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IT기반지식/디지털신기술

MEMS - 3. 도시바의 RF 이노베이션

출처 : http://blog.daum.net/oomoolan/13381246

도시바가 차세대의 휴대전화기의 무선주파(RF)회로를 위한 MEMS 디바이스를 개발했다. 복수의 무선방식이나 주파수 대역을 사용하는 차세대 시스템에 대하여 개별적으로 RF회로를 갖추는 것이 아닌, 1 회로로서 대응할 수 있다. 지금까지 코스트, 사양, 신뢰성의 면에서 채용이 어려웠던 MEMS디바이스를 실용레벨에서 적용할 수 있게 되었다. IDM의 반도체 메이커이기 때문에 갖는 강점을 살리고 있는 것이다. 기존의 반도체 프로세스를 MEMS부의 형성과 패키징에 가능한 활용했다. 이하는 도시바의 반도체 연구개발 센터의 전문가들이 직접 작성한 글이다.  

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우리는 2010년대 전반의 차세대 휴대전화기용으로 실용 레벨에서 적용 가능한 RF(무선주파)MEMS기술을 개발했다. 코스트, 사양, 신뢰성을 만족시키기 위하여 MEMS 제조기술에 더하여 회로기술과 패키징기술을 구사하고 있다. 이러한 기술을 사내에 갖고 있는 IDM의 강점을 살린 협조개발에 의하여 실현한 것이다.

 

RF MEMS는 휴대전화기의 무선 시스템이 복잡하게 되어가는 속에서 소형화, 저코스트화, 저소비전력화를 실현할 수 있는 디바이스이다. 무선 시스템에 있어서는 멀티밴드화와 멀티모드화가 진행되고 있으며 이러한 무선 시스템을 간소화 할 수 있는 것이 RF MEMS이다. 최근 우리들은 RF MEMS기술을 응용한 가변용량 디바이스를 개발하고 이전같으면 대역 자체가 필요했던 회로를 하나로 모을 수 있도록 했다. 부품갯수소멸에 의하여 회로의 간소화가 가능하게 된다.

RF MEMS에 의한 가변용량 디바이스는 RF회로의 인피던스를 다양한 주파수대역에 대하여 조정가능하게 하기 위하여 사용한다. 1회로에서 어떤 주파수 대역에 대하여도 인피던스 整合이 얻어지기 때문에 회로구성을 복잡하게 하는 것 없이 전력손실의 증대와 RF 신호품질의 열화 양쪽 모두를 초래하지 않을 수 있다. 예를들어 안테나에서는 안테나 인피던스를 넓은 주파수에 대응하여 최적으로 유지할 수 있다. 파워 업이라면 사용 주파수 별로 각각 탑재하는 것이 아닌 하나로 해결할 수 있게 되었다. 통과 대역이 가변인 주파수 필터와 광대역으로 주파수를 바꿀 수 있는 VCO(전압제어발진기)도 실현할 수 있다.

 

심플한 구조로 낮은 코스트, 높은 신뢰도

RF MEMS가변용량 디바이스는 평행평판전극(용량전극)간의 거리를 정전 엑츄에이터로 바꾸어 용량치를 변화시킨다. 용량전극을 저저항의 금속재료로 구성하는 것에 의하여 손실을 억제할 수 있으며 수 미크론의 변위를 얻을 수 있는 정전 엑추에이터에 의하여 큰 가변비를 실현했다. 또한 용량전극의 가동측이 1MHz 이상의 고주파에 따라가지 않는 기계적 특성을 갖고 있기 때문에 RF신호의 변형은 발생하지 않는다. 즉 선형성이 높다. 우리들이 개발한 방식이 앞으로 더욱 필요하게 될 것이다.

이 디바이스를 실현하기 위하여 크게 세가지의 설계 컨셉을 내걸었다. (1)용량전극을 움직이기 위한 강한 구동력의 정전 엑츄에이터를 채용할 것 (2)MEMS부 전체의 구조를 심플하게 할 것 (3)소형, 고신뢰성, 저코스트 패키징 기술의 확립..이다.

