미누루 사카타(Minoru Sakata) ST마이크로일렉트로닉스

MEMS 센서는 70년대에 자동차 애플리케이션용으로 산업화되기 시작했다. 많은 R&D 활동이 진행되면서 자동차 내의 응용 분야도 확대됐다. 그러나 다른 센서에 비해 가격 경쟁력이 부족하고 제어 회로의 전력 소비와 스케일 팩터가 미성숙해 가전 시장을 뚫는 데 시간이 걸렸다.

MEMS 센서의 산업화가 시작되고 20년이 흐른 후에야 노트북, 게임기, 디지털 카메라, 스마트폰과 같은 가전제품에 다양한 MEMS 센서의 적용이 시작됐다.

많은 MEMS 센서 공급업체들이 경쟁에 참여했지만 일부만이 살아남았다. 이 글은 먼저 MEMS 센서를 간략히 소개하고 가전 시장을 겨냥한 MEMS 센서의 산업화에 따른 핵심 포인트를 ST마이크로일렉트로닉스의 사례로 요약해 설명한다.

개요
MEMS 센서 산업화는 1970년대에 시작됐다. 처음에는 MEMS 센서가 자동차 애플리케이션에 주로 사용됐지만 이 분야에 대한 연구개발이 전세계적으로 진행되고 30년이 흐르면서 압력 센서, 가속도 센서, 자이로스코프와 같은 다양한 유형의 센서가 자동차에 탑재돼 엔진, 서스펜션, 에어백, 내비게이션 시스템의 제어를 담당했다.

하지만 이 기술은 잉크젯 프린터 헤드를 제외하고 가전에 사용되는 일은 거의 없었다. 주요 원인을 살펴보면 ▲가전용 센서는 가격이 더 저렴해야 하고 ▲크기는 더 작고 에너지 효율성은 더 높아야 했다. 즉, 센서 제어 ASIC의 집적도를 높이고 전력 소모는 낮추기 위해 공정 룰을 상당 수 줄여야 한다는 뜻이 된다.

더불어 ▲이들 센서에 대한 수요가 자동차용 센서에 비해 훨씬 더 유동적이어서 센서 제조업체들이 가전 센서 시장의 수요 변동에 대응하기가 어렵다는 점을 들 수 있다.

최근 수년 동안 가속도 센서, 자이로스코프, 지자기 센서, 압력 센서 등 다양한 형태의 MEMS 센서들이 노트북 컴퓨터, 게임기, 휴대 전화, 디지털 카메라와 같은 다양한 IT 기기에 탑재되고 있다.

앞으로 관련 시장은 더욱 크게 성장할 것으로 예상된다. 이 글에서는 먼저 MEMS 센서의 개요를 소개한 후 이 분야에서 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)의 사례를 바탕으로 가전 시장에서의 MEMS 센서의 산업화와 관련 핵심 포인트를 설명한다.

MEMS 센서 개요
이 장에서는 ST 가속도 센서를 예로 들어 MEMS 센서의 성능과 그 제조방법을 설명한다.

센서 성능 = ST는 가속도 센서에 정전용량(capacitance) 감지 방법을 이용한다. 이 방법의 장점은 CMOS 공정과 유사한 표면 미세가공(surface micro-machining) 기술을 사용함으로써 양산성이 높고 온도 보상 회로 없이도 양호한 온도 특성을 제공한다는 점이다.

MEMS 센서 구조는 고정 빗살 모양 전극(fixed comb electrodes)과 가동 빗살 모양 전극(movable comb electrodes)으로 구성된다. 두 전극은 폴리실리콘으로 만들어지며 서로 반대편에 위치한다.

가동 전극들은 폴리실리콘 스핀들(spindle)에 연결된다. 고정 전극들은 앵커 포인트(anchor point)의 기판에 실장된다. 이 전극간의 간격은 일반적으로 수 마이크론이다.

▲ [그림1] 가속도 센서 전극의 일반적인 구조

가동 전극들은 고정 전극들보다 작은 스프링 상수를 갖는 구조를 형성하기 위해 기판상에 실장된다. 이것은 가속이 가해질 때 전극들이 스핀들에 작용하는 관성력에 반응해 이동할 수 있도록 하기 위함이다. [그림1]은 가속도 센서 전극의 일반적인 구조를 보여준다.

폴리실리콘 층(두께 30~60㎛)은 고정 전극들과 가동 전극들 모두를 위해 앵커 포인트의 기판 상에 형성된다. 가속도가 가해지면 고정 전극들과 가동 전극들 사이의 간격에 변화가 생기면서 전극간의 정전용량에 영향을 미친다. 고정 전극들과 가동 전극들 사이의 전압이 일정하게 유지되면 전류는 그 사이를 통과한다.

