1. 서 론

최근 IOT(Internet of Things) 응용, 5G 통신, 고속 데이터 등 첨단 기술의 요구로 인해 저비용, 저전력, 주파수 재구성 및 다중 대역 운용의 통합 RF 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며, MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술을 활용하여 기존의 RF 반도체 부품을 대체하려는 다양한 연구가 진행되고 있다^[1-5]. 가변 커패시터 (variable capacitor)는 그 중에서 대표적인 부품으로 주파수 조정, RF 조정 가능 필터링 및 조정 가능 정합 임피던스 등에 필수적인 기능을 수행하는 역할을 한다. 그리고 RF 응용분야에서의 가변 캐패시터는 낮은 구동전압, 넓은 가변 범위, 높은 품질계수, 그리고 높은 신뢰성을 요구하게 된다^[3]. 가변 캐패시터로는 바리콘과 같은 기계적 튜닝(tuning)이 가능한 커패시터나 PN 접합의 공핍층을 사용하는 반도체 버랙터 다이오드(varactor diode)와 같은 전자적 튜닝이 가능한 커패시터가 일반적으로 사용되고 있으며, 최근에는 MEMS 기술을 사용한 가변 캐패시터의 장점인 넓은 가변 범위, 높은 선형성, 높은 품질계수 등의 장점으로 인하여 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다^[6]. MEMS 가변 캐패시터는 구조물의 움직임에 의하여 정전용량의 값이 제어되는 구조로써, 두 전극 사이의 갭, 오버랩 영역 또는 유전체에 따라 정전용량의 값이 조정된다. MEMS 가변 캐패시터의 구동 메카니즘은 크게 정전식, 전열식, 압전식, 자기식으로 구분되며, 구동특성은 각각의 구동방식에 따라 다르지만 대부분의 설계에 적용되는 유형은 몇 가지로 일반화가 가능하다. 정전식 구동은 가장 일반적 메카니즘으로 움직일 수 있는 상부 전극과 고정된 하부 전극의 사이에 유전체를 한 쌍의 마이크로 전극을 만들고, 두 전극에 높은 전압을 인가하여 정전기력에 의한 전극 간격의 줄어듬으로 커패시터용량을 조절하는 방식으로써 단순 구조로 CMOS 호환이 가능하여 한 칩에 동일 공정으로 제작이 가능하다는 장점이 있는 반면 10V 이상의 높은 구동 전압을 사용하고 변위가 작다는 단점이 있다^[1,7]. 전열식 구동은 전기저항으로 인한 옴 열에 열적 확장으로 변위가 발생하는 구조로서 정전식 구동과 구조는 유사하나 가열을 위하여 mW 이상의 전력을 필요로 하며, 열 시간 상수로 인한 응답시간이 늦다는 단점이 있다^[2]. 그리고 자기식 구동의 경우는 코일을 통해 움직이는 자석 또는 영구 자석의 자속을 통해 움직이는 증명 질량의 코일로 구성되므로 크기가 타 방식에 비하여 크고 저주파수에서 충분한 구동력을 얻기가 힘들다는 단점이 있다^[7]. 반면 압전식은 구동을 위하여 압전층을 별도로 필요로 하나 저전압 구동 및 넓은 변위가 가능하다는 장점이 있다^[5]. 또한 압전체의 구동 성능을 향상시키기 위한 많은 연구가 수행되고 있으며, 그 대표적인 사례가 교차전극(Interdigitated electrode, IDE)을 이용하는 방법이다^[10,11]. 교차전극을 이용하면 평면 분극을 통하여 d33 모드로 동작하게 되고, PZT의 경우 일반적으로 d33 모드에서의 응력상수는 d31 모드보다 2배 이상 크므로 가변 범위를 크게할 수 있다는 장점이 있다^[12].

본 연구에서는 저전압 구동이 가능하고 캐패시터의 구동 신뢰성을 향상하기 위하여 RF 스퍼터링 방법을 사용하여 대표적 압전물질로서 전기기계결합계수가 큰 PZT 박막을 증착하고 상부에 교차전극을 제작하여 평면 분극을 통하여 d33 모드로 동작하는 구동부를 설계하였으며, 1V 이하의 저전압에서의 구동 성능을 확인코자 하였다.

