LED 업계의 공격적인 로드맵, 관건은 제조기술 혁신!

2015년까지 8배 비용절감이라는 LED 업계의 과감한 목표 

By Paula Doe, SEMI Emerging and Adjacent Markets

 

 

5년 내에 패키지드 LED 다이(die; 칩) 비용을 2.20달러/klm까지 낮추겠다는 보다 새롭고 공격적인 목표를 달성하기 위해서는 제조기술에 중대한 혁신이 요구된다. 다행히 제조 공급망 부문에서 몇 가지 주요 진전이 이루어지고 있다.

 

올해 미국 에너지부가 주관하는 에너지산업 로드맵 검토회의에서 전문가들은 2020년까지 패키지드 LED 다이의 비용을 10배 낮추기로 한 지난해의 야심찬 목표가 충분치 않다는 결론을 내렸다. 전문가들은 형광등과 경쟁할 수 있는 SSL(solid state lighting; 고체조명) 산업을 창출하기 위해서는 2015년까지 8배의 비용 절감이 필요할 것으로 본다.

 

업계가 현재 18달러/klm인 비용을 5년 내에 2.20달러/klm까지 줄이는 과감한 목표를 달성할 수 있을까? 업계는 고전류에서 효율성이 저하되는 문제를 이해하고, 에피택셜(epitaxial) 증착을 균일하게 제어하고, 결함을 찾아 해결하고, 더 적은 부품으로 패키징을 단순화하는 등 모든 부분에서 진전을 보이고 있다.

 

업계 전문가들은 7월 13일 샌프란시스코에서 열리는 세미콘 웨스트(SEMICON West)의 HB-LED 제조기술 프로그램에서 이러한 진전과 가치 체인 주요 단계의 향후 핵심 사항에 대해 논의할 예정이다.

     

중요한 결함 찾기

웨이퍼나 기판 표면에서 결함을 찾아 분류하는 능력은 LED 제조상 수율(yield) 개선에 핵심이다. KLA-텐코(KLA-Tencor)의 광학검사 도구 칸델라(Candela) 8620은 현재 암시야 감도로 투명한 사파이어 웨이퍼의 전면에서 서브마이크론(submicron) 결함을 찾아낸다. 이로써 LED 및 기판제조업체들은 처음으로 기판 위의 마이크로핏(micropit; 미세구멍), 마이크로크랙(microcrack; 미세균열), 스크래치 패턴을 볼 수 있게 되었다.

 

서브마이크론 핏은 LED 결함의 직접적인 원인이다. 또한 서브마이크론 핏은 에피택셜 층 성장 동안 가열이 균일하지 않았음을 보여주는 직접적인 지표이다. 웨이퍼 맵에서 이들의 패턴을 보면 그 원인이 웨이퍼가 휘어서인지, MOCVD(유기금속화학증착장비) 리액터(reactor)의 웨이퍼와 열 주머니(heated pocket) 사이에 있는 입자 때문인지 알 수 있다. 웨이퍼의 몇몇 지점을 육안으로 조사하는 오퍼레이터들은 이런 핏이나 패턴을 잡아낼 수 없다.

 

 

 

 

한편, 마이크로크랙은 질화갈륨(GaN)과 기판 사이의 격자의 어긋남 때문에 생긴다. “이것은 단원자 층의 절단된 본드(bond)로 육안으로 보기 어렵다. 그러나 자동차 전조등과 같은 최종 애플리케이션에서 이 디바이스 열이 순환하면서 결함이 드러나며 신뢰성이 떨어뜨린다.”고 KLS-텐코의 칸델라 사업부문 VP 겸 GM인 프랭크 버킨(Frank Burkeen)이 말한다. 그는 마이크로크랙 결함 패턴을 볼 수 있는 이 새로운 능력이 실리콘 기판 위에 좋은 질화물 층을 성장시키는 방법을 알아내는 열쇠가 될 것이라고 말했다.

 

 

 

KLS는 마이크로핏과 마이크로크랙을 위한 툴의 개발 및 채용을 위해 부분적으로에너지부의 후원을 받는 프로젝트에 필립스 루밀레즈(Philips Lumileds) 및 기타 회사들과 협력하고 있다. 한편, KLS 연구진들은 앞으로 나올 사파이어 기판위에서 다른 마이크로 결함도 볼 수 있다는 점을 최초로 발견했다. 이는 증착 품질에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이런 결함을 볼 수 있게 된 기판 제조업체들은 이제 표면 품질 개선에 중요한 진전을 이룰 것이다.

 

“현재 5% 이하의 에피-레디(epi-ready) LED 기판만이 고감도 자동 검사를 거치고 있다. 이제 우리가 더 강력한 툴을 가지게 되었으니, 이 툴을 더 사용할수록 해결해야 할 새로운 결함들을 보게 될 것이다.”고 버킨(Burkeen) 부사장은 말했다. 이러한 개선은 곧바로 LED 저비용으로 이어지고, 고체 조명의 새로운 애플리케이션의 문을 열어줄 것이다.

