산성 향상도 중요하다. PIC를 하나하나 세밀하게 정렬하려면 제조에 시간과 비용이 든다. 이를 해결하기 위해 표면 실장 장치나 프로세스, 소재 등 다양한 접근법으로 개발이 추진되고 있다.

-- 도레이, 레이저 전사로 생산성 1,500배 --
도레이는 광신호의 레이저 광원이 되는 인듐린(InP) 칩을 실리콘 기판에 고속으로 전사하는 실장 기술 ‘매스 트랜스퍼’를 개발했다. 매스 트랜스퍼는 원래 마이크로 LED 디스플레이 제조에 있어서 LED 소자를 기판에 실장하기 위해 개발된 기술이다. LED 소자와 비교해 InP 칩은 두께가 얇아 깨지기 쉽다. 도레이는 전사에 이용되는 필름 재료를 개선, 도레이엔지니어링이 장치의 튜닝을 실시했다.

전사의 프로세스는 다음과 같다. InP 웨이퍼상에 형성한 InP 칩을 접착성이 있는 전사 재료로 옮긴다. 그 다음, 전사 재료상에 있는 InP 칩을 실리콘 기판상에 실장하는 레이아웃에 맞추어 캐치 재료에 전사한다. 그 공정은 다음과 같다. 목적의 InP 칩 배면에 있는 전사 재료에 레이저를 조사한다. 그러면 전사 재료가 순식간에 가스화되어 InP 칩이 캐치 재료로 날아간다. 캐치 재료상에는 InP 칩이 목적의 레이아웃 방식으로 나열된다. 마지막으로, 이 캐치 재료상의 InP 칩을 실리콘 기판에 접합하면 실장이 완료된다.

매스 트랜스퍼는 분당 6,000개의 속도로 실장할 수 있다. 칩을 하나씩 실장하는 플립 칩 본더(Flip Chip Bonder)의 경우, “매분 4개 정도”(도레이)라고 한다. 생산 처리량은 1,500배이다. 실장 정밀도는 면 방향의 어긋남이 2마이크로미터(μm) 이내, 회전 어긋남은 1도 이내라고 한다.

CPO 실장에 요구되는 실장 정밀도는 1μm 미만이라고 알려져 있다. 도레이의 기술은 1μm 미만에는 도달하지 못하지만, 프로세스를 고안해 정밀도 문제를 해결할 계획이다. 구체적으로는, InP 칩을 실리콘 기판에 실장한 후에 레이저로 기능시키기 위한 미세 가공을 실시하는 프로세스를 제안하고 있다.

미세 가공에 이용되는 노광 장치의 정밀도는 충분히 높기 때문에 InP가 광도파로를 덮도록 실장할 수 있으면 된다. “면 방향의 정밀도는 10μm 미만이면 충분하다”(도레이)라고 한다. 하지만, 회전 어긋남은 레이저의 편광축에 영향을 주기 때문에 높은 정밀도가 필요하다. 이것은 “1도 이내의 정밀도가 필요하며, 이것은 클리어 되었다”(도레이).

매스 트랜스퍼의 면 방향 정렬 정밀도는 5㎛ 이내로, 눈에 띄게 정밀도가 높은 것은 아니지만, 범용적인 본더로 실현할 수 있다는 점은 주목할 만 하다. 빛이 입사하는 광도파로의 말단부에 곡면의 거울을 비스듬히 탑재하여 경사 방향의 위치 어긋남에 의한 전송손실을 완화했다. 이를 통해 5μm 위치가 어긋나도 전송 손실을 0.6데시벨(dB) 미만으로 억제할 수 있다.

정렬 방식에는 접속부를 통과하는 빛의 강도를 측정하면서 정렬하는 '액티브 얼라인먼트(Active Alignment)'와 빛의 동작을 확인하지 않고 기계적인 정밀도만으로 정렬하는 '패시브 얼라인먼트(Passive Alignment)'가 있다. 전자는 정밀도는 높지만 생산성이 낮아 양산에는 적합하지 않다. 교세라의 방식은 빛의 동작은 확인하지 않지만 CNC 화상 측정을 이용하기 때문에 액티브 얼라인먼트와 패시브 얼라인먼트의 중간 방식이라고 말할 수 있다.

-- 나믹스, 필러의 크기와 전송 손실의 관계를 조사 --
전자 부품용 수지 재료를 취급하는 나믹스는 광섬유나 광도파로 등을 접속하는 접착제를 개발 중이다.

CPO용 접착제에 요구되는 성능은 (1)전송 손실을 억제하기 위해 광섬유의 굴절률에 가까운 굴절률을 나타내는 것, (2)접착제 경화 시의 팽창∙수축에 의해 위치 어긋남을 일으키지 않는 것, (3)온도변화로 인한 열팽창·수축에 의해 위치 어긋남을 일으키지 않는 것 등을 들 수 있다. CPO에서는 패키지 공정에 있어서의 리플로우(Reflow)나 가동 중인 반도체 칩의 발열 등 PIC가 고온에 노출되는 상황이 상정된다.

(2)와 (3)의 팽창∙수축을 억제하기 위해 필러(filler)라고 불리는 무기물의 미세한 입자나 섬유를 첨가하는 방법이 이용되는 경우도 있다. 하지만 필러를 첨가하면 첨가량이나 입자 지름의 크기에 따라 접착제의 투명성이 저하되어 전송 손실 증대를 초래할 수 있다.

나믹스는 이번 ICSJ에서 접착제 안의 실리카(SiO₂) 필러의 입자 지름이나 첨가량이 전송 손실에 미치는 영향에 대해 발표했다. “1,310nm의 레이저 파장에 대해 평균 입자 지름 100nm의 필러에서는 거의 빛이 손실되지 않았다. 입자 지름이 파장의 10분의 1 미만의 필러를 충분히 분산시킨다면 전송 손실이 증가하지 않는다”(나믹스)라고 결론 내렸다.

하지만, 입자 지름이 작아도 첨가량이 많으면 입자가 응집되기 때문에 전송 손실이 증가한다. 입자 지름 100nm를 30질량퍼센트(wt%) 첨가했을 때에는 전송이 양호했지만, 60wt%로 늘린 경우에는 입자가 응집하여 전송 손실이 증가하였다고 한다.

-- 끝 --

Copyright © 2025 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.