MEMS, 만드는 방법들
MEMS 소자의 설계와 제작 과정의 흐름도는 일반적인 반도체 소자의 경우와 크게 다르지 않습니다. 다만, 메모리 반도체는 범용성이 커서 종류나 기본적인 성능이 비교적 일반화되어있지만 시스템 반도체의 경우, 특정 용도가 구체적으로 정해지고 이에 따른 설계부터 시작이 되죠. MEMS 소자의 경우도 시스템 반도체의 경우와 유사합니다. 특정 용도가 먼저 정해지면, 성능과 크기, 가격 요소 등 제반 스펙이 여기에 맞도록 시스템(반도체에서 블록 다이어그램 및 논리 설계에 해당함) 및 소자 차원에서의 설계, 그리고 모델링과 시뮬레이션이 먼저 시작되는데, 이 과정에서는 기본적인 마이크로 일렉트로닉스 관점에 더하여 마이크로 머신, 마이크로 시스템 등의 요소가 함께 고려되어야 하죠. 다음으로 공정 설계가 진행되고, 여기에는 기본 반도체 공정에 대하여 마이크로 머시닝 관련 공정들, 즉, 벌크 혹은 표면 마이크로 머시닝, 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching, DRIE), 기판 접합(wafer bonding) 등의 MEMS 특화적인 공정들이 가미되죠. 공정 설계에 따라 반도체용 정청실에서 제작이 되고, 이는 공정 테스트를 거쳐 바로 패키징 및 테스트 과정으로 넘어가기도 하고, 공정 오차 등이 발생하였을 경우, 다시 제작되거나 혹은 일부 수정, 재순환 제작 과정을 거치기도 합니다.
이와 같이 MEMS 소자, 부품, 시스템의 제작에는 기본적인 마이크로 일렉트로닉스 제작 공정(반도체 공정)과 특화된 마이크로 머시닝 공정(MEMS 공정)이 함께 적용됩니다. 이 과정을 통하여 전자-기계적인 구조물과 반도체 회로가 함께 집적화된 MEMS 제품들을 만들어 가죠. 일반적으로 반도체 공정을 먼저 수행하고, 다음으로 MEMS 공정을 이어가나 꼭 그렇지만은 않습니다. MEMS 공정을 먼저 행할 수도 있고, 혹은 반도체 공정과 MEMS 공정을 상황에 맞춰 공정별로 번갈아 진행할 수도 있습니다. 반도체 회로부와 MEMS 구조물부를 단일 칩에 만들 수도 있고, 별도의 칩에 만들어서 하나의 패키지 안에 넣을 수도 있으며, 혹은 회로 칩과 MEMS 칩이 각각 패키지 안에 실장되기도 하죠. 이와 같이 일반 반도체인 집적회로의 제작에 비하여 MEMS의 제작은 매우 다양하며, 메모리 반도체보다는 훨씬 소량 다품종일 경우가 많습니다.
집적회로용 일반 반도체 공정은 코너 1), 아래의 참고 자료들에서 학습하기를 바라며, 여기에서는 MEMS에 특화된 제작 공정을 소개합니다. 먼저 실리콘 미세 가공은 몸체 미세 가공(bulk micromachining)과 표면 미세 가공(surface micromachining)으로 구분할 수 있습니다. 몸체 가공은 말 그대로 (실리콘) 웨이퍼의 몸체를 가공하는 것으로 건식 식각(dry etching)이나 습식 식각(wet etching)을 통하여 웨이퍼 몸체의 선택 영역들이 가공되죠. 특히 습식 식각의 경우, 식각이 주로 일어나는 방향성에 따라 등방성(isotropic)과 비등방성(anisotropic)으로 나누어지는데, 비등방성 식각(anisotropic etching)은 결정 의존성 식각(Orientation Dependent Etching, ODE)이라고도 하며, 용어 그대로 단결정 실리콘 웨이퍼의 결정 방향에 따라 서로 다른 식각률로 식각이 이루어진다는 특징이 있습니다. 표면 미세 가공(surface micromachining)은 웨이퍼의 표면에 희생층과 구조층들을 증착 등의 과정으로 쌓은 뒤, 희생층만 선택적으로 제거하여 구조층에게 움직이는 기능이나 혹은 특별한 형상을 갖도록 하는 방법이죠.
