고전력 응용을 위한 단결정 RF MEMS 스위치에 대한 연구

Abstract

국방 방위 체계의 가장 중요한 요소 중 하나인 레이더 시스템은 RF 시스템의 발전 방향과 맞추어 초소형화 고집적화 되고 있는 추세로서 기존의 벽돌 형태의 송수신기(Transceiver Receiver Module, TRM) 집적에서 고집적이 가능한 타일 형태의 송수신기 집적으로 발전을 모색하고 있다. 이를 위해 송수신기에서 가장 큰 체적을 차지하는 써큘레이터의 대체 소자 개발이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 RF MEMS 스위치를 대체 소자로 제안하였다. 하지만 송수신기에 RF MEMS 스위치가 응용되기 위해서는 우수한 RF 특성과 더불어 10 W 이상의 고전력 수용이 가능하면서 10억 번 이상의 반복 수명이 보장되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 고전력 수용이 가능한 RF MEMS 스위치를 설계하고 구현하는 것을 목표로 하였다. 제안된 RF MEMS 스위치는 고전력 수용을 위하여 1 mN 이상의 복원력을 확보하였고 송수신기 적용을 위하여 50 V 이하의 구동 전압을 가지면서 최적화된 구조체의 설계를 제안하였다. 이를 통해 25 dB 이상의 높은 격리도와 복원력을 갖도록 하였고 설계된 치수는 comsol 시뮬레이션을 이용하여 다시 한번 검증하여 구조체의 설계가 적합함을 보였다. 10 W 이상의 전력을 견딜 수 있게 하기 위하여 열 해석을 수행하여 스위치에서 발생하는 최대 온도 증가를 분석하였고 발생하는 열은 최소화 하면서 열에 강한 구조의 접촉 부분을 설계 하였다. 실리콘 구조체 안에 공동을 형성하고 그 안에 접촉 금속을 형성 함으로써 금속의 두께를 수 m로 증가 시키더라도 접촉 후 전극간의 간격을 최소화 할 수가 있게 되었고 이로 인해 10 mN에 가까운 접촉력을 기대 할 수 있었다. 이는 결국 열에 강하고 softening point가 높은 루테늄을 접촉 금속으로 사용하더라도 `1 Ω 이하의 낮은 저항을 보장하게 되므로 인가하는 전력에 의한 온도 증가를 감소 시킬 뿐만 아니라 우수한 삽입 손실 특성을 보장한다. 제안된 스위치의 구현을 위해서 기본적인 사진 공정과 식각 공정 등을 포함하는 공정 과정을 확립하였다. 제안된 스위치는 실리콘 기판에 구조체를 형성하고 유리 기판에 전송선로를 제작한 후 양극 접합을 통해 실리콘 기판의 구조체를 유리 기판 위에 붙이는 방법을 사용하였다. 이 때 실리콘 기판에서의 접촉 금속 형성은 스위치의 접촉 후 간격을 결정 짓게 되므로 접촉력 등의 성능에 매우 큰 영향을 미치게 되는데 기존의 도금 방법을 사용할 경우 균일한 두께의 접촉 금속 형성이 어려운 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 실리콘 기판에 공동을 형성한 후 SiO2 로 틀을 형성하여 도금을 하고 CMP 공정을 통해 평탄화 함으로써 웨이퍼 전체에서 균일한 높이의 접촉 금속 형성이 가능하도록 하였다. 양극 접합 후 릴리즈 과정에서 발생하는 식각 후 잔류물은 스위치의 접촉을 방해하거나 단락의 원인이 되어 스위치의 구동 실패로 이어지므로 이를 반드시 제거 하여야 한다. 이를 위해 잔류물의 생성 메커니즘을 이해하고 물질의 구성을 밝혀 제거가 용이하도록 하였다. 본 연구에서는 이런 잔류 물질 들을 제거하기 위하여 루테늄 표면 또는 금 표면과 잔류물 사이의 접착을 끊는 방법을 이용하였다. 루테늄과 금은 귀금속에 속하여 유기물이나 다른 금속과의 접착력이 좋지 않으므로 효과적으로 잔류물 제거가 가능하게 된다. 본 연구에서는 친핵체를 가진 EKC 265 용액을 사용하여 금속표면 위에 있는 유기물질 및 폴리머들을 분리시키는 역할을 해주어 루테늄 표면의 잔류물을 제거 하도록 하였다. 제작된 스위치는 현미경 이미지와 SEM을 통하여 분석하여 제작이 잘 이루어 졌는지를 확인 하였고 설계 치수와의 비교를 통해 공정 과정의 확립이 적절히 이루어 졌음을 보였다. 제작된 스위치는 정전 구동 특성과 RF 성능 그리고 신뢰성을 평가하고 분석하여 군용 레이더의 송수신기에 응용이 가능함을 보였다. 풀인 전압(풀인 voltage)과 구동 전압(Actuation voltage)을 측정한 결과 평균적으로 41.6 V에서 스위치가 닫히기 시작하여 저항이 나타나기 시작하였고 약 50 V 이상에서부터 더 이상 저항이 낮아지지 않았다. 이 때의 스위치 접촉 저항을 확인한 결과 0.4 Ω의 낮은 접촉 저항을 확인하였다. 제작된 스위치는 18 GHz에서 0.4 dB 이하의 삽입 손실을 보였고 25 dB 이상의 반사도와 격리도 특성을 보여 RF 성능이 우수함을 확인하였다, RF 측정 결과는 시뮬레이션 결과의 비교하여 유사 함을 확인하여 제작이 잘 이루 졌다고 판단 할 수 있다. 제작된 스위치의 신뢰도는 10 W의 고전력 수용을 몇 번이나 가능한지를 통해 평가하였다. 콜드 스위칭(cold-switching) 방법을 통해 반복 수명을 시험 한 결과 12억 번 이상의 반복 구동을 확인하였다. 시험 후 스위치 구조체의 변형이나 왜곡이 나타나지 않았고 접촉 저항과 삽입 손실의 변화를 확인 한 결과 접촉 저항이 감소하고 삽입 손실이 감소 하였는데 이는 제작된 스위치가 10 W의 고전력을 충분히 수용할 수 있음을 보여 준다. 모든 측정 결과들은 군용 레이더의 송수신기에 응용 되기에 충분한 결과이므로 추후 송수신기에 제안한 RF MEMS 스위치가 적용 가능 할 것으로 기대된다.