▣ 단일칩에서 3D 센싱을 할 수 있는 MEMS 기기를 개발


MEMS(Microelectromechanical systems)는 매우 큰 잠재력을 가지고 있는 소형기기이다. 일반적으로 10um의 크기보다 작은 요소들로 구성되어지는 이것은 초소형의 생물학 센서, 가속도계, 자이로스코프 및 액추에이터와 같은 곳에 사용되고 있다.

대부분의 경우 기존의 MEMS 기기들은 칩 표면에서 제작되어지는 기능적 요소들을 가진 2차원적인 것이다. 그래서 가속도를 감지하는 것과 같이 3차원적으로 동작되어지는 것은 복잡한 제조과정이 요구되어지게 되며, 정확한 방향으로 여러 개의 기기를 합체하는데 비용이 많이 들 것이라고 생각되었다.


MIT 연구자들은 기존 제조 과정을 사용하여 3D 구성을 디자인할 수 있는 새로운 MEMS 디자인 방법을 연구하기 시작했다. 이 방법을 가지고 연구자들은 단일칩에서 3D 센싱을 할 수 있는 MEMS 기기를 개발하였다.

미국 동전에 있는 링컨의 귀보다 크지 않은 실리콘 기기는 적혈구 정도 넓이의 미세한 요소들을 포함하고 있다. 이것은 보통 칩 표면 위에서 수백 마이크론의 높이로 만들어지게 된다.


항공우주학과에서 박사 후 과정을 하고 있는 Fabio Fachin은 이 기기가 칩의 미세한 브릿지 위나 아래에 위치할 수 있는 센서에 적합하게 사용될 수 있다고 말했다. 그래서 가속도와 같은 3차원 현상을 감지할 수 있게 될 것이다. 소형의 가속도계는 자율 우주탐색을 포함한 몇가지 애플리케이션에서 유용하게 사용될 수 있다. 왜냐하면 이 분야에서 매우 정확한 3차원 가속도계 필드의 해상도가 중요하기 때문이다.


"현재 MEMS 산업에서 가장 영향력이 큰 요소 중 하나는 단일칩에 완전한 3차원 기기를 만드는 것이다. 이것은 실제 3D 센싱 및 작동을 하게 할 뿐만 아니라 상당한 비용적인 혜택을 주게 된다. MEMS 가속도계는 작은 풋프린트를 가지고 매우 정확한 가속 측정을 하게 해준다. 이것은 우주에서 매우 중요한 것이다."라고 Fachin이 말했다.


Fachin은 MIT 항공우주학과 Brian Wardle 교수, MEMSIC의 디자인 엔지니어 Stefan Nikles 및 무선센서기술을 개발하는 Andover사, Mass사와 같이 공동으로 연구를 진행하고 있다. 이 팀은 MEMS 저널에 발표한 논문에서 3D 방법의 원리를 설명하였다.


대부분의 MEMS 기기들이 2차원이지만, 이것들을 3D로 변화하기 위한 노력들이 계속 진행되고 있다. 특히 폴리머로 구성되어진 기기들에는 더욱 그렇다. 과학자들은 폴리머로부터 복잡하고, 3차원적인 구조를 만들기 위해서 리소그래피를 사용하고 있다. 그러나 폴리머는 몇가지 애플리케이션에서 요구되는 강성과 강도가 부족하며 고온에서 변형될 수 있기 때문에 액츄에이터나 충격 흡수기와 같은 애플리케이션에서는 이상적이지 못하다고 Fachin이 말했다.


이와 반대로 실리콘과 같은 물질들은 비교적 내구성이 강하며, 온도저항성을 가지고 있다. 그러나 실리콘에서 3D기기를 만드는 것은 힘들다고 Fachin이 말했다. MEMS 엔지니어들은 부분적으로 3D 구조를 가지는 DRIE(deep reactive ion etching) 기술을 일반적으로 사용하고 있다. 이것에서 2차원 요소들은 웨이퍼에 에칭되어지게 된다. 그러나 이 기술은 칩 표면위로 구조가 올라오기 때문에 완전한 3D 구조를 가질 수 없다.


이러한 기기를 만들기 위해서 엔지니어들은 작은 2차원 브릿지, 또는 캔딜레버를 칩 표면에 만들었다. 칩이 생산되고 난 후에, 브릿지를 3차원 구조로 구부리기 위해서 약간의 힘이 가해지게 된다. 그래서 마지막 단계는 매우 정확도가 요구되어진다고 Fachin이 말했다. 그 대신에 MIT 팀은 이러한 마지막 누르는 과정 없이도 3D MEMS 요소를 만드는 방법을 개발하기 시작했다. 이 그룹은 잔류 응력(residual stress)을 이용하는 방법에 기초하고 있다. 이러한 응력들은 차원에 따라서 물질을 변형시키기에 충분히 강하게 될 수 있다.


Fachin과 그의 동료들은 이전의 마이크로빔 구조에 대한 연구를 검토하여 박막 물질의 유연성, 기하학 및 잔류 응력사이의 관계를 나타내는 공식을 만들게 되었다. 이 그룹은 그들이 원하는 브릿지 높이를 이 공식에 대입하여 원하는 모양으로 구조를 구부릴 수 있는 잔류 응력을 얻게 되었다. 다른 연구자들은 이 공식을 기존의 제조 과정을 사용하여 다른 3D 기기를 디자인하기 위한 해석툴로만 사용할 수 있었다고 Fachin이 말했다.


"이것은 3D 구조를 위해 매우 비용효쥴적인 방법을 제공해준다. 이 과정이 실리콘 기판에 기초하고 있으며, 표준 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정에 호환이 될 수 있기 때문에 스마트한 CMOS-MEMS 제조과정을 위한 방법을 제공해 줄 것이며, 매우 좋은 제조과정을 가지게 될 것이다."라고 Florida대학 전기컴퓨터공학과 Y.K. Yoon 교수가 말했다.


이 그룹은 복합 실리콘 구조에서 매우 작은 3D 기기를 디자인하기 위해서 해석툴을 사용했다. 이것은 매우 구부러진 마이크로빔을 각 칩들을 가지고 있다. 각 브릿지의 제일 위와 칩의 구조위에 위치한 Fachin의 센서는 가속도를 측정하기 위해서 삼각형으로 만들어질 수 있다. "더 큰 사이즈를 가질 수 있는 다른 애플리케이션을 위해서, 더 큰 잔류 응력을 가진 물질을 선택할 수 있으며, 더 많이 구부리기 위해서 빔을 만들 수 있다. 툴의 유연성은 중요한 것이다."라고 Fachin이 말했다.

A new approach helps researchers make tiny three-dimensional structures.

Pictured are two packaged microchips, each with tiny bridges fabricated on their surfaces.


URL : http://web.mit.edu/newsoffice/2012/three-dimensional-microchips-0228.html


<출처>NDSL, 2012. 03. 05

Posted by TopARA

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