 

 

처리율과 수율을 개선할 LED 장비 설계

 

기존의 반도체 산업 툴 대신에 LED 생산의 특정 니즈를 위해 최적화된 전용 장비의 사용은 중요한 개선을 제공할 것이다. 예를 들어, 울트라테크(Ultratech)는 LED용으로 고안된 프로젝션 리소그래피 툴이 리소그래피 비용을 절반으로 줄일 수 있다고 생각한다. 휜 사파이어 웨이퍼에 이 프로젝션 시스템을 조정하고, 텍스처 처리한 웨이퍼 표면에서 정렬 마크(alignment mark)를 더 잘 볼 수 있도록 광원을 바꾸고, LED 부분의 더 빠른 포토레지스트(photoresist)를 위해 셔터를 변형하고, LED 제조사들이 사용하는 덜 엄격한 청결 조건에서도 사용할 수 있도록 이 툴을 밀봉함으로써 비용절감이 가능하다는 것이다.

 

울트라테크의 CTO 앤디 호리룩(Andy Hawryluk)은 더 적은 설비투자와 더 높은 처리율은 연간 툴 당 25만 달러정도의 비용절감을 가져올 것으로 추산한다. 한편, 더 나은 정렬, 휜 웨이퍼의 조작 등에서 오는 수율 개선은 연간 툴 당 1억 개 이상의 더 많은 다이를 생산할 수 있다는 것을 의미한다.

 

재료 사용 재고

 

에피택셜 증착을 위한 전구체(precursor)의 전달에도 효율성을 개선할 상당한 여지가 있다. 다우전자재료(Dow Electronic Materials) 사업부의 금속유기 기술 글로벌 마케팅 이사 틸로마 페레라(Thiloma Perera)는 온보드 실린더에서 중앙 전달 시스템으로 전환하게 되면 최대 4~5개의 다른 실린더가 필요한 현 리액터의 설치에 필요한 공간과 유지보수가 필요 없게 된다고 말한다. 각 실린더를 각각 다른 온도의 배스(bath)에 보관해야 하는 문제가 사라지게 되는 것이다.

 

중앙 전달 시스템으로 전환하면 각 실린더 교체 시 필요한 4~24시간의 휴지시간도 제거된다. 중앙 전달 시스템은 여러 개의 방과 여러 개의 툴에 더 안정된 농도로 더 많은 가스 흐름을 제공할 수 있으며, 운영자들은 툴을 정지 시키지 않고 실린더를 교체할 수 있다.

 

이 중앙 전달 시스템의 또 다른 이점은 실린더의 바닥에 남은 사용하지 않는 재료를 줄이는 것이다. 다우는 전구체의 중앙 전달 시스템 사용으로 에피택셜 성장의 소유(ownership) 비용을 상당히 절약할 수 있을 것으로 추산한다.

 

페레라(Perera) 이사는 현재 아시아와 미국의 여러 LED 제조 현장에서 TMG(trimethylgallium; 삼중메틸갈륨)를 전달하는 중앙 전달 시스템이 운영되고 있다고 말한다. “LED 제조에서 재료 사용의 비효율성이 두드러지게 드러나지 않는다. 그러나 중앙 전달 시스템이 훨씬 더 비용 효과적이기 때문에 우리는 업계 전체를 중앙 전달 시스템으로 변화시키고 싶다”고 페레라(Perera) 이사는 덧붙였다.

 

사용자들과 공급자들은 툴과 재료의 기본 요구사항에 관한 몇 가지 합의에 진전을 이루며, 공조하고 있다. SEMI 표준 위원회의 업계 대표들은 6인치 사파이어 웨이퍼, 공통 카세트, 소프트웨어, 하드웨어, 인터페이스에 표시할 플랫(flat)과 노치(notch)의 공통 위치에 대한 합의를 도출하고 있다. 이 표시 위치 합의는 자동화를 가능하게 할 것이다.

 

이 연사들은 필립스 루밀레즈(Philips Lumileds), 크리(Cree), 산타 바바라 캘리포니아 대학(University of California Santa Barbara), 비코 인스트루먼츠(Veeco Instruments), 수스 마이크로텍(Suss MicroTec), 브루어 사이언스(Brewer Science), 레드우드 시스템즈(Redwood Systems), 욜 디벨로프먼트(Yole Développement), 프라운호퍼(Fraunhofer) IZM, 캐스케이드 마이크로텍(Cascade Microtech), 인테매틱스(Intematix), 엔엔크리스탈(NNCrystal)에서 온 다른 전문가들과 함께 세미콘 웨스트에서 LED 제조 기술에 대한 최근의 진전과 향후 이슈에 대해 논의할 예정이다.

 

참고: 세미콘웨스트 웹사이트(http://www.semiconwest.org)

 

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