KR100249212B1 - 박막인덕터의 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막인덕터의 구조와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 동일한 면적에서 인덕턴스가 종래보다 높은 박막인덕터의 구조와 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 박막인덕터보다 동일한 면적에서 더 높은 인덕턴스를 얻기 위하여 자성막을 3층 또는, 그 이상의 층을 이루도록 형성하고, 자성막과 자성막 사이의 각 층에 코일이 위치하도록 구성한 것이 특징이다. 종래의 박막인덕터는 단층의 코일만으로 인덕턴스를 얻었으나, 본 발명의 박막인덕터는 2층의 코일로 인덕턱스를 얻는다. 결국 본 발명의 박막인덕터는 종래의 박막인덕터에 비해 약 4배 정도의 인덕턴스를 얻을 수 있다.

Description

박막인덕터의 구조 및 그 제조방법

본 발명은 박막인덕터의 구조와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 인덕턱스가 높은 박막인덕터를 제조하는 방법 및 구조에 관한 것이다.

최근 휴대용 통신기기의 급속한 보급에 따라 이에 대한 소형, 경량, 박형화의 요구가 증대되고 있다. 특히 스위칭 컨버터 또는, 인버터 등의 고주파에서 작동하는 평면 인덕티브 소자는 종래의 인덕터보다 전력밀도와 열적 관리 측면에서 더 나은 동작을 보이는 장점이 있다.

평면 인덕터는 두개의 자성필름의 사이에 평면코일이 샌드위치처럼 끼워진 형태의 구조가 많이 사용되고 있다. 그 평면코일(14')의 형태는 도2a에 나타낸 것과 같은 테(hoop)형, 도2b에 나타낸 것과 같은 나선(spiral)형 및 도2c에 나타낸 것과 같은 미로(meander)형이 주류를 이루고 있다. 이 외에도 인덕턴스를 높이기 위해 평면 코일 사이의 자기필름을 서로 연결하는 방법 등 여러가지의 새로운 구조가 계속 연구되고 있다.

대부분의 박막인덕터는 그 모양은 달라도 그 제조공정과 구성물질은 비슷하다. 일반적인 박막인덕터의 제조방법을 첨부된 도면을 참조로 설명하겠다. 도1a 부터 도1g는 종래의 박막인덕터의 제조방법이 도시된 도면이다.

먼저 도1a와 같이 실리콘 웨이퍼(10) 위에 하부자성막(11)을 형성하고, 씨드층(seed layer)(12)를 연속하여 형성한다. 그리고, 도1b와 같이 씨드층 위에 포토레지스트(13)를 증착하고, 도1c와 같이 포토레지스트를 소정의 형상으로 노광하여 현상한다.

이어서 도1d에 나타낸 것과 같이 패터닝된 포토레지스트가 포함된 실리콘 위이퍼 위에 금속(14)으로 코일을 도금한다. 그러면, 포토레지스트에 의해 가려진 부분을 제외한 부분에만 코일이 도금된다. 즉, 외부에 노출된 부위의 씨드층 위에 코일이 도금되는 것이다.

그리고, 도1e에 나타낸 것과 같이 포토레지스트를 제거하고 그 하부의 씨드층도 식각으로 제거한다. 그러면, 하부자성막 위에는 코일(14')과 그 코일 하부에 위치한 씨드층(12')의 일부만 남게된다. 그리고, 코일로 인해 울퉁불퉁해진 표면을 평탄화시키기 위해 도1f에 나타낸 것과 같이 코일층 위를 덮도록 폴리이미드막(15)을 형성한다. 마지막으로 도1g에 나타낸 것과 같이 폴리이미드막 위에 상부자성막(16)을 형성하면, 박막인덕터가 완성된다.

그런데, 도1a에서 도1g까지 나타낸 공정에 의해 제조되는 박막인덕터는 아무리 모양을 다양하게 제조되어도 다음과 같은 문제가 있다.

먼저 테형 코일은 구조가 간단해 제조가 용이하지만, 코일의 회전수(turn)가 하나이기 때문에 인덕턴스가 낮은 단점이 있다. 그리고, 나선형은 인덕턴스가 크다는 장점은 있으나, 중앙에서 코일을 연결하는 공정이 필요해 제조방법이 복잡하다는 단점이 있다. 마지막으로 미로형은 고주파에서 전기장의 손실이 적고 제조방법도 용이하지만, 테형과 마찬가지로 인덕턴스가 나선형에 비해 낮다.

