MEMS와 세라믹스

1. 서론
반도체 집적회로를 제작하려면 포토리소그래피(Photo lithography) 기술이 기본적으로  필요하다. 이 기술을 발전시킨 마이크로머신 기술을 이용하면 MEMS(Micro Electro Mechanical System)를 제작할 수 있다. 이것은 여러 장치의 핵심부품으로 사용할 수 있다.본 내용은 MEMS에 세라믹스가 적용되는 사례를 소개한다. 용도에 따라서 구조 재료와  기능재료로 나누어서 설명하지만 형태로 구분하면 분말 소결체와 증착박막으로 나눌 수 있다. 또 이들 재료를 이용한 MEMS의 응용분야도 함께 소개한다.

2. 구조재료로서의 세라믹스

가. LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)
LTCC에 히터(heater)나 관통배선을 넣어서 열형 유량센서를 만들 수 있다. 이 센서는 엔진의 연료 분사장치에 사용된다. 즉 이것을 디젤엔진의 실린더  내에 설치하면 연료의 분사유량을 제어하여 불완전 연소를 줄이고 연비를 개선하는 기능을 한다.
이것의 작동원리는 유량이 흐르는 상류와 하류에 두개의 히터를 설치한 후 가열하면 유량에 의해서 식을 때 발생하는 온도차를 히터의 저항변화로 검출한다.

나. 사파이어(Saphire)
사파이어는 압력센서의 다이어프램(Diaphragm) 재료로 사용한다. 내식성이 좋고 열팽창  차이에 의한 뒤틀림 문제도 없고 고온에서 사용 가능하다.
이 센서는 압력차로 생기는 다이어프램의 변형과 정전용량의 변화를 이용하여 검출하는  것이다. 이 센서를 이용해서 만든 것이 내식성 고온 사파이어 격막진공계이다. 이것을  제작하려면 연마한 사파이어 판끼리 접합하는 기술이 필요하다.

다. 탄화규소(SiC)
탄화규소는 로봇 등의 전원에 필요한 소형 가스터빈에 사용한다. 고온에서 견디고 내식성도 있지만 단단해서 기계적 가공이 어렵다.  이 때문에 MEMS기술로 가공하기 쉬운  실리콘을 주형으로 사용하여 SiC 소결체를 제작하는 기술이 개발되었다.
이것의 제작방법은 먼저 반응성 이온에칭(RIE)법으로 만든 Si 주형을 만든다. 여기에 SiC나 Si, C 등의 분말을 충전하여 페놀수지로 접합한 뒤  유리로 막는다. 그 다음 등방적 고압과 1700℃ 정도의 고온에서 소결한다.  이때 주형으로 사용한 Si는  녹으면서 확산되어 반응에 기여한다. 마지막으로 시료를 에칭액에 담아서 흘러나온 Si를  제거하면 SiC 구조체를 얻을 수 있다. 이 방법을 로스트 몰드 프로세스(Lost mold process)라고 부른다. 또 SiC 주형에 SiC를 화학기상증착(CVD)한 후 Si를 에칭으로 제거하여 SiC 구조체를 만드는 방법도 있다. 이것은 엔진의 연료분사 노즐로 사용하여  연료를 미립으로 분사하는 목적으로 개발되었다.

라. 다이아몬드(Diamond)
다이아몬드는 단단하면서 열전도성이 우수하고 고체윤활성 등의  특징을 가진 재료이다. 또 텅스텐필라멘트를 이용하여 2000℃까지 가열할 수 있는  CVD를 이용하면 다이아몬드 증착이 가능하다. 이 다이아몬드 CVD를 이용하여 강유전체 기록용 다이아몬드 프로브(Probe)를 만들 수 있다. 이 장치는 멀티데이터 기록 장치에 이용한다.
제작하는 방법은 SOI(Silicon On Insulator)의 웨이퍼를 V형으로 에칭한다. 그  위에 유기용매 중에서 전착하여 성장한 핵으로 된 다이아몬드 가루를 붙인다. 그 후 다이아몬드를 CVD로 증착하고 마지막으로 아랫부분에 있는 Si기판을 에칭하여 제거한다.
다이아몬드 CVD 장치는 나노 인 프린트(Nano in print) 또는 핫 엠보싱(Hot embossing)이라 부르는 특수한 고분자재료를 성형하는 몰드(Mold)를 만들 때에도  사용한다. 나노 인 프린터로 제작한 미세 구조체는 패턴미디어(Patterned media)라고  부르는 기록매체나 광학소자 등으로 응용할 수도 있다.

3. 기능재료로서의 세라믹스

가. PZT(Pb-Zr-Ti)
압전 재료인 PZT는 액추에이터(Actuator) 등의 핵심재료이다. 의료용 화상진단에  이용하는 PZT 초음파 트랜스듀서(Transducer)의 제작과정을 보면 방사광을 이용한 X선 노광에 의해서 두꺼운 레지스트로 깊은 홀을 내고 여기에 PZT 슬러리를 충전한 후 레지스터를 제거하고 소결한다.
거기에 폴리머를 충전하고 래핑 후 전극을 부착한다. 이렇게 만든 PZT 구조체는 초음파 내시경에 이용되고 있다.
PZT 박막은 스퍼터링(Sputtering), MOCVD(Metal Organic  CVD), 졸겔법 등으로 만들 수 있다. PZT 박막을 스퍼터링법으로 만들면 정확한 조성을 가지고 배향성이 우수하여 진동자이로(gyro) 소재로 사용할 수 있다. 이것은 자동차 내비게이션용으로 실용화 되어있다.

