[기고] 목적에 따라 달라지는 MEMS 제조, 어떤 기술 사용하는가
  • 2024-01-16
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr
  • 리암 크리칠리(Liam Critchley), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


MEMS의 본질적인 특징은 어떠한 규격화된 디바이스 또는 제품이 아니라는 것이다. MEMS는 다양한 제조 기법과 공정을 사용해서 다양한 초소형 시스템을 만들 수 있다. MEMS는 기성품으로 만들어진 제품이 아니라 의도하는 애플리케이션에 따라서 맞춤형으로 만들어진다. 그러면 MEMS를 어떻게 제조하는지 좀더 자세히 알아보자.

MEMS(micro-electro-mechanical system)는 많은 분야에서 중추적인 기술로 자리잡고 있으며 시장 규모가 계속해서 커지고 있다.

MEMS는 기계적인 부분과 전자적인 부분을 모두 포함하는 초소형 디바이스이다. MEMS 디바이스는 수십 년 전부터 등장해 있었으며, 수십억 달러 규모의 산업이 되었다. MEMS의 본질적인 특징은 어떠한 규격화된 디바이스 또는 제품이 아니라는 것이다.
 
(출처: Martin - stock.adobe.com)

MEMS는 다양한 제조 기법과 공정을 사용해서 다양한 초소형 시스템을 만들 수 있다. MEMS는 기성품으로 만들어진 제품이 아니라 의도하는 애플리케이션에 따라서 맞춤형으로 만들어진다. 그러면 MEMS를 어떻게 제조하는지 좀더 자세히 알아보자.

MEMS란 무엇인가? 

MEMS는 전자적 부분과 기계적 부분을 결합해서 특정한 기능을 수행하도록 구현된 초소형 통합형 디바이스이다. MEMS는 다양한 형태와 크기로 만들어지며 다수의 소재와 소자들을 포함한다. 이러한 시스템을 ‘마이크로’ 시스템이라고 하는 것은 MEMS의 개별 소자들이 마이크론 대이기 때문이다. 하지만 특정한 기능의 디바이스를 구현하기 위해서 얼마나 많은 소자들을 결합하냐에 따라서 전체적인 MEMS 디바이스는 크기가 수 마이크로미터부터 수 밀리미터까지 이를 수 있다.

MEMS를 사용해서 다양한 특수한 디바이스들이 가능한데, 기본적으로 모든 MEMS 디바이스는 기계적 미세 구조물, 마이크로센서, 마이크로엑추에이터, 마이크로일렉트로닉스를 조합해서 실리콘 칩 상으로 집적한 것이다. 좀더 구체적으로는 레버, 기어, 피스톤, 모터 같은 것들을 포함할 수 있다. 이러한 개별 소자들은 의도하는 기능에 따라서 각기 다른 소재를 사용해서 만들어진다. 이러한 소재로서 다음과 같은 것들을 사용할 수 있다: 

-실리콘
-실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드 같은 실리콘 기반 소재
-금속 박막
-폴리머
-유리
-석영 유리 서브스트레이트
-다이아몬드
-갈륨 아세나이드
-여타의 3-5족 화합물 반도체 및 형상 기억 합금


MEMS 디바이스는 센싱, 제어, 구동 같은 특수한 기능들을 수행하는 개별 소자들을 결합해서 하나의 통합적인 시스템을 달성한다. MEMS 디바이스는 매우 다양한 소자들을 포함할 수 있으며 다양한 분야에 활용될 수 있다. 하지만 대체로는 다양한 방식의 센서, 엑추에이터, 트랜스듀서를 포함한다.

MEMS 제조 기법

MEMS 디바이스로 다양한 소재들을 사용하고 다양한 소자들을 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 디바이스를 제조하기 위해서 사용할 수 있는 제조 기법 또한 다양하다. 일반적으로 전자 소자는 집적회로 일괄 제조 기법을 사용해서 제조하고, 기계적 부분은 마이크로머시닝(미세가공) 기법을 사용해서 제조한다. 가공 기술과 고정밀 미세제조 기법이 발전함에 따라서, 리소그래피 및 비-리소그래피 기반 기법들을 모두 포함한 다양한 첨단 제조 기법을 이용할 수 있게 되었다. 

MEMS 제조에 사용되는 마이크로머시닝 기술은 소재 상으로 특정한 피처(feature)를 만든다는 점에서는 통상의 머시닝 기술과 동일하다. 하지만 둘 사이에는 약간의 차이가 존재한다. 마이크로머시닝은 동일한 웨이퍼 상으로 수천 개의 동일한 피처를 동시적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 다수의 웨이퍼를 처리할 수 있다. 또 다른 큰 차이점은, 마이크로머시닝은 통상의 머시닝보다 소재 상으로 훨씬 더 작은 피처를 만들 수 있다는 것이다. 최소한 십여 배 더 작게 만들 수 있다.

