일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.17

이종 칩 집적의 본질
이종 칩 집적의 저비용화 진전
다이렉트 노광으로 유기 기판에 미세 회로

여러 개의 칩을 마치 하나의 칩처럼 집적하는 Heterogeneous Integration(이종(異種) 칩 집적). 과제인 저비용화를 크게 진전시키는 기술이 개발되고 있다. ORC제작소(도쿄)가 신에너지산업기술 종합개발기구(NEDO)의 프로젝트에서 착수하는 다이렉트 노광 기술이다.

다이렉트 노광 기술은 현재 스마트폰 프린트 기판의 배선 형성에 사용되고 있는 노광 방식이다. 투영 노광과 비교하면 미세 가공은 어렵지만 변형된 기판에 대한 노광에 강하다. 스마트폰용 기판은 배선폭이 최소 8µm로, 반도체 제조만큼 미세기술이 요구되지 않는다. 오히려 적층 시 발생하는 기판의 휘어짐에 대한 대응이 필요하기 때문에 다이렉트 노광을 사용하고 있다.

ORC제작소가 개발을 서두르는 것은, 이종 칩 집적에서 칩 사이를 접속하기 위한 기판인 인터포저용 다이렉트 노광 기술이다. 현재는 배선폭과 배선 간격(L/S)이 3µm인 다이렉트 노광 장치를 양산하고 있다. 24년 3월까지 L/S가 2µm인 실험기 개발, 25년 9월까지 L/S가 1.2µm인 양산시제기 개발에 착수한다.

이종 칩 집적의 인터포저에는 평탄하고 미세가공에 적합한 실리콘이 이용되는 경우가 많다. 한편, 저비용화를 위해 기판에 유기 재료를 사용하려는 니즈가 있다. 다만 유기 기판은 실리콘에 비해 평탄도가 낮고 가공할 때 열에 의해 휘어지는 등 변형이 발생해 미세가공이 어렵다는 과제가 있었다. 다이렉트 노광은 이 유기 기판의 과제를 해결할 가능성을 안고 있다.

인터포저의 회로 형성에는 실리콘 기판이든 유기 기판이든 회로 패턴이 형성된 포토마스크에 빛을 비춰 패턴을 전사하는 투영 노광이 주로 사용되어 왔다. 투영 노광은 노광 방식 중 가장 주류 방법이며 미세가공에 강하다. 그러나 유기 기판의 경우는 조사(照射) 대상마다 변형 등으로 그 표면 상태가 다르기 때문에 패턴 전사가 어렵다. 투영 노광은 제작된 마스크로 패턴을 전사하기 때문에 기판의 변형에 맞춰 보정할 수 없기 때문이다.

한편, 다이렉트 노광은 포토마스크를 사용하지 않고, 회로 패턴을 그린 CAD(컴퓨터에 의한 설계) 데이터로부터 기판에 직접 레이저로 전사한다. 레이저이기 때문에 초점거리가 어긋나 뿌옇게 보이는 문제는 없다. 게다가 기판 모양을 스캔하면서 가공하기 때문에 그 어긋남을 맞춰가면서 가공하는 것이 가능하다.

다이렉트 노광의 과제였던 미세가공도 현재는 투영 노광을 따라잡고 있다. 투영 노광은 실리콘 인터포저라면 L/S가 1µm 이하인 미세가공이 가능하지만 유기 인터포저는 낮은 평탄도 때문에 L/S가 2µm 정도가 현재의 한계다. 해상도가 따라잡고 있는 지금 다이렉트 노광은 데이터 보정을 할 수 있다는 점에서 우위성을 보일 가능성이 높다.

-- CAD 데이터의 보정으로 기판 변형에 대응 --
다이렉트 노광은 다음과 같이 실시한다. CAD 데이터를 노광기 안에 내장된 DMD(디지털 마이크로 미러 디바이스)로 전송한다. DMD는 다수의 미러로 이루어져 있으며 미러 1장 1장이 CAD 데이터에 대한 단위 화소 역할을 담당한다.

데이터의 유무에 따라 미러의 각도를 바꿔 빛을 제어한다. 기판을 스테이지 위에서 움직여 스캔하면서 DMD의 이미지를 스테이지의 스캐닝 속도에 맞춰 비켜가며 노광한다.