나. 수정
수정은 압전성을 가진 단결정 재료이다. 수정진동자는  디바이스 내에서 일정주파수를 발생시키는 용도로   사용한다. 수정진동자를   RIE(reactive-ion etching)방식으로   만든 것은 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 장치에 이용한다. 이것은 수정진동자 표면에 미세한 입자가 흡착하면 공진주파수가 변화하는 원리를  이용하여 극미량의 질량을 측정하는  장치이다.
또 저온 플라스마 활성화 접합이라는 방식으로 제작하는 경우도  있다. 이것은 수정을 실리콘기판에 접합하고 플라스마를 조사하여 표면에 수산기를 만들고 수산기끼리 수소 결합하여 계면에 접합하는 방법이다.

다. 질화알루미늄(AlN: Aluminum Nitride)
AlN도 압전성을 가지고 있고 300℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 CMOS 회로 위에 형성시킬 수 있다. 이것은 고주파 LSI 위에 기계공진자 필터를 만들 때 이용하는 재료이다. 이 공진자 필터는   휴대전화 등의   무선기기에서 전파대역을  효과적으로  이용하는  멀티밴드(Multiband)화를 목적으로 사용한다.
이 중 대표적인 것이 Lamb파 공진자이다. 이것의 제작법을 보면 Ge 층위에 스퍼터링을 이용하여 AlN을 증착하고 Ge의 일부를 과산화수소로 제거하여 브리지(Bridge) 모양의 AlN박막의 진동자를 만든다. 이 공진주파수는  금속패턴의 피치에 의해서 결정되기  때문에 높은 주파수 정도로 고주파용 LSI 위에 제작할 수 있다.

라. 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)
휴대기기 등을 사용할 때 배터리 끊어짐이 없이 사용할 수 있는 기능을 하는 소형 연료전지가 개발되고 있다. 그 예가 고체산화물형 연료전지(SOFC)이다. 이것은 주로 고체전해질 박막을 이용해서 만든다. 이  전해질 박막은 원자층증착(ALD)법을 이용하여  원자를 한 층씩 적층시킨 것이다.
이와 같은 방법으로 두께가 70㎚ 정도로 매우 얇고 핀홀(pinhole)이 없는 안정화 지르코니아의 막을 만들 수 있다. 이 극박막을 이용하면 수소가스를  연료로 사용할 때 400℃에서 677㎽/㎠인 비교적 저온에서 큰 전력을 얻는다.  또 SOFC는 수소 외에 탄화수소나  알코올 등 취급하기 쉬운 연료를 사용할 수도 있다.

4. 결론
MEMS에 세라믹스를 이용하는 사례를 설명했다. 반도체 미세가공 기술과 세라믹재료를  이용하면 가혹한 환경에서도 사용가능한 마이크로머신을 제작할 수 있다.
또 압전성을 가진 세라믹스 등을 만들 때 이 기술을 이용하면 기능재료로 활용하여 부가가치가 매우 높은 전자부품을 만들 수 있다.

5. 전문가 제언
세라믹스는 금속재료나 고분자재료와 비교해서 일반적으로  내식성이나 내열성이 우수하다. 따라서 열악한 환경 속에서 사용하는 마이크로머신용 구조재료나 기능재료는 주로 세라믹스를 이용한다. 이때 세라믹스를 가공하기 위해서는 증착이나 에칭과  같은 특수한 장비를 사용하는 요소기술이 필요하다.
MEMS 기술을 이용한 장치 중에서  대량생산이 가능한 제품은 휴대폰의  경우는 고주파나 광통신 부품이나 모듈 등이 있고, 디지털 카메라의 경우는 마이크로 모터, 이미지 센서와 손 떨림 보정장치인 자이로 센서 등이 있다. 자동차의 경우는 본 논문에 소개된 유량센서 외에 안전성을 향상시키는 압력센서나 가속도 센서 및 에어백용 센서 등이 있다.
우리나라는 MEMS 기술분야의 후발국이지만 대량생산이 가능한 제품에 대해서는 여러벤처 기업들이 관심을 가지고 연구 개발 중이다. 그러나 이들 제품의 용도상 매우 중요한 품질보증이 어렵고 다품종인 경우가 많아서 표준화하기 어려운 특징이  있다. 따라서 아직도 대부분의 제품을 수입에 의존하고 있다.
최근에는 대기업 산하의 연구기관과 벤처기업은  국가 프로젝트사업의 일환으로 바이오  및 의료분야에 활발한 연구 활동을 보이고 있다. 즉 캡슐형  내시경이나 바이오칩과 같이 앞으로 사업성이 있을 것으로 예상하는 제품개발에 진력하고 있다.
또 한국전자통신연구원(ETRI)에서는 마이크로 유량센서, 미세 유량용 마이크로펌프 등을 개발하는데 성공한 바 있다.
MEMS 기술은 현재 사용되고 있는 자동차나 전자통신 산업분야뿐만 아니라 정밀기계, 항공우주, 에너지 환경 등 다양한 분야에 적용 될 것이다. 특히 의료 및 바이오 산업분야로 응용되면 시장이 대규모로 확대될 것으로 기대한다.

* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 허원도(ferriman@reseat.re.kr)
* 출처 : 江刺 正喜, “MEMSとセラミクス”, 「マテリアルインテグレ-ション(日本)」22(4), 2009