2-19) MEMS, 응용, 모바일 기기, 모션 트래킹 센서 (daum.net)
2-19) MEMS, 응용, 모바일 기기, 모션 트래킹 센서
모션 트래킹 센서, 움직임을 추적한다 움직임과 방위, 고도 등을 감지하는 모션 센서의 시작은 1990년대 초반에 자동차에 MEMS 가속도 센서가 장착되면서부터 활발하게 시작되었습니다. 처음에는
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기속도 센서의 소개
가속도 센서의 본격적인 발전은 MEMS 기술의 도입으로 시작이 되었습니다. 즉, 1990년대에 들어서면서 미국의 아날로그디바이스에서 출시된 에어백용 가속도계를 시작으로 하여, 모션 트래킹 분야까지 확대, 발전하여 오면서 모바일 기기, 자동차, 드론, 그리고 웨어러블 기기용으로 활용 규격과 응용 범위를 넓혀가고 있습니다.
가속도 측정, 센서의 동작 원리면에서 보면 가속도 센서의 종류는 압저항형, 용량형, 터널링형, 광학형, 압전형 등으로 구분할 수가 있는데, 각각은 고유의 장점과 단점들을 함께 지니고 있죠. MEMS 기반의 가속도 센서는 주로 용량형 방식이며, 간혹 압저항 방식이나 열감지 방식을 채택하기도 합니다.
실리콘 MEMS 가속도계는 주로 용량형 방식으로 작동하며 뉴턴의 제2법칙, 즉 가속도의 법칙을 따릅니다. 'F = ma'로 '물체의 운동량의 시간에 따른 변화율은 크기와 방향에 있어서 그 물체에 작용하는 힘과 같음'이죠. MEMS 가속도 센서에서는 가속도가 발생하면 운동량인 '질량(m)과 속도(v)의 곱'의 시간에 따른 변화율, 즉 '질량(m)과 가속도(a)의 곱'만큼 힘(F)이 발생하고, 이 힘으로 인하여 테스트 질량(test mass, proof mass), 혹은 평행판 커패시터에서 이동형 전극이 움직이고, 이러한 움직임(변위)의 정도를 정전 용량과 같은 전기적인 신호로 출력합니다. 이로부터 발생된 가속도의 값을 얻게 되죠.
주로 용량형 센서로 속도 변화(가속도) 발생, 이로 인한 테스트 질량이나 이동형 전극의 움직임, 이는 이동형 전극과 고정형 전극 간의 정전 용량의 변화로 얻어지며, 이는 가속도 값으로 환산되는 과정을 거치게 되죠. 센서용 MEMS 구조물은 주로 빗살형 액추에이터(comb actuator)가 사용되며, 평행판 커패시터의 정전 용량(C)의 값은 유전율을 비례 상수로 하여 면적에 비례하고 두 전극 간의 거리에 반비례하므로, 따라서 가속도에 의해 두 전극 간의 간격이나 교차되는 면적이 변하게 됩니다. 이러한 현상은 양 끝단이 고정된 스프링 모델을 이용하여 수치적으로 설명이 가능하며, 가속도가 없을 경우에는 정전 용량의 변화가 제로(0)이며 가속도가 증가함에 따라 이동형 구조물의 움직임이 커져 두 전극 간 교차 면적이나 전극 간의 간격이 증가, 혹은 감소하면서 정전 용량의 변화가 발생, 증가하게 됩니다.
이러한 가속도 센서들은 총 세 개가 3축 방향, 즉 x-y-z 방향으로 설치되어 측정된 세 개 가속도의 벡터 합이 총 가속도의 크기와 방향을 알려주게 되며, 이로부터 속도와 이동 거리가 얻어집니다. 움직이는 MEMS 구조물은 주로 테스트 중량을 구비한 빗살형 전극들로 평행판 커패시터에서의 한 쪽 전극인 이동형 전극에 해당하며 고정형 상대 전극과 마주하고 있습니다. 동작 안정성을 위해 진공, 혹은 반응성이 적은 기체 분위기로 밀봉 패키징되어 있으며, 각각의 용도에 맞는 동작 범위 내에서 움직임이 발생하고, 그 이상의 움직임은 절제하도록 멈춤을 담당하는 부분이 함께 만들어지죠.
모바일 기기 안에는 세 개의 가속도 센서들이 서로 다른 3축 방향으로 운동할 수 있도록 설치되어 있으며, 이러한 가속도 센서의 용도는 직선 운동의 모니터링뿐만 아니라, 중력 감지, 진동 감지, 만보계(pedometer), 기기의 움직임에 대한 순간적인 상황 인식(context awareness), 그리고 낙하와 충격의 감지를 통한 기기의 전원 차단 등의 기능을 함께 수행합니다. 캠코더 촬영 중에 손 떨림 정도를 감지하여 영상 보정에 기여하기도 하죠.