 

(1)강한 구동력의 엑츄에이터가 필요하게 되는 것은 가동전극을 단단한 용수철로 고정하기 때문이다. 한편 소비전력을 억제하기 위하여는 구동전압은 낮은 것이 좋다. 따라서 심플한 구조로 강한 구동력을 얻을 수 었는 정전 엑츄에이터로 구동전압을 저감하기 위한 연구를 거듭했다. 12V의 구동전압은 승압회로에서 생성하고 있다. 승압회로를 내장한 드라이브IC는 3V로 작동하며 MEMS부와는 별도의 칩으로 했다. 드라이브 IC와 MEMS칩을 별도 칩으로 한 것은 높은 Q치와 낮은 기생용량을 도시에 달성하기 위해서이다.

 

(2)MEMS부를 심플한 구조로 한 것은 저코스트화와 고신뢰성을 모두 만족시키기 위해서이다. 현재 MEMS의 표준 제조 프로세스는 확립하고 있지 않은데다 시뮬레이션 정밀도는 낮다. 따라서 MEMS의 제조 프로세스를 단순화할 필요가 있었다. 또한 MEMS의 특성을 안정시키는 것은 일반적으로 어렵기 때문에 신뢰성 확보를 위하여는 회로측에 특성을 제어할 수 있도록 하고 싶었다. 회로측에서 MEMS의 특성을 바꾸기 위해서는 특성제어 시에 불확정하게 되는 요소를 최소화하는 심플한 구조가 필요했다.

 

(3)MEMS 가동부분을 먼지나 수분 등으로부터 보호하기 위하여 가운데가 빈 패키지가 필요하다고 하지만 소형, 고신뢰성, 저코스트의 기술은 확립되어 있지 않다. 예를 들어 MEMS칩에 하나하나 뚜껑을 덮는 것은 생산성이 낮고 양산에 적합하지 않다. 따라서 우리들이 개발을 진행해 가는 것은 '인라인 WLP(웨이퍼 레벨 패키지)'기술이다.

 

저전압, 고 구동력의 靜電엑츄에이터 개발

이러한 설계 컨셉에 기초하여 개발한 MEMS 디바이스는 4개의 용량소자를 병렬접속한 용량 뱅크 구성을 취한다. 개개의 용량소자는 용량전극의 가동측이 올라간 상태와 내려간 상태로 두가지 용량치를 실현할 수 있다. 4개의 용량소자의 전극면적을 1:2:4:8 의 바이너리 같은 비율로 했다. 이 때문에 4개의 용량소자의 교체에 의하여 용량 뱅크 전체에서 16가지의 용량치가 얻어진다.

시작 디바이스에서 실측한 S 파라메터에서 요구한 용량 뱅크전체에서의 용량치는 최소 0.3pF 최대 1.5pF였다. 또한 최대용량치에서 LC공진점은 13GHz로 높기 때문에 용량특성은 3GHz이하로 주파수에 거의 의존하지 않는다. 스미스 차트에서 손실이 적은 것도 확인할 수 있었다. 용량전극의 가동측을 움직이기 위한 정전 엑추에이터는 용량전극의 양측에 배치했다. 용량전극과는 절연체를 매개로 접속하고 있다. 절연체를 사용한 것은 정전 엑추에이터에서 용량전극에 잡음의 전파를 방지하기 위해서이다.

이번에, 정전엑추에이터의 구동력을 비교적 낮은 전압에서 얻기 위한 연구를 포함시켰다. 전정 엑추에이터의 전극간 거리가 용량전극과 반대측에서 짧게 되도록 해서 낮은 전압에서 큰 정전기력이 얻어질 수 있도록 하고 있다.

 

신뢰성의 과제를 회로기술과 조합하여 해결

RF MEMS 가변용량 디바이스에서 수명을 단축시키는 과제에 관해서는 그것을 억제하는 기술을 포함시켰다. 이 디바이스의 구동을 계속하면 차징에서 기인하는 스틱션이 일어난다. 차징이란 전극의 표면의 절연막에 전하가 축적하는 현상이다. 축적한 전하에 의하여 인가전압을 0V로 해도 전극이 떨어지지 않는 현상이 스틱션이다.

