MEMS는 어떻게 제작될까?
MEMS(Microelectromechanical system)는 이제 많은 산업 분야에서 주력 기술이 되었으며 시장 규모도 계속 성장하고 있습니다. MEMS는 기계 부품과 전자 부품을 모두 사용하는 초소형 디바이스입니다. 이들 디바이스는 수십 년 전부터 사용되어 왔으며 현재 수십억 달러 규모의 산업으로 성장했습니다. MEMS의 특징 중 하나는 단일 장치나 제품이 아니라 다양한 소형 시스템을 만들 수 있는 제조 기술 및 설계 프로세스의 포트폴리오라는 것입니다. 또 다른 주요 특징으로는 기성품이 아니라 의도한 애플리케이션에 맞게 설계되고 맞춤화된다는 점을 꼽을 수 있습니다.
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이 글에서는 이러한 프로세스를 사용하여 다양한 MEMS 디바이스가 어떻게 만들어지는지 살펴보겠습니다.
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MEMS는 어떻게 제작될까? (출처: Martin - stock.adobe.com)
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MEMS란?
MEMS는 특정 기능을 가진 소형 통합 디바이스를 만들기 위해 함께 작동하는 전자 및 기계 부품의 조합입니다. MEMS는 다양한 형태와 크기로 제공되며, 시스템 내에 다양한 재료와 구성 요소가 포함될 수 있습니다. 이러한 시스템을 '마이크로' 시스템으로 분류하려면 MEMS의 개별 구성 요소가 마이크로미터(µm) 단위여야 합니다. 그러나 MEMS 디바이스의 전체 크기는 특정 기능의 장치를 만들기 위해 얼마나 많은 구성 요소를 함께 구축하는지에 따라 수 마이크로미터에서 밀리미터 크기까지 다양합니다.
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MEMS를 사용하는 디바이스는 다양하지만 모든 MEMS 디바이스는 기계적 미세 구조, 마이크로 센서, 마이크로 액추에이터, 마이크로 일렉트로닉스의 조합을 포함하고 있으며, 이 모든 것이 실리콘 칩에 통합되어 있습니다. 이러한 일반적인 구성 요소 영역 안에는 레버, 기어, 피스톤, 모터 등 MEMS 디바이스의 중요한 특성을 부여하는 많은 구성 요소들이 있습니다. 이러한 개별 구성 요소는 설계자가 의도하는 기능에 따라 다양한 유형의 재료로 만들어지며 일반적으로 다음과 같은 재료들이 사용됩니다:
▶ 실리콘
▶ 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 실리콘 기반 소재
▶ 금속 박막
▶ 폴리머
▶ 유리
▶ 용융 석영 기판
▶ 다이아몬드
▶ 갈륨 비소(GaAs)
▶ 기타 3-5((III-V)족 화합물 반도체 및 형상 기억 합금
MEMS로 가능한 구성 요소의 조합은 마이크로 수준에서 감지, 제어 및 작동할 수 있지만 거시적 수준에서 작동 효과를 나타낼 수 있는 디바이스를 만들 수 있습니다. 매크로 출력은 특정 기능을 수행하기 위해 함께 작동하는 개별 마이크로 구성 요소의 합이라는 점을 명심해야 합니다. MEMS 디바이스를 구성하는 구성 요소가 매우 광범위하기 때문에 MEMS의 적용 범위는 넓지만, 일반적으로 여러 기술 및 과학 산업에 걸쳐 다양한 유형의 센서, 액추에이터 및 트랜스듀서가 사용됩니다.
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MEMS 제작 방법
MEMS 디바이스에 사용할 수 있는 재료와 구성 요소의 수가 광범위하기 때문에, 이러한 디바이스를 제작할 수 있는 제작 방법도 매우 다양합니다. 일반적으로 전자 부품은 집적 회로 일괄 처리(IC batch processing) 방법을 사용하여 제작하고, 기계 부품은 미세 가공 방법을 사용하여 제작합니다. 하지만 공정 장비의 발전과 리소그래피 및 비리소그래피 기반 방법을 포함한 고정밀 미세 가공 방법의 발전 덕분에 다양한 첨단 제작 기술을 MEMS에 사용할 수 있게 되었습니다.