MEMS 기술로 제작되는 용량형 가속도 센서의 경우, 몸체 마이크로머시닝 혹은 표면 마이크로머시닝으로 제작됩니다. 몸체 가공형은 구동부가 주로 상하로 움직이며, 잡음과 안정성면에서 유리한 반면 칩의 크기가 크고 제작 과정, 특히 식각 시간이 길어 경제성면에서는 불리한 점이 있죠. 물론 표면 가공형은 장단점이 반대로 되고. 어떤 공정과 소자를 택할지 여부는 생산성과 용도, 요구되는 특성, 용도 등을 고려하여 택하게 됩니다.
용량형 가속도 센서에서의 출력은 정전 용량의 변화로 얻어지며 이 신호는 필터와 아날로그 - 디자털 변환을 거쳐 신호처리가 된 다음 전달이나 전송이 됩니다. 3축 방향의 가속도의 벡터합을 통하여 가속의 실제 방향과 크기에 대한 정보를 얻게 되죠. 가속도 값의 적분 과정을 동하여 속도와 거리도 산출되며 따라서 직선 운동과 관련된 정보들을 획득하게 됩니다.
가속도 센서는 제스추어 인식, 충격, 기울기, 진동, 네비게이션 데이터 등 실로 다양한 용도의 신호들을 얻는데 사용이 되며 각각의 용도에 따라 성능과 경쟁력있는 가격 등의 범위가 정해집니다. 현재 가속도 센서를 필요로 하는 용도와 지역들은 점점 더 넓어지고 있으며, 따라서 더욱 다양한 규격, 특징, 가격을 갖는 센서들이 여러 기업들을 통하여 생산, 제공이 되고 있죠. 향후 모션 트래킹이나 물리 기계적 특성 측정의 용도로 각속도, 방위 센서 등과 더불어 그 기능과 용도는 더욱 확장될 것으로 기대하고 있습니다.
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가속도 센서의 구조 설계
전자 소자, 부품과 시스템의 설계는 먼저 시스템 차원의 설계로부터 시작하여 모듈(서브시스템), 회로, 소자의 설계 순으로 접근합니다. MEMS의 경우에도 마찬가지입니다. 그리고 일반적인 성능(동작)과 구조 설계에 더하여 기계적이고 물리적인 부문에서의 설계가 추가되죠. 즉 회로 설계와 함께 움직이는 구조물(MEMS부, 센서와 구동기)의 설계가 추가되는 셈입니다. 이러한 과정을 통하여 기계적인 레이아웃과 전자적인 레이아웃이 만들어지고, 최종적으로 이를 병합한 MEMS의 레이아웃이 완성됩니다.
임의의 용도를 갖는 MEMS 제작에 있어서 센서와 구동기(액추에이터)는 각각 시스템의 입력부와 출력부에 해당하는만큼, 이들의 입출력 특성이 먼저 정의가 되고 다음으로 입력 혹은 출력되는 신호가 아날로그임을 고려하여 아날로그-디지털 변환을 이룬 다음에 신호 처리(필터링, 증폭, 샘플링 등)가 진행되겠죠. 이러한 과정을 통하여 MEMS부와 회로부의 레이아웃이 만들어지고, 여기에 각각 기계적 작동과 회로 구동을 고려한 설계가 더해지며, 끝으로 제작과 관련된 설계 및 레이아웃이 완성됩니다.
특히 마스크는 2차원 레이아웃으로 얻어지더라도 MEMS는 실제로 3차원 소자, 그리고 3차원 구동을 하는만큼 이를 고려한 3차원적 모델링과 분석이 이루어져야 하며 이의 반영을 통하여 최종 설계가 이루어지죠. 물론 설계와 시뮬에이션, 레이아웃 도출까지는 최적 결과가 얻어질 때까지 시도와 피드백, 반복을 계속함으로써 제작 과정에서의 오류를 극소화시켜야합니다.
전자 회로 부문에서의 설계와 시뮬레이션은 반도체의 개발 과정을 거쳐 잘 구축이 되어있지만, MEMS 작동과 관련된 기계적인 시뮬에이션은 소자나 시스템의 다양성, 지속적으로 등장하는 새로운 구조와 공정, 소재 등으로 인해 여전한 개발과 함께 신제품들이 등장하고 있죠. 일례로 물리적인 반복 동작에 따른 응력(stress)과 변형(strain), 피로, 안정성 등에 대한 설계와 시뮬레이션이 최종 제품의 성능과 장기적인 신뢰성을 결정하는 주요 요인임은 자명합니다.
