MEMS - 4. TSMC - 제조표준화 가속

출처 : http://blog.daum.net/oomoolan/13381247

대만 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.,Ltd(TSMC)가 MEMS 파운더리 서비스를 본격적으로 개시하겠다. 밝혔다. 지금까지 일부의 고객만을 위해 이 서비스를 제공해 왔지만 앞으로 기존의 Si파운더리 서비스처럼 일반에게도 제공한다. 이하의 내용은 TSMC의 MEMS분야 책임자인 Robert Chin-fu Tsai의 기조강연을 정리한 글이다..

 

TSMC는 개발을 포함하면 MEMS분야에 6년간 관여해 온 실적이 있다. 최근에 와서 MEMS를 둘러싼 환경이 변하고 이에 따라 MEMS파운더리 사업을 추진하기 좋게 되었다고 할 수 있다. MEMS를 둘러싼 변화로서 시장, 응용에서 기술까지 폭넓은 요소를 들고 있다. MEMS의 응용분야는 과거에는 군사용도나 차재용 등 니치마켓이었지만 현재는 휴대전화기 등 생활가전 시장으로 넓혀지고 있다. 군사용도와 차재용에서는 기기 메이커가 MEMS를 내제하고 있었다. 거기에 탑재하는 MEMS의 사양에 대한 요구수준은 높고 다품종 소량생산이 기본이다. 다른 기업으로부터는 진입장벽이 높았다고 할 수 있다. 이러한 점에서 MEMS 디바이스는 최초의 100만개를 양산하기까지 실용에서 20년도 걸렸다. MEMS는 일부의 기술자 이외에는 인식되지 않고 있다는 상황이 오랫동안 계속되었다.

 

현재는 민생기기에 채용되어 대량생산되게 되었다. MEMS에 의한 Si마이크는 150mm웨이퍼 1장당 1만개라는 규모로 대량생산이 가능할 정도이다. 또한 닌텐도의 게임기 'Wii'의 컨트롤러에 MEMS 가속도 센서가 탑재되게 되어 MEMS의 응용 가능성이 널리 알려지고 있다. 민생긱기에의 탑재에 의하여 코스트의 중요성에 대한 의식이 MEMS 기술자 사이에 높아졌다.

 

이러한 변화를 수용하여 MEMS 시장은 크게 성장을 계속하고 있다. 조사회사의 예측에 따르면 앞으로 높은 성장이 예상된다. 휴대전화기 등에 탑재되는 RF(무선회로)MEMS디바이스의 시장이 상당히 크게 신장할 전망이다. 현재 시장을 견인하고 있는 잉크젯 헤드와 가속도 센서도 앞으로 시장성장을 아직 기대할 수 있다.

 

기술면에서는 설계 툴이 커스텀 제품에서 표준품을 향하고 있다. 종래, MEMS의 설계는 전문가의 일이었다. 설계 툴이 표준화됨으로써 설계가 쉽게 되어 보다 많은 기술자가 MEMS를 설계 할 수 있게 될 것이다. 표준화는 어렵고 시간이 걸릴 가능성이 높지만 착실하게 그 방향으로 진행되고 있다. 표준화의 진전에 의하여 MEMS 구조가 IP 코어로서 설계 시에 재이용 가능하게도 될 것이다.

제조에 있어서는 IDM에 의한 내제가 지금까지는 주체였지만 최근에는 팹리스 기업이 대두해 오고 있다. 웨이퍼 사양은 종래의 100~150mm에서 150mm~200mm로 대구경화하고 있다. 또한 CMOS LSI와 MEMS의 융합도 진전되기 시작했다. 종래에는 별도의 칩으로써 제조한 LSI와 MEMS를 와이어 본딩으로 접속해서 1패키지에 담아내고 있다.

 

CMOS와 MEMS의 융합에 착목

CMOS LSI를 제조하고 있는 Si파운더리에 있어서 CMOS와 MEMS의 융합이라는 트랜드는 중요한 것이다. CMOS와 MEMS의 융합은 양자를 전기적으로 접속하기 위하여 필요하게 된다. 일반적으로 MEMS센서로 검지한 신호는 CMOS신호처리 회로에 수용하여 거기에서의 처리결과를 MEMS 엑츄에이터로 송신한다.

