차세대 3D 프린팅 웨이퍼 테이블 제작 사례

반도체 고도화 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 반도체 제조 장비 시장은 꾸준한 성장이 예상되고 있습니다. 전공정과 후공정 분야의 투자 확대에 힘입어 시장 규모는 2025년 1,210억 달러, 2026년 1,390억 달러로 사상 최고치를 기록할 전망입니다. 특히 웨이퍼 제조 장비(WFE) 시장은 첨단 로직 및 메모리 반도체 수요 증가에 따라 2025년 6.8%, 2026년 14% 성장하며 1,230억 달러 규모에 이를 것으로 예측됩니다.

웨이퍼 테이블은 노광, 웨이퍼 검사, 다이 배치, 식각, 증착 공정 등 다양한 반도체 제조 장비의 핵심 구성 요소로, 공정 효율과 생산 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 웨이퍼 테이블의 정밀도와 신뢰성은 반도체 제조 장비의 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.

금속 3D 프린팅은 기존 제조 방식으로는 구현하기 어려운 혁신적인 설계 구조를 가능하게 함으로써 웨이퍼 테이블의 성능을 한 단계 끌어올릴 수 있습니다. 이를 통해 반도체 장비의 정밀도, 처리 속도 및 가동률을 향상시킬 수 있으며, 적용 분야에 최적화된 맞춤형 웨이퍼 테이블 설계 또한 구현할 수 있습니다.

과제

웨이퍼 테이블의 처리량과 정밀도를 향상시키고, 지속적인 반도체 미세화 요구에 대응하기 위해 반도체 제조 공정은 다음과 같은 주요 과제에 직면해 있습니다.

1. 넓은 영역에서도 서브 나노미터(Sub-nanometer) 수준의 정밀도 유지
2. 공정 중 발생하는 열로 인한 열팽창(thermal expansion) 영향 최소화
3. 진동 및 외부 환경 요인으로 인한 오차 제어
4. 공급망 불안정 및 긴 납기 문제 대응
5. 기존 제조 공정의 한계 극복
   • 복잡하고 매끄러운 형상을 구현하기 위해 용접 또는 다수의 조립 공정이 필요하며, 이로 인해 생산 시간이 증가하고 누설 위험이 높아짐
   • 제조 공정상의 제약으로 인해 구조물의 벽 두께를 충분히 얇게 설계하기 어려움
   • 생산 가능성을 확보하기 위해 설계 기능과 성능을 일부 희생해야 함
   • 설계 변경 시 새로운 금형이나 치공구 제작이 필요해 비용과 리드타임이 크게 증가함
   • 소량 생산과 대량 생산에 서로 다른 장비 및 생산 체계가 요구되어 생산 효율성이 저하됨

솔루션

3D Systems는 금속 3D 프린팅 기술과 반도체 분야의 축적된 애플리케이션 전문성을 바탕으로 차세대 실리콘 웨이퍼 테이블 데모 모델을 개발했습니다. 이상적인 냉각 성능을 구현하기 위해 여러 혁신적인 설계 기법을 적용했으며, 이를 통해 기존 제조 방식의 한계를 극복하고 차세대 반도체 장비에 요구되는 성능 향상을 실현했습니다.

이상적인 콜드 플레이트 솔루션의 핵심 요건:

1. 신속한 열 방출
2. 냉각 매체의 균일한 분배
3. 균일한 표면 온도 분포
4. 시스템 엔트로피 관리

1. 열은 가능한 한 빠르게 열원으로부터 제거되어야 합니다
   일반적인 냉각 시스템에서는 냉각 유체가 구불구불한 유로를 따라 흐르며 열을 제거합니다. 이때 냉각 유체가 유입되는 지점은 가장 낮은 온도(T0)를 유지하는 반면, 열을 흡수한 후 배출되는 지점은 가장 높은 온도 상태가 됩니다.

   또한 설계상의 제약으로 인해 유입구와 배출구를 서로 가까운 위치에 배치해야 하는 경우가 많은데, 이러한 구조는 냉각 성능의 불균일성을 더욱 증가시키는 원인이 됩니다. 결과적으로 웨이퍼 테이블 표면에 온도 편차가 발생해 공정 정밀도와 수율에 영향을 줄 수 있습니다.

