[기획-차세대통신] 03. 유전체의 두께가 서로 다른 MOSCAP들을 이용한 얇은 유전체 특성화 방법
커패시터의 단면적 차이를 기반으로 유전체 특성을 추출하는 기존 방법은 정확도에 영향
2024-12-30
2019년 4월3일 우리나라에서 5G(세대) 서비스를 시작한지 5년 반이 조금 넘은 상황에서 6G 서비스에 대한 논의가 진행 중이다.
6G 통신 기술은 초고속 데이터 전송, 초저지연, 대규모 연결을 제공하는 차세대 무선 통신 기술로 고주파 대역(테라헤르츠 수준)에서 효율적인 전송이 핵심 과제다.
이 과정에서 커패시터(capacitor·축전기)의 유전체 특성은 주파수 응답 특성, 열적 안정성, 소형화/집적화 및 전자기파 차폐/간섭방지 등 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 담당한다.
테라헤르츠 주파수 대역의 6G 통신의 경우에는 커패시터의 유전율 변화와 손실 계수(Dielectric Loss)가 주파수 응답 특성에 큰 영향을 미친다.
특히 무선주파수(RF) 회로에서 사용되는 커패시터는 신호 필터링 역할을 수행하며 유전체 특성이 불안정하면 왜곡과 신호 손실이 발생할 수 있다. 고유전율 물질은 높은 에너지 저장 능력을 제공하지만 고주파에서는 손실을 증가시킬 수 있기 때문이다.
6G 통신 장비는 고전력 및 고주파 동작으로 열 발생이 많으므로 커패시터의 유전체는 온도 변화에 강한 특성을 가져야 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한 6G 통신 장비는 소형화된 기기와 높은 집적도를 요구하므로 유전체 물질의 유전율이 높으면 더 작은 크기의 커패시터로 동일한 전기 용량을 구현할 수 있다.
고유전율 및 낮은 손실 특성을 가진 커패시터는 전자기 간섭(EMI)을 줄이고, 신호 무결성을 보장하는 데 기여한다.
이와 같은 커패시터의 유전율 특성의 중요성을 고려해 이번 회에서는 '유전체의 두께가 서로 다른 MOSCAP들을 이용한 얇은 유전체 특성화 방법' 논문을 소개한다.
본 논문은 2023년도 한국전자파학회 하계종합학술대회 논문집 Vol. 11, No. 1 2023. 8. 23~26에 게재됐다.
◇ 서론... 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 유전체 특성을 추출하는 기존 방법은 정확도에 영향
기존 커패시터 구조에서 유전체 특성을 추출하는 전형적인 방법은 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 하지만 이 방식은 도체에서 발생하는 기생 성분(저항, 인덕턴스 등)을 정확히 추출해야 한다. 유전체 특성 추출 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
◇ 본론... Reactive 차폐코일 설계
본 논문에서 제안하는 방식은 타겟 유전체 두께의 차이를 이용해 유전체 특성을 추출한다. 이 방식은 유전체를 설정한 두께로 정확히 증착할 수 있다면 기생 성분을 고려하지 않고도 높은 정확도로 유전체 특성을 추출할 수 있는 장점이 있다. 이를 활용해 Al₂O₃의 광대역 복소 유전율 특성(0.1-20GHz)을 MOSCAP 구조에서 추출했다.
본 연구에서는 유전체의 복소 유전율 특성을 효과적으로 추출하기 위해 이종층과 단층 커패시터의 입력 임피던스 차이를 이용해서 유전체 특성 추출하는 기존 방식을 변형했다.
타겟 유전 체 두께 차이를 이용하기 위해 제작한 두 MOSCAP 시료들의 설계 구조와 등가회로는 각각 Fig. 1, 2과 같다.
▲ Fig 1. 제작한 MOSCAP 구조
▲ Fig. 2: MOSCAP 등가회로
MOSCAP의 설계에서, 타겟 유전체 두께를 제외한 나머지 구조와 두께를 동일하게 설정했다. 이를 통해 Fig. 2의 (a)와 (b) 등가회로에서 타겟 유전체에 해당하는 성분(Rt−2nm, Ct−2nm, Rt−4nm, Ct−4nm)을 제외한 다른 성분들(Rp, Lp, RSi, CSi, RSiO2, CSiO2)의 크기는 이 동일한 특성을 유지하도록 설계됐다.
두 MOSCAP 시료의 입력 임피던스의 차이를 활용해 Al₂O₃의 복소 유전율 특성을 광대역 주파수(0.1-20GHz) 범위에서 추출한 결과는 Fig. 3에 제시됐다.
▲ Fig 3. Al2O3의 복소 유전율 특성 추출 결과
◇ 결론... 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법 제안
본 논문에서는 기존의 커패시터 면적 차이를 이용한 유전체 특성화 방법의 한계를 극복하기 위해 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법을 제안했다.
해당 방법을 위해 타겟 유전체 두께를 다르게 설정한 MOSCAP 시료를 제작 및 등가회로 모델링을 진행했다.
최종적으로 제안한 MOSCAP 시료의 등가 회로를 기반으로 0.1-20 GHz 광대역이면서 정확하게 타겟 유전체 Al2O3의 복소 유전율 특성을 추출했다.
한편 본 논문에서는 직접 언급되지는 않았지만 유전체의 두께가 매우 얇은 경우(수 nm 이하) 특정 재료의 증착 기술(CVD, ALD 등)이 두께 균일성과 정확도를 보장하지 못할 수도 있다.
비균질한 유전체(예: 다결정성 유전체)에서는 두께 차이에 따른 측정 오차가 발생할 가능성이 있다.