응력과 변형에 대한 설계, 혹은 시뮬레이션 에러는 MEMS 제작 후에 구조물들의 휨, 비틀림 등으로 이어지며 장기적으로는 크랙과 파괴에 이르러 소자나 시스템이 작동할 수 없도록 합니다. 따라서, 설계, 시뮬레이션, 그리고 레이아웃을 완벽하게 수행하기 위한 소프트웨어 활용, 전문 지식 보유가 MEMS 제품의 성능 및 가격 경쟁력 확보를 위해 가장 중요합니다. 특히, 전자공학도의 입장에서는 기계적인 용어와 이론에 대한 지식 습득이 함께 수반되어야 하죠.
MEMS 가속도계에 적용되는 다양한 기계적인 용어들, 빗모양 구동기(comb actuator), 하중부(mass), 앵커, 현가장치 빔(suspension beam), 가변(variable, movable) 및 고정(fixed) 전극, 구조층과 희생층, 종횡비(aspect ratio), 응력과 변형, 탄성 변형과 소성 변형, 인장 파괴 등과 같은 기초 용어들의 이해와 활용도 필수적입니다.
MEMS 센서로서 힘을 측정하기 위해서는 전기식과 광학식이 있습니다. 전기식에서는 압저항형, 압전형, 정전용량형, 스트레인게이지형 등이 있는데, 기본적으로 힘이 인가될 경우 이로 인한 저항 변화, 전압 발생, 정전용량의 변화 등이 일어나게 되죠. 광학식에서는 광섬유나 비전 인식 등을 이용합니다. 각각의 경우 제조 공정의 난이도, 신호 검출 회로, 감도, 온도 의존성, 폼 팩터, 잡음의 정도, 전자기파 간섭, 자가 전력 공급, 인터페이스 회로 등에서 유리한 점과 불리한 점들이 서로 다른 고유의 특징이 있습니다. 실리콘 MEMS 가속도 센서에서는 실리콘이 지닌 압저항성, 즉 응력(stress)이 인가될 경우 저향율이 바뀌는 특성을 이용하는 방식과 전극의 기계적인 움직임으로 인한 정전용량의 변화를 이용하는 방식, 두 가지를 주로 활용 중입니다. 두 가지 방식이 주로 선택된 이유는 재료 의존성이 적고, MEMS 공정 기술이 개발, 확립되었기 때문으로 추측됩니다.
압저항형 센서에서는 가속도를 측정하기 위하여 외부로부터의 응력에 따라 저항값이 변화합니다. 즉, 인가되는 응력이 실리콘의 에너지 밴드갭에 영향을 주고 이로 인하여 전하 이동도나 전하의 수가 바뀜으로써 저항율의 변화를 유도하죠. 정전용량형 센서의 경우, 평행판 커패시터 구조에서 한쪽 전극이 인가되는 힘에 의해 움직임으로써 두 전극간의 거리가 바뀌고 이로 인하여 정전용량이 변화하는 구조입니다.
압저항형과 정전용량형, 그리고 압전형 공히 움직이는 구조물(mass)을 가지며, 구조물의 질량과 인가되는 가속도가 힘을 발생시켜 구조물을 움직이게 되죠. 구조물의 움직임에 따라 압저항형과 압전형에서는 응력에 따른 저항 변화 및 전압이 발생하고, 정전용량형에서는 한쪽 전극의 이동에 따라 정전용량값이 변하게 되어 가속도를 읽어낼 수가 있습니다.
두 센서 관련 연구 결과만을 통하여 성능을 비교하여보면, 선형성 측면에서는 압저항형이 유리하고, 확도(accuracy)에서는 정전용량형이 상대적으로 우수한 특성을 보입니다. 분해능은 큰 차이가 없고 온도 변화에 따른 영향은 압저항형이 크게 받으며 가격이나 부가 전자 회로 등에서는 압저항형이 유리합니다. 여기에 사용된 용어들의 정의는 이어지는 링크를 활용하기 바랍니다.
