반도체 산업에 3D 프린팅 기술 적용 탐색

급속한 기술 발전 시대에 첨단 제조 기술의 중요한 대표자인 3D 프린팅은 전통 제조의 모습을 점차 변화시키고 있습니다. 지속적인 기술 성숙과 비용 절감으로 인해 3D 프린팅 기술은 항공우주, 자동차 제조, 의료기기, 건축 설계 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주며 이들 산업의 혁신과 발전을 촉진해 왔습니다.

첨단 반도체 분야에서 3D 프린팅 기술의 잠재적 영향력이 점점 더 두드러지고 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 정보기술 발전의 초석인 반도체 제조공정의 정밀도와 효율성은 전자제품의 성능과 가격에 영향을 미칩니다. 반도체 산업의 높은 정밀도, 높은 복잡성 및 빠른 반복에 대한 요구에 직면한 3D 프린팅 기술은 고유한 장점을 통해 반도체 제조에 전례 없는 기회와 도전을 가져왔고 점차 산업의 모든 링크에 침투했습니다.반도체 산업 체인이는 반도체 산업에 큰 변화가 다가오고 있음을 의미합니다.

따라서 반도체 산업에서 3D 프린팅 기술의 미래 적용을 분석하고 탐구하는 것은 이 첨단 기술의 발전 흐름을 파악하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 반도체 산업의 업그레이드를 위한 기술 지원 및 참고 자료를 제공할 것입니다. 본 기사에서는 3D 프린팅 기술의 최신 동향과 반도체 산업에서의 잠재적 응용을 분석하고, 이 기술이 어떻게 반도체 제조 산업을 활성화할 수 있는지 기대합니다.

3D 프린팅 기술

3D 프린팅은 적층 제조 기술이라고도 합니다. 재료를 겹겹이 쌓아 입체적인 실체를 만드는 것이 원리다. 이 혁신적인 생산 방법은 전통적인 제조 "절삭" 또는 "동일 재료" 처리 모드를 전복하고 금형 지원 없이 성형 제품을 "통합"할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술에는 다양한 유형이 있으며, 각 기술에는 고유한 장점이 있습니다.

3D 프린팅 기술의 성형 원리에 따르면 크게 네 가지 유형이 있습니다.

✔ 광경화 기술은 자외선 중합 원리를 기반으로 합니다. 액체 감광성 재료는 자외선에 의해 경화되며 층층이 쌓입니다. 현재 이 기술은 세라믹, 금속, 수지 등을 높은 성형 정밀도로 성형할 수 있다. 의료, 예술, 항공산업 등 다양한 분야에서 활용이 가능합니다.

✔ 융합 증착 기술은 컴퓨터 구동 프린트 헤드를 통해 필라멘트를 가열 및 녹이고 특정 모양 궤적에 따라 층별로 압출하여 플라스틱 및 세라믹 재료를 형성할 수 있습니다.

✔ 슬러리 다이렉트 라이팅 기술은 고점도의 슬러리를 잉크 소재로 사용하며 이를 배럴에 저장하고 압출 니들과 연결하여 컴퓨터 제어 하에 3차원 이동을 완성할 수 있는 플랫폼에 설치합니다. 기계적 압력 또는 공압을 통해 잉크 재료를 노즐 밖으로 밀어내어 기판에 연속적으로 압출하여 성형한 후 해당 후처리(휘발성 용제, 열경화, 광경화, 소결 등)를 수행합니다. 재료 특성에 따라 최종 3차원 구성 요소를 얻습니다. 현재 이 기술은 바이오세라믹과 식품가공 분야에 적용될 수 있다.

✔분말층 융합 기술은 레이저 선택적 용융 기술(SLM)과 레이저 선택적 소결 기술(SLS)로 나눌 수 있습니다. 두 기술 모두 분말 재료를 가공 대상으로 사용합니다. 그 중 SLM의 레이저 에너지는 더 높아 단시간에 분말을 녹이고 고화시킬 수 있습니다. SLS는 직접 SLS와 간접 SLS로 나눌 수 있습니다. 직접 SLS의 에너지는 더 높으며 입자를 직접 소결하거나 녹여 입자 간 결합을 형성할 수 있습니다. 따라서 직접 SLS는 SLM과 유사합니다. 분말 입자는 단시간에 급속 가열 및 냉각되므로 성형 블록의 내부 응력이 크고 전체 밀도가 낮으며 기계적 특성이 열악합니다. 간접 SLS의 레이저 에너지는 더 낮으며, 레이저 빔에 의해 분말의 바인더가 녹아 입자가 결합됩니다. 성형이 완료된 후 열탈지하여 내부바인더를 제거한 후 최종 소결을 진행한다. 분말층 융합 기술은 금속 및 세라믹을 형성할 수 있으며 현재 항공우주 및 자동차 제조 분야에서 사용되고 있습니다.

