유리 웨이퍼 기술: 응용, 제조 및 주요 특성

유리 웨이퍼란 무엇이며 왜 중요한가요?

유리 웨이퍼는 특수 유리 소재로 제작된 정밀 가공된 얇은 기판 일반적으로 두께는 100마이크로미터에서 수 밀리미터에 이릅니다. 이러한 기판은 반도체 제조, 미세 전자 기계 시스템(MEMS), 미세 유체 장치 및 고급 패키징 응용 분야에서 기본 플랫폼 역할을 합니다. 기존의 실리콘 웨이퍼와 달리 유리 웨이퍼는 독특한 광학 투명성, 뛰어난 전기 절연 특성, 다양한 온도에 걸쳐 탁월한 치수 안정성을 제공합니다.

글로벌 유리 웨이퍼 시장은 상당한 성장을 경험했으며 업계 보고서에 따르면 CAGR(복합 연간 성장률)이 다음과 같습니다. 2020년에서 2025년 사이에 약 8-10% . 이러한 확장은 유리 웨이퍼가 신호 무결성 및 열 관리에 중요한 이점을 제공하는 2.5D 및 3D 집적 회로 패키징에서 인터포저에 대한 수요가 증가함에 따라 주도됩니다.

유리 웨이퍼 제조 공정

유리 웨이퍼 생산에는 특정 치수 공차 및 표면 품질 요구 사항을 달성하도록 각각 맞춤화된 여러 가지 정교한 제조 기술이 필요합니다.

퓨전 드로우 프로세스

코닝과 같은 회사가 개척한 퓨전 드로우 방식은 깨끗한 표면을 지닌 초평탄 유리 시트 성형 웨지 위에 용융된 유리를 흐르게 함으로써. 이 공정을 사용하면 양면을 연마할 필요가 없으므로 직경 300mm 웨이퍼 전체에서 10마이크로미터 미만의 평탄도 공차를 달성할 수 있습니다. 생성된 재료는 1나노미터 RMS 미만의 표면 거칠기 값을 나타내어 포토리소그래피 응용 분야에 이상적입니다.

플로트 유리 및 연마

CMP(화학적 기계적 연마)가 뒤따르는 전통적인 플로트 유리 공정은 대체 제조 경로를 나타냅니다. 이 접근 방식은 추가 처리 단계가 필요하지만 유리 구성에 더 큰 유연성을 제공하고 두께 균일성을 달성할 수 있습니다. 대형 기판에서 ±5 마이크로미터 .

레이저 절단 및 모서리 가공

일단 형성되면 유리 시트는 정밀 레이저 절단 또는 스크라이빙을 거쳐 개별 웨이퍼를 만듭니다. 모서리 처리 기술은 제어된 베벨 각도로 칩 없는 모서리를 보장하며, 이는 반도체 제조 장비의 자동화된 처리에 중요합니다. 최신 시스템은 선형 센티미터당 결함 밀도가 0.1 미만인 가장자리 품질 사양을 달성합니다.

재료 특성 및 구성

유리 웨이퍼는 engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

중요한 성능 매개변수

• 열팽창 계수(CTE): CTE를 실리콘(2.6ppm/°C)에 일치시키면 열 처리 주기 중 응력이 최소화되어 휨 및 박리를 방지할 수 있습니다.
• 전기적 특성: 10^14ohm-cm를 초과하는 체적 저항률은 고주파 신호 라우팅에 탁월한 절연성을 제공합니다.
• 광학 전송: 가시광선 파장에서 90% 이상의 투명성으로 기판 및 후면 처리를 통한 정렬이 가능합니다.
• 화학적 내구성: 산, 염기 및 유기 용매에 대한 저항성은 반도체 처리 화학물질과의 호환성을 보장합니다.

현대 전자제품의 주요 응용 분야

고급 패키징 및 인터포저

유리 인터포저가 등장했습니다. 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 판도를 바꾸는 기술 . Intel, TSMC 및 기타 주요 파운드리들은 칩렛 통합을 위한 유리 기판 기술에 막대한 투자를 하고 있습니다. 유리는 직경이 10마이크로미터에 불과하고 피치가 40마이크로미터에 이르는 유리 통과 비아(TGV)를 가능하게 합니다. 유기 기판보다 10배 높은 상호 연결 밀도 .

데이터 센터 프로세서에서 유리 인터포저는 50GHz 이상의 주파수에서 기존 재료에 비해 약 30-40%의 신호 손실 감소를 보여줍니다. 이러한 개선은 AI 가속기 및 고대역폭 메모리(HBM) 인터페이스의 전력 효율성 향상과 대역폭 증가로 직접적으로 이어집니다.

MEMS 및 센서 장치

유리 웨이퍼는 미세유체 랩온칩 장치, 압력 센서 및 광학 MEMS에 이상적인 기판을 제공합니다. 이 재료의 생체 적합성, 화학적 불활성 및 광학적 투명성은 의료 진단 응용 분야에 특히 유용합니다. 혈액 분석 칩을 제조하는 회사에서는 일반적으로 붕규산 유리 웨이퍼를 다음과 같이 지정합니다. 2마이크로미터 미만의 표면 평탄도 공차 총 두께 변화(TTV) .

