표면의 미세 가공, 쌓고 깎고 다듬기
몸체 미세 가공에서 특히 실제 사용되는 센서나 회로의 면적에 비하여 칩의 크기가 지나치게 커서 공정 시간이나 생산성 측면에서 부담이 되는 요소들은 표면 미세 가공 기술로부터 해소가 됩니다. 이는 기판의 표면 위에 희생층(sacrificial layer)과 구조층(structural layer)을 번갈아 적층한 뒤, 희생층만을 선택적으로 제거하는 방식으로, 마치 어린 시절에 흙 위에 손을 펴 놓고 흙을 손등 위에 쌓아서 토닥거린 다음에 손을 빼내어서 만들어내던 두꺼비집을 연상하면 됩니다. 이 때 '두껍아 두껍아 헌집 줄께 새집 다오'란 노래를 흥얼거리곤 했죠. 희생층으로는 주로 감광성 레지스트처럼 패터닝이 용이한 고분자, 혹은 실리콘 산화막과 같이 역시 쉽게 제거가 되며 특히 구조층과 식각 선택도가 높은 막들이 사용됩니다. 구조층으로는 다결정 실리콘이 주로 사용되지만, 제작하고자 하는 센서나 소자에 적합한 특성(기계적, 전기적)을 가진 물질들, 그리고 금속까지도 택할 수 있습니다.
표면 미세 가공으로 외팔보(cantilever)를 만들어가는 과정을 묘사하여 보면, 실리콘 기판 위에 먼저 기판과의 절연을 위한 실리콘 질화막을 증착하고, 이 위에 희생층으로 사용될 실리콘 산화막을 증착, 패터닝합니다. 다음으로 구조층으로 사용될 다결정 실리콘막을 증착, 패터닝한 뒤, 끝으로 식각에 의해 희생층인 실리콘 산화막을 선택적으로 제거하게 되면 한 쪽 가장자리만 기판과 연결되면서 대부분은 허공에 뜨는 기다란 구조의 외팔보 어래이들이 만들어지죠. 이러한 외팔보 구조들은 아주 적은 양으로 흡착된 분자들의 수나 농도를 고유 진동수의 변화로 측정하기도 하고, 혹은 크게 상하로 움직이면서 개폐되는 전기 스위치로도 사용됩니다.
표면 미세 가공으로 만들어지는 구조물, 나아가서는 마이크로 머신이나 부품들은 희생층과 구조층을 쌓아올리고 선택적으로 제거하는 과정을 반복하는 횟수가 증가할수록 그 복잡도와 성능도 올라갑니다. 예를 들어 산화막 희생층과 다결정 실리콘 구조층의 증착, 패터닝, 식각을 2회 정도하고 여기에 금속 전극들을 더하면 회전하는 정전 마이크로 모터의 제작이 가능해집니다. 즉, 희생층과 구조층 공정 레벨이 증가할수록 단순한 외팔보 구조로부터 센서, 그리고 액추에이터, 궁극적으로는 마이크로 머신, 시스템 제작으로까지 이어질 수 있죠.
다층 레벨의 표면 미세 가공을 이용하면, 기판의 표면 위에 머리카락 굵기로 비견되는 다양한 물리 기계적인 요소, 구조, 부품들, 예를 들어 여러 관성 센서들, 흐름이나 열, 적외선, 바이오 센서 등에 적용되는 MEMS 구조물들, 그리고 미소 거울, 마이크로 체인, 기어, 모터 등과 같이 광학 혹은 기계적 시스템에 유용한 핵심 부품들, 나아가서는 머신 자체까지도 제작이 가능합니다.
# 참고로 하고 있는 여러 자료의 도움에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.
# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다. 댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr
# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.
'공부와 생각들 > 전자재료 소자' 카테고리의 다른 글
| 쉬어가기) 영화의 흔적 (0) | 2020.01.30 |
|---|---|
| 2-10) MEMS, 공정 기술, 비실리콘 가공 (0) | 2020.01.30 |
| 2-8) MEMS, 공정 기술, 몸체 가공 (0) | 2020.01.30 |
| 2-7) MEMS, 공정 기술, 실리콘 식각 (0) | 2020.01.30 |
| 2-6) MEMS, 공정 기술 (2) | 2020.01.30 |