MEMS와 CMOS의 사이에 작용하는 신호의 품질이 중요하기 때문에 원칩으로 한다든지, 칩접합을 하고 있다. 와이어 본딩에 의한 접속에 비하여 기생용량을 저감할 수 있다. 또한 원칩화 혹은 칩접합에 의하여 실장면적을 작게 할 수 있다는 이점도 나오고 있다. 그러나 코스트면에서 칩을 나누는 것이 좋다고 하는 경우도 있다.

원칩화 또는 칩접합의 실현 방법은 다양하다. CMOS 위에 MEMS를 형성하는 방법은 미국 텍사스인스트루먼트의 프로젝터 DLP용 디바이스 DMD에 채용되고 있다. 반대로 MEMS 위에 CMOS를 접합하는 방법도 있다. 또한 MEMS의 주위에 CMOS 회로를 형성하는 원칩화 방법은 미국 아날로그디바이스에서 가속도 센서 등에 채용하고 있다.

MEMS와 CMOS의 원칩화에 있어서는 MEMS를 먼저 형성하고 그 후에 CMOS를 형성하는 방법과 그 반대의 방법이 있다. TSMC는 전자를 채용하고 있다. 후자를 채용하는 기업으로는 Si발진기를 개발하고 있는 벤처기업인 미국 Si Time Corp가 있다.

 

MEMS 전개를 둘러싼 문제의 해결

CMOS LSI와 MEMS의 융합이 진행된다고 하지만 TSMC같은 Si파운더리가 MEMS의 제조에 손대는 것에는 문제가 있다. 이것은 TSMC만으로는 해결할 수 없다. MEMS 파운더리에 있어서 제조는 일부에 지나지 않고, 다양한 다른 프로세스가 필요하게 된다. 예를들어 설계나 모델링, 패키징, 테스트 등이다. 이렇게 여러가지 공정을 제공하는 기업과의 파트너쉽의 확립이 TSMC에는 필요한 것이다.

MEMS의 제조는 CMOS LSI와 비교하여 다른 점이 많다. MEMS는 CMOS 프로세스에서는 사용하지 않는 특수한 재료를 사용하는 것이 있다. 특성평가의 방법에도 차이점이 있다. 설계 플랫홈으로서 CMOS LSI와는 전혀 다른 것을 제공하지 않으면 안된다.

이러한 인식은 TSMC가 MEMS 분야에 6년간이나 투자해 온 경험에서 얻은 것이다. TSMC는 지금까지 가속도 센서, 각속도센서, Si마이크, 광학디바이스, 압력센서, 잉크젯헤드, RF스위치, 소형디스플레이 등을 생산해 왔다. 또한 이러한 디바이스의 제조에서는 동일 디바이스에 대하여 복수의 고객을 갖고 있는 경우도 있다. 고객 별로 팀을 나누는 등으로 사내에 방화벽을 설치 고객간의 정보 누출이 없도록 배려하고 있다.

 

MEMS 전용 프로세스를 더욱 확충

TSMC가 갖고 있는 MEMS 가공 프로세스는 리소그라피, 에칭, 성막, 해석 등 CMOS LSI를 베이스로 한 것에서부터 표면마이크로 머신닝과 벌크 마이크로머시닝이라는 MEMS 독특의 프로세스까지 다양다기하다. CMOS LSI를 베이스로 한 프로세스에서도 MEMS고유의 프로세스가 포함된다. 표면위치맞춤나 DRIE(deep reactive ion etching)등이 그것이다. 이러한 것에 있어서 TSMC는 양산에 견딜 수 있는 높은 능력을 갖추고 있다.