그러므로, 인덕턴스가 높으면서도 그 제조가 용이한 박막인덕터의 구조와 그 제조방법이 필요하게 된 것이다. 본 발명은 동일한 면적 내에서 종래의 박막인덕터보다 인덕턴스가 큰 박막인덕터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1g는 종래의 박막인덕터 제조방법을 도시한 공정단면도.

도 2a 내지 도 2c는 박막인덕터에 형성된 코일의 여러가지 모양의 예를 도시한 평면도.

도 3은 본 발명의 박막인덕터의 구조를 도시한 도면.

도 4a 내지 도 4i는 도 3에서 I-I'의 단면을 기준으로 도시한 본 발명의 박막인덕터 제조방법의 실시예1을 나타낸 도면.

도 5a 내지 도 5g는 도 3에서 I-I'의 단면을 기준으로 도시한 본 발명의 박막인덕터 제조방법의 실시예2을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예3을 통해 제조된 박막인덕터의 구조를 도시한 단면도.

도 7a 내지 도 7b는 상기 도 6의 박막인덕터의 제조방법의 일부분을 도시한 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 반도체 기판(실리콘 웨이퍼)

110 : 제1자성막

120 : 제1절연막 130 : 제1코일

131 : 제1코일의 단자 140 : 제1평탄화막

150 : 제2자성막 150' : 제1자성막에 연결된 제2자성막

160 : 제2절연막 170 : 제2코일

171 : 제2코일의 단자 180 : 제2평탄화막

190 : 제3자성막 190' : 제2자성막에 연결된 제3자성막

200 : 와이어(wire) 300 : 층간자성막

310 : 제3절연막

본 발명의 박막인덕터는 자성막 사이에 끼워져 2층으로 형성된 코일이 서로 직렬로 연결되어 종래의 박막인덕터에 비해 인덕턴스가 높은 것이 특징이다.

본 발명의 박막인덕터의 구조는 도3에 나타낸 것과 같다. 먼저 반도체 기판(100) 위에 제1자성막(110)이 형성되어 있고, 제1자성막 위에 절연물질로 제1절연막(120)이 형성되어 있다. 그리고, 제1절연막 위에 두 개의 단자를 가지는 제1코일(130)이 형성되어 있다. 이 때, 제1코일의 형태는 여러가지로 구성될 수 있으나, 도3에 나타낸 것과 같이 이중나선형으로 형성되는 것이 무난하다. 왜냐하면, 도3에 나타낸 것과 같은 이중나선형의 코일에 와이어본딩(wire bonding) 작업하기가 용이하기 때문이다.

그리고, 제1코일 위 일부에 절연물질로 제1평탄화막(140)이 형성되어 있다. 이 때, 제1평탄화막은 제1절연막과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 다만, 제1코일의 단자가 노출되도록 형성되어야 한다. 왜냐하면, 추후 공정에서 제1코일의 단자에 와이어본딩(wire bonding)공정이 실시되어 인출선이 형성되기 때문이다. 또, 제1평탄화막 위에 제2자성막(150)이 형성되어 있다. 이 제2자성막과 제1평탄화막과 제1코일과 제1절연막과 제1자성막이 하나의 인덕터로서 작용한다. 본 발명은 제2자성막 위에 제2절연막(160)이라는 절연막이 하나 더 형성된다. 그리고, 제2절연막 위에 두 개의 단자를 갖는 제2코일(170)이 형성되어 있다. 이 때, 제2코일의 모양은 여러가지로 형성될 수 있으나, 제1코일과 비슷한 모양으로 형성된 것이 가장 무난하다. 제2코일 위 일부에 제1평탄화막과 동일하거나, 그에 상당하는 절연물질로 제2평탄화막(180)이 형성되어 있다. 이 때, 제2평탄화막은 제2코일의 단자가 노출되도록 형성되어 있다.

그리고, 제2평탄화막 위에 제3자성박막(190)이 형성되어 있다. 그래서, 제3자성박막과 제2평탄화막과 제2코일과 제2절연막과 제2자성박막이 두번째의 박막인덕터로서 작용한다. 그리고, 마지막으로 제1코일의 단자와 제2코일의 단자가 서로 와이어 본딩(wire bonding)(200)되어 있다. 즉, 제1코일과 제2코일이 직렬로 연결되었다는 것이다. 그래서, 제1박막인덕터와 제2박막인덕터가 하나의 인덕터로서 동작하게 된다. 결국 제1박막인덕터와 제2박막인덕터가 겹쳐진 모양으로 형성되어 하나의 박막인덕터로 구성된 것이 본 발명의 박막인덕터이다. 제1코일과 제2코일의 단자를 서로 와이어본딩할 때 사용된 금속은 저항이 낮은 알루미늄(Al) 또는, 금(Au) 중에서 적당한 것을 골라 사용하면 된다.