차징의 해결책의 한가지가 '바이폴라 엑추에이션(BA)'이다. 전극의 축적전하는 전계의 방향을 거꾸로 하면 배출되기 때문에 구동할 때 전계의 방향을 반전시키면 차징이 억제된다. 그러나 전하의 주입 레이트는 전계의 방향에 의하여 같게 되지는 않기 때문에 언젠가는 전하가 축적되고 만다. 따라서 완전한 해결책이라고는 없다. 절연막이 없는 구조도 제안되어 있지만 소비전력이 높게 되는 등의 결점이 있다. 또한 용량전극에 이 구조를 적용하면 큰 용량비가 얻어질 수 없게 된다.

따라서 우리들은 '인테리젠트 바이폴라 엑추에이션(IBA)'수법을 개발했다. 절연막에 축적된 전하량을 회로적으로 검출하여 그 결과에 따라 다음의 구동 시 전계의 방향을 결정한다. 이 방법에서는 특수한 MEMS 구조를 사용하지 않고 차징을 억제할 수 있다. IBA의 전하검출에서는 구동전압피형을 사용한다. 여기서 V-act는 전극을 끌어 당기기 위한 전압, V-hold는 전극의 위치를 끌어당긴 채로 해 두는 홀드 상태로 하는 전압이다. 구동전압을 V-hold에서 0V로 떨어트리면 전극이 분리되지만 그 전에 중간전압인 V-mon에 떨어뜨리면 축적전하의 양에 따라서 전극이 분리되었다가 안되었다가 한다. 이 현상은 V-mon을 인가한 상태에서 전극이 분리되는지 어떨지를 보는 것에 의하여 축적전하량을 산정할 수 있는 것을 의미한다.

구동회로는 정전 엑추에이터의 전극에 상하 역방향의 전계를 발생시키지만 공급하는 것은 정전위만으로 좋다. 전하검출 회로의 출력 결과를 레지스터에 격납해 두고 이 데이터에 응하여 스위치 매트릭스가 승압회로의 출력전압을 상부전극 혹은 하부전극측으로 교환된다. 85도씨의 차징 가속조건에서 사이클 시험결과 IBA로 차징에 의한 불량을 완전히 억제할 수 있는 것이 확인되었다. 드라이브IC와 MEMS칩을 내장시킨 디바이스의 특성도 실측했다.

 

반도체 프로세스로 저코스트에 패키징

개발한 패키징 기술은 MEMS 가동부의 형성과 그 밀폐를 위한 중공 패키징의 형성을 동일 클린 룸 내에서 연속하여 실시할 수 있다. 일반적인 반도체 제조공정과 같은 장치, 배료를 사용함으로써 소형이며 고품질의 중공 패키징을 저코스트로 실현하는 것이 가능하다. 또한 먼지가 적은 환경에서 MEMS 가동부를 밀폐하기 때문에 수율 향상이 기대된다. 더욱이 그 후의 SiP조립 공정에 있어서도 통상의 반도체와 거의 같은 프로세스를 전용하는 것이 가능하게 된다.

당사에서는 중공 패키징을 외부의 대기압에 가까운 상태로 실행하는 '실압기밀방식'과 진공에 가까운 상태에서 하는 '진공기밀방식'의 2종류의 인라인 WLP기술을 개발했다. 실압기밀방식에서는 내부의 기체가 완충재가 되어 MEMS 가동부를 움직여서 정지한 후 등에 생기고 마는 잔류진동을 저감할 수 있다. 진공기밀방식에서는 MEMS 가동부를 기체가 막을 수 없기 때문에 고속 스위칭에 유효하다. 우리들은 MEMS의 어플리케이션에 맞추어 이 두가지 기술을 나눠서 사용하고 있다.

