마이크로전사인쇄, 실리콘 포토닉스 이종 소재 통합 경로로 주목

실리콘 포토닉스의 구조적 한계

AI 인프라의 급격한 확장으로 집적회로 내 전기 인터커넥트의 대역폭 부족 문제가 부각되면서, 전자 대신 광자로 데이터를 전송하는 실리콘 포토닉스가 해법으로 떠오르고 있다. 이 기술은 기존 반도체 파운드리 인프라를 그대로 활용할 수 있는 CMOS 호환성 덕분에 텔레콤·데이터콤 분야를 중심으로 광집적회로(PIC)에 폭넓게 적용되고 있다.

그러나 CMOS 공정의 강점이 동시에 약점이기도 하다. 고도로 최적화된 제조 환경은 비표준 소재의 도입을 허용하지 않으며, 실리콘을 비롯한 IV족 반도체만으로는 칩 위에서 빛을 직접 생성하는 기능 등을 구현하기 어렵다. III-V족 반도체나 리튬나이오베이트(LiNbO₃)가 이러한 기능을 제공할 수 있지만, 이들을 기존 플랫폼에 통합하는 이종 집적 기술이 과제로 남아 있다.

MTP 공정의 원리

마이크로전사인쇄는 크게 네 단계로 진행된다. 먼저 소스 웨이퍼 위에 쿠폰이라 불리는 박막 소자를 고밀도로 제작하고, 희생층을 선택적으로 식각해 소자를 분리한다. 이후 탄성 스탬프로 복수의 소자를 집어 타깃 웨이퍼에 전사한 뒤, 접착 또는 직접 본딩 방식으로 고정한다. 이 방식은 다이 수준의 조립과 웨이퍼 규모 처리 공정의 장점을 결합한다는 점에서 기존 이종 집적 기술과 차별화된다.

특히 MTP의 핵심 강점은 넓은 소재 호환성에 있다. 각 칩렛을 가장 적합한 공정에서 독립적으로 최적화한 뒤 통합할 수 있어, 단일 아키텍처 안에서 복수의 이질적 소재계를 공존시킬 수 있다.

최근 시연 성과

연구팀이 제시한 최근 구현 사례는 다양하다. 인듐인(InP) 레이저를 이용해 광신호와 마이크로파 신호를 동시에 처리하는 완전 통합형 실리콘 포토닉 엔진, 가상현실·양자기술·마이크로파 포토닉스 응용을 겨냥한 갈륨비소(GaAs) 레이저와 질화실리콘(Si₃N₄) 도파로의 통합, 코히런트 통신과 라이다용 협선폭 파장 가변 InP 레이저, 웨이퍼 수준에서의 LiNbO₃ 변조기와 Si₃N₄ 포토닉 회로 통합, 전자-광자 이종 광수신 플랫폼 등이 포함된다. 연구팀은 또한 대량 산업 생산을 겨냥한 파일럿 라인 개발 계획도 함께 소개했다.

남은 과제

논문은 수율, 신뢰성, 처리량 등 상용화를 위해 해결해야 할 과제도 명시하고 있다. 견고하고 확장 가능한 제조 생태계 구축 역시 선결 조건이다. 연구진은 일부 문제에 대한 잠재적 해결 방향을 제시했지만, MTP가 대규모 산업 생산 단계에 진입하기까지는 상당한 기술적 성숙이 요구된다는 점을 인정하고 있다.