저 전압 RF MEMS 스위치 최적 설계 및 제작 공정 단순화에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 낮은 전압에서 구동할 수 있고 높은 생산성을 갖는 RF MEMS 스위치 개발하기 위해 최소 전압에서 동작하도록 스위치를 최적 설계하고, 공정을 단순화 하는 방법을 제안했다. 현재 우리 나라의 이동 통신 시장의 규모는 20조원을 상회한다. 여기서 경쟁력을 갖기 위해서는 더 작고 더 오래 쓸 수 있어야 한다. RF MEMS를 이용한 스위치는 이러한 조건을 만족 시킬 수 있는 핵심적인 장점들을 가지고 있다. 많은 RF MEMS 스위치들이 개발되었으나 RF MEMS 스위치의 높은 구동 전압(10~20V)이 전지를 사용해야 하는 이동 통신 장비에서는 심각한 단점이 되었다. RF MEMS 스위치의 구동 전압을 낮추기 위한 연구가 수행되어 왔고, 현재에는 최소 3V까지도 구동 가능한 스위치가 개발되었다. 그러나 무리하게 구동 전압을 낮춤으로 인해 생산성이 크게 낮아지는 문제점이 발생하였다. 이것은 전압을 낮추기 위한 장치들이 복잡한 생산 공정을 요구하기 때문이다. 복잡한 공정은 기존의 CMOS(Complementary metal?oxide?semiconductor)공정과의 통합에도 어려움이 있어 RF MEMS 스위치를 이용한 제품의 상용화는 많은 제약이 있었다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 최소한의 공정으로 제조 가능하도록 스위치의 구조를 선택했고, 이론모델과 유한요소법(finite element method; FEM) 과 함께 유전 알고리즘을 이용하여 스위치의 구동 전압을 최소화 하도록 최적 설계하였다. 그리고 설계된 스위치를 실제로 제작하여 유한요소의 해석 결과와 비교하여 6%정도 작은 오차가 있음을 확인하였다. 그리고 실제 제작된 스위치는 10V보다 낮은 7.5V에서 동작 가능하였다. 앞서 최적 설계된 스위치의 제작 공정을 최소화 하기 위한 접점 제작 방법을 구현하였다. 새로운 방법은 신호 전달을 위한 접점의 제작 방법을 개선하여 기존의 6단계의 공정을 4단계로 감소시켰다. 또한 사용되는 마스크의 수도 6개에서 4개로 줄였다. 이러한 방법을 실제로 구현하기 위해 공정 조건을 확립했고 그 중 식각공정은 새로운 공정을 제안하여 질화실리콘(silicon nitride; SiNx)과 이산화실리콘(silicon dioxide; SiO2)을 동시에 식각하는 공정 조건을 제시하였다. 또한 많은 제작 공정들의 공정 변수들을 최소비용으로 최적화 하기 위해 다꾸찌법과 실험계획법을 적용하여 기존보다 아주 적은 수의 실험을 통해 SiNx의 최적 공정 조건을 찾았다. PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용한 SiNx(PECVD-SiNx) 박막과 온도, 가스비, RF 파워 간의 모델을 실험 계획법을 이용하여 최소한의 실험을 통해 얻고, 이 모델을 사용하여 최적 공정 조건을 찾았다. 이 최적 공정 조건은 비교적 빠른 적층률과 좋은 균일도를 유지하면서도 불산 완충 용액(buffered oxide etch; BOE)을 이용한 SiO2의 식각 작업에서 매우 좋은 선택도를 보여 주었다. 이 방법은 다른 공정의 최적화에도 적용이 가능하다. 반응표면법(response surface method; RSM)을 사용하여 RF MEMS 스위치의 형상에 따른 구동 전압을 모델링 하고 구동 전압이 최소가 되는 최적 조건을 찾았다. 최소한의 실험을 통해 (mask set 3개, 3번의 제작과정) 반응표면 모델을 만들었고, 이 모델로부터 얻어진 최적해를 실제 제작된 스위치와 비교하였다. 실제 제작된 스위치의 구동전압은 7V, RSM에 의해 추정된 구동 전압은 7.03V로 RSM 모델의 오차는 0.5%로 매우 정확한 결과를 보여주었다. 구해진 최적해를 유한요소 모델을 이용하여 해석한 결과 비교해보면 RSM 모델이 구동전압에 대해 정확한 추정을 하는 것을 알 수 있었다. 유한요소 모델의 오차는 0.7%였다. 본 연구를 통해 유한요소 해석을 이용하는 것보다 조금 더 많은 실험(2~3번의 추가 제작과정)이 필요하지만 유한요소 해석과정의 복잡한 모델링 과정 및 해석 시간이 필요 없고 실제와 거의 유사한 실험 모델을 만들 수 있는 RSM방법을 제안하였다. 개발된 스위치는 단순형 스위치 중에서는 낮은 전압인 7V에서 구동이 가능하였다. 본 연구에서는 최소한의 공정을 통해 제작 가능한 저 전압 RF MEMS 스위치를 최적 설계하고 제작하였으며, 이를 제작하기 위한 공정을 개발하였다.; In this study the optimal design for RF MES switch that can be operated in a low voltage and the process with high productivity while manufacturing the switch was developed. Smaller and longer useable devices have long been demanded in the mobile communication market and their market is huge. The RF MEM switches have the merits to satisfy these conditions. However, high operating voltage (10~20V) of RF MEMS switch in the mobile communication devices, which have to use battery, was problematic. In order to resolve such problems the operational voltage of RF MEMS switch has been carried out and now, as a result, the operable switch with as least as 3V is developed. However, the problems, which deteriorate the productivity seriously, were detected and were attributed to complicated configuration used by lowering operational