다이렉트 노광을 시작할 때는 먼저 기판 위의 얼라인먼트 마크를 카메라로 검출해 노광 위치를 결정한다. 그 후에 보정한 CAD 데이터를 사용해 노광한다.

-- 마스크가 불필요해지면서 단(短) TAT화와 비용 절감 가능 --
마스크를 사용하지 않는 것의 장점은 기판의 변형에 강하다는 것 이외에도 3가지가 있다. (1) TAT(Turn Around Time)의 단축, (2) 비용 절감, (3) 수율 개선이다.

(1)의 TAT 단축으로 이어지는 것은 마스크의 사양 검토나 제작에 소요되는 기간이 불필요해지기 때문이다. 투영 노광의 경우는 시작(試作) 단계와 양산 전(前) 단계에서 마스크 제작에 기간이 필요하며, 수개월 정도 걸린다. 다이렉트 노광에서는 이러한 기간이 필요 없기 때문에 제품을 보다 빨리 시장에 전달할 수 있다.

(2)의 비용 절감이 가능한 것은 마스크 제작과 그 보관 비용이 불필요해지기 때문이다. 예를 들면 기판용 마스크는 1장 만드는데 30만~70만엔 정도가 드는데, 기판의 층수에 따른 매수가 필요하게 된다. 또한 각 마스크는 기준 조건 이외에도 패턴이 겹치지 않도록 한 마스크를 여러 장 준비해야 한다.

이는 마스크가 한 조건밖에 없으면 기판이 변형됐을 때 대응을 할 수 없기 때문이다. 일례로 마스크 제작비로 1장 50만엔, 층 수는 20층, 각 조건을 3장씩 제작하면 3,000만엔의 비용이 든다. 이에 더해 제품 보증 기간 동안 마스크를 보관해야 하기 때문에 보관 비용도 필요하다.

(3) 수율 개선이 가능한 이유는 마스크에 묻은 이물질로 인해 발생하는 불량이 없어지기 때문이다. 이종 칩 접합을 하는 후공정은 반도체 제조 전(前) 공정만큼 제조 환경이 깨끗하지 않다.

마스크에 이물질이 묻어나는 경우도 발생한다. 투영 노광에서는 마스크에 묻은 이물질로 인한 결함이 가장 많으며, 2% 정도 발생한다. 다이렉트 노광은 마스크를 사용하지 않기 때문에 이 손실이 발생하지 않아 높은 수율을 실현한다.

이러한 이점들로 인해 다이렉트 노광은 다품종 소량생산의 용도에 적합하다고 한다. 투영 노광으로 다품종 소량생산을 할 경우, 제품의 생산수는 적은 데 반해 제품 종목에 따른 마스크가 필요하기 때문에 많은 비용이 든다. 그리고 다품종 소량생산과 같은 전용 사양이 많은 용도에서는 짧은 TAT도 요구된다.

-- 과제는 감광 재료 --
장점도 많은 다이렉트 노광이지만 과제는 낮은 처리량이다. 주된 원인은 다이렉트 노광에 사용하고 있는 레이저 광원의 파장이 감광 재료의 피크 파장에서 비켜 있기 때문이다. ORC제작소의 다이렉트 노광에는 파장 405nm의 레이저 다이오드를 사용하고 있다.

레이저 광원은 빛을 집광시키기 쉽고 미세가공에 적합하기 때문이다. 배선 형성에 사용되는 감광 재료는 피크 파장이 약 365nm이며, 405nm의 파장에는 감도가 낮아 노광에 시간이 걸린다. 그 때문에 일반적으로 사용되는 파장 365nm의 투영 노광기와 비교하면 다이렉트 노광은 처리량이 낮아지게 된다.

다이렉트 노광은 고속으로 레이저를 스캐닝하기 때문에 높은 조도가 필요한데, 365nm에 맞춰 파장을 짧게 하려고 하면 현재 기술로는 충분한 강도의 빛을 얻을 수 없다. ORC제작소는 다이렉트 노광의 보급을 통해 파장 405nm의 빛에 감도가 강한 재료 개발을 기대하고 있다고 한다.

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