유리기판 제조공정

원재료 전처리

유리기판의 원재료는 반도체 전용으로 제조된 알칼리프리 보로실리케이트 또는 알루미노실리케이트 유리 패널입니다. 디스플레이용 유리 제조 공정(퓨전 드로, 플로트 등)에서 확보한 대면적 패널을 적정 크기로 절단(스크라이빙·브레이킹)하고, 가장자리를 연마(에지 그라인딩)해 마이크로 크랙의 전파를 방지합니다. 표면은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 또는 화학 에칭으로 조도(Ra)를 0.5nm 이하로 관리하며, 세정은 SC-1/SC-2 또는 CO₂ 스노우 세정을 적용합니다. 전처리 품질이 이후 공정 수율에 직결되므로, 입고 단계에서 이물·크랙·두께 편차를 전수 검사합니다. 유리 원판의 두께는 용도에 따라 0.3mm에서 1.1mm까지 다양하며, 반도체 패키징용은 0.3~0.5mm 박형이 주류입니다.

관통홀 형성

TGV(Through Glass Via) 형성은 유리기판 공정의 핵심 단계입니다. 레이저 천공이 가장 보편적인 방법으로, UV 나노초 레이저, 피코초 레이저, CO₂ 레이저가 사용됩니다. 레이저 파라미터(펄스 에너지, 반복률, 초점 깊이)에 따라 홀의 테이퍼 각도, 벽면 거칠기, 마이크로 크랙 발생 여부가 결정됩니다. 레이저 조사 후에는 HF(불산) 기반 습식 식각으로 홀 벽면을 매끄럽게 하고 잔류 응력을 완화합니다. 홀 직경은 20~100μm, 피치는 40~200μm 범위이며, 직경 대 깊이 비(aspect ratio)는 보통 5:1~10:1입니다. ETCH-assisted laser drilling(EALD) 방식은 레이저와 습식 식각을 교대 반복해 고종횡비 홀을 형성하는 발전된 공법입니다.

시드층 도금

관통홀 형성 후에는 금속 배선과 비아 충전을 위한 시드층을 형성합니다. 먼저 접착층(Ti 또는 TiW, 50~200nm)을 스퍼터링으로 증착하여 구리와 유리 사이의 접착력을 확보하고, 그 위에 구리 시드층(200~500nm)을 추가 증착합니다. 스퍼터링 조건(챔버 압력, 타깃 파워, 기판 온도)은 홀 벽면까지 균일한 피복(step coverage)을 달성하기 위해 세밀히 조절합니다. 고종횡비 홀의 경우 스퍼터링만으로는 벽면 피복이 부족해, 무전해(electroless) 도금으로 시드를 보강하기도 합니다. 시드층의 균일도가 이후 전해 도금의 충전 품질을 좌우하므로, 증착 후 전기저항 측정과 단면 SEM 검사로 품질을 확인합니다.

이 항목을 실제 자료에 적용할 때는 단일 특성만 떼어 결론을 내리지 않는 것이 중요하다. 시드층 도금에 관한 결과는 유리 조성, 패널 두께, 비아와 배선의 형상, 후속 조립 조건이 함께 달라지면 같은 방향으로 재현되지 않을 수 있다. 따라서 공급사 사양서는 시험 온도와 주파수, 시편 크기, 측정 방법을 맞춘 뒤 비교하고, 개발 샘플과 고객 인증, 파일럿 생산, 양산 출하를 서로 다른 단계로 구분해야 한다. 공개 자료에 조건이 빠져 있다면 우열을 단정하기보다 확인이 필요한 항목으로 남기는 편이 안전하다.

검토 기록에는 자료의 발행 주체와 확인일, 시험 조건, 비교 대상, 아직 검증되지 않은 가정을 함께 적는다. 공정 변경 전후에는 동일한 측정법으로 결함 위치와 전기적 결과를 연결하고, 평균값뿐 아니라 분포와 가장자리 편차도 확인한다. 이런 방식은 홍보 문구와 실제 제조 가능성을 구분하고, 설계 요구가 바뀌었을 때 판단 근거를 다시 추적하는 데 도움이 된다.

