양자 칩 개발에서 EV그룹의 반도체 제조 기술이 수행하는 역할을 시각적으로 표현한 이미지. EVG는 첨단 공정 장비와 축적된 제조 기술 및 클린룸 역량을 바탕으로 고객들이 새로운 양자 칩 설계를 개발하고 검증할 수 있도록 지원한다. AI를 활용해 제작한 이미지. (출처: EV그룹)

첨단 및 차세대 반도체 설계와 칩 집적을 위한 혁신적인 공정 솔루션과 전문 기술을 제공하는 선도기업 EV그룹(EV Group, 이하 EVG)은 양자 컴퓨팅 시스템의 규모 확장에 따른 복잡한 제조 요건을 충족할 수 있도록 양자 칩 개발업체와 제조업체들을 지원하고 있다고 11월10일(화)밝혔다. EVG는 양자 칩 개발에 지속적으로 기여해 온 경험을 바탕으로, 첨단 패키징, 이종 집적 및 포토닉스 제조 분야에서 축적한 전문성을 활용해 고객들이 갈수록 복잡해지는 양자 컴퓨팅 아키텍처에 적합한 새로운 제품 설계와 제조 공정을 개발하고 검증할 수 있도록 지원하고 있다.

양자 컴퓨팅의 규모 확장을 위한 새로운 제조 방식 필요

맥킨지앤컴퍼니(McKinsey & Company)에 따르면, 양자 컴퓨팅은 2035년까지 전 세계적으로 최대 2조 7,000억 달러의 경제적 가치를 창출할 것으로 전망된다(1). 양자 컴퓨팅이 초기 연구 및 실증 단계를 넘어 더욱 높은 성능과 기능을 갖춘 시스템으로 발전하면서, 업계가 직면한 주요 과제 중 하나는 실제 응용에 필요한 성능과 신뢰성을 유지하면서 양자 정보의 기본 단위인 큐비트(qubit)의 수를 늘리는 것이다. 큐비트는 오류에 매우 민감하기 때문에, 오류 정정에 필요한 물리적 큐비트 수를 대폭 늘리는 것이 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅 구현의 핵심 요건이다.

이러한 요건을 충족하기 위해서는 제조 공정상 상당한 기술적 과제를 해결해야 한다. 양자 컴퓨팅은 아키텍처에 따라 다양한 소재와 소자 구조를 활용하기 때문에 고밀도 인터커넥트, 이종 소재 집적 및 정밀 제조 공정에 대한 요구사항이 매우 까다롭다. 첨단 패키징 기술은 성능을 유지하면서 더욱 복잡한 양자 칩과 기타 핵심 부품들을 통합하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

EVG는 퓨전 본딩(fusion bonding), 하이브리드 본딩(hybrid bonding), 고진공 산화막 프리 본딩(high-vacuum oxide-free bonding), 디지털 리소그래피(digital lithography), 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography), 박형 웨이퍼 공정(thin-wafer processing) 등 폭넓은 공정 기술 포트폴리오를 통해 이러한 과제에 대응하고 있다. 이들 기술은 다양한 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 요구되는 까다로운 웨이퍼 정렬, 본딩 및 패터닝 공정에 필요한 높은 정밀도를 제공한다. 여기에 EVG의 이종 집적화 역량 센터(Heterogeneous Integration Competence Center™, HICC)와 NIL포토닉스 역량 

센터(NILPhotonics® Competence Center)를 통해 확보한 소재 및 공정 통합 전문성을 결합함으로써, 양자 컴퓨팅 기업들이 새로운 양자 칩 설계와 제조 방식을 탐색하고 개발 및 검증할 수 있도록 지원한다.

EVG의 사업개발 담당 디렉터인 베른트 딜라허(Bernd Dielacher) 박사는 “양자 컴퓨팅은 단일 기술이 아니라 근본적으로 서로 다른 여러 기술적 접근법의 집합으로, 각 접근법마다 고유한 소재 및 제조 요건을 가지고 있다. 개발업체들이 이러한 기술의 규모를 확장하는 과정에서 직면하는 과제는 단순히 큐비트 수를 늘리는 것이 아니라, 성능 저하 없이 큐비트를 더욱 복잡한 칩 아키텍처에 집적할 수 있는 방법을 찾는 것”이라며, “이러한 점에서 EVG의 폭넓은 공정 솔루션 포트폴리오와 첨단 패키징 및 이종 집적 분야에서 축적한 경험은 고객들이 차세대 양자 소자를 위한 실질적인 제조 솔루션을 개발하는 데 중요한 역할을 할 수 있다”고 말했다.

양자 컴퓨팅 개발을 지원하는 공정 기술

양자 컴퓨팅에는 초전도(superconducting), 광자(photonic), 스핀(spin), 이온 트랩(trapped-ion), 중성 원자(neutral-atom), 질소-공공 다이아몬드(nitrogen-vacancy diamond) 큐비트 등 다양한 기술적 접근법이 있으며, 각각 서로 다른 소재 및 제조 기술상의 과제를 수반한다. EVG는 이러한 다양한 양자 컴퓨팅 기술에 요구되는 폭넓은 제조 요건을 충족할 수 있는 공정 기술을 제공한다.

예를 들어, 초전도 양자 소자에서는 산화막 없는 본딩 공정을 통해 초전도 인터커넥트 형성과 3차원(3D) 소자 집적을 지원할 수 있다. 광자 기반 양자 소자에서는 퓨전 본딩과 산화막 없는 본딩 기술을 활용해 III-V족 반도체 소재와 포켈스 계수(Pockels coefficient)가 높은 소재를 광도파로(waveguide)에 집적할 수 있다. 또한 하이브리드 본딩 기술은 차세대 스핀 큐비트 아키텍처에서 초고밀도 인터커넥트 구현을 지원한다. 이온 트랩 기반 양자 컴퓨팅 분야에서는 EVG가 연구진과 협력하여 서로 다른 기판 소재로 제작된 이온 트랩 칩렛과 포토닉 칩렛을 집적할 수 있는 저온 금속 본딩 공정을 개발했다. EVG는 또한 유럽 최초로 이온 트랩 양자 칩의 산업 규모 생산을 위해 구축되는 개방형 파일럿 라인 프로젝트인 CHAMP-ION을 지원하는 실리콘 오스트리아 랩스(Silicon Austria Labs)의 전략적 파트너로 참여하고 있다. 이 밖에도 나노임프린트 리소그래피, 디지털 리소그래피, 임시 본딩 및 디본딩(temporary bonding and debonding) 기술 등을 통해 특수 광학 구조와 첨단 패키징 공정 구현을 지원할 수 있다.

양자 컴퓨팅 개발 분야에서 EVG는 최근 발표한 양자 광자 컴퓨팅 기술 개발업체 자나두(Xanadu)와의 협력을 비롯해 새로운 양자 소자의 제조 요건에 대응하기 위한 연구 활동에도 참여하고 있다. 이러한 협력과 연구 활동은 반도체 및 포토닉스 제조 분야에서 축적한 전문성을 바탕으로 양자 하드웨어의 특수한 제조 요건에 대응하고, 큐비트 집적 기술의 발전을 이끌어 나가려는 EVG의 적극적인 의지를 보여준다.