이하, 본 발명의 가장 적절한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명하면 다음과 같다. 도4a 내지 도4i는 도3의 I-I'의 단면을 나타낸 것이다.

(실시예1)

먼저 도4a에 나타낸 것과 같이 실리콘 웨이퍼(100) 위에 철(Fe) 또는, 코발트(Co)와 같은 연자성 금속으로 된 제1자성막(110)을 소정의 형태로 형성한다. 이 때, 이 제1자성막의 두께는 수십 ㎛ 정도의 수준으로 한다. 그 후, 도4b에 나타낸 것과 같이 제1자성막 위에 폴리이미드(polyimide) 또는, 포토레지스트와 같은 수지계통이나, 이산화규소(SiO₂) 또는 SiN 등과 같은 절연체로 된 박막을 도포하여 제1절연막(120)을 형성한다.

제1절연막이 형성되면, 도4c에 나타낸 것과 같이 금속으로 두 개의 단자를 가진 제1코일(130)을 형성한다. 이 제1코일은 전기도금 또는, 스퍼터링 등의 성막법으로 형성될 수 있다. 이 제1코일이 형성된 표면은 울퉁불퉁하므로, 자성막이 추가로 형성될 수 없다. 따라서 도4d에 나타낸 것과 같이 표면이 평평하도록 다시 절연체를 도포하여 제1평탄화막(140)을 형성한다. 이 때, 제1평탄화막이 제1코일의 단자를 가리지 않도록 해야 한다. 왜냐하면, 추후 공정에서 제1코일의 단자에 인출선(wire)이 연결되어야 하기 때문이다. 이 제1평탄화막은 폴리이미드를 사용하여 형성하는 것이 무방하나, 평탄화하기에 폴리이미드 보다 더 나은 물질이 있다면, 그것을 사용하는 것도 좋다. 다만, 너무 두껍게 형성되지 않도록 주의해야 한다.

이어서, 도4e∼도4g에 나타낸 것과 같이 제1평탄화막 위에 제2자성막(150), 제2절연막(160) 및 제2코일(170)을 차례로 형성한다. 이 공정은 상술한 도4a∼도4c의 공정과 동일하다. 제2코일이 형성되면, 도4h에 나타낸 것과 같이 제2코일 위 일부에 제2평탄화막(180)을 형성한다. 이 공정은 상술한 도4d의 공정과 동일하나, 제2평탄화막이 제2코일의 단자를 가리지 않도록 형성해야 한다. 그 이유는 추후, 제2코일의 단자에 인출선이 연결되어야 하기 때문이다.

그리고, 도4i에 나타낸 것과 같이 제2평탄화막 위에 제3자성막(190)을 형성한다. 이 공정도 도4a와 도4e에 나타낸 공정과 동일하다. 마지막으로 제1코일의 단자 하나와 제2코일의 단자 하나를 연결하면, 도3에 나타낸 것과 같은 본 발명의 박막인덕터가 완성된다.

(실시예2)

본 실시예2는 도5g에 나타낸 것과 같이 자성막이 연결된 구조로 된 것이 특징이다. 본 실시예의 박막인덕터 제조방법은 실시예1의 도4a∼도4d까지는 동일하다. 그러나, 제1평탄화막을 형성한 후, 도5a에 나타낸 것과 같이 패터닝하여 제1자성막의 일부를 노출시킨다.

그리고, 도5b에 나타낸 것과 같이 제2자성막(150)')을 도5a의 공정에서 노출된 제1자성막에 연결되도록 형성한다. 그 후, 도5c∼도5e에 나타낸 것처럼 제2절연막(160), 제2코일(170) 및 제2평탄화막(180)을 차례로 형성한다. 이 과정은 도4f∼도4h에 나타낸 공정과 동일하다. 그러나, 제2평탄화막을 형성한 후, 도5f에 나타낸 것과 같이 패터닝하여 제2자성막의 일부를 노출시킨다. 노출되는 부위는 어디라도 상관없다. 왜냐하면, 이미 제1자성막과 제2자성막은 연결된 상태이기 때문이다.

그리고, 도5g에 나타낸 것과 같이 제3자성막(190')을 도5f의 공정에서 노출된 제2자성막에 연결되도록 형성한다. 이로써, 제1자성막과 제2자성막 및 제3자성막이 모두 연결된 본 실시예2의 박막인덕터가 완성된다.