압저항형의 경우 정전용량형에 비하여 전자기 간섭에는 덜 예민하고 검출 회로는 비교적 간단하며, 칩의 면적이 상대적으로 작다는 장점이 있는 반면에 압저항 특성을 얻기 위해서는 적절한 도핑이 부가적으로 필요하며, 주변 온도 변화에 민감하며 상대적은 큰 동작 전압과 전류를 필요로 합니다. 물론, 어떤 타입의 센서를 선택할지는 개발자와 수요자의 선택에 따릅니다만
3-4) 센서, 성능과 특성
수요자가 센서를 구입할 경우, 카달로그에는 센서의 특성들이 명시되어 있습니다. 성능과 수명, 그리고 사용 환경 등에 대해서. 이러한 항목들에 대한 정의와 의미를 살펴보고자 합니다. 한글,
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또한 센서의 모양과 성능에서 몸체 가공된 구조 혹은 표면 가공된 구조의 선택이 핵심입니다. 몸체 가공된 가속도 센서의 경우 표면 가공된 센서에 비하여 가속도에 의해 움직이는 구조물(proof 혹은 seismic mass)의 무게를 더 무겁게 할 수 있어서 출력 신호인 정전용량의 값이 상대적으로 크고 또한 잡음이 낮고 안정성이 우수합니다. 반면에 표면 마이크로머시닝으로 제작된 가속도 센서의 경우, 제작 시간이 짧아 경제성에서 유리하고, 제작되는 센서 칩의 크기도 줄일 수 있습니다. 이에 더하여 한 개의 칩에 3축 방향으로 작동하는 구조물들을 함께 집적화할 수 있는 장점도 있죠. 어떤 구조를 갖는 센서를 제작할지 여부도 또한 적정 가격과 사용 분야 등 제반 사항들을 고려하여 결정되어야 합니다.
몸체 마이크로머시닝을 적용한 가속도 센서의 구조물은 웨이퍼 자체의 상부와 하부를 관통하는 결정의존성 식각을 사용하므로 가공 시간도 길고, 가공을 통하여 만들어지는 칩에서 실질적으로 센서 작동에 필요한 영역에 비해 훨씬 큰 칩의 면적을 필요로 합니다. 표면 마이크로머시닝을 이용하면 이러한 점들을 개선할 수 있으며, 즉 웨이퍼 표면에 증착된 다결정 실리콘 구조물을 이용하므로 비교적 짧은 식각 공정 시간과 함께 실제 작동에 필요하지 않은 칩의 면적을 줄일 수 있죠. 따라서 더 빠른 시간에 더 많은 칩들을 제작할 수 있어서 칩 제적 후 패키지 과정은 물론 경제성 관점에서도 유리합니다.
1990년대 중반, 가속도 센서의 본격적인 상용화, 그 신호탄이 된 아날로그 디바이스의 제품은 표면 마이크로머시닝으로 제작된 센서부와 BiCMOS 회로가 집적화된 신호처리부가 하나의 칩으로 만들어진 단일 칩 원 패키지형이었습니다. 이와 같이 센서부와 신호처리부가 하나의 칩으로 만들어질 수 있다면 이는 신호대 잡음비 등 성능 향상은 물론 패키지의 크기, 무게 등도 작아져 유리한 점이 분명합니다. 다만, 센서부에서 MEMS의 다소 가혹한 공정과 회로부에서 높은 온도의 공정 등을 병행할 때 각각이 어떻게 보호되고 살아남는지가 허들이라고 볼 수 있죠.
이를 고려하여 MEMS 센서칩 따로, 집적회로칩 따로, 즉 두 칩을 별도로 만들어서 하나의 패키지에 담는 투칩 혹은 멀티칩 패키지도 함께 고려하여야 합니다. 이 또한 가속도 센서 설계의 중요한 포인트가 되죠. 이 경우에는 두 개 혹은 그 이상의 칩들이 별도의 웨이퍼 위에 제작이 되고, 다음 순서로 센서칩과 회로칩이 함께 패키징되는데, 각각의 칩들을 다이싱한 뒤 패키징하는 다이 레벨 패키징, 혹은 두 장 혹은 그 이상의 웨이퍼들을 접합 공정을 통하여 일체화한 뒤 다이싱, 그리고 패키징하는 웨이퍼 레벨 패키징을 택할 수 있습니다. 물론 웨이퍼 레벨 패키징이 생산 공정이나 성능, 가격면에서 단연코 유리하지만 그만큼 기술 개발도 따르게 되죠. 이에 관해서는 공정 설계 부분에서 설명을 더하겠지만, 구조 설계시 공정 설계를 함께 고려하여 단일칩이냐 혹은 멀티칩이냐를 고민하여야한다는 점은 자명합니다.
