IR 센서 공정이 일반 CMOS 팹에서 오염 소스로 간주되는 이유는?

IR 센서, 특히 비냉각식 마이크로볼로미터 기반 적외선 센서는 다양한 산업에서 활용되며 수요가 빠르게 늘고 있습니다. 하지만, 이 IR 센서 공정은 일반적인 **CMOS 반도체 생산 라인(Fab)**에서 함께 제조되기 어려운 구조적 문제를 가지고 있어, 많은 기술자들과 연구자들이 이 궁금증을 공유하고 있습니다.

오늘은 제가 IR 센서와 CMOS 공정을 공부하면서 느꼈던 의문점, 그리고 전문가들과의 대화를 통해 정리한 내용을 바탕으로 **왜 IR 센서 공정이 일반 팹에 오염을 유발하는가?**에 대해 정리해 보겠습니다.

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IR 센서 공정의 핵심 재료는 CMOS 공정과 충돌한다

IR 센서는 일반적으로 VOx(바나듐 옥사이드), MCT(수은 카드뮴 텔루라이드), 또는 a-Si(비정질 실리콘) 같은 재료를 사용합니다.

여기서 문제가 되는 것은 이 재료들이 CMOS 공정 환경에서는 금지되거나 엄격히 통제되는 금속 오염원이라는 점입니다.

예를 들어, VOx에 포함된 바나듐(Vanadium)은 트랜지스터 게이트 산화막에 침투할 경우 누설 전류가 증가하고, 소자의 수명이 짧아질 수 있습니다. 실제로 IR 센서 공정을 도입한 팹에서는 장비와 웨이퍼 오염으로 인해 수율 저하를 경험했다는 사례도 존재합니다.

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고온 열처리와 특수 공정, 장비 간섭이 큰 문제

IR 센서 제작에는 일반 CMOS 공정보다 높은 온도(최대 450°C)의 열처리 공정이 필요한 경우가 많습니다. 이는 이미 완성된 CMOS 트랜지스터의 구조를 열화시킬 수 있어, 공정 호환성이 떨어집니다.

또한, IR 센서 공정에서는 플라즈마 식각, 스퍼터링, 특수 화학물질을 사용하는 경우가 많습니다. 이 공정들은 동일한 설비를 사용하는 다른 반도체 제품에도 오염 영향을 줄 수 있어, Fab 전체 라인의 품질과 수율에 악영향을 줄 수 있습니다.

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실리콘 기반 CMOS와 MEMS/IR 구조는 본질적으로 다르다

IR 센서는 **미세 기계 구조(MEMS)**와 결합되어 있는 경우가 많습니다. 마이크로볼로미터는 열을 감지하는 박막이 공중에 떠 있는 플로팅 구조로 되어 있어, 이 구조를 CMOS 공정의 평면적인 트랜지스터 구조와 같은 라인에서 처리하기 어렵습니다.

또한, 일부 IR 센서는 TSV(Through Silicon Via) 기술로 CMOS 칩과 하이브리드 결합을 하기도 하는데, 이 역시 기존 공정 라인에서는 별도 장비와 라인이 요구됩니다.

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출처 : FLIR / IR 열화상 이미지

IR 센서는 왜 전용 Fab이 필요한가?

제가 Lynred, Teledyne FLIR 등 IR 센서 전문 제조업체의 공정을 살펴보면서 가장 크게 느낀 점은, 이들은 전용 Fab 또는 Back-End 전용 라인을 운영하고 있다는 점이었습니다.

이는 일반 CMOS Fab의 장비를 오염시키지 않기 위해서일 뿐 아니라, IR 센서 특유의 소재 특성, 증착 조건, 미세구조 형성 공정을 맞추기 위해서도 필요합니다.

또한, MCT 센서의 경우 수은(Hg)이라는 독성 물질이 포함되어 있기 때문에, 환경 관리 기준상 전용 설비에서만 취급이 가능합니다.

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정리하며 – IR 센서 공정은 CMOS Fab에 '공존'하기 어렵다

IR 센서와 CMOS 소자를 같은 공정에서 만들 수 있다면 비용과 시간 면에서 이상적이겠지만, 현실적으로는 많은 벽이 존재합니다.

CMOS 공정은 청정도, 재료 통제, 장비 유연성이 핵심인데, IR 센서 공정은 이와 정반대의 특성을 갖고 있어 Fab 오염 가능성이 높습니다.

따라서 IR 센서는 별도의 공정, 혹은 CMOS 공정 이후에 진행되는 후공정(back-end)에 집중되어 발전하고 있는 것이 현재의 기술 트렌드입니다.

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경험으로 느낀 IR 센서의 한계와 가능성

제가 IR 센서 기술을 공부하면서 가장 인상 깊었던 건, 이 센서가 가진 기술적 잠재력에 비해 실제 적용은 상당히 제한적이라는 점이었어요. 그 이유를 따라가다 보니, 결국 공정 호환성과 생산 시스템의 한계에 부딪히더라고요.

하지만 최근에는 CMOS 호환형 IR 센서를 연구하려는 시도들도 늘고 있어서, 머지않은 미래에는 이 기술적 장벽이 많이 낮아질 수 있을 것 같다는 기대도 해봅니다.