그림 1 (a) 광경화 기술; (b) 융합 증착 기술; (c) 슬러리 직접 라이팅 기술; (d) 분말층 융합 기술[1, 2]

3D 프린팅 기술의 지속적인 발전으로 프로토타입부터 최종 제품까지 그 장점이 끊임없이 입증되고 있습니다. 첫째, 제품 구조 설계의 자유로움 측면에서 3D 프린팅 기술의 가장 큰 장점은 공작물의 복잡한 구조를 직접 제작할 수 있다는 점이다. 다음으로, 성형체의 소재 선택 측면에서 3D 프린팅 기술은 금속, 세라믹, 고분자 소재 등 다양한 소재를 프린팅할 수 있다. 제조 공정 측면에서 3D 프린팅 기술은 높은 유연성과 유연성을 갖고 있다. 실제 필요에 따라 제조 공정과 매개변수를 조정할 수 있습니다.

반도체 산업

반도체 산업은 현대 과학기술과 경제에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며 그 중요성은 여러 측면에서 나타나고 있습니다. 반도체는 장치가 복잡한 컴퓨팅 및 데이터 처리 작업을 수행할 수 있도록 하는 소형화된 회로를 만드는 데 사용됩니다. 그리고 세계 경제의 중요한 기둥인 반도체 산업은 많은 국가에 많은 일자리와 경제적 이익을 제공합니다. 이는 전자제조산업의 발전을 직접적으로 촉진했을 뿐만 아니라, 소프트웨어 개발, 하드웨어 설계 등 산업의 성장으로 이어졌습니다. 또한, 군사 및 국방 분야에서는반도체 기술통신시스템, 레이더, 위성항법 등 핵심장비에 있어 국가안보와 군사적 우위를 보장하는 핵심 장비다.

도표 2 "14차 5개년 계획"(발췌) [3]

따라서 현재의 반도체 산업은 국가 경쟁력의 중요한 상징이 되었으며, 모든 국가가 이를 적극적으로 발전시키고 있습니다. 우리나라의 '14차 5개년 계획'은 주로 첨단 공정, 핵심 장비, 3세대 반도체 및 기타 분야를 포함하여 반도체 산업의 다양한 핵심 '병목 현상' 연결을 지원하는 데 중점을 둘 것을 제안합니다.

그림 3 반도체 칩 처리 공정 [4]

반도체 칩의 제조 공정은 매우 복잡합니다. 그림 3에 표시된 것처럼 주로 다음과 같은 주요 단계가 포함됩니다.웨이퍼 준비, 리소그래피,에칭, 박막 증착, 이온 주입 및 패키징 테스트. 각 프로세스에는 엄격한 제어와 정밀한 측정이 필요합니다. 링크에 문제가 있으면 칩이 손상되거나 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 반도체 제조에는 장비, 프로세스 및 인력에 대한 요구 사항이 매우 높습니다.

전통적인 반도체 제조는 큰 성공을 거두었지만 여전히 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, 반도체 칩은 고집적화되고 소형화됩니다. 무어의 법칙(그림 4)이 지속됨에 따라 반도체 칩의 집적도가 계속 증가하고 부품 크기가 계속 작아지며 제조 공정에서는 매우 높은 정밀도와 안정성이 보장되어야 합니다.

그림 4 (a) 칩의 트랜지스터 수는 시간이 지남에 따라 계속 증가합니다. (b) 칩 크기는 계속해서 줄어들고 있습니다. [5]

또한, 반도체 제조 공정의 복잡성과 비용 제어가 가능합니다. 반도체 제조 공정은 복잡하고 정밀 장비에 의존하며 각 링크를 정확하게 제어해야 합니다. 높은 장비 비용, 재료비 및 R&D 비용으로 인해 반도체 제품의 제조 비용이 높아집니다. 따라서 제품 수율을 보장하면서 비용을 지속적으로 탐색하고 절감하는 것이 필요합니다.

동시에, 반도체 제조산업은 시장 수요에 신속하게 대응해야 합니다. 시장 수요의 급격한 변화와 함께. 전통적인 제조 모델은 주기가 길고 유연성이 부족하여 시장의 빠른 제품 반복을 충족시키기 어렵다는 문제를 안고 있습니다. 따라서 보다 효율적이고 유연한 제조 방식이 반도체 산업의 발전 방향이 되기도 했습니다.

적용3D 프린팅반도체 산업에서

반도체 분야에서도 3D 프린팅 기술의 적용이 지속적으로 입증되고 있다.