원칩 인 원패키지 혹은 투칩 인 원패키지 구조를 비교할 때 칩 제작 후, 패키지 후의 모양을 보면 신호의 처리와 전송, 패키지의 경박 단소면에서 원칩 인 원패키지의 장점은 확연히 드러납니다. 다만 칩의 제조 공정과 칩 제조 후 센서, 특히 MEMS 부위 응력 완화를 위한 버퍼 글라스 등의 접합, 배선, 와이어링 그리고 패키징 과정에서의 난이도 측면에서는 투칩 인 원 패키지가 수월하며 접근이 용이한 특징도 분명 있습니다. MEMS 가속도 센서의 구조 설계는 MEMS부, 센서부의 구조에 더하여 단일칩 혹은 멀티칩, 패키지 구조, 성능, 제작 및 가격 요인까지 포괄하게 되죠.
패키지로 설명을 이어갑니다. MEMS 센서의 패키지에서 관성 센서인지 혹은 환경 센서인지의 구분은 중요합니다. 환경 센서의 경우 외부의 신호원과 물리 화학적으로 연결되는 출입구, 즉 개방된 부분을 설치하여야 하기 때문이죠. 관성 센서인 가속도 센서에서는 이러한 부분이 없이 완전 밀봉된 구조이므로 상대적으로 유리할 수는 있습니다.
다만, 밀봉된 공간 안에서 소자, 특히 속도 변화에 따라 움직이는 질량 구조물이 주변의 가스, 습도 등으로 반응이 일어나지 않도록 완전한 밀봉과 함께 밀봉된 내부를 진공, 혹은 비활성 기체로 채우는 기밀 봉지(hermetic sealing)가 요구되죠. 이와 함께 센서의 장기간 안정적인 동작을 위해서는 서로 다른 재료, 접합된 기판간에 응력을 최소화하는 구조가 설계되어야 합니다.
완전한 기밀 봉지가 가능하고 응력을 최소화하며 공정 과정에서 관찰이 용이한 점을 고려하여 실리콘과 열팽창계수가 유사한 파이렉스 계열 유리를 정전 열 접합하는 공정을 많이 채택하여왔습니다. 이는 주로 MEMS칩 하단에 위치, 패키지로부터 전달되는 응력을 최소화하기 위한 버퍼 구조로 삽입되었으며, 이와 함께 기밀 봉지를 위한 커버나 뚜껑으로도 활용되었죠.
이러한 버퍼 구조나 캡 구조들을 적당히 가공하고 적층을 하게 되면 패키제의 기본 기능에 더하여 보다 다양한 효과를 얻게 됩니다. 응력 완화를 통하여 장기적으로 크랙이 발생, 전파되는 부작용을 방지함은 물론 질량 구조물의 운동 영역과 범위를 정해주고, 과도한 움직임으로 구조물이 파손되는 현상을 막아주기도 하죠. 따라서 구조 설계에 잇어서 MEMS부의 구조에 더하여 캐핑용 유리 구조물의 모양이나 배치 등도 적극 고려할 필요가 있습니다.
물론 칩과 패키지는 경박단소일수록 좋습니다. 웨어러블 기기, 모바일 기기 등에서는 특히 소자나 부품이 차지하는 공간을 줄일수록 더 많고 다양한 기능들을 구현할 수가 있죠. 가격 감소과 간편한 휴대도 이룰 수 있고. 따라서 칩의 고집적화와 함께 패키지의 고밀도화, 시스템 온 칩, 시스템 인 패키지는 앞으로도 꾸준한 숙제가 될 것입니다.
가속도 센서의 공정 설계
구조 설계와 함께 공정 설계가 중요합니다. 실제 만들 수 있는지, 그리고 생산될 경우 난이도와 수율, 생산 가격은 얼마나 되는지, 사전 데이터 확보가 중요하죠. MEMS 공정은 마이크로머시닝 공정에 더하여 반도체 공정, 집적회로 공정 등과 연계하여야 하므로 그 스팩트럼이 실로 다양합니다. MEMS 및 반도체 기반 반도체 단위 공정들로부터 집적화 공정, 준생산 및 생산 과정에 이르기까지의 전 과정에 대해 공정 설계가 이루어져야 하죠.
특히 핵심이 되는 마이크로머시닝 공정은 반도체 공정에서 기계적인 가공까지를 망라하기 때문에 먼저 전체를 파악할 수 있는 분류가 필요하죠. 분류 방법은 반도체 공정, 기계 가공 등과 같이 학문적 특징을 따를 수도 잇지만, 작업 분해능의 범위, 사용되는 도구 등으로 나누기도 합니다. 기계적인 기구를 사용하는 법과 반도체 패터닝용 마스크 작업을 이용하는 법으로도 구분이 가능한데, 각각은 또 가공 기구 혹은 이미징 툴, 비등방성 혹은 등방성 등으로 세부 분류를 하기도 합니다. 최적의 공정 설계를 위해 이러한 분류를 기초로 단위 공정과 연속적인 공정들을 폭넓게 이해하는 것이 선행되어야 합니다.
