Glass reflow를 이용한 저손실 RF MEMS 실리콘 스위치의 설계 및 제작

Abstract

본 연구에서는 처음으로 유리를 스위치 구조재의 일부로 사용한 저손실 RF MEMS 실리콘 스위치를 제안하였다. 기존의 실리콘만을 구조재로 사용하여 제작되었던 RF MEMS 실리콘 스위치에서 접촉 금속 부근 구조재를 유리로 대체한 새로운 형태의 RF MEMS 실리콘 스위치를 본 연구를 통해 설계 및 제작하였으며, 접촉 금속 부근의 구조재로 실리콘보다 RF 특성에 적합한 유리를 사용함으로써 향상되는 신호 손실 특성을 이론적인 분석과 시뮬레이션을 통해 예측하고, 이를 측정 결과와 비교하였다. 제안된 유리가 구조재로 삽입된 실리콘 스위치는 5 ~ 30 GHz 의 주파수 대역의 신호에 대해 0.12 ~ 0.33 dB 수준의 삽입 손실을 보여 기존의 실리콘 스위치보다 최대 0.26 dB (0.38 ~ 0.54 dB), 그리고 고저항 실리콘을 구조재로 사용한 스위치보다 최대 0.19 dB (0.31 ~ 0.46 dB) 정도 삽입 손실이 향상된 결과를 보였다. 본 연구에서 제안하는 새로운 형태의 RF MEMS 실리콘 스위치의 제작은 유리 재용융 (Glass reflow) 공정을 기반으로 한 SiOG (Silicon On Glass) 공정으로 제안되었으며, 제안된 공정을 통해 유리 구조재가 삽입된 스위치를 성공적으로 제작하고, 스위치의 정상적인 정전 구동을 확인함으로써 제안된 공정의 유효성을 검증하였다. 한편, 낮은 삽입 손실을 가지는 RF MEMS 스위치는 실제 RF 응용에 사용될 경우 시스템에서 신호 손실 및 왜곡을 보상하기 위한 추가 회로를 줄일 수 있도록 하여 시스템의 복잡도와 비용을 줄이는 동시에 시스템의 크기도 줄일 수 있는 장점과 직결된다. 또한, 보다 낮은 손실을 가지는 RF MEMS 스위치의 개발은 기지국 안테나나 방위 체계 산업, 인공위성 교환망 등과 같이 엄격한 성능 요구 조건을 가지는 고주파 응용 분야들로의 RF MEMS 스위치 적용을 촉진시킬 것으로 기대된다. 따라서, 저손실 RF MEMS 스위치의 개발은 다양한 RF 응용에서 RF MEMS 스위치의 활용도를 높이는 데 이바지할 수 있다.

In this paper, we firstly propose a novel low-loss RF MEMS silicon switch which utilizes reflowed glass as a switch structure near the contact metal. A new concept of electrostatically-driven RF MEMS silicon switch was presented and realized through the proposed fabrication process. By introducing reflowed glass into the silicon switch structure, the substrate loss induced by switch structure has greatly reduced. To verify the enhancement in loss characteristic, we fabricated 3 different types of RF MEMS silicon switches (silicon-, high resistance silicon-structured switch, and the proposed switch) and measured their insertion losses. In the frequency range of 5 to 30 GHz, the proposed RF MEMS switch with reflowed glass inside the switch structure showed insertion loss of 0.12 ~ 0.33 dB, while silicon- and high resistance silicon-structure switch showed 0.38 ~ 0.54 dB, 0.31 ~ 0.46 dB, respectively. Before fabrication, theoretical analysis and simulations were carried out to predict the enhancement in insertion loss brought by the introduction of the reflowed glass. The expected improvement in the insertion loss characteristic of proposed RF MEMS switch was greater than 0.1 dB, compared to the conventional RF MEMS silicon switch. Proposed fabrication method of the novel RF MEMS switch was based on SiOG process, assisted with the glass reflow process. The proposed fabrication process was validated with successful fabrication of the proposed switch. We believe that the proposed fabrication process could be used for a wide range of RF MEMS area where low-loss characteristic is needed. Low insertion loss characteristic of RF MEMS switch can contribute to reduce not only the complexity and cost, but also the size of the system by eliminating additional circuitry for loss compensation in the system. Therefore, it can be said that development of low loss RF MEMS switch can widen RF application fields where RF MEMS switch can be used. Furthermore, with this enhanced loss characteristic, RF MEMS silicon switch is expected to be used in the RF applications of strict performance requirement, such as base-station antenna, defense system, satellite switching network, etc.