VG, 본딩·나노임프린트 기술로 CPO 제조 과제 해결
인공지능(AI) 데이터센터에서 쏟아지는 방대한 연산 데이터를 처리하기 위해 반도체 가공 기술은 한계까지 치닫고 있다. 지금까지 반도체 칩과 칩, 모듈 간의 데이터 이동은 정교한 ‘구리선(구리 인터커넥트)’을 타고 흐르는 전자에 의존해 왔다. 그러나 AI 워크로드가 폭발적으로 늘어나면서 구리선은 발열과 전력 손실, 신호 지연이라는 거대한 물리적 벽에 부딪혔다. 이에 반도체 업계는 전압 신호 대신 ‘빛(광자)’을 이용해 데이터를 주고받는 코패키지드 옵틱스(Co-Packaged Optics, CPO) 기술로 패러다임 전환을 서두르고 있다.
CPO는 연산을 담당하는 전자 집적회로(EIC)와 빛을 다루는 광자 집적회로(PIC), 그리고 레이저 광원을 하나의 패키지 안에 인접 배치하는 기술이다. 구리선이라는 병목 구간을 없애고 칩 바로 옆에 빛의 고속도로를 깔아 전력 효율과 대역폭을 극대화하는 원리다. 그러나 실리콘 전자 칩과 화합물 반도체 레이저, 유리 질감의 광학 소재 등 서로 물리적·열적 특성이 완전히 다른 이종(異種) 재료들을 하나의 패키지 안에 극도로 조밀하게 붙여 넣는 공정은 제조 현장에 정밀한 신기술을 요구하고 있다.
글로벌 첨단 패키징 장비 선도 기업인 EV Group(이하 EVG)은 수십 년간 축적한 웨이퍼 본딩과 나노임프린트 리소그래피(NIL) 공정 포트폴리오를 앞세워 CPO 양산의 걸림돌을 해결하고 있다. EVG의 기술은 서로 다른 소재의 칩을 원자 단위에 가깝게 완벽히 접합하고, 빛을 정밀하게 제어하는 미세 구조를 웨이퍼 위에 그려내는 데 최적화되어 있다.
이종 소재 결합과 열 제어를 다루는 EVG의 공정 솔루션
CPO 공정의 가장 큰 난제는 미세한 신호 손실을 차단하면서 서로 다른 소재를 강하게 결합하는 것이다. EVG의 ‘하이브리드 본딩’ 기술은 광자 집적회로와 전자 집적회로 사이의 미세한 전기적 기생 효과를 최소화하며 초고밀도 집적을 구현한다. 또한 ‘퓨전 본딩’ 기술을 활용하면 레이저 제조에 쓰이는 III-V족 화합물 반도체는 물론, 차세대 광 변조 소재인 박막 리튬 나이오베이트(TFLN)와 티탄산바륨(BTO)을 수율 손실 없이 일체화할 수 있다.
빛을 전달할 때 발생하는 발열과 투명도 저하 문제 역시 ‘산화막 없는 상온 본딩’ 기술로 해결했다. 상온에서 접합이 이루어지기 때문에 열에 의한 원자 변형이 없으며, 다이아몬드나 탄화규소(SiC)처럼 열전도율이 매우 높은 방열 소재를 광학 인터페이스에 직접 붙여 효율적으로 열을 빠져나가게 만든다.
나노임프린트 기술로 구현하는 정밀한 광학 경로
칩과 광섬유 사이에 빛이 새어나가지 않고 유연하게 흐르도록 경로를 만들어주는 것도 핵심 과제다. EVG의 ‘나노임프린트 리소그래피(NIL)’ 기술은 웨이퍼 표면에 도장으로 찍어내듯 격자 결합기(grating coupler)와 수직 광 결합 소자 등 초미세 광학 구조를 안정적으로 형성한다. 기존 포토리소그래피 방식보다 양산 효율이 월등히 높아 칩-투-칩 및 칩-투-광섬유 연결을 경제적으로 대량 생산할 수 있게 해준다.
EVG는 단순 장비 공급을 넘어, 이종 집적화 역량 센터(HICC)와 NILPhotonics® 역량 센터를 운영하며 고객사가 시제품 제작부터 대량생산(HVM)에 이르는 공정을 실제 양산 조건에서 미리 검증할 수 있도록 지원하고 있다. 이는 차세대 CPO 아키텍처 도입 시 발생하는 기술적 리스크를 최소화하고 시장 출시 기간을 크게 단축하는 무기가 된다.
앞으로 반도체 업계는 CPO를 지나 3D 포토닉-전자 집적 기반의 ‘광 I/O 칩렛’ 시대로 진입할 전망이다. 전도체 구리선의 한계를 빛의 속도로 극복하는 EVG의 종합 이종 집적 플랫폼은, AI 데이터센터의 전력난을 뚫고 초고속 광반도체 생태계를 완성하는 핵심 생산 기술로 평가받고 있다.