일부 유전체(예: 고유전율 세라믹, 유기 유전체 등)는 특정 주파수 대역에서 비선형적인 응답을 보일 수 있으므로 주파수에 따른 모델링의 복잡성이 증가해 입력 임피던스 차이 분석의 정확도를 떨어뜨릴 수도 있다는 점을 고려해야 한다.
6G 통신 기술은 초고속 데이터 전송, 초저지연, 대규모 연결을 제공하는 차세대 무선 통신 기술로 고주파 대역(테라헤르츠 수준)에서 효율적인 전송이 핵심 과제다.
이 과정에서 커패시터(capacitor·축전기)의 유전체 특성은 주파수 응답 특성, 열적 안정성, 소형화/집적화 및 전자기파 차폐/간섭방지 등 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 담당한다.
테라헤르츠 주파수 대역의 6G 통신의 경우에는 커패시터의 유전율 변화와 손실 계수(Dielectric Loss)가 주파수 응답 특성에 큰 영향을 미친다.
특히 무선주파수(RF) 회로에서 사용되는 커패시터는 신호 필터링 역할을 수행하며 유전체 특성이 불안정하면 왜곡과 신호 손실이 발생할 수 있다. 고유전율 물질은 높은 에너지 저장 능력을 제공하지만 고주파에서는 손실을 증가시킬 수 있기 때문이다.
6G 통신 장비는 고전력 및 고주파 동작으로 열 발생이 많으므로 커패시터의 유전체는 온도 변화에 강한 특성을 가져야 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한 6G 통신 장비는 소형화된 기기와 높은 집적도를 요구하므로 유전체 물질의 유전율이 높으면 더 작은 크기의 커패시터로 동일한 전기 용량을 구현할 수 있다.
고유전율 및 낮은 손실 특성을 가진 커패시터는 전자기 간섭(EMI)을 줄이고, 신호 무결성을 보장하는 데 기여한다.
이와 같은 커패시터의 유전율 특성의 중요성을 고려해 이번 회에서는 '유전체의 두께가 서로 다른 MOSCAP들을 이용한 얇은 유전체 특성화 방법' 논문을 소개한다.
본 논문은 2023년도 한국전자파학회 하계종합학술대회 논문집 Vol. 11, No. 1 2023. 8. 23~26에 게재됐다.
◇ 서론... 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 유전체 특성을 추출하는 기존 방법은 정확도에 영향
기존 커패시터 구조에서 유전체 특성을 추출하는 전형적인 방법은 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 하지만 이 방식은 도체에서 발생하는 기생 성분(저항, 인덕턴스 등)을 정확히 추출해야 한다. 유전체 특성 추출 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
◇ 본론... Reactive 차폐코일 설계
본 논문에서 제안하는 방식은 타겟 유전체 두께의 차이를 이용해 유전체 특성을 추출한다. 이 방식은 유전체를 설정한 두께로 정확히 증착할 수 있다면 기생 성분을 고려하지 않고도 높은 정확도로 유전체 특성을 추출할 수 있는 장점이 있다. 이를 활용해 Al₂O₃의 광대역 복소 유전율 특성(0.1-20GHz)을 MOSCAP 구조에서 추출했다.
본 연구에서는 유전체의 복소 유전율 특성을 효과적으로 추출하기 위해 이종층과 단층 커패시터의 입력 임피던스 차이를 이용해서 유전체 특성 추출하는 기존 방식을 변형했다.
타겟 유전 체 두께 차이를 이용하기 위해 제작한 두 MOSCAP 시료들의 설계 구조와 등가회로는 각각 Fig. 1, 2과 같다.
▲ Fig 1. 제작한 MOSCAP 구조
▲ Fig. 2: MOSCAP 등가회로
MOSCAP의 설계에서, 타겟 유전체 두께를 제외한 나머지 구조와 두께를 동일하게 설정했다. 이를 통해 Fig. 2의 (a)와 (b) 등가회로에서 타겟 유전체에 해당하는 성분(Rt−2nm, Ct−2nm, Rt−4nm, Ct−4nm)을 제외한 다른 성분들(Rp, Lp, RSi, CSi, RSiO2, CSiO2)의 크기는 이 동일한 특성을 유지하도록 설계됐다.
두 MOSCAP 시료의 입력 임피던스의 차이를 활용해 Al₂O₃의 복소 유전율 특성을 광대역 주파수(0.1-20GHz) 범위에서 추출한 결과는 Fig. 3에 제시됐다.
▲ Fig 3. Al2O3의 복소 유전율 특성 추출 결과
◇ 결론... 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법 제안
본 논문에서는 기존의 커패시터 면적 차이를 이용한 유전체 특성화 방법의 한계를 극복하기 위해 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법을 제안했다.
해당 방법을 위해 타겟 유전체 두께를 다르게 설정한 MOSCAP 시료를 제작 및 등가회로 모델링을 진행했다.
최종적으로 제안한 MOSCAP 시료의 등가 회로를 기반으로 0.1-20 GHz 광대역이면서 정확하게 타겟 유전체 Al2O3의 복소 유전율 특성을 추출했다.
한편 본 논문에서는 직접 언급되지는 않았지만 유전체의 두께가 매우 얇은 경우(수 nm 이하) 특정 재료의 증착 기술(CVD, ALD 등)이 두께 균일성과 정확도를 보장하지 못할 수도 있다.
비균질한 유전체(예: 다결정성 유전체)에서는 두께 차이에 따른 측정 오차가 발생할 가능성이 있다.
일부 유전체(예: 고유전율 세라믹, 유기 유전체 등)는 특정 주파수 대역에서 비선형적인 응답을 보일 수 있으므로 주파수에 따른 모델링의 복잡성이 증가해 입력 임피던스 차이 분석의 정확도를 떨어뜨릴 수도 있다는 점을 고려해야 한다.
 ▲ 신윤상 전문위원 (서울대학교) |
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