MIT, 300㎜ 웨이퍼 기반 ‘휘어지는 투명 광반도체’ 개발 성공

MIT, 300㎜ 웨이퍼 기반 ‘휘어지는 투명 광반도체’ 개발 성공

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핵심 포인트

○ 상용 300㎜ 웨이퍼 공정 활용: 실험실 수준의 소형 소자가 아닌 상용 반도체 파운드리 제조 장비와 호환되는 300㎜ 웨이퍼 스케일 제조 공정을 확립했다.

○ 초박막·고내구성 실현: 실리콘 기판을 제거하고 투명 폴리에스터 필름을 부착하는 방식을 적용해 두께를 수 마이크론 수준으로 줄였으며, 작은 나사 굵기 수준으로 수천 번 구부려도 성능 저하가 발생하지 않는다.
○ 높은 광학 투명도 확보: 인공 눈 장치를 활용한 광학 테스트에서 왜곡이나 흐림 현상이 거의 나타나지 않아 안구 밀착형 광학계와 증강현실(AR) 기기 적용이 가능하다.

○ 광범위한 응용 분야: 신체 밀착형 웨어러블 건강 모니터링 센서, 차량 앞유리, 항공기 조종석 바이저 곡면 AR 디스플레이 등 부피가 큰 광학 부품을 대체할 수 있다.

전기 대신 빛으로 초고속 데이터를 전송하면서도 종이처럼 유연하고 투명한 차세대 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 칩이 300㎜ 대형 웨이퍼를 통해 구현됐다. 기존의 딱딱하고 불투명했던 반도체 칩의 물리적 한계를 극복함에 따라 차세대 곡면 디스플레이와 인체 밀착형 웨어러블 기기 상용화가 한층 앞당겨질 전망이다.

3일(현지 시각) 과학기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진은 뉴욕 크리에이츠(NY CREATES) 산하 올버니 나노테크 콤플렉스(Albany NanoTech Complex) 엔지니어들과 협력해 유연성과 투명성을 동시에 확보한 실리콘 포토닉스 칩을 300㎜ 웨이퍼 스케일로 제작하는 데 성공했다.

실리콘 포토닉스는 전기 신호 대신 빛을 매개로 데이터를 전송해 전력 소모를 대폭 줄이고 전송 속도를 획기적으로 끌어올리는 기술이다. 그러나 기존 칩은 단단하고 불투명한 실리콘 기판 위에 만들어져 굴곡진 표면이나 착용형 기기 등에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구진은 대형 반도체 파운드리에서 널리 쓰이는 표준 300㎜ 웨이퍼 공정을 기반으로 문제를 해결했다. 기존 웨이퍼 위에 광 도파관(빛 통로)을 증착·패턴화한 후, 임시 웨이퍼를 접합해 지지대를 형성하고 원래의 두꺼운 실리콘 기판을 제거했다. 이어 산화막과 광 도파관 층만 남은 초박막 구조물에 얇고 투명한 폴리에스터 필름을 결합하고 지지대를 떼어내는 방식을 택했다.

대형 웨이퍼에서 실리콘 대부분을 제거하면 응력(스트레스)으로 인해 웨이퍼가 휘거나 주름이 생겨 미세 박막층이 손상될 위험이 크다. 연구진은 공정 온도를 섭씨 500도 이하로 철저히 통제하고, 산업용 실리콘 박막화 기술과 정밀 화학적 식각(에칭) 공정을 조합해 결함을 완벽히 억제했다.

이렇게 완성된 칩은 두께가 수 마이크론(㎛)에 불과하다. 굽힘 내구성 시험 결과, 작은 나사 굵기의 원통 주위로 칩을 수천 번 구부려도 광학적 성능 저하가 전혀 나타나지 않았다. 극단적으로 얇은 이쑤시개 굵기로 구부렸을 때에야 비로소 성능 변화가 감지될 정도로 기계적 안정성을 입증했다.

인공 눈 장치를 활용한 투명도 시험에서도 칩을 투과한 이미지 왜곡이 거의 관측되지 않았다. 시야를 가리지 않으면서 고성능 광학 신호를 처리할 수 있어 눈앞에 직접 배치되는 스마트 안경이나 차량·항공기 앞유리, 조종석 바이저에 내장되는 곡면 증강현실(AR) 디스플레이 부품으로 최적화된 특성을 갖췄다.

이번 논문의 주저자인 탈 스네(Tal Sneh) 연구원은 "안정적인 300㎜ 파운드리 제조 도구를 사용하기 때문에 매우 많은 수의 소자를 포함하는 시스템을 사양에 맞춰 정밀하게 대량 생산할 수 있다"고 설명했다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 책임 저자인 옐레나 노타로스(Jelena Notaros) 교수는 "기계적으로 유연하고 광학적으로 투명한 웨이퍼를 제작하는 대구경 공정을 개발함으로써 기존 실리콘 포토닉스로는 불가능했던 신규 응용 분야를 개척했다"면서 "올버니 파운드리 인프라를 통해 연구 커뮤니티 전반이 이 플랫폼을 활용할 수 있도록 지원할 것"이라고 밝혔다.

연구진은 향후 도파관의 광학 전송 효율과 투명도를 더욱 개선하고, 복합 광학 소자를 추가 집적해 상용화 수준을 단계적으로 끌어올릴 방침이다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com