MEMS 설계를 위한 흐름도는 반도체 설계와 크게 다르지 않습니다. 개발하고자 하는 제품의 용도와 규격, 성능이 정해지면 구조 설계와 공정 설계를 함께 고려하여 레이아웃을 완성하죠. 물론 레이아웃 과정에서는 해석과 시뮬레이션이 순환적으로 수행되어 가장 적합한 레이아웃이 만들어져야 합니다. 이를 이용하여 실제 제작에 들어가며 제작 후 테스크 과정을 거쳐 다시 레이아웃 수정으로 돌아가기도 하고, 혹은 최종 생산으로 이어지기도 하죠. 이와 같이 최종 생산 전에는 순환 과정을 통하여 레이아웃의 완성과 레이아웃에 따른 소자 제작과 측정, 평가 과정이 반복됩니다. 물론 순환, 반복 횟수는 적을수록 좋겠죠.
이러한 설계 과정에서 반도체 영역과 MEMS 영역을 구분하여 진행하고 각각의 완성 후에 상호 연계, 두 영역을 결합하여 시뮬레이션을 하게됩니다. 물론 이 과정에서 반도체 공정과 MEMS의 공정 순서를 어떻게 가져갈 것인지도 주요 변수가 되죠. MEMS 기술이 발전해오면서 각각의 용도에 적합한 2차원, 3차원 레이아웃과 시뮬레이션 도구들은 꾸준이 개발되었고, 최적의 설계 프로그램을 선택하는 것도 설계자의 몫입니다.
공정 설계에 있어서도 먼저 고려하여야 할 포인트는 MEMS부화 회로부의 단일칩 혹은 멀티칩 선택입니다. 한 장의 웨이퍼 위에 MEMS부와 회로부를 함께 만들 경우에는 각각의 공정 과정과 순서도 수율이나 생산성면에서 매우 중요하게 되죠. 특히 공정 설계에 적지 않은 부담이 따르게 되며, 이렇게 제작된 단입칩은 바로 패키지로 들어갑니다. 멀티칩의 경우에는 MEMS부와 회로부를 각각 별도로 제작하여 상호 연결 과정을 거쳐 패키징이 되는데, 공정 설계 역시 분리, 독립적으로 행할 수 있어서 부담은 상대적으로 적은 편입니다. 물론 신호 대 잡음비, 패키지 크기 등 반대 급부는 있기 마련이죠.
회로부와 MEMS부를 하나의 칩 위에 만들 때 무엇은 먼저 만들까를 선택하는 것은 공정 난이도, 수율면에서 매우 중요합니다. 회로부, 주로 CMOS 회로부를 먼저 제작할 경우, 표준 IC 파운드리를 사용할 수 있으며, 칩의 크기를 소형화하기에 유리하죠. 다만, 후속 MEMS부 공정에서 고온 공정과 열적인 문제에 대한 부담이 큽니다. MEMS부를 먼저 만들 경우 이러한 열적인 부담은 덜 수 있으나, 기계적으로 가공된 기판을 반도체 파운드리에 넣어야 하므로 구조물로 인한 공정 난이도, 회로 보호, 그리고 파운드리 오염 이슈에서 자유롭지 못하게 되죠. 또 하나의 대안으로써 상황에 맞춰 회로부 공정과 MEMS부 공정을 번갈아 하며 공정 허들을 넘을 수 있으나 자체 팹이 있어야 가능한 경우입니다.
집적화된 단일칩 MEMS에서 회로 영역과 MEMS 영역의 공정 설계, 공정은 MEMS 기업 고유의 노하우입니다. 표준화 혹은 범용화된 기술이라기보다는 용도, 생산량, 가격 등 여러 상황에 따라 적절하게 기획 설계, 수행되는 것으로 다양한 분석과 예측을 필요로 합니다.
MEMS부 제작에 있어서 어떤 공정을 주공정으로 택할 것인가도 중요합니다. 실리콘 MEMS의 경우 기본적으로 몸체 가공 혹은 표면 가공을 선택하여야 하며, 비실리콘 MEMS 구조물이 필요할 경우에는 LIGA나 플라스틱 머시닝 공정을 사용하여야 합니다. 몸체 마이크로머시닝은 실리콘 웨이퍼 자체 가공으로 3차원 구조물을 조립 과정이 없이 제작할 수 있고, 표면 마이크로머시닝은 웨이퍼 위에 증착된 박막(혹은 후막)을 가공하는 방식으로 높이(두께)에 한계가 있죠. 설계 자유도, 제작 공정의 난이도와 소요 시간, 종횡비, 칩의 크기(활성 영역의 활용 면적), 내구성과 가격 등에서의 장단점에 대한 비교 분석을 필요로 합니다.
