2-5) MEMS, 사전 학습

짧게 짚고 넘어가기

 

MEMS의 원리와 이론, 이 주제는 실로 매우 다양하여서 산만할 수 있고, 어디까지가 원리이고 이론인지도 명확치 않습니다.  다만, 제 블로그, '전자재료 소자'의 코너 1)에서 설명하고 있는 전자재료의 기초 지식, 코너 3)과 4)의 센서에 관한 내용에서 더 많은 내용을 공부하기를 바라며, 여기에서는 MEMS에서 종종 만날 수 있는 용어들의 정리, 공정에서 발생하는 결함이나 에러, 그리고 MEMS의 구동 방식들 몇몇을 소개하기로 합니다. 

 

MEMS 관련 용어들

 

MEMS 관련 용어들

 

영어 알파벳 순으로 따라가 보면, creep은 높은 온도의 환경에서 일정한 부하나 응력을 인가하였을 때 시간에 의존하는 영구적인 변형을 의미합니다.  DBTT, 즉 Ductile to Brittle Transition Temperature는 충격 테스트에서 소재가 ductile에서 brittle, 혹은 그 반대로 변화하는 온도를 말하며, fatigue는 물체의 항복 강도보다 적은 응력은 반복적으로 인가하였을 때 그 파괴 강도가 본래의 값보다 낮아지는 현상입니다.  이하, 기계적인 특성 용어들, 그리고 MEMS와 관련된 용어들에 대한 정리는 아래에 첨부되는 그림을 참조하기 바랍니다.  그리고 기계적인 특성과 관련된 용어와 내용들은 가장 아래의 참고 자료를 함께 학습하기 바랍니다.

 

응력에 의한 변형, 그리고 공정 관련 결함들

 

이러한 기계적인 응력과 변형이 MEMS 구조물에서 구조물의 휨과 변형 등으로 나타나게 되죠.  즉, 서로 다른 소재들 간의 응력 차이, 혹은 두께나 무게가 크게 차이가 나는 계면에서의 응력 불균형으로 폭이 좁거나 길이가 길고, 두께가 얇은 구조물들일수록 변형이 일어나게 됩니다.  이러한 공정 후 변형과 함께 공정이 진행되는 중에도 공정 에러, 과잉 혹은 부족한 식각, 불순물 오염 등으로 원하는 구조물이 얻어지지 못하거나 구조물들 간의 틈이나 원하지 않는 부분에 불필요한 구조나 형상이 만들어지기도 하죠.

 

공정 오차

 

다음으로, 사진식각공정(photolithography)이나 미세 가공(micromachining)에 있어서 마스크의 정렬 오차, 분해능이나 혹은 포토 레지스트의 현상의 불균일, 측면이나 깊이 방향으로의 원하지 않는 과도한 식각, 혹은 식각 선택도의 저하 등으로 당초 설계하였던 구조에서 다소 어긋난 치수나 모양이 만들어지기도 합니다.  이러한 오차의 값이 허용 오차 범위 내에 있으면 이를 감수하고 다음 공정으로 진행할 수 있지만, 허용 오차를 벗어날 경우 결국은 재공정이나 폐기로 인해 공정 시간이 추가되거나 수율이 낮아지는 희생이 따르죠.  따라서 MEMS에서도 집적 회로만큼의 정밀도까지는 아니더라도 만들어지는 소자나 활용 분야에 맞도록 정확한 공정을 진행하여야 합니다. 

 

MEMS의 구동

 

끝으로 제작된 MEMS 구조물이나 소자가 작동할 수 있도록 동력을 인가하거나 신호를 제공하여야 하는데, 이들 방식들 중에서 대표적인 것으로는 정전력(electristatic force), 전자기력(electromagnetic force), 전왜(electrostriction), 열 팽창(thermal expansion) 특성,  그리고 압전성(piezoelectricity) 등이 있습니다.  정전력 구동에서는 단순한 구조인 평행판 정전 액추에이터에서 두 전극간에 전압 V를 인가할 경우, 정전력 F는 두 전극간에 삽입된 절연막 두께, d의 제곱에 반비례하고, 절연막의 유전율, 전극의 면적 S, 그리고 인가 전압 V의 제곱에 비례합니다.  전자기력에 의한 구동은 전자기 효과로 설명되는데, 발생되는 힘 F는 투자율과 미소 변위에 따른 자기장의 변화율, 그리고 자석의 체적에 비례합니다.

 

MEMS 구동, 정전, 자기장 방식

 

MEMS 구동, 압전, 열 방식

압전형 액추에이터는 압전 효과를 따르는데, 즉 압전 물질에 전압이 인가되면 특정 방향으로 변형이 발생하게 되죠.  믈론 이 때 박막이나 후막의 압전 필름이 사용됩니다.  그리고, 열을 이용한 구동에는 열팽창 이외에도 열공압(thermopneumatic) 방식, 쌍금속 효과(bimetal effect), 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy, SMA) 등이 있습니다.  열공압형은 구동력을 얻기 위하여 열에 의한 기체나 액체의 팽창, 혹은 상 변화(phase change) 등을 이용하죠.  쌍금속 효과는 두 종류의 서로 다른 금속이 접합을 할 경우, 열팽창 계수의 차이로 휨이나 변형이 생기는 현상을 말합니다.

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료의 도움에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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풀어보기

 

 

 

2-5. MEMS, 사전 학습-복사.pdf

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1-31. 반도체, 전공정, 사진 식각 및 패터닝

 

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1-15. 기계적 특성, 탄성 변형과 소성 변형

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1-16. 기계적 특성, 측정