2. 설계 및 제작

페로브스카이트 구조의 PZT는 뛰어난 강유전특성과 높은 전기 기계적 결합계수, 열적 안정성 등으로 인하여 MEMS 부품의 구동소자로 널리 사용되는 물질이다. 본 연구에서 압전층으로 사용할 PZT 타겟은 기존 연구결과를 바탕으로 여러 가지 조성중에 유전율과 압전상수 값이 크게 나타난다고 보고되는 상경계 영역(morphotropic phase boundary, MPB) 조성인 Zr : Ti 비가 52 : 48 인 타겟을 선택하였고 증착 및 열처리 과정에서의 Pb 휘발을 보상하기 위하여 Pb 가 10mole% 과잉 첨가된 Pb1.1(Zr0.52 Ti0.48)O3 타겟을 사용하였다. PZT 박막의 특성 확인을 위하여 백금 전극 위에 PZT 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착하였으며, 열처리 후 알루미늄 상부 전극을 제작하여 샌드위치 구조에서의 압전특성을 확인하였다. PZT 박막의 최적 증착조건과 후열처리 조건은 아래 표 1, 2에 나타내었다^[8,9].

MEMS 기반의 가변 캐패시터로 가장 많이 연구되는 정전방식의 경우 10V 이상의 고전압 구동과 변위의 비선형성 문제를 가지고 있으며 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 정전방식의 단점을 해결하기 위하여 압전식 가변 캐패시터를 제작하고자 하였다.

저전압 압전구동 가변 캐패시터의 제작 공정은 크게 구조물을 제작하는 공정과 결정화를 위한 후열처리 및 분극처리 과정으로 나누어진다. 구조물 제작공정은 5단계로 구성되며 각 단계는 다음과 같다. (1단계) 실리콘 기판위에 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 금으로 고정 하부전극을 제작한다. (2단계) 상용 포토레지스터(AZ1512)를 사용하여 1.5μm 두께로 희생층을 도포하고 현상한 후 추가적인 노광공정으로 희생층 내부에 포스트를 제작한다. (3단계) 상부전극 및 구조물 층으로 사용될 금 전극을 500nm 두께로 제작한 후 표 1의 증착조건을 이용하여 PZT 구동층을 1μm 두께로 증착한다. (4단계) 평면 분극이 될 수 있도록 금으로 교차전극을 제작한다. 전극의 폭 및 간격은 100μm로 설계하였다. (5단계) 포토레지스트 희생층을 현상액으로 제거한 후 포스트를 산소 플라즈마 식각장치(oxygen plasma asher)를 이용하여 제거한다. 다음으로 결정화를 위한 후열처리 공정은 급속열처리장치(RTA)를 사용하여 700℃에서 3분간 실시하고 분극처리 공정은 대기중에서 800V/mm의 전계내에서 30분간 진행한다. 그림 1은 가변 캐패시터의 개략도(측면도)와 제작한 결과 사진을 나타내었다.

그림 1. (a) 가변 캐패시터 개략도 및 (b) 제작한 캐패시터의 현미경 사진

Fig. 1. (a) Schematic illustration of variable capacitor and (b) microscope image of fabricated capacitor

3. 결과 및 고찰

PZT 박막의 증착조건 및 열처리 및 분극처리 공정의 결과 확인을 위하여 제작한 샌드위치 구조의 시편은 각 공정에 따라 박막의 성능을 확인하였다. 그림 2에 결과를 나타내었다. 백금 전극 위에 제작된 PZT 박막의 증착결과, 결정화 여부와 결정상의 규명을 위하여 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)를 사용하여 2θ 20∼60°의 범위에서 측정하였으며 그림 2의 SEM 이미지에 나타난 바와 같이 증착한 PZT 박막의 계면상태는 산소공공과 같은 결함없이 백금 하부전극에 양호하게 증착된 것으로 나타났으며 그림 3의 XRD 그래프에서는 파이로크로르상의 존재없이 38.3o에서 (111)면으로 우선 배양됨을 확인하였다. PZT 박막의 경우 타겟 조성, 증착 및 열처리 조건 등이 페로브스카이트 구조를 가지는 박막의 성장조건 변수로 작용하며, 타겟 조성의 경우 열처리 공정에서 높은 휘발성을 가지는 Pb의 결핍으로 인하여 파이로클로로 상이 존재하게 되는데 기존 연구 결과를 바탕으로 10mole% 과잉 첨가된 PZT 타겟을 사용하여 증착하고, 700℃에서 열처리함으로서 (111)면으로 배양된 페로브스카이트 상을 얻을 수 있었다^[8].

그림 2. PZT/Pt 박막의 SEM 단면 사진

Fig. 2. SEM cross sectional image of PZT/Pt

그림 3. PZT 박막의 XRD 패턴

Fig. 3. XRD pattern of PZT thin film

그리고 그림 4는 800V/mm의 전계내에서 30분간 분극처리 공정 후 강유전 현상을 확인하기 위한 분극-전기장(polarization- electric filed, P-E) 이력곡선을 나타내었다. 이는 전기장의 방향과 세기에 따른 분극상태의 변화를 나타내는 곡선으로 제작한 PZT 박막은 양호한 강유전체의 성질을 지니고 있음을 알 수 있었다.