금속이나 플라스틱, 세라믹 등 별도 소재로된 구조물이 필요할 경우, LIGA나 플라스틱 MEMS 공정을 적용하여야 하며, 이에 대해서는 몰딩, 드릴링, 머시닝 등 실로 다양한 공정들을 용도에 맞게 택할 수 있습니다. 다만, 제작도 중요하지만 제작 후 조립하는 방법까지도 염두에 두어야 하죠.
실리콘 마이크로머시닝 공정 설계를 살펴보죠. 몸체 가공과 표면 가공으로 구분되며 특히 몸체 가공의 경우에는 함께 고려하여야 할 요소들이 있습니다. 즉, 식각 방법에서 건식 식각 혹은 습식 식각을 선택하여야 하며, 습식 식각 사용시 등방성 식각 혹은 비등방성, 즉 결정 의존성 식각을 택할 수 있습니다. 건시 식각은 액체보다는 기체, 가끔은 강한 빛 에너지를 함께 사용하는 방식이며 습식 식각에서는 용액이 사용되죠. 등방성 식각에서는 식각률이 결정 방향과 무관하며, 비등방성 식각의 경우 식각률이 결정 방향에 의존합니다. 주로 원자 충진율이 높은 방향일수록 식각 속도가 느려지는데, (100)면이 가장 빠르고, (110), (111) 순으로 느린 식각 속도를 가집니다. 다양한 모양의 MEMS 구조물을 얻기 위해서는 다양한 식각 방법들의 효과적인 선택을 필요로합니다.
몸체 및 표면 마이크로머시닝 공정은 공정별로 고유의 특징을 가지고 있습니다. 몸체 기공의 경우, 실리콘 웨이퍼 자체의 가공, 비교적 큰 구조물, 종황비에서 특히 높이의 한계(웨이퍼 두께), 단순하고 무게감이 있는 구조물, 비교적 저렴한 습식 공정 비용인 반면에 재료 손실이 큼, 우수한 내구성의 특징이 있죠. 표면 가공에서는 몸체 기공과 대조되는 특징들과 함께 웨이퍼 표면에 증착된 희생층과 구조층의 가공, 구조물의 다양성에 유리, 회전 구조물 제작에 용이, 회로 집적화가 상대적으로 용이, 칩 크기의 감소 등의 특징을 보여줍니다.
실리콘의 습식 등방성 식각의 경우에는 교반 정도에 따라 일부 상이한 식각 패턴을 얻을 수 있고, 비등방성, 즉 결정 의존성 식각일 경우에는 사용되는 실리콘 웨이퍼의 결정성, 그리고 식각 마스크의 정렬 방향에 따라 보다 다양한 식각 모양의 설계가 가능합니다. 예를 들어 (111)면을 식각 배리어로 하여 웨이퍼 표면의 결정성과 식각 마스크 패턴의 정렬 각도를 바꿔가며 <100>, <110>, <111> 방향으로의 식각률 변화를 효과적으로 활용한다면 수직 혹은 경사 방향으로의 식각면, 평면 혹은 V자형 식각 바닥 등이 얻어지게 되죠.
실리콘의 몸체 마이크로머시닝에서는 사용되는 웨이퍼의 결정성, 마스크 패턴 정렬 각도, 그리고 사용되는 식각 용액 등에 따라 MEMS 부품이나 시스템에서 필요한 여러 구조물들, 즉 공동(cavity), V자 홈, 얇은 막이나 브릿지, 채널, 외팔보(cantilever) 등을 설계, 가공할 수 있습니다.
마이크로머시닝에 의한 실리콘 가공, 이렇게 만들어지는 구조물들이 당초 설계와 차이가나는 이유에는 여러가지가 있습니다. 제작된 MEMS 소자의 성능, 특히 확도와 재현성을 결정하는데 구조물의 치수 에러는 적지 않은 영향을 주죠. 이러한 가공 오차들은 주로 리소그래피 과정과 식각 과정에서 발생하는데, 마스크 정렬 오차, 노광시 광원 파장과 관련된 해상도의 한계를 비롯하여 측면으로의 과도한 식각(under cut), 노광 후 현상(development)에서 발생하는 오차 등 다양한 원인이 있습니다. 공정을 개선하던지 혹은 공정 개선에 한계가 있다면 필연적으로 발생할 오차를 감안한 구조 및 공정 설계를 하여 해결하여야 하죠.