첫째, 3D 프린팅 기술은 구조 설계의 자유도가 높고 '일체형' 성형이 가능해 더욱 정교하고 복잡한 구조를 설계할 수 있다. 그림 5(a), 3D시스템은 인공 보조 설계를 통해 내부 방열 구조를 최적화하고, 웨이퍼 스테이지의 열 안정성을 향상시키며, 웨이퍼의 열 안정화 시간을 단축하고, 칩 생산 수율과 효율성을 향상시킨다. 리소그래피 기계 내부에도 복잡한 파이프라인이 있습니다. 3D 프린팅을 통해 복잡한 파이프라인 구조를 "통합"하여 호스 사용을 줄이고 파이프라인의 가스 흐름을 최적화함으로써 기계적 간섭과 진동의 부정적인 영향을 줄이고 칩 처리 프로세스의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

그림 5 3D System은 3D 프린팅을 사용하여 부품을 형성합니다. (a) 리소그래피 기계 웨이퍼 스테이지; (b) 매니폴드 파이프라인 [6]

재료 선택 측면에서 3D 프린팅 기술은 기존 가공 방법으로는 형성하기 어려운 재료를 실현할 수 있습니다. 탄화 규소 재료는 경도가 높고 융점이 높습니다. 전통적인 가공 방법은 형성하기 어렵고 생산주기가 길다. 복잡한 구조를 형성하려면 금형 보조 가공이 필요합니다. 승화3D는 독립형 듀얼노즐 3D프린터 UPS-250을 개발하고 탄화규소 크리스털 보트를 준비했다. 반응소결 후 제품밀도는 2.95~3.02g/cm3이다.

그림 6실리콘 카바이드 크리스탈 보트[7]

그림 7 (a) 3D 공동 인쇄 장비; (b) 자외선은 3차원 구조를 만드는 데 사용되고, 레이저는 은나노입자를 생성하는 데 사용됩니다. (c) 3D 공동 프린팅 전자부품의 원리[8]

전통적인 전자제품 공정은 복잡하며 원자재부터 완제품까지 여러 공정 단계가 필요합니다. 샤오 등[8] 3D 공동 인쇄 기술을 사용하여 신체 구조를 선택적으로 구성하거나 자유 형태 표면에 전도성 금속을 삽입하여 3D 전자 장치를 제조했습니다. 이 기술은 UV 경화를 통해 폴리머 구조를 구축하거나 레이저 스캐닝을 통해 감광성 ​​수지의 금속 전구체를 활성화하여 나노 금속 입자를 생성하여 전도성 회로를 형성하는 데 사용할 수 있는 하나의 인쇄 재료만 포함합니다. 또한, 생성된 전도성 회로는 약 6.12μΩm만큼 낮은 저항률을 나타냅니다. 재료 공식과 처리 매개변수를 조정하여 저항률을 10-6~10Ωm 사이에서 추가로 제어할 수 있습니다. 3D 공동 인쇄 기술은 기존 제조에서 다중 재료 증착 문제를 해결하고 3D 전자 제품 제조를 위한 새로운 길을 열어준다는 것을 알 수 있습니다.

칩 패키징은 반도체 제조의 핵심 연결고리입니다. 기존 패키징 기술 역시 복잡한 공정, 열 관리 실패, 재료 간 열팽창 계수 불일치로 인한 스트레스 등의 문제를 안고 있으며 이로 인해 패키징 실패가 발생합니다. 3D 프린팅 기술은 포장 구조를 직접 프린팅해 제조 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있다. Feng et al. [9] 상변화 전자 패키징 소재를 준비하고 이를 3D 프린팅 기술과 결합하여 칩과 회로를 패키징했다. Feng 등이 제조한 상변화 전자 포장재. 145.6 J/g의 높은 잠열을 가지며 130°C의 온도에서 상당한 열 안정성을 갖습니다. 기존 전자 포장재와 비교하여 냉각 효과는 13°C에 달할 수 있습니다.

그림 8 상변화 전자 재료로 회로를 정확하게 캡슐화하기 위해 3D 프린팅 기술을 사용하는 개략도. (b) 왼쪽의 LED 칩은 상변화 전자 포장재로 밀봉되었으며, 오른쪽의 LED 칩은 밀봉되지 않았습니다. (c) 캡슐화가 있거나 없는 LED 칩의 적외선 이미지; (d) 동일한 전력 및 다른 포장재에서의 온도 곡선; (e) LED 칩 패키징 다이어그램이 없는 복잡한 회로; (f) 상변화 전자포장재의 방열 모식도[9]

반도체 산업의 3D 프린팅 기술의 과제

3D 프린팅 기술이 국내에서도 큰 잠재력을 보여주었지만반도체 산업. 그러나 여전히 많은 과제가 있습니다.

성형 정확도 측면에서 현재 3D 프린팅 기술은 20μm의 정확도를 달성할 수 있지만, 여전히 반도체 제조의 높은 기준을 충족하기는 어렵습니다. 재료 선택 측면에서 3D 프린팅 기술은 다양한 재료를 형성할 수 있지만 특수한 특성을 가진 일부 재료(탄화 규소, 질화 규소 등)의 성형 난이도는 여전히 상대적으로 높습니다. 생산 비용 측면에서 3D 프린팅은 소량 맞춤형 생산에서는 좋은 성능을 발휘하지만 대규모 생산에서는 생산 속도가 상대적으로 느리고 장비 비용이 높아 대규모 생산 요구를 충족하기 어렵습니다. . 기술적으로 3D 프린팅 기술은 특정 개발 결과를 달성했지만 일부 분야에서는 여전히 새로운 기술이며 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위해 추가 연구 개발 및 개선이 필요합니다.