voltage in constraint. This complicated process has a lot of restriction to commercialize as products by utilizing RF MEMS switch due to the low fabrication efficiency and difficulties in integration with the existing CMOS process. In this study in order to resolve these problems, we selected a simplified switch structure to be able to manufacture with minimum process, and optimized the switch design through genetic algorithm by adapting finite element model and theoretical model, manufactured the switch actually as designed, compared with the analytical result in finite element model, and confirmed as small as 6% of error. The actually designed switch operated at 7.5V less than 10V. In order to minimize the manufacturing process of previously optimal designed switch, fabrication process of contact part was developed. The new fabrication process reduced the 6 steps of process to 4 steps by improving the fabrication method of contact part for signal transfer and also reduced the number of mask from 6 pieces to 4 pieces. To develop this method we established process condition, and etching process within the process condition was newly suggested to etch silicon nitride and silicon dioxide simultaneously. In addition, we applied the design of experiments method and Taguchi method to optimize the process variables of manufacturing with the least cost, and found the optimal process condition of silicone nitride. Also, we were able to obtain the optimal process condition through the least experiment by using design of experiment method for modeling relationship between PECVD-SiN thin film and 3 process parameters: RF power, the gas ratio and temperature. The optimal process condition showed excellent selectivity in etching process of silicone dioxide by using the buffered oxide etch(BOE), while it was maintaining relatively fast deposition rate and excellent uniformity. This method can be applicable to optimize other processes. The optimal condition that the operating voltage become the least was found after modeling operational voltage in accordance with the RF MEMS switch configuration by adapting the response surface method(RSM). The response surface model was made through the minimum experiment (3pcs of mask set and 3times of manufacturing process) and we compared the optima obtained the model with actually manufactured switch. The operational voltage of the manufactured switch was 7V, and the estimated operational voltage by RSM was 7.03V. The error of RSM model showed very precise result at 0.5%. We were able to find that RSM models made a little more precise estimation as a result interpreted by using the obtained optimum with finite elements models. The error of the finite model was 0.7%. In this study although extra experiments were needed (2~3 times of additional manufacturing process), the complicated modeling process of analyzing finite elements and analyzing time were not required, and RSM method that can make almost identical experiment model was suggested. The developed switch, among the lowest switches in simple structure, can be operated at 7V.