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MEMS 제작에 사용되는 미세 가공 방법은 특정 기능을 재료에 정의한다는 점에서 기존 가공 방법과 유사합니다. 그러나 미세 가공은 동일한 웨이퍼에 수천 개의 동일한 기능을 동시에 제작할 수 있고 동시에 많은 웨이퍼를 처리할 수 있다는 점에서 몇 가지 차이점이 있습니다. 또 다른 주요 차이점은 미세 가공 방법은 기존 가공 방법보다 훨씬 더 작은 피처를 재료에 생성할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 사용되는 기본적인 미세 가공 도구에는 여러 가지 방법이 있습니다. 예를 들어 에피택시, 스퍼터링, 증착, 화학 기상 증착(CVD), 스핀온 제조 방법은 모두 반도체, 금속, 절연체 및 폴리머의 얇은 층을 증착하는 데 사용됩니다.
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반면에 리소그래피 방법은 MEMS 부품 위에 감광성 폴리머 층을 인쇄하여 마이크로 단위로 식각(etching)한 다음, 특정 패턴과 특징을 만드는 데 사용됩니다. 식각 공정의 경우, 습식 식각과 건식 식각 방법이 모두 MEMS 디바이스 생산에 사용됩니다. 건식 식각은 플라즈마 식각, 심층 반응성 이온 식각, 등방성 습식 식각과 함께 전기 화학적 식각에 더 많이 사용되며 재료를 선택적으로 제거하는 데에도 사용됩니다.
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리소그래피 기술이 필요하지 않은 첨단 가공 방법도 많이 있습니다. 이러한 방법 중 하나는 실리콘 및 기타 금속을 1µm 이하의 피처로 특정 모양으로 가공할 수 있는 초정밀 기계 가공입니다. 이는 리소그래피 방식으로는 불가능한, 측면이 평평한 역행 언더컷(retrograde undercut)과 같은 형상을 만들 수 있기 때문에 중요한 비리소그래피 방식입니다.
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또 다른 첨단 가공 방법은 레이저 가공입니다. 이는 실리콘 칩을 만드는 데 사용할 수 있지만 금속, 세라믹 및 플라스틱 재료에서 재료를 제거하거나 구멍을 만드는 데도 사용됩니다. 초음파 가공은 유리, 세라믹, 다이아몬드와 같이 단단하고 부서지기 쉬운 재료에 초음파를 사용하는 방법이며, 방전 가공은 전기 방전을 사용하여 작은 재료 조각을 침식하는데 전도성 재료에만 적용할 수 있다는 게 특징입니다. 이러한 방법 외에도 미세 접촉 인쇄, 나노 임프린트 리소그래피, 핫 엠보싱 등 작은 피처와 패턴을 도입하는 기술도 있습니다.
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기계 가공 기반 방법 외에도 특정 상황에서 사용되는 다른 많은 첨단 제작 방법이 있습니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼를 유리 기판에 접합하는 데는 양극 본딩 방법이 사용되지만, 두 실리콘 재료를 서로 융합하는 데는 실리콘 직접 본딩이 사용됩니다. 솔-겔(sol-gel) 증착 방법은 광학 흡수 또는 인덱스 등급 반사 방지 코팅으로 MEMS 부품을 코팅하는 데 사용되며, 또한 전기 도금 방법은 금, 구리, 니켈, 니켈-철을 포함한 박형 금속층을 만드는 데 사용됩니다.
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결론
MEMS는 수년 동안 사용되어 온 마이크로 단위의 디바이스입니다. 당연히 모든 기존 기술과 마찬가지로 MEMS 디바이스를 만드는 데 사용되는 여러 가지 제조 공정이 있습니다. MEMS를 제작하고 기능을 구현하는 데 사용되는 재료와 부품이 매우 다양하기 때문에 MEMS 생산에서 제조 및 제작의 범위는 다른 많은 소형 디바이스보다 더 광범위합니다. 이러한 다양한 제조 방법의 조합 덕분에 MEMS가 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있게 되었습니다. 제조 방법이 점점 더 발전하고 해상도가 좁아짐에 따라 MEMS 디바이스 내에 점점 더 작은 피처와 더 작은 부품이 만들어지고 있습니다.