몸체 및 표면 미세 가공을 좀 더 자세히 비교하여보면, 몸체 가공의 경우 웨이퍼에서 구조물로 사용되지 않을 영역을 제거하는 과정이며, MEMS 구조물은 기판 내부에 만들어집니다. 구조물의 표면의 면적은 넓고 높이는 웨이퍼의 두께에 해당하므로 종횡비(aspect ratio)가 대체로 작다는 한계가 있습니다. 공정은 비교적 간단하고 잘 정립이 되어 있으며, 주로 단순한 모양의 구조물 제작에 이용되며, 회전과 같이 비교적 큰 변위로 운동하는 구조물을 만들기는 어렵습니다. 제조 공정에 드는 비용은 비교적 저렴하나, 재료의 소모가 많고 사용하지 않는 면적이 넓어 경제성에서는 다소 비효율적이죠. 기계적 강도나 내구성은 우수하고, 기하학적 수치, 크기나 모양 등을 조절하기는 무난합니다. 주로 습식 식각 공정에 크게 의존하며, 특히 결정 의존성 식각이나 자동 시각 정지(automatic etch stop) 기법 등을 종종 활용합니다.
표면 미세 가공의 경우 몸체 가공과 대비되는데, 웨이퍼 위에 쌓은 막(film)들을 선택적으로 패터닝, 식각, 제거하는 과정을 거치며, 기판 자체의 가공의 거의 이루어지지 않습니다. 크고 무거운 구조물을 만드는데는 적합하지 않으나, 웨이퍼의 두께와 무관하게 다양한 종횡비의 선택이 가능하며, 모양과 패턴 사이즈를 보다 넓고 섬세한 범위에서 선택, 조절할 수 있죠. 마스크 패턴에 절대적으로 의존하며, 구조층의 패터닝과 희생층의 제거로 구조물들이 만들어집니다. 회전이나 직선, 혹은 경사 왕복 운동 등 다양하게 움직이는 구조물들을 제작할 수 있으며, 재료 소모량이나 사용 영역의 사용에 있어서 훨씬 효율적입니다. 기계적인 내구성도 인정받고 있으며, 설계 자유도도 크고, CMOS(Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) 등 집적회로 공정과도 친화성이 좋습니다. 크기나 작은 구조물들도 충분히 가능하며, 주로 건식 식각에 의존하죠.
이상과 같은 몸체 및 표면 미세 가공 기술에 더하여 LIGA라는 공정이 있습니다. 이는 사직 식각(LI)과 전기 도금(G), 그리고 몰딩(A)을 이용하는 공정으로 두꺼운 감광막(PhotoResist, PR)에 대해 선택적 노광과 식각 과정을 통하여 패터닝하고 선택적으로 제거하여서 틀(mold)을 만들고, 이를 이용하여 다양한 소재의 구조물들을 찍어내는 방법입니다. 종횡비의 선택이 자유롭고, 소재도 플라스틱이나 금속 등으로 다양하게 적용할 수 있죠. 이상과 같이 몸체 및 표면 미세 가공, LIGA 등의 공정을 이용하여 다양한 MEMS 구조물들이 만들어집니다. 이러한 구조물들은 서로 수직 방향으로 쌓여지기도 하고, 전기 및 기계적으로 연결, 접합 등도 되며, MEMS 소자나 마이크로 시스템으로 완성이 됩니다. 구조물 제작 후에 조립이나 패키징 과정 또한 기존 반도체 공정과는 달리, 매우 다양하며, MEMS의 한 분야로써 개발이 이루어지고 있죠. 이상과 같이 MEMS 공정은 반도체 공정 수준의 청정실에서 기본적인 반도체 공정에 더하여 결정 의존성 식각, DRIE와 같은 특화 공정들, 이를 통한 몸체 및 표면 미세 가공, LIGA와 같은 비실리콘 가공, 기판들간의 접합과 조립, 패키징 등으로 이루어집니다.
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