• 가열된 냉각 유체가 유입부(T0) 근처로 다시 되돌아오게 되면, 이미 열을 흡수한 유체가 상대적으로 차가운 유체와 열을 교환하게 됩니다. 이로 인해 냉각이 시작되는 지점에서조차 냉각 효율이 저하될 수 있습니다.
• 이러한 기존 유로 구조는 본질적으로 비효율적이며, 제조 및 설계상의 제약 때문에 성능을 일부 타협해야 합니다. 반면, 평면(Planar) 유동 방식은 직렬(Serial) 구조가 아닌 비직렬(Non-serial) 개념을 적용하여 냉각 유체가 거의 전체 표면에 걸쳐 흐를 수 있도록 설계됩니다. 방향성 핀(Direction Fins)을 갖춘 공동(Cavity) 구조를 활용함으로써 보다 효과적이고 균일한 열 관리를 구현할 수 있습니다.
• 특히 중앙부에서 외곽부로 강하게 유동하는 냉각 흐름과 폭포수 형태의 가장자리 리턴 매니폴드(Waterfall Edge Return Manifold) 를 결합한 혁신적인 설계는 예측 가능한 방사형(Polar) 온도 분포를 형성합니다. 이를 통해 웨이퍼 전반의 온도 균일성을 향상시키고 공정 안정성을 높일 수 있습니다.

2. 이상적인 냉각 시스템에서는 냉각 매체가 냉각 영역 전체에 고르게 분포되어야 하며, 이를 통해 냉각 표면 전반에 가능한 한 가장 낮은 온도를 유지할 수 있어야 합니다.
   앞서 설명한 방식은 냉각 성능을 제어하고 온도 분포를 방사형(Polar Gradient)으로 형성하는 방법을 제시합니다. 여기에 업계에서 널리 활용되는 샤워헤드 방식의 분사 구조를 적용해 냉각 매체를 핀 어레이(Fin Array) 전체에 균일하게 공급함으로써 더욱 효율적인 냉각 성능을 구현했습니다.

• 이러한 설계는 앞서 설명한 중앙에서 외곽으로 흐르는 냉각 방식에서 발생할 수 있는 열 축적 문제를 효과적으로 개선합니다.
• 냉각 영역 전체에 가장 낮은 온도의 냉각 유체(T0)를 균일하게 분사함으로써 방사형 온도 구배를 완화하고, 표면 전반의 온도를 더욱 균일하게 유지할 수 있습니다. 동시에 기존 유동 특성은 그대로 유지되어 냉각 성능 저하 없이 효율적인 열 관리가 가능합니다.

3. 냉각 표면 전체는 가능한 한 균일한 온도 상태를 유지해야 합니다.
    
   • 앞서 소개한 냉각 공간 내 생성 설계 기반 유동 분산 핀 네트워크를 활용하면, 냉각 유체를 냉각 챔버 전반에 효율적으로 분산시키는 단순하면서도 효과적인 구조를 구현할 수 있습니다.
   • 또한 앞서 설명한 두 가지 설계 요소와 결합함으로써 유체 흐름과 온도 구배를 보다 정밀하게 제어할 수 있습니다.
4. 시간이 지남에 따라 시스템 내부의 엔트로피는 평균 온도에 영향을 주며, 결과적으로 시스템 전체의 온도가 점진적으로 상승하거나 변동할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 평균 온도의 변화를 억제할 수 있는 설계가 필요합니다.
   3D Systems는 샤워헤드 분사 구조 이전에 '콜드 웰(Cold Well)' 저장소를 적용했습니다. 이를 통해 일정량의 냉각 유체를 가장 낮은 온도(T0) 상태로 유지하고, 추가적인 열 흡수원(Heat Sink) 역할을 수행하도록 설계했습니다.
   • 콜드 웰은 시스템 전체에 걸쳐 지속적으로 T0 상태를 유지하는 열 흡수원 역할을 합니다. 마치 시스템 중심부의 얼음처럼 작동하여 순간적인 열 변화나 열 유입이 전체 열 특성에 영향을 미치는 것을 효과적으로 억제합니다.
   • 콜드 웰은 냉각 영역과 리턴 유로 사이의 완충 구역(Buffer)으로 작용합니다. 이를 통해 열을 흡수한 리턴 유체가 활성 냉각 표면에 다시 영향을 주는 것을 최소화하여 더욱 안정적인 온도 제어가 가능합니다.

