열탄성 감쇠 특성을 이용한 높은 Q-지수 비정질 수정 공진자에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 열탄성 감쇠로 인한 에너지 손실이 적은 비정질 수정 물질을 이용하여 높은 Q 지수의 MEMS 공진자를 구현하고자 하였다. 이를 위하여 비정질 수정의 열탄성 감쇠 특성을 Q지수에 반영하기 위한 설계 방법을 제안하고, 비정질 수정 공진자의 웨이퍼 수준 제작을 위하여 수정-수정 웨이퍼 직접 접합 공정 및 건식 식각 공정을 확립하였다. 제안된 설계 방법과 공정 방법을 통하여 비정질 수정 기반의 MEMS 공진자를 제작하였고, 동일 설계의 단결정 실리콘 공진자와의 비교를 통하여 향상된 Q 지수를 실증하였다. 먼저 높은 Q 지수의 설계 기준을 마련하기 위하여, 공진자의 내부 에너지 손실 요인인 열탄성 감쇠와 지지부 감쇠에 대하여 분석하였으며, 각각 비정질 수정과 단결정 실리콘으로 이루어진fixed-fixed bridge 구조 공진자의 길이, 폭 및 공진 주파수에 대하여 에너지 손실 요인을 종합적으로 고려한 Q 지수의 특성을 도출하였다. 이를 바탕으로 최적화된 Q 지수의 비정질 수정 DETF(double-ended tuning fork) 공진자를 설계하였으며, 공진자의 치수에 따른 Q 지수의 특성을 유한요소해석을 통하여 비교 검증하였다. 비정질 수정 공진자의 웨이퍼 단위 제작을 위해 O2 플라즈마 처리를 통한 300 ºC 이하의 QoQ(quartz on quartz) 저온 직접 접합 공정을 확립하였으며, 접합 웨이퍼의 잔류 응력, 접합력 및 접합의 재현성 실험을 통해 공정의 효용성 및 신뢰성을 확인하였다. 또한 접합 웨이퍼의 건식 식각을 위하여, Ni 마스크와 산소 및 탄화불소가스 조합을 이용한 식각 실험을 진행하여 깊이 40 μm, 측면 손실 3 μm 수준의 이방성 건식 식각 조건을 마련하였다. 제안된 QoQ 접합 및 이방성 건식 식각 공정을 통하여 구조물 및 지지기판이 모두 비정질 수정으로 이루어진 DETF 공진자를 성공적으로 제작하였으며, 자가발진 및 ring-down test를 통하여 공진자의 Q 지수를 측정하였다. 본 논문에서 제작된 비정질 수정 DETF 공진자와 동일 구조의 단결정 실리콘 DETF 공진자의 비교 실험 결과, 평균Q 지수는 84,000 (±17,000)과 63,000 (±7,000)으로 각각 측정되어 비정질 수정 공진자의 우수한 공진 특성을 실험적으로 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 Q지수의 설계 방법과 비정질 수정물질의 MEMS 공정 적용 방안을 통하여 높은 Q-지수를 갖는 공진자의 제작과 비정질 수정 기반의 고성능 소자의 개발 가능성을 확인할 수 있었으며, 본 연구 결과의 확장을 통하여 기존의 실리콘 위주로 개발되던 MEMS 소자의 미진했던 연구 분야에 대하여 기여할 수 있을 것으로 기대된다.