[논문]가변형 박막 유전체에 전극을 임베디드 시킨 고가 변형 커패시터

이영철; 홍영표; 고경현

가변형 박막 유전체에 전극을 임베디드 시킨 고가 변형 커패시터
A High Tunable Capacitor Embedding Its Electrodes in Tunable Thin Film Dielectrics 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.17 no.9 = no.112, 2006년, pp.860 - 865

이영철 (국립목포해양대학교 해양전자통신공학부) , 홍영표 (아주대학교 재료공학과) , 고경현 (아주대학교 재료공학과)

초록
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본 논문에서는 가변형 $Bi_2O_3-ZnO-Nb_2O_5(BZN)$ Pyrochlore 박막을 이용한 고가변형 inter-digital capacitor를 제안하였다. 가장자리 전계 효과를 이용한 가변성의 향상과 DC 전압의 감소를 위해 inter-digital capacitor의 전극이 박막 내부에 삽입되었다. 2.5D simulator를 이용한 설계 결과, 제 안된 구조의 inter-digital capacitor(IDC)가 일반적인 구조의 IDC에 비해 가변성이 10 % 향상되었다. 제안된 IDC는 설계 결과를 바탕으로 실리콘 기판 위에 BZN 박막을 이용하여 제작되었다. BZN 박막은 reactive RF magnetron sputtering 방법을 이용하여 증착되었다. 제작된 inter-digital capacitor는 5.8 GHz와 18 V의 DC 인가 전압에서 최대 가변율이 50 %였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel tunable inter-digital capacitor using dielectric tunable $Bi_2O_3-ZnO-Nb_2O_5(BZN)$ pyrochlore thin films is proposed. In order to improve the tunability and reduce DC bias voltage using the fringing electric field, the electrodes of the inter-digital capacitor are embedded in the thin film. Designed results using a 2.5 D simulator show that the tunability of the proposed inter-digital capacitor improves by 10 %, compared to the conventional inter-digital capacitor. The proposed IDC, which is based on the simulation results, was fabricated, using the BZN thin film deposited by a reactive RF magnetron sputtering on the on the silicon substrate. The fabricated inter-digital capacitor shows the maximum tunability of 50 % at 5.8 GHz and 18 V DC applied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Bismuth Zinc Niobate(BZN) 가변 유전체 박막내부에 전극을 삽입한 새로운 구 조의고 가변, 저전압 가변성 inter-digital capacitor를 제안하였다 삽입된 전극의 길이가 길수록 그리고 전극의 선폭仏)과 간격(, 이 좁을수록 가장자리 전계 효과가 증가하여 가변성이 향상됨을 설계와 측정 결과로 확인하였다. Si 기판 위에 RF-magnetron 방법으로 BZN 박막을 증착하여 제작된 길이가 100 “m이고 Z —S가 1.
본 연구에서는 inter-digital capacitor의 동작 전압을 감소시키고 가변성을 향상시키기 위해, 전극이 유전체 내에 완전히 삽입된 새로운 구조의 가변형 capacitor를 제안하였고, 2.5D 상용 설계 툴을 이용하여 inter-digital capacitor를 설계 및 분석하였다. 반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 inter-digital capacitor를 제작하여 그 특성을 측정하였다.

가설 설정

5D 상용 설계 툴을 이용하여 그 특성을 분석하였다. 비유전율이 400에서 128로 변하는 70 % 의가 변성을 가정하였고, 이때 인가된 전압은 BZN₁ 과 BZN₂ 의 박막 두께는 각각 4, 000 A과 2,000 A 이다. 가장자리 전계의 효과를 검증하기 위하여, 전극의 선폭(Z)과 이들 사이의 간격(S)인 L-S를 1.

제안 방법

식각 공정 후, 박막의 결정화를 위해, 공기 중에서 3시간 동안 700 ℃에서 열처리 공정을 진행하였다. Inter-digital capacitor의 전극으로 백금(Pt)을 3, 000 A 증착하여 채워 넣고 전극 이외의 부분을 식각하였다. 2,000 A의 두 번째 BZN₂ 박막을 증착하여 전극 윗부분을 제외하고 나머지는식각하였다.
0 .“m로 각각 설계되었고 IDC의 길이(Z)를 47, 80, 그리고 100 “이로 각각 변화시켰다. 계산된 복소 반사계수(%)을 다음의 식 (1)~(3) 을 이용하여 유효 용량 (C_eff)와 가변성(tunability: T)을 분석하였다.
2,000 A의 두 번째 BZN₂ 박막을 증착하여 전극 윗부분을 제외하고 나머지는식각하였다. 마지막으로 CPW 패드를 위해 Pt를 1, 500 A 증착후 식각하여 제안된 inter-digital capacitor를 제작하였다. 그림 4는 제작된 inter-digital capacitor의 사진이다.
5D 상용 설계 툴을 이용하여 inter-digital capacitor를 설계 및 분석하였다. 반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 inter-digital capacitor를 제작하여 그 특성을 측정하였다.
설계 결과를 바탕으로 제안된 임베디드형 interdigital capacitor를 제 작하였다. IDC는 CPW구조로 Si 기판 위에 제작되었다.
제작된 inter-digital capacitoi.의 복소 반사 계수(跖) 를 측정하여, 유효 용량과 가변성 특성을 분석하였다. 측정 주파수는 100 MHz에서 10 GHz였다.
가장자리 전계는 전계의 세기가 전극의 중앙 부분에서 보다 높고, 전극의 폭이 좁을수록 가장자리 전계 효과가 증가하게 된다. 이러한 가장자리 전계의 효과를 증가시키기 위해 다음의 그림 1과 같은 구조의 inter-digital 가변 capa- citor를 제안하였다. 전극을 가변 유전체 내부에 삽입하여 가장자리 전계를 가변 유전체 내부에 집중하도록 함으로써, 가변 유전체에 전계를 균일하게 분포 시켜 capacitor의 가변성과 인가전압 특성을 개선할 수 있다.
4, 000 A의 첫 번째 BZN₁ 이 reactive RF magnetron sputtering 방법으로 BRZim- Nb2/3)2O₇ target을 이용하여 증착되었다. 전극을 유전체 내부에 임베디드 시키기 위해, 3, 000 A을 dry etcher를 이용하여 식각하였다. 이때의 최소 선폭과 간격(L-S)은 1.

