광학 등급 탄화규소 도파관 AR 유리: 고순도 반절연 기판 제조

인공지능 혁명의 물결 속에서 증강현실(AR) 안경이 점차 대중의 관심을 끌고 있습니다. 가상 세계와 현실 세계를 매끄럽게 융합하는 새로운 패러다임인 AR 안경은 사용자가 디지털로 투영된 이미지와 주변 환경광을 동시에 인지할 수 있다는 점에서 가상현실 기기와 차별화됩니다. 눈에 마이크로 디스플레이 이미지를 투영하면서 외부 광도 투과를 유지하는 이중 기능을 구현하기 위해 광학 등급의 탄화규소(SiC) 기반 AR 안경은 도파관(광도관) 구조를 사용합니다. 이 설계는 광섬유 전송과 유사하게 전반사를 이용하여 이미지를 전송하며, 이는 개략도에 나타나 있습니다.

일반적으로 6인치 고순도 반절연 기판 하나로 2쌍의 유리를 생산할 수 있으며, 8인치 기판으로는 3~4쌍을 생산할 수 있습니다. SiC 소재를 사용하면 다음과 같은 세 가지 중요한 이점을 얻을 수 있습니다.

1. 탁월한 굴절률(2.7): 단일 렌즈 레이어로 80° 이상의 풀컬러 시야각(FOV)을 구현하여 기존 AR 디자인에서 흔히 발생하는 무지개 현상을 제거합니다.
2. 통합형 3색(RGB) 도파관: 다층 도파관 스택을 대체하여 장치 크기와 무게를 줄입니다.
3. 뛰어난 열전도율(490 W/m·K): 열 축적으로 인한 광학적 열화를 완화합니다.

이러한 장점들로 인해 SiC 기반 반사 방지(AR) 유리 제품에 대한 시장 수요가 크게 증가했습니다. 일반적으로 사용되는 광학 등급 SiC는 고순도 반절연(HPSI) 결정으로 구성되는데, 엄격한 제조 공정으로 인해 현재 가격이 높습니다. 따라서 HPSI SiC 기판 개발이 매우 중요합니다.

1. 반절연성 SiC 분말의 합성
산업 규모 생산에서는 주로 고온 자가전파합성(SHS) 방식을 사용하는데, 이 공정은 세심한 제어가 요구됩니다.

• 원료: 입자 크기가 10~100μm인 순도 99.999%의 탄소/실리콘 분말.
• 도가니 순도: 흑연 성분은 금속 불순물 확산을 최소화하기 위해 고온 정제 과정을 거칩니다.
• 분위기 제어: 6N 순도의 아르곤(인라인 정화 장치 포함)은 질소 혼입을 억제합니다. 미량의 HCl/H₂ 가스를 주입하여 붕소 화합물을 휘발시키고 질소를 줄일 수 있지만, 흑연 부식을 방지하기 위해 H₂ 농도를 최적화해야 합니다.
• 장비 기준: 합성로는 10⁻⁴ Pa 미만의 기본 진공도를 달성해야 하며, 엄격한 누출 점검 절차를 따라야 합니다.

2. 결정 성장 과제
HPSI SiC 성장에는 유사한 순도 요구 사항이 있습니다.

• 원료: B/Al/N <10¹⁶ cm⁻³, Fe/Ti/O 임계값 미만, 최소 알칼리 금속(Na/K) 함량을 갖는 6N+ 순도의 SiC 분말.
• 가스 시스템: 6N 아르곤/수소 혼합물은 저항률을 향상시킵니다.
• 장비: 분자 펌프를 사용하여 초고진공(<10⁻⁶ Pa)을 확보하고, 도가니 전처리 및 질소 퍼징이 필수적입니다.

2.1 기판 가공 혁신
실리콘에 비해 SiC는 성장 주기가 길고 고유한 응력(균열/모서리 깨짐 유발)으로 인해 고도의 공정 기술이 필요합니다.

• 레이저 슬라이싱: 와이어 톱을 이용한 20mm 부울당 웨이퍼 생산량을 30개(350μm)에서 50개 이상으로 증가시키며, 최대 200μm까지 두께를 줄일 수 있는 잠재력을 제공합니다. 8인치 결정의 경우, 처리 시간은 와이어 톱을 이용한 방식에서 10~15일에서 웨이퍼당 20분 미만으로 단축됩니다.

3. 산업 협력

Meta의 Orion 팀은 광학 등급 SiC 도파관 도입을 선도하여 연구 개발 투자를 촉진했습니다. 주요 파트너십은 다음과 같습니다.

• TankeBlue와 MUDI Micro: AR 회절 도파관 렌즈 공동 개발.
• 징성메크, 롱치테크, XREAL, 쿤유옵토일렉트로닉스: AI/AR 공급망 통합을 위한 전략적 제휴.

시장 전망에 따르면 2027년까지 SiC 기반 AR 장치가 연간 50만 대 생산될 것으로 예상되며, 이를 위해 6인치 기판 25만 개(또는 8인치 기판 12만 5천 개)가 소비될 것입니다. 이러한 추세는 차세대 AR 광학 분야에서 SiC가 혁신적인 역할을 할 것임을 보여줍니다.

XKH는 RF, 전력 전자 및 AR/VR 광학 분야의 특정 응용 분야 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작 가능한 2인치에서 8인치에 이르는 고품질 4H 반절연(4H-SEMI) SiC 기판 공급 전문 기업입니다. 당사의 강점은 안정적인 대량 공급, 정밀한 맞춤 제작(두께, 방향, 표면 마감) 및 결정 성장부터 연마까지 모든 공정을 자체적으로 처리하는 능력입니다. 4H-SEMI 외에도 4H-N형, 4H/6H-P형 및 3C-SiC 기판을 제공하여 다양한 반도체 및 광전자 혁신을 지원합니다.