설계와 공정에서의 미흡한 점들은 제작된 MEMS 구조물들에 오염이나 결함 등을 발생시키게 되죠. 예를 들어 빗 모양 액추에이터에서의 끊어진 빗살, 외팔보 아래 완전히 제거되지 않고 남아서 작동을 방해하는 부분, 부유(floating) 구조물 아래에 남아 역시 기계적 운동이나 열적 흐름에 지장을 주는 요소 등으로 분명한 흔적을 남깁니다.
기판 접합은 3차원 구조물의 제작과 함께 MEMS 패키징에도 적용되는 중요한 공정입니다. 중간 접착제를 사용하지 않고 정전력이나 용융 과정으로 접합을 이루는 방식과 함께 다양한 접합 매개물, 접착제를 사용하는 방식으로 구분할 수 있죠. 기본적으로는 공정 청결도, 접합 후 내구성, 대면적 및 MEMS 공정 친화성 등의 장점으로 접합 매개물이 없는 방식을 선호하나 경우에 따라서는 접착제를 선택하여 사용하기도 합니다. 이러한 접합 매개물 소재는 솔더를 비롯한 금속류와 유리 프릿, 그리고 폴리머 계열 등으로 선택 범위가 넓어 MEMS 제작 공정과 함께 사용 환경, 신뢰성과 수명 등을 고려하여 소재 및 공정이 설계되어야 함은 자명합니다.
기판 접합 공정은 MEMS 소자의 제작 과정과 패키징에 유용하게 적용될 수 있습니다. 예를 들어 구조물이나 소자 제작 후 다른 기판으로의 전사(transfer), 기판 한장으로는 가공이 어려운 구조물이나 형상의 제작, 위에퍼 레벨의 패키징 등 구조나 공정 설계에 따라 다양한 응용이 가능합니다.
접합 공정은 기밀 밀봉(hermetic sealing)에도 사용될 수 있습니다. 즉 MEMS에서 움직이는 구조물은 공기층이 움직임에 방해를 줄 수 있고, 또 외부와 노출될 경우 습기나 산소 등과 반응을 하여 모양이나 크기, 질량 등이 변할 수 있어서 가급적 밀폐된 공간 안에서 작동을 하도록 하죠. 이 때 밀폐된 공간에는 비활성 기체를 채우거나 혹은 진공을 유지하기도 합니다. 따라서 완전한 기밀 밀봉이 필요하며, 이를 위해 구조물이 움직이는 공간 여유를 유지하면서 외부와 완전히 차단되는 구조를 만들게 되죠. 공동(cavity) 만들어놓고 뚜껑(cap)을 씌우는 과정에서 접합 공정이 조로 이용되죠.
접합을 이용하는 밀봉 이외에도 뚜껑 성형 후 전사, 혹은 밀봉용 박막 증착 후 희생층을 제거하고나서 틈을 메우는 방식 등 적지 않은 아이디어들이 제공되었으며, 이들 각각은 공정 설계시 선택적으로 활용할 수가 있습니다.
기밀 밀봉에 의해 MEMS 구조물이 외부와 완전하게 차단이 되었다하더라도 전기적인 신호나 파워 등은 내 외부로 전달이 되고 공급되어야 합니다. 이와 같이 밀봉 내부의 소자나 구조물과 외부간에 기체 혹은 분위기 밀봉을 깨지 않고 전기적 연결을 이루는 데에도 아이디어와 공정 설계가 필요합니다. 내부와 외부에 금속 전극을 형성하고 두 전극 간에는 불순물이 도핑되어 전도도를 높힌 도핑층 형성, 전기적 연결을 이어주는 방식이 많이 이용되고 있죠. 다만 공정 과정에 있어서 금속 전극 패턴의 형성과 특히, 높은 온도가 필요한 도핑층을 언제, 어떻게 만들어 주어야 하는가는 공정 설계에서 결정되어야 합니다.
접합 공정은 마이크로머시닝 공정과 패키징 공정을 잇는 연결 과정입니다. 그리고 접합 공정을 효과적으로 활용하면 칩(다이) 레벨 패키징이 아닌 웨이퍼 레벨 패키징을 적용할 수 었어\ 제품의 택트타임을 줄일 수 있고 따라서 생산성 향상에 유리합니다. 수율 확보, 생산성 증가를 위해서는 공정 기술의 개발 만큼이나 공정 설계도 중요함은 자명합니다.
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