향후, TSMC는 MEMS가공 프로세스의 능력을 더욱 확대해 갈 계획을 갖고 있다. 2008년 중에 공정(共晶)접합, 스티킹 방지 코팅, 산화막의 희생층 에칭 등의 프로세스를 도입한다. 이방성 ?에칭의 도입시기는 2009년이 된다. 도입에 시간이 걸리는 것은 CMOS프로세스의 컨터미네이션이 있기 때문이다. 프로세스 그 자체는 복잡하지 않지만 컨터미네이션을 억제하기 위하여 시간을 필요로 한다.

MEMS 프로세스를 융합한 CMOS LSI의 설계 노드는 180nm까지 대응하고 있다. 향후 130nm프로세스에서도 이용할 수 있도록 계획이다. 또한 MEMS에서는 고전압을 사용하는 데, 이것도 표준 프로세스로서 제공하고 있다. 고내압용으로는 700V의 내압 프로세스를 제공하고 있지만 MEMS의 표준 프로세스에서는 40V까지의 프로세스를 제공한다.

 

Si파운더리라는 점을 차별화로 활용

TSMC는 이처럼 MEMS기술에 기초하여 기존 MEMS파운더리에 대한 차별화를 위한 사업전략을 제시하고 있다. TSMC에 있어서 경쟁상대는 이미 다수 존재한다. (ST, Texas Ins-, 산요, Silex, IMT, Micralyne, 소니, Dalsa, SMI, MEMSTECH 등). TSMC는 이번에 제시한 사업전략으로 이러한 기업들에 대하여 높은 경쟁력을 유지하려고 하고 있다.

이 사업전략은 CMOS LSI에서 높은 생산능력과 품질을 갖고 있는 Si파운더리라는 점을 근간으로 하고 있다. MEMS만을 제조하고 있는 순수 MEMS파운더리는 TSMC에 비하여 낮은 생산능력을 갖고 있다. TSMC의 전략에서는 CMOS프로세스에 MEMS프로세스를 부가하는 모양새로 사업을 전개하고 있다. 뿐만아니라 MEMS의 설계환경까지 포함하여 준비하고 있다. 그래서 MEMS의 IP코어를 제공하고 CMOS LSI의 IP코어와 마찬가지로 이용할 수 있도록 하고 있다.  이때문에 MEMS의 설계환경과 제조 프로세스의 표준화가 추진되는 것이 전제가 된다. 이 표준화는 간단하게는 진전시킬 수 없다고 TSMC는 생각하고 있고 관계 기업과의 이해를 조정해 가면서 시간을 투자하여 대응해 간다는 생각이다. 현시점에서 TSMC의 MEMS 표준화에 대한 대처상황은 실현가능성을 평가중인 단계라고 한다.

 

제3의 공장으로 확충 계획

MEMS제조에 관해서는 TSMC는 두개의 공장을 이미 사용하고 있다. 동사가 본사를 두고 있는 대만의 新竹에 있는 Fab2와 Fab3이다. Fab2는 150mm웨이퍼, Fab3는 200mm웨이퍼에 의한 라인이다. 2008년의 생산능력은 각각 150mm웨이퍼에서 105만6000장, 200mm웨이퍼에서 110만9000장을 예상하고 있다. 이를 위하여 이미 월산 수십만 웨이퍼의 생산을 하고 있다고 한다.

앞으로는 더욱 생산능력을 확대하기 위하여 Fab5를 MEMS 파운더리로 이용할 계획이다. Fab5는 200mm웨이퍼 라인이며 2008년의 생산능력은 200mm웨이퍼로 66만2000장이 될 전망이다.  (끝)

 

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MEMS 이노베이션 특집 번역을 마칩니다. 번역하면서 저도 공부 많이 되네요.. 반도체 공정에 대해서도 상기되고.. 특히 해외 반도체 메이커들이 향후 사업영역과 수익의 확대를 위하여 기존 인프라를 이용한다는 전략적 관점이 아주 와 닿습니다. MEMS와 LSI의 융합을 통한 새로운 부가가치의 창출.. 막연하지만..한국 메이커들의 분발을 기대해 봅니다.

 

도쿄에서 레이스김.