그림 4. PZT 박막의 P-E 이력곡선

Fig. 4. P-E curve of PZT thin film

본 연구에서는 가변 캐패시터의 저전압 구동을 위하여 교차전극을 사용하여 평면 분극을 생성하여 d33 모드로 동작토록 설계되었다. PZT의 경우 일반적으로 d33 모드에서의 응력상수는 d31 모드보다 2배 이상 크므로 적은 에너지로 많은 변위를 발생할 수 있다^[12]. 그리고 가변 캐패시터의 구조적 신뢰성을 향상시키기 위하여 외팔보 형태가 아닌 브릿지 형태의 구조물로 설계함으로서 구동부의 안정성을 확보코자 하였다. 따라서 제작한 가변 캐패시터는 저전압에서 구동 가능할 것으로 판단되며 그림 5에 저전압 바이어스 인가에 따른 정전용량 측정결과를 나타내었다. 바이어스 전압 인가의 순서는 0 → 1V까지 0.1V 단위로 증가시키면서 정전용량을 측정하였으며, 1V 이하에서 100.9 → 112.2nF 정전용량이 변화하였으며 약 10.2%의 변화율을 보임을 확인할 수 있었으며 이는 압전 구동부의 변위로 인한 상하부 전극 간격이 작아졌기 때문으로 판단된다.

가변 캐패시터의 성능은 가변 비율(범위), 품질계수, 구동 전압 등의 요소로 성능을 평가할 수 있다. F. Khan 등에 의해 최근 보고된 리뷰논문에 따르면 정전용량 방식의 경우 10V 미만의 구동전압을 가지는 연구 결과는 A. Dec 등에 의한 구동전압 4.4V에서 가변 비율 1.5, Y. Yoon 등에 의한 5.5V에서 가변 비율 1.41, S. Seok 등에 의한 8V에서 가변 비율 1.08이 보고된 바 있다^[1]. 따라서 1V당 기준으로 환산하는 경우 1.01~1.11의 결과를 나타내므로 본 연구 결과 가변 비율 1.1은 정전요량 방식에 비해서는 우수한 결과를 보임을 알 수 있다. 그리고 정전용량 방식의 경우 풀인 전압(pull-in voltage) 이하의 저전압에서는 구동이 되지 않으므로 제한적 요소를 가지는 단점이 있다^[2]. 하지만 압전 방식은 풀인 현상이 존재하지 않으므로 저전압에서도 선형적으로 구동이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 또한 압전 방식의 단점인 CMOS 공정과의 호환성에 대한 문제는 호환가능한 물질인 ZnO, AlN 등의 압전 물질을 활용함으로서 가능할 것으로 판단된다.

그림 5. 인가 전압에 따른 정전용량 변화

Fig. 5. Capacitance variation of fabricated capacitor under different bias voltage

4. 결 론

MEMS 기반의 가변 캐패시터로 가장 많이 연구되는 정전방식의 경우 10V 이상의 고전압 구동과 변위의 비선형성 문제를 가지고 있으며 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 정전방식의 단점을 해결하기 위하여 압전식 가변 캐패시터를 제작하고 평가하였다. 압전 구동의 경우 히스테리스 현상이 존재하나 정전방식에 비하여 변위가 선형적으로 변하며, 저전압 구동이 가능하다는 장점이 있다. 저전압 구동 성능을 향상하기 위하여 전기기계결합계수가 큰 PZT 박막을 RF 스퍼터링 방법을 사용하여 제작하고, 상부에 교차전극을 제작하여 평면 분극을 통하여 d33 모드로 동작하는 구동부를 설계하였다. 또한 캐패시터의 구동 신뢰성 향상을 위하여 브릿지 형태의 이중 구동부를 제작하였으며, 1V 이하의 저전압에서의 구동 성능을 확인하였다.

제작한 압전식 MEMS 가변 캐패시터는 0 → 1V로 인가 전압이 변화함에 따라 100.9 → 112.2nF 정전용량이 변화하였으며 약 10.2%의 변화율을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 변화곡선이 인가전압에 선형적으로 변화하는 것을 확인하였다.

본 연구의 결과를 바탕으로 인가전압에 따른 변위 해석에 대한 이론적 고찰을 통하여 가변 캐패시터의 성능향상을 위한 조건들을 추가적으로 연구하고, 압전 방식의 단점인 CMOS 공정과의 호환성 해결을 위하여 ZnO, AlN 등의 압전 물질을 활용한 가변 캐패시터에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.