밀봉과 패키징, 감싸고 보호하기
MEMS는 기본적으로 움직이거나 진동하는 구조물을 기반으로 합니다. 따라서 안정적인 작동을 위해서는 구조물들이 안정적인 환경, 즉 움직임에 있어서 공기 저항 등을 최소화할 수 있어야 하며, 또한 주변의 습기나 반응성 기체들과 반응, 질량이나 모양에 변형이 있어서도 안됩니다. 따라서, 구조물들은 진공 혹은 반응을 일으키지 않는 비활성 기체(inert gas)로 채워진 공간 안에 놓여야 하는 경우가 많죠. 이에 더하여 MEMS가 센서로 이용될 경우, 센서는 측정하고자 하는 신호를 받아들여야 합니다. 신호가 생화학 물질이나 기체, 혹은 액체일 경우, 이 때는 감지부, 즉 MEMS의 구조물 부분이 밖으로 드러나야 하죠. 주변 회로부는 보호되면서. 이상과 같이 MEMS에서는 진공이나 특정 공간 안에서의 밀봉, 혹은 회로부를 제외한 선택적인 개봉, 그리고 밀봉된 공간 안으로부터 밖으로의 전기적인 연결 등을 요구하며 따라서 기본 반도체 공정과는 많이 다른 패키징을 요구하는 경우가 종종 발생합니다.
이와 함께 일반적인 패키징에서도 칩(chip, die) 레벨 패키징보다는 웨이퍼 레벨 패키징을 선호하지만, 특히 MEMS에서는 기계적인 충격에 다소 약한 부분들이 칩 내에 존재하기에 웨이퍼 레벨 패키징으로 필요성이 더 큽니다. 즉, 웨이퍼 단위로 패키징을 한 다음에 칩으로 잘라내는 방식이죠. 이러한 웨이퍼 레벨 패키징에서는 앞서 설명한 기판 접합 방식 등을 통하여 MEMS 구조물의 공간이나 환경을 충분히 제공하여 주고 칩으로 분리하여야 합니다.
MEMS 구조물에 특정 공간을 제공하여 주기 위해서는 덮개(cap)가 필요하며, 따라서 다양한 방법으로 다양한 소재와 모양의 덮개들이 역시 MEMS 공정, 즉 미세 가공과 접합을 통하여 MEMS 구조물이나 소자를 덮게(capping) 됩니다. 가속도와 각속도를 측정하는 관성 센서류처럼 움직임이 필요할 경우, 압력 센서처럼 내부에 기준압(reference pressure)이 유지되어야 할 경우, 외팔보(cantilever)를 이용한 센서들처럼 공명과 공진과 같은 고유 진동이 필요할 경우, 그리고 표면 탄성파 필터나 스위치 등에는 내부가 진공, 혹은 비활성 기체로 채워진 공간이 반드시 필요하게 되죠. 이러한 패키징에서는 특히 웨이퍼 레벨 공정, 기밀 밀봉(hermetic sealing), 패키징 크기의 소형화, 그리고 내구성과 신뢰성 등이 더욱 중요합니다.
밀봉 패키징 방법을 세분화하면 세가지 정도로 구분이 되는데, 몸체 미세 가공으로 제작된 덮개를 단순이 접착 혹은 접합하는 방법(bulk wafer caps), 몰딩과 같은 방법으로 별도의 캡을 만들어서 사용하는 법(micro-assembled caps), 그리고 MEMS 공정 과정에서 표면 미세 가공과 막의 증착을 통하여 특정 공간을 만들어주는 법(in-situ sealing) 등이 있습니다. 이들 각각의 패키지 크기, 밀봉성, 내구성 등에서 고유의 장점과 단점들을 물론 지니고 있죠.
밀봉성과 함께 밀봉된 공간 내부의 소자나 구조물과 외부의 단자나 회로들 간에 전기적인 연결(electrical feedthrough)도 이루어져야 신호나 혹은 동작을 위한 전력의 제공 등도 가능해집니다. 이를 위해 금속 배선을 매립하기도 하고, 이와 함께 강하게 도핑된 반도체 연결을 병용하기도 합니다. 이와 같이 밀봉과 전기적 연결 등을 위하여 적용되는 패키징 기술들은 기본적인 반도체 공정들로부터 다소 벗어난 특수 공정으로 또 따른 연구 분야를 필요로 하게 되죠.
여기에 더하여 MEMS 구조물이나 소자의 동작 원리와 패키징 후 전체적인 칩의 성능, 폼 팩터를 고려한 설계도 우선적으로 고려되어야 하죠. 압력 센서만 하더라도 절대압(absolute pressure) 측정의 경우에는 패키지 내부에 기준압(진공 혹은 1기압, 게이지압)을 유지하는 공간이 제공되어야 하며, 상대압(differential, relative pressure) 측정용에서는 다이아프램의 양쪽 모두에서 압력이 인가될 수 있는 입구(inlet)가 만들어져야 합니다. 따라서 선택적 밀봉이나 전체 밀봉이 고려되어야 하고, 여기에 신호와 전력이 왕래할 수 있는 전기적 연결도 밀봉성을 유지한 채로 설치되어야 합니다. 이에 더하여 동일 칩 위에 회로를 집적화 하였는지, 혹은 별도의 회로 칩을 하나의 패키지 안에 넣는지 등도 고려의 대상입니다.
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