 

유기재료와 무기재료에 의한 3층구조로 봉지

실압기밀방식의 패키지는 무기막과 유기막과 무기막의 3층을 적층한 하이브리드 형의 돔 구조로 되어 있다. 여기서는 내측에서 무기 제1캡층, 유기도포막, 무기방습막이라고 부른다. 중공 패키징을 대기압에 가까운 상태에서 실행하기 때문에 유기도포막을 적용하고 있으며 거기다가 무기방습막을 적층하는 것으로 기밀성과 내수성을 실현하고 있다. 돔구조의 강성을 높이기 위하여 외형에 홈이나 잘록한 부분을 형성하는 등 여러가지로 고안하고 있어서 긴쪽 1000um이상, 짧은쪽 300um이상이라는 큰 중공구조를 실현했다.

이 패키징의 제조 프로세스에는 통상의 반도체 웨이퍼 제조공정에 사용되는 제조장치와 재료를 사용하고 있다. 여기에 제1캡층의 구멍을 유기도포막으로 봉지할 때에는 유기도포재료의 표면장력을 이용하고 있다. 유기도포재료가 구멍의 밑쪽에 흘러들어가지 않도록 재료특성, 구멍의 배치와 셩상, 프로세스 조건 등을 최적화하고 있다. 이 중공패키징으로부터는 불량은 발견되지 않았다.

한편, 진공기밀방식은 제1캡층에 열려진 구멍을 유기도포막을 매개로 하지 않는 CVD법에 의한 무기방습막으로 직접 막고 중공 패키지 내부를 CVD성막 시의 진공도로 유지하고 있다. 다만 CVD를 사용하면 구멍의 바로 밑에 중공부에도 막이 준적해 버리기 때문에 구멍은 MEMS 가능부의 직상을 피하여 배치하지 않으면 안된다. 그 결과 응력이 집중하기 쉬운 외주부에 구멍을 배치하지 않으면 안되는 과제가 있다. 더욱이 내부가 진공이 되기 때문에 압력차에 의하여 중공구조가 와해되지 않도록 보다 강성의 어떤 구조가 필요하게 되었다. 이러한 과제에 대해서는 구멍의 형상을 진원에서 Oval로 하는 것에 의하여 응력을 저감할 수 있는 것, 중공구조의 외형단면을 피형으로 하여 높은 강성이 얻어질 수 있는 것 등을 보면서 시제품에 성공했다.

 

Sip조립 시의 부하에 견디다.

패키징의 또다른 과제로서 MEMS 칩을 드라이브 IC칩과 함께 SiP화하는 것이 있다. SiP화에 있어서는 소형, 저코스트여야 한다는 것이 중요하다. 그래서 가장 저코스트의 SiP화 방법으로서 와이어 본딩에 의한 적층형 멀티칩 패키지를 개발했다. 또한 중공구조를 형성한 웨이퍼가 SiP 조립공정에서 생기는 부하에 견딜 수 있게 되도록 고안도 했다. 일련의 SiP조립공정은 통상의 반도체용 공정과 같아서 저코스트로 양산성에 뛰어나고 있다. 그 한편으로 보호필름의 착탈, 윗면연삭시의 가압, DAF의 부착, 브레이드 다이싱 시의 세정수압, 다이 본딩 시의 픽업 가압, 몰드 시의 주입압력 이라고 하는 큰 부하가 걸리기 때문에 MEMS 웨이퍼에의 적용은 지금까지 곤란했다. 이번에 보강용의 에폭시 수지를 신규로 개발하여 MEMS 공중구조 위에 인쇄하는 것으로 상술의 부하에 견딜 수 있는 것이 확인되었다. 더욱이 MEMS 웨이퍼를 100um이하의 두께로 연삭할 수 있게 되었기 때문에 패키징의 총두께도 MEMS와 IC의 혼재 패키지로서는 가장 얇은 0.8mm로 할 수 있었다.

 

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이번 편은 번역하는데 좀 힘이 들었고 다소 적확하지 않은 용어가 있을 개연성이 있습니다. 무지무지 더운날 무지무지 어려운 문서를 번역했지만... 공부는 많이 되었네요.. 연구과제와 성과를 소개해 준 도시바의 반도체 연구개발 센터의 기고자들에게 감사드립니다..

 

도쿄에서 레이스김

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