AI 시대가 본격화되면서 반도체 산업의 혁신 방향이 근본적으로 변화하고 있습니다. 과거 트랜지스터 미세화 중심이었던 기술 발전은 이제 데이터 처리 구조와 패키징 기술로 이동하고 있습니다. SK하이닉스가 주목하는 실리콘 포토닉스, 극저온 식각, 유리 기판은 이러한 패러다임 전환을 상징하는 핵심 기술들입니다. 이 글에서는 세 가지 차세대 반도체 기술의 개념과 산업적 의미, 그리고 실제 상용화 가능성을 비판적 시각에서 분석해보겠습니다.
빛으로 데이터를 전달하는 실리콘 포토닉스의 가능성과 한계
실리콘 포토닉스는 웨이퍼 위의 실리콘 박막을 정밀하게 가공해 빛이 흐르는 도파로를 만들고 전자가 아닌 빛을 이용해 데이터를 처리하는 기술입니다. 대구경북과학기술원 한상윤 교수는 이 기술을 "AI 가속기, 뉴로모픽 컴퓨팅, 양자 컴퓨팅 등 차세대 컴퓨팅의 패러다임을 이끌어갈 핵심 기술"이라고 평가했습니다. 도파로에 전압이나 전류를 가하면 굴절률이 변화하면서 빛의 진행 속도가 달라지는데, 이러한 효과를 기반으로 복잡한 회로를 구성하면 빛을 매개로 하는 고속의 정보처리가 가능해집니다.
이 기술의 핵심 장점은 고속 정보처리 과정에서의 뛰어난 에너지 효율성과 낮은 발열입니다. 전자가 고속으로 이동할 때 도체 내 원자나 이온과 충돌하면서 발생하는 에너지 소비와 발열 문제를 빛을 이용함으로써 근본적으로 해결할 수 있다는 것입니다. 실제로 여러 파운드리 기업에서는 이미 실리콘 포토닉스의 파운드리 서비스를 제공하고 있으며, 연구 개발 수준을 넘어 실제 제품 개발 단계로 전환된 상황입니다.
가장 즉각적으로 활용할 수 있는 분야는 데이터 인터커넥트 분야입니다. 데이터센터의 서버 랙 간의 연결이나 보드와 보드, 심지어 반도체 칩과 칩 사이의 연결 과정에 실리콘 포토닉스를 활용하면 에너지 효율은 극대화하면서 정보 전송량을 대폭 늘릴 수 있습니다. 현재 데이터센터의 전력 소비 중 상당 부분이 데이터 전송과 발열을 잡는 냉각 등에 사용되는 상황에서 이는 매우 중요한 혁신이 될 것입니다.
그러나 비판적으로 살펴보면 실리콘 포토닉스가 모든 발열 문제를 해결하는 것은 아닙니다. 광 신호를 사용하더라도 실제 시스템에는 레이저, 변조기, 검출기, 전자 회로가 함께 존재하기 때문에 여전히 전력 소비와 열 발생이 존재합니다. 진짜 핵심 과제는 광 신호와 전자 신호를 변환하는 비용을 얼마나 줄일 수 있는지, 그리고 레이저 소스를 칩 패키지 안에 어떻게 통합할 것인지 같은 공학적 문제에 있습니다. D램이나 낸드플래시 등 반도체 제품의 적층 구조에서 요구되는 확장된 대역폭을 제공하는 최적의 솔루션으로 평가받지만, 실제 양산 단계에서의 비용 효율성과 안정성은 여전히 검증이 필요한 상황입니다.
극저온 식각 기술이 가져올 생산성 혁신과 현실적 과제
극저온 식각은 영하 80℃ 이하의 극저온 환경에서 웨이퍼의 성질 변화를 활용하는 기술입니다. 한양대학교 정진욱 교수는 이 기술이 "반도체의 품질 향상과 더불어 생산성까지 향상할 수 있을 것"이라고 평가했습니다. 기존 습식 식각은 식각 속도는 빠르지만 액체 때문에 정밀도가 떨어지는 단점이 있었고, 이를 보완한 건식 식각은 고온의 플라즈마를 이용하는 과정이 매우 복잡하고 많은 시간이 소요된다는 한계가 있었습니다.
극저온 환경에서는 웨이퍼 표면에 비휘발성 보호층이 자연적으로 형성됩니다. 물이 영하에서 얼어붙어 표면이 단단해지듯, 이러한 보호층은 별도의 공정을 통한 차단막 형성 없이도 측면 식각을 막아주기 때문에 더욱 뚜렷한 수직 식각을 구현할 수 있습니다. 차단막 도포를 위한 화학 가스를 사용하지 않으니 식각 공정에 사용되는 가스가 단순해지고, 덕분에 식각 속도 상승과 수직 모양의 정밀한 식각이 가능해지는 것입니다.
생산성 측면에서의 장점은 명확합니다. 기존 식각 기술 대비 약 3배 정도 더 빠른 식각 속도 덕분에 생산성이 혁신적으로 개선됩니다. 실제 최근 발표된 한 기업의 연구 논문에 따르면 400단의 낸드 메모리를 식각하는 데 30여 분가량이 소요되었는데, 이는 90여 분 이상 소요되는 기존 식각과 비교하면 혁신적인 속도입니다. 현재는 고종횡비 식각이 많이 필요한 낸드 공정에서 일부 적용되고 있으며, 추후에는 D램 공정에서도 활용될 것으로 예상됩니다.