배선과 적층

배선 형성은 세미에디티브 프로세스(SAP)가 표준입니다. 포토레지스트를 도포하고 노광·현상으로 배선 패턴을 형성한 뒤, 전해 도금으로 구리를 채우고, 레지스트 제거 후 시드 에칭으로 불필요한 구리를 제거합니다. 유리 표면의 높은 평탄도 덕분에 유기기판보다 미세한 선폭/간격(L/S)을 구현할 수 있으나, 포토 정렬 정밀도와 에칭 균일도가 수율을 결정합니다. 다층 배선이 필요한 경우, 절연층(폴리이미드 또는 ABF 류 수지)을 라미네이션하고 비아를 레이저로 뚫어 상하층을 연결하는 빌드업 공정을 반복합니다. 유리와 유기 절연층의 CTE 차이가 적층 시 응력을 발생시킬 수 있어, 재료 선정과 경화 조건 관리가 중요합니다.

• 포토 정렬 정밀도: 유리의 치수 안정성 덕분에 ±1μm 이내 정렬 가능(목표)
• 배선 L/S 목표: 2/2μm 이하(양산은 5/5μm 수준부터)
• 절연층 두께: 5~15μm(용도별 상이)
• 적층 횟수: 2~6층(고밀도 설계 시)

절단 검사

가공이 완료된 유리 패널은 개별 기판 단위로 절단(dicing/singulation)됩니다. 유리의 취성 때문에 기계식 블레이드 다이싱보다 레이저 스크라이빙+브레이킹 또는 스텔스 다이싱(stealth dicing) 방식이 선호됩니다. 절단면의 마이크로 크랙은 기판 강도에 직결되므로, 절단 후 화학적 에지 처리(에치백)로 크랙 전파 경로를 제거합니다. 검사는 AOI(자동광학검사)로 배선 결함을 확인하고, 전기 검사(오픈/쇼트, 저항, 정전용량)로 기능을 확인합니다. 형상 검사에서는 기판 휨(warpage)을 레이저 변위 센서로 측정하여 조립 공정 호환성을 판정합니다.

결함 관리

유리기판 제조에서 결함 관리는 수율과 직결됩니다. 주요 결함 유형은 유리 원판의 내부 기포·이물, TGV의 벽면 크랙·미충전, 배선의 오픈·쇼트·조도 불량, 절단면의 칩핑(chipping)입니다. 결함 발생 원인은 대부분 공정 파라미터(레이저 출력, 도금 전류밀도, 세정 조건)의 편차에서 기인하므로, SPC(통계적 공정관리) 기반의 인라인 모니터링이 필수적입니다. 결함 데이터는 공정별로 추적하여 피드백 루프를 형성하고, 반복 결함은 근본 원인 분석(RCA)을 통해 제거합니다. 유리 특성상 한 번 크랙이 발생하면 전파가 빠르므로, 예방적 품질 관리(가장자리 연마, 핸들링 자동화)가 사후 검사보다 효과적입니다.

공정 정보 기준일

위 공정 설명은 2024~2025년 ECTC·IMAPS 학회 발표와 주요 기업 기술 보고서를 기반으로 정리한 것입니다. 각 기업의 구체적 공정 조건은 영업 비밀로, 공개 정보와 실제 양산 조건 사이에 차이가 있을 수 있습니다.

1. 유리 원판 품질이 전체 수율의 출발점입니다. 원판 공급사와 사양 협의가 중요합니다.
2. TGV 형성과 도금 충전은 공정 난도가 가장 높은 단계로, 파일럿 단계에서 집중 개선이 필요합니다.
3. 절단과 핸들링 자동화는 양산 전환 시 수율 향상의 핵심 인프라입니다.

이 글은 AI(인공지능)의 도움을 받아 작성되었습니다.