3D Systems는 하드웨어, 소프트웨어, 서비스가 유기적으로 결합된 통합 적층제조 생태계를 제공하여 고객의 제품 개발부터 양산까지 전 과정을 지원합니다.

• 3D Systems의 AIG(Application Innovation Group)는 고객과 긴밀히 협력하여 요구사항을 분석하고, 설계 최적화부터 시제품 제작, 성능 검증, 제조 공정 수립에 이르기까지 전 과정을 지원합니다. 이를 통해 고객은 적층제조 기술의 효과를 극대화하고 최적의 생산 전략을 수립할 수 있습니다.
• 본 웨이퍼 테이블 사례에서는 3D Systems의 최신 금속 적층제조 솔루션이 활용되었습니다. DMP Flex 350 Triple 금속 3D 프린터와 높은 열전도성을 제공하는 A6061-RAM2 알루미늄 합금, 그리고 설계 및 제조 최적화를 지원하는 Oqton 3DXpert® 소프트웨어를 적용하여 우수한 열 관리 성능과 정밀한 부품 제작을 구현했습니다.
• 설계와 공정 검증이 완료되면 3D Systems는 반도체 장비 제조사(OEM)와 공급업체가 자체적인 금속 적층제조 역량을 구축할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 생산 비용과 양산 전환 시간을 단축할 수 있으며, 전담 전문가 팀이 시생산 단계부터 대량 생산 체계 구축까지 전 과정에 걸쳐 기술 지원을 제공합니다.

이점 / 결과

향상된 생산 효율성 - 복잡한 파라메트릭 설계와 생성 설계 기반의 유로 구조를 적용한 콜드 플레이트를 신속하게 설계, 반복 개발 및 제조할 수 있습니다. 이를 통해 냉각 유체가 표면 전체에 보다 균일하게 흐르도록 최적화해 냉각 효율을 높이고, 웨이퍼 내 반도체 칩의 생산 수율과 품질 향상에 기여합니다.

• 최대 500배 더 넓은 냉각 면적
• 4 -6 % 향상된 온도 균일성
• 최대 10배 증가한 유체 처리 용량

높은 신뢰성 – 기존의 2~3개 부품을 접합하여 제작하는 콜드 플레이트와 달리, 단일 부품(Monolithic) 구조로 제작되어 누설 위험을 최소화합니다. 또한 복잡한 내부 유로를 자유롭게 구현할 수 있어 냉각 유체 분사 및 열 제거 효율을 최적의 수준으로 설계할 수 있습니다.

납기 단축 및 공급망 리스크 최소화

• 개발 완료 후 단일 부품 생산 리드타임은 최소 1주 수준으로 단축 가능합니다. 반면 기존 제조 방식은 다수의 가공 부품 제작과 브레이징(Brazing) 또는 용접 공정이 필요해 최소 12주 이상의 리드타임이 요구될 수 있습니다.
• 적층제조는 초기 시제품 테스트 결과를 반영해 설계를 손쉽게 개선할 수 있으며, 설계 변경 후에도 동일한 리드타임으로 재생산이 가능합니다.
• 냉각 유로 형상이 복잡해지더라도 생산 비용 증가가 제한적이어서 설계 자유도를 극대화할 수 있습니다.

 3D Systems의 금속 적층제조 전문가와 협력하여 성능이 최적화된 부품을 개발할 수 있으며, 계약 제조사로의 기술 이전을 통해 양산 체계를 보다 빠르게 구축할 수 있습니다. 이를 통해 제품 출시 기간을 단축하고 시장 대응력을 높일 수 있습니다.

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