디스플레이 기술

액정 디스플레이(LCD) 및 OLED 패널용 TFT(박막 트랜지스터) 어레이는 2940mm × 3370mm 크기의 유리 시트를 처리하는 10.5세대 팹과 함께 대형 유리 기판을 사용합니다. 업계는 표면 결함 및 치수 제어에 대한 엄격한 사양을 유지하면서 상용 디스플레이 응용 분야의 기판 비용을 평방 피트당 0.50달러 미만으로 낮추는 등 놀라운 경제성을 달성했습니다.

실리콘 웨이퍼에 비해 장점

실리콘이 주요 반도체 기판으로 남아 있는 반면, 유리 웨이퍼는 특정 응용 분야에 강력한 이점을 제공합니다.

1. 낮은 신호 손실: 0.003~0.005의 유전 손실 탄젠트 값을 통해 밀리미터파 통신 회로에서 우수한 무선 주파수(RF) 성능을 구현합니다.
2. 더 큰 기판 크기: 유리 제조 기술은 원형 실리콘 웨이퍼의 실제 한계를 뛰어넘어 510mm × 515mm 직사각형 형식으로 쉽게 확장됩니다.
3. 비용 효율성: 인터포저 애플리케이션의 경우 유리 기판은 동등한 실리콘 캐리어보다 비용이 40~60% 저렴하면서도 비슷하거나 더 나은 전기적 성능을 제공할 수 있습니다.
4. 디자인 유연성: 유리의 TGV는 실리콘 관통 비아에 비해 더 높은 종횡비(10:1을 초과하는 깊이 대 직경 비율)로 형성될 수 있어 보다 컴팩트한 3D 아키텍처가 가능합니다.
5. 광 액세스: 적외선 및 가시광선 투과로 불투명 실리콘으로는 불가능한 후면 정렬, 검사 및 가공 기술이 가능합니다.

처리 과제 및 솔루션

형성 기술을 통해

유리 통과 비아를 생성하는 것은 독특한 기술적 과제를 안겨줍니다. 세 가지 기본 방법이 현재 제조를 지배하고 있습니다.

• 레이저 드릴링: 초고속 피코초 또는 펨토초 레이저는 열 영향을 최소화한 영역에서 재료를 제거하여 직경 10~100마이크로미터, 초당 100~500개의 비아 형성 속도를 달성합니다.
• 습식 에칭: 불화수소산 기반 화학은 더 큰 비아에 탁월한 측벽 매끄러움을 제공하며, 웨이퍼 배치 전반에 걸쳐 식각 속도를 ±5% 이내로 제어할 수 있습니다.
• 건식 에칭: 플라즈마 기반 반응성 이온 에칭은 수직 측벽이 필요한 응용 분야에 이방성 프로파일을 제공하지만 처리량은 레이저 방법보다 낮습니다.

금속화 및 접착

유리에 전도성 층을 증착하려면 신중한 공정 최적화가 필요합니다. 티타늄 또는 크롬 접착층의 물리적 기상 증착(PVD)에 이어 구리 시드 증착을 수행하면 후속 전기 도금을 통해 TGV를 채울 수 있습니다. 첨단 시설 달성 비아당 50밀리옴 미만의 전기 저항으로 99.5%를 초과하는 비아 필 수율 .

유리에 적합한 웨이퍼 접합 기술에는 양극 접합, 융합 접합, 접착 접합이 포함되며, 각각은 서로 다른 열 예산 및 기밀성 요구 사항에 적합합니다. 붕규산염 유리와 실리콘의 양극 결합은 0.01% 미만의 인터페이스 공극 밀도로 20 MPa를 초과하는 결합 강도를 달성합니다.

산업 전망 및 향후 개발

유리 웨이퍼 산업은 여러 가지 융합 추세에 따라 변곡점에 서 있습니다. Intel의 고급 패키징용 유리 기판 발표 차세대 프로세서의 기간은 2030년입니다. , 수년간의 연구 개발 투자를 검증합니다.

시장 분석가들은 고급 패키징 부문에서만 2028년까지 연간 20억 달러 이상의 가치가 있는 유리 웨이퍼를 소비할 것으로 예상합니다. 이러한 성장은 유리의 전기적 이점이 점점 더 중요해지고 있는 인공 지능, 자율 주행 차량 및 엣지 컴퓨팅 애플리케이션의 컴퓨팅 성능에 대한 만족할 수 없는 수요에서 비롯됩니다.

새로운 애플리케이션

• 포토닉스 통합: 광 도파관이 내장된 유리 웨이퍼를 사용하면 초당 테라비트 데이터 속도로 작동하는 광 상호 연결을 위한 광전자 회로와 전자 회로를 함께 패키징할 수 있습니다.
• 양자 컴퓨팅: 특수 유리의 낮은 유전 손실과 열 안정성으로 인해 초전도 큐비트 어레이를 위한 매력적인 기판이 됩니다.
• 유연한 전자 장치: 초박형 유리 웨이퍼(최저 30마이크로미터 두께)는 구부릴 수 있는 디스플레이 및 웨어러블 센서를 위한 기계적으로 유연하면서도 화학적으로 견고한 기판을 제공합니다.

SEMI와 같은 조직을 통한 표준화 노력은 유리 웨이퍼 치수, 평탄도 공차 및 재료 특성에 대한 사양을 설정하고 있습니다. 이러한 표준은 기술적 위험을 줄이고 대량 제조를 위한 다중 소스 공급망을 활성화함으로써 채택을 가속화할 것입니다.