환경 측면의 장점도 주목할 만합니다. 극저온 식각을 사용할 경우 기존에 복잡한 화학반응을 위해 사용하던 화학 가스의 사용을 90% 이상 줄일 수 있습니다. 해당 가스들은 온실효과를 유발하는데, 이러한 가스의 사용이 획기적으로 줄어드니 온실효과 저감 효과도 기대할 수 있습니다. 비약적으로 빨라진 식각 속도로 인한 전력 소비 저감 효과를 비롯해 반도체 품질 개선과 생산성 향상, 온실효과 저감 효과까지 기대할 수 있는 기술입니다.
하지만 현실적인 과제도 존재합니다. 극저온 환경을 조성하기 위한 장비 등 설비 확충에 많은 비용과 시간이 필요하다는 점과 극저온 식각에서 사용되는 별도의 가스를 공급하는 기업이 현재로썬 많지 않다는 점이 문제입니다. 실제 반도체 양산 공정에서는 온도 안정성, 장비 비용, 웨이퍼 전체의 균일도 같은 문제가 매우 중요한데, 극저온 환경을 유지하는 장비 자체가 상당한 비용과 기술적 부담을 가져올 수 있기 때문에 이 기술이 향후 표준 공정이 될지는 아직 확실하지 않습니다. 가능성이 있는 기술이긴 하지만 산업 전체를 바꿀 정도로 확산될지에 대해서는 좀 더 지켜볼 필요가 있습니다.
유리 기판이 열어갈 AI 시대 패키징의 새로운 패러다임
유리 기판은 기존 유기 기판과 실리콘 기판을 대체할 수 있는 차세대 패키징 기술로, 연세대학교 김현재 교수는 "AI 시대를 위한 AI 반도체에는 유리 기판은 필수적"이라고 강조했습니다. 반도체 소자와 회로를 물리적으로 지지하는 기판은 단순히 지지체의 역할뿐 아니라 열을 효과적으로 분산 관리해야 하고, 효율적인 전기 절연과 신호 전달의 매개체 역할까지 담당합니다. 유리 기판은 높은 전기 절연성과 열 안정성 그리고 우수한 평탄도 등을 자랑하며 미래 반도체의 핵심 기술이 될 것이라는 기대를 받고 있습니다.
기존 유기 기판은 에폭시를 도포한 코어에 미세회로를 집적하는 방식으로 표면이 다소 거칠기 때문에 미세패턴을 새기기에 불리했습니다. 그러나 유리 기판의 경우 표면의 거칠기가 10nm로 유기 기판 대비 40~60배가량 평탄합니다. 실제로 특정 기업에서는 유기 기판 대비 유리 기판을 사용할 경우 10배 이상의 미세한 회로 밀도를 구현할 수 있다고 밝히기도 했습니다. 실리콘 기판의 경우 높은 수준의 평탄도와 열 안정성을 갖춰 고성능 반도체 제조에 채용됐지만 가격이 비싸고 열전도율이 높다는 단점이 있었습니다.
유리 기판은 실리콘 기판 수준의 평탄도와 상당한 수준의 열 안정성을 보이면서도 열전도율은 실리콘 기판 대비 150배 정도로 낮은 수준입니다. 덕분에 유리 기판을 사용하면 반도체 칩 전반에 열이 퍼지지 않게 관리하기에도 훨씬 쉽다는 장점이 있습니다. 이 외에도 유리 기판을 사용할 경우 MLCC 칩 등을 기판 안으로 내장할 수 있어 반도체 칩을 더욱 얇게 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 실리콘 기판 대비 획기적으로 저렴하기 때문에 고성능 반도체 제조를 위한 비용도 줄어들 것으로 전망됩니다.
상용화 전망은 상당히 긍정적입니다. 지난 1월 미국 라스베이거스에서 열린 CES 2025에서도 SKC가 공개한 유리 기판이 큰 관심을 끌었으며, 국내외 여러 기업이 유리 기판 개발과 생산에 집중하고 있습니다. 유리 기판이 상용화된다면 반도체 산업에서 큰 변화가 예상됩니다. 열전도율이 낮다는 특징 덕분에 지금까지 발열이 문제가 됐던 여러 분야에서 혁신적인 기술 개선을 이룰 수 있을 것입니다. 최근 메모리 업계의 뜨거운 관심을 받고 있는 HBM의 경우 고대역폭의 데이터 전송 과정에서 발생하는 열을 제어하는 데 있어서 유리 기판이 하나의 유의미한 솔루션이 될 것으로 생각됩니다.
최근 반도체 산업에서는 패키징 기술의 중요성이 크게 커지고 있습니다. 하나의 거대한 칩을 만드는 대신 여러 개의 칩을 하나의 패키지 안에서 연결하는 칩렛 구조가 확산되고 있기 때문입니다. 이런 구조에서는 기판의 평탄도, 신호 전달 특성, 열 관리 능력이 매우 중요합니다. 그러나 해결해야 할 숙제도 남아 있습니다. 유리라는 소재 특성상 구멍을 뚫는 과정에서 미세한 균열이 발생하는 등 난제가 존재합니다. 실리콘 칩과 금속 배선, 패키지 소재 사이의 열팽창 계수가 다르면 온도 변화에 따라 패키지가 휘거나 깨질 위험도 있어 이러한 문제를 해결하는 기술이 바로 유리 기판 상용화의 핵심 관건이 될 것입니다.
[출처] TECH&AI “앞으로 주목할 반도체 기술은…” SK하이닉스와 반도체 전문가가 말하는 ‘반도체 트렌드’ / SK하이닉스 뉴스룸: https://news.skhynix.co.kr/semiconductor-trends-2025/