▲ [그림2] 디지털 가속도 센서의 회로 블록

일단 전류가 적분되어 전압으로 변환되면 이것은 다시 출력을 위해 여과 및 증폭된다. 디지털 가속도 센서에는 A/D 컨버터, 디지털 필터, 디지털 인터페이스 회로 등의 추가적인 회로가 탑재된다. [그림2]는 디지털 가속도 센서의 회로 블록을 보여준다. 센서 블록과 적분기의 신호 처리 회로 다운스트림은 다른 칩상에 구성된다. 이 두 칩은 단일 패키지로 통합된다.

센서 제조 공정 = 실리콘의 우수한 특성을 활용한 반도체 개발을 통해 쌓아온 기술과 노하우를 바탕으로 ST는 MEMS 센서의 제조에 활용할 수 있는 자체의 표면 미세가공 기술을 확립했다.

ST 가속도 센서는 THELMA(Thick Epitaxial Layer for Micro-gyroscopes and Accelerometers)라고 하는 공정에 의해 제조된다. THELMA 공정 관련 대부분의 공정은 기존의 반도체 공정과 일관성을 유지하기 위해 표준화됐기 때문에 뛰어난 가격 대비 성능을 제공하는 가속도 센서를 제조할 수 있다.

▲ [그림3] 플라스틱 몰딩 전의 센서 패키지

이 가속도 센서는 하나의 패키지에 센서 칩과 신호 처리 회로를 통합한 MCP(multi-chip package) 구조다. 이 방법은 단기간에 다양한 규격과 인터페이스를 갖춘 센서를 생산하는 데 이용 가능하다. 또한 THELMA 공정과 CMOS 공정을 위해 서로 다른 웨이퍼를 사용해 총 수율을 높일 수 있다. [그림3]은 플라스틱 몰딩 전의 센서 패키지를 보여준다.

센서 칩은 PWB에 실장되고 신호 처리 칩은 그 위에 적층된다. 와이어 본딩은 모든 칩을 전기적으로 연결하고 신호 처리 칩을 기판에 연결하는 데 사용된다. 이러한 칩 적층 구조는 적층형 패키지라고 하며 패키지의 소형화에 중요한 역할을 한다.

가전 시장에서의 MEMS 센서 산업화
ST는 2005년에 컨슈머 시장을 겨냥한 MEMS 센서 사업을 개시했으며 2012년에 MEMS 시장에서 10억달러의 매출(잉크젯 프린터 헤드의 매출을 포함한 수치)을 기록한 세계 최초의 회사다.

회사 초기의 주요 제품은 노트북 컴퓨터와 게임 콘솔용 가속도 센서였다. 현재 ST의 제품 라인업에는 자이로스코프, 지자기 센서, 압력 센서, 습도 센서, 자외선(UV) 센서, 마이크로폰 등을 포함하고 있다. 앞서 언급한 애플리케이션 외로 스마트폰, 태블릿, 디지털 카메라, MP4 플레이어, 프로젝터 등의 가전으로 영역을 확대해 왔다. 이 분야의 성공을 위한 주요 사항은 다음과 같다.

대구경 웨이퍼 = 2006년 ST는 MEMS 센서 제조 라인을 6인치 라인에서 8인치 라인으로 업그레이드했다. ST는 8인치 라인에서 MEMS 센서를 제조한 세계 최초의 회사다. 8인치 라인으로 업그레이드 하면서 회사는 컨슈머 시장에서 요구하는 낮은 가격을 달성할 수 있었고 제조 능력이 향상돼 수요 변동이 큰 컨슈머 시장의 고객 요구에 대응할 수 있게 됐다. ST는 현재 하루 500만개 이상을 생산할 수 있는 능력을 보유하고 있다.

첨단 아날로그 회로 = MEMS 센서의 제어를 위한 ASIC은 아날로그 회로와 디지털 회로를 모두 포함하고 있다. 아날로그 회로는 예컨대 높은 신호 대비 잡음비(S/N ratio)로 작은 정전용량 변화를 출력하고 전력 소모를 최소화함으로써 MEMS 센서의 경쟁력을 제고하는 데 중요한 역할을 한다.

ST는 아날로그 회로에서 오랫동안 기술적 우위를 지켜온 반도체 제조사이며 이러한 이력은 MEMS 센서용 첨단 제어 회로를 생산하는 데 큰 도움이 됐다.

MEMS 디바이스 공급업체로서의 경험 = ST가 MEMS 센서 사업을 출범시킬 당시 이미 10년 넘게 잉크젯 프린터 헤드 생산에 연관돼 있었다. ST는 MEMS 디바이스에 요구되는 품질 및 신뢰성을 유지하고 제품의 안정적인 공급 경험을 통해 상당한 노하우를 축적했으며 이는 MEMS 센서 사업에 큰 도움이 됐음이 입증됐다.

결론
이 글에서는 MEMS 센서에 대한 개요를 소개하고 ST MEMS 센서의 산업화에 필요한 핵심 요소를 설명했다. 오늘날 MEMS 센서는 가전은 물론 의료, 헬스케어, 생명공학 분야의 제품에도 적용된다. MEMS 센서는 다양한 시장의 제품이 진화하는 데 핵심적인 역할을 담당할 것이다.

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