Research

본 연구에서는 화합물 반도체 소자를 목표 기판에 정밀하게 정렬하고 접합하는 패키징 공정을 구축하고, 실험과 유한요소해석을 연계하여 공정 조건과 구조를 최적화하였다. 소자 웨이퍼와 목표 기판을 정렬한 뒤 열압착 접합을 수행하고, 레이저 리프트오프 및 기판 제거 공정을 통해 소자를 목표 기판으로 직접 전사하였다. 초기 공정에서는 약 3.2 μm 높이의 범프를 적용하여 81.2%의 전사 수율을 확보하였다. 그러나 대면적 접합 과정에서 기판 변형과 열적·기계적 응력으로 인해 일부 소자에서 접합 불량과 손상이 발생하였다. 이를 개선하기 위해 범프 높이를 6 μm로 증가시켰으며, 그 결과 전사 수율이 94.3%까지 향상되는 것을 확인하였다. 범프 구조 변화에 따른 수율 향상 원인을 정량적으로 분석하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과, 접합 과정에서 발생하는 변형이 소자 배열의 가장자리에서 크게 나타나며, 범프 높이가 증가할수록 소자에 전달되는 변형과 응력이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 범프 위치와 높이에 따른 변형률을 비교하여 균열 발생 가능성을 예측하고, 안정적인 접합이 가능한 최적 범프 구조를 도출하였다. 마지막으로 최적화된 공정과 구조를 적용하여 실제 시제품을 제작하고 정상적인 소자 구동을 확인하였다. 청색 및 녹색 소자를 이용한 집적 시제품을 통해 제안한 패키징 공정의 적용 가능성을 검증하였다. 본 연구는 특정 소자에 한정된 공정 개발을 넘어, 화합물 반도체 소자의 정렬, 접합, 전사, 구조 최적화를 실험과 시뮬레이션으로 통합한 연구 사례이다. 이러한 연구 방법은 다양한 광전자소자, 전력반도체 및 차세대 반도체 패키징 기술 개발에도 활용될 수 있다.

최근 Micro-LED와 유연 기판 기반 전자소자 등 열에 민감한 차세대 반도체 소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 소자는 고온 공정에 노출될 경우 전기적·광학적 특성이 저하되거나 기판 변형, 접합부 손상 및 계면 박리와 같은 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 특히 소자를 회로 기판이나 인터포저에 접합하는 패키징 공정에서는 열과 압력이 동시에 가해지므로, 소자의 성능을 유지하면서 안정적인 접합부를 형성할 수 있는 저온 접합 기술이 요구된다. 본 연구에서는 온도에 민감한 반도체 소자에 적용할 수 있는 저온 패키징 기술을 개발하기 위해 저융점 금속 기반 솔더를 이용한 열압착 접합(Thermocompression Bonding, TCB) 공정을 연구한다. 솔더 범프는 미세 패턴에 대한 선택적 형성과 대면적 공정 확장성이 우수한 전해도금(Electroplating) 방식으로 형성하며, 이를 통해 미세 접합 구조의 균일성과 웨이퍼 레벨 공정 적용 가능성을 확보한다. 접합 공정과 패키지 구조의 신뢰성을 평가하기 위해 상·하부 칩에 대응되는 데이지 체인 구조의 테스트 비히클을 설계하고 제작한다. 스퍼터링(Sputtering), 포토리소그래피(Photolithography), 전해도금 및 습식 식각(Wet Etching) 공정을 순차적으로 수행하여 전기적 연결을 위한 금속 배선과 미세 범프 구조를 형성한다. 이후 다이 본더를 이용해 상·하부 칩을 정렬하고, 접합 온도, 압력 및 시간을 주요 공정 변수로 설정하여 열압착 접합을 수행한다. 접합 후에는 데이지 체인의 전기적 연속성과 저항 변화를 측정하고, 접합부의 형상과 계면 상태를 분석하여 공정 조건에 따른 접합 품질과 구조적 신뢰성을 평가한다. 이를 통해 각 공정 변수가 솔더의 변형, 계면 접촉 및 전기적 연결 안정성에 미치는 영향을 분석하고, 낮은 열적 부담에서도 균일하고 안정적인 접합부를 형성할 수 있는 최적 공정 조건을 도출한다. 본 연구는 열에 민감한 차세대 반도체 소자의 손상을 최소화하면서 미세 피치 접합과 높은 패키징 신뢰성을 확보할 수 있는 저온 접합 공정 개발을 목표로 한다. 또한 전해도금 기반의 범프 형성 기술과 접합 신뢰성 평가 방법을 바탕으로 Micro-LED, 유연 전자소자, 광전자소자 및 다양한 화합물 반도체 소자의 고집적 패키징 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.