(실시예3)

본 실시예3은 제1코일과 제2코일 사이에 자성막이 두 개가 존재하는 것이 특징이다. 실시예1과 실시예2에 나타낸 박막인덕터는 제1코일과 제2코일 사이의 박막층이 제1평탄화막, 제2자성막, 제2절연막의 3층막으로 구성되어 있다. 허나, 본 발명은 그 박막이 도6에 나타낸 것과 같이 제1평탄화막(140), 층간자성막(300), 제3절연막(310), 제2자성막(150), 제2절연막(160)의 5층막으로 구성되어 있다. 즉, 실시예1과 실시예2의 박막인덕터는 제1코일과 제2코일 사이에 자성막이 한 층으로 구성되어 있으나, 실시예3의 박막인덕터는 그 자성막이 절연막으로 구분된 2층의 자성막으로 구성되어 있는 것이다.

본 실시예3의 박막인덕터는 실시예1에서 도4a∼도4f 까지의 공정을 마친 후, 도7a와 도7b에 나타낸 것처럼, 층간자성막과 제3절연막을 하나씩 더 형성한 후, 다시 도4g부터 도4i의 공정을 계속 진행하는 방법으로 제조된다.

본 발명의 박막인덕터는 동일한 면적을 가진 종래의 박막인덕터에 비해 인덕턴스가 높다. 그 이유는 코일의 회전수가 2배이기 때문이다. 인덕턴스는 회전수의 제곱에 비례하므로, 결국 동일한 면적을 가진 종래의 박막인덕터의 인덕턴스에 비해 본 발명의 박막인덕터의 인덕턴스는 약 4배 정도로 높다.

그리고, 본 발명은 제1코일과 제2코일의 단자를 연결하지 않으면, 2층의 코일이 2개의 인덕터로서 동작되므로, 2개의 인덕터를 동시에 제조하는 효과도 가져온다. 이것은 기판에서 박막인덕터의 면적을 줄이는 효과를 가져오므로, 부품의 소형화에 상당한 도움을 주는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 반도체 기판 위에 연자성 금속으로 제1자성막을 형성하는 단계;

   상기 제1자성막 위를 절연체로 도포하여 제1절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1절연막 위에 금속으로 제1코일을 형성하는 단계;

   상기 제1코일이 포함된 제1절연막 위 일부를 절연체로 도포하여 제1평탄화막을 형성하는 단계;

   상기 제1평탄화막 위에 다시 금속으로 제2자성막을 형성하는 단계;

   상기 제2자성막 위를 절연체로 도포하여 제2절연막을 형성하는 단계;

   상기 제2절연막 위에 금속으로 제2코일을 형성하는 단계;

   상기 제2코일이 포함된 제2절연막 위 일부를 절연체로 도포하여 제2평탄화막을 형성하는 단계; 그리고,

   상기 제2평탄화막 위에 다시 금속으로 제3자성막을 형성하는 단계가 포함된 박막인덕터 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2자성막을 형성하는 단계와 제2절연막을 형성하는 단계가

   상기 제1평탄화막 위에 금속으로 층간자성막을 형성하는 단계;

   상기 층간자성막 위에 제3절연막을 증착하는 단계;

   상기 제3절연막 위에 제2자성막을 형성하는 단계; 그리고,

   상기 제2자성막 위에 제2절연막을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막인덕터 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1코일의 한 단자와 상기 제2코일의 한 단자를 와이어본딩(wire bonding)하는 단계로 이루어진 박막인덕터 제조방법.
4. 반도체 기판 위에 연자성 금속으로 제1자성막을 형성하는 단계;

   상기 제1자성막 위를 절연체로 도포하여 제1절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1절연막 위에 금속으로 제1코일을 형성하는 단계;

   상기 제1코일이 포함된 제1절연막 위 일부를 절연체로 도포하고, 패터닝하여 상기 제1자성막의 일부가 노출되도록 제1평탄화막을 형성하는 단계;

   상기 제1평탄화막 위에 상기 노출된 제1자성막에 연결되도록 제2자성막을 형성하는 단계;

   상기 제2자성막 위를 절연체로 도포하여 제2절연막을 형성하는 단계;

   상기 제2절연막 위에 금속으로 제2코일을 형성하는 단계;

   상기 제2코일 위 일부를 절연체로 도포하고 패터닝하여 상기 제2자성막의 일부가 노출되도록 제2평탄화막을 형성하는 단계; 그리고,

   상기 제2평탄화막 위에 상기 노출된 제2자성막에 연결되도록 제3자성막을 형성하는 단계가 포함된 박막인덕터 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1코일의 한 단자와 상기 제2코일