기본적으로 마이크로머시닝 장비는 다수의 기법들을 사용한다. 예를 들어서 에피택시, 스퍼터링, 증발법, 화학적 기상 증착, 스핀온 제조 기법 모두를 사용해서 반도체, 금속, 절연체, 폴리머로 이루어진 박막 층을 증착할 수 있다. 

반면에, MEMS 소자 상으로 감광성 폴리머 층을 프린트하기 위해서는 리소그래피 기법을 사용한다. 그러므로 마이크로스케일로 에칭을 해서 특수한 패턴과 피처를 형성할 수 있다. 에칭 공정은 습식 에칭과 건식 에칭을 모두 사용한다. 건식 에칭이 전기화학적 에칭을 사용해서 좀더 인기가 있고, 플라즈마 에칭, 심도 반응성 이온 에칭, 등방성 습식 에칭을 사용해서는 소재를 선택적으로 제거할 수 있다. 

또한 리소그래피를 필요로 하지 않는 첨단 머시닝 기법들을 사용해서 다양한 MEMS 소재와 소자들로 피처, 패턴, 구조물을 만들 수 있다. 그러한 한 가지 기법이 초정밀 기계적 머시닝이다. 이 머시닝 기법은 1마이크론 미만의 피처를 사용해서 실리콘이나 여타 금속을 특정한 형태로 만들 수 있다. 이 머시닝 기법은 중요한 비-리소그래피 기법으로서, 측벽이 평평한 역 언더컷과 같이 리소그래피 기법을 사용해서는 만들 수 없는 형태를 만들 수 있다.

또 다른 첨단 머시닝 기법은 레이저 머시닝이다. 이 머시닝 기법을 사용해서는 실리콘 칩을 만들 수 있을 뿐만 아니라 금속, 세라믹, 플라스틱 같은 소재들을 깎아내거나 이러한 소재들로 구멍을 낼 수 있다. 초음파 머시닝 기법은 초음파를 사용해서 유리, 세라믹, 다이아몬드 같이 딱딱하고 부서지기 쉬운 소재들에 적합하고, 전기 방전 머시닝은 전기 방전을 사용해서 소재의 작은 조각을 침식할 수 있으며 전도성 소재에만 사용할 수 있다. 이외에도 좀더 드물게 사용되는 첨단 머시닝 및 소재 제거 기법들로서 마이크로컨택트 프린팅, 나노임프린트 리소그래피, 핫 엠보싱 같은 기법들을 사용할 수도 있다.

머시닝 기반 기법들뿐만 아니라, 상황에 따라서 여타의 많은 첨단 제조 기법들을 사용할 수 있다. 예를 들어서 어노딕 본딩 기법을 사용해서 실리콘 웨이퍼를 유리 서브스트레이트로 접합할 수 있으며, 실리콘 직접 본딩을 사용해서 두 가지 실리콘 소재를 융합할 수도 있다. 졸-겔 증착 기법을 사용해서 MEMS 소자들을 광학적 흡수 또는 구배형 굴절률 반사방지 코팅으로 코팅할 수도 있다. 전기도금 기법을 사용해서 금, 구리, 니켈, 니켈-철 등으로 이루어진 금속 박막 층을 형성할 수도 있다.

맺음말

MEMS는 초소형 통합형 디바이스로서 많은 분야에서 중요한 기술로 자리잡고 있다. MEMS 디바이스는 다양한 소재와 소자들을 포함하는 만큼 MEMS 제조에는 다양한 제조 기술과 기법들을 사용할 수 있다. 그러므로 MEMS는 다양한 애플리케이션 용으로 제조할 수 있다. 제조 기법이 계속해서 진보하고 갈수록 더 미세한 제조가 가능해짐으로써 MEMS 디바이스로 더 미세한 피처를 만들고 더 미세한 소자들을 구현할 수 있을 것이다.



   저자 소개

 

리암 크리칠리(Liam Critchley)는 화학과 나노기술을 전문으로 하는 기고가, 저널리스트, 커뮤니케이터로서, 분자 차원의 기초 원리를 다양한 영역에 어떻게 응용할지 알리는 역할을 하고 있다. 자신의 지식을 바탕으로 과학자들과 일반인 모두를 위해서 복잡한 과학적 주제를 쉽게 설명하고자 한다. 화학과 나노기술을 아우르는 다양한 주제와 산업 분야에 걸쳐서 350건 이상의 기사를 발표했다.

유럽에서 나노기술 산업 협회(NIA)의 과학 커뮤니케이션 책임자이며, 몇 년 전부터 전세계 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 위한 기고 기사를 쓰고 있다. 나노기술과 화학 공학으로 화학 석사학위를 취득했다. 

미국 국립 그래핀 협회(NGA)와 국제 기구인 나노테크놀로지 월드 네트워크(NWN)의 자문 위원이며, 영국의 과학 학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다. 영국 나노의약 협회(BSNM) 및 국제 첨단 소재 협회(IAAM) 회원이다. 또한 다수의 학술 저널에 피어 리뷰어로 참여하고 있다.

 

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