대상 데이터

Inter-digital capacitor의 전극으로 백금(Pt)을 3, 000 A 증착하여 채워 넣고 전극 이외의 부분을 식각하였다. 2,000 A의 두 번째 BZN₂ 박막을 증착하여 전극 윗부분을 제외하고 나머지는식각하였다. 마지막으로 CPW 패드를 위해 Pt를 1, 500 A 증착후 식각하여 제안된 inter-digital capacitor를 제작하였다.
50 Q의 입력 임피던스를 위해 CPW가 설계되었다. 설계된 소자의 총 크기는 824x 367 “择이다.
실리콘 IC와의 집적 성 향상을 위해 500 “m 두께의 Si기판을 사용하였고, 가변 유전체와 전극은 상 유전체 물질인 Bi2O₃-ZnO-Nb2Os(BZN) pyrochlore 박막과 백금(Pt)을 각각 사용하였다. 전극을 유전체 내부에 임베디드 시키기 위해, Si 기판 위에 유전체(BZN- 1) 를 증착하고 전극 패턴을 식각한다.

데이터처리

(b) inter-digital capacitor의 simulation 결과를 각각 보여주고 있으며, L -S가 2.0 “m일 때, IDC 길이 변화에 따른 용량 변화와 가변성의 계산 결과를 비교하였고, Z-S가 1.5 “m로 감소하였을 때의 특성을 또한 비교하였다. Inter-digital capacitor의 길이가 증가함에 따라 가변성이 증가하였고, Z-S가 2.
제안된 inter-digital capacitor의 특성을 검증하기 위하여, 2.5D 상용 설계 툴을 이용하여 그 특성을 분석하였다. 비유전율이 400에서 128로 변하는 70 % 의가 변성을 가정하였고, 이때 인가된 전압은 BZN₁ 과 BZN₂ 의 박막 두께는 각각 4, 000 A과 2,000 A 이다.

이론/모형

IDC는 CPW구조로 Si 기판 위에 제작되었다. 4, 000 A의 첫 번째 BZN₁ 이 reactive RF magnetron sputtering 방법으로 BRZim- Nb2/3)2O₇ target을 이용하여 증착되었다. 전극을 유전체 내부에 임베디드 시키기 위해, 3, 000 A을 dry etcher를 이용하여 식각하였다.

성능/효과

86 pF으로 50 % 감소하였다. Inter-digital capacitor의 가변성 특성이 inter-digital capacitor의 길이가 증가할수록 즉, 가장자리 전게 효과가 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있으며, 2.5D 설계 툴을 이용한 계산 결과와 일치한다.
5 “m로 감소하였을 때의 특성을 또한 비교하였다. Inter-digital capacitor의 길이가 증가함에 따라 가변성이 증가하였고, Z-S가 2.0에서 1.5 “m로 감소할 경우 또한 가변성이 증가하였다. 이는 전극의 가장자리 전계의 효과가 증가한 것에 기인한 것으로 판단된다.
이는 임베디드된 전극 구조에서 전계가 유전체 내부에 더 집중되었기 때문이다. 따라서, 제안된 inter-digital capacitoT가 가장자리 전계를 효과적으로 유전체 내부에 집중 시켜 가장자리 전계 효과를 극대화할 수 있어 inter-digital capacitor의 가변성 특성이 향상되었다.
이는 전극의 가장자리 전계의 효과가 증가한 것에 기인한 것으로 판단된다. 일반적인 개방형 전극 구조에 비해 임베디드 전극 구조의 가변성이 최대 10 % 증가하였다. 이는 임베디드된 전극 구조에서 전계가 유전체 내부에 더 집중되었기 때문이다.
그림 5는 측정된 S₁₁을 나타내고 있다. 측정된 inter-digital capacitor의 SRF(Self-Resonance Frequency)는 10 GHz 이상이며, 인가된 전압에 따라 S₁₁이 잘 변화하고 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (10)

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Mossaab Ouaddari et al., 'Microwave characterization of ferroelectric thin-film materials', IEEE Trans. on MTT, vol. 53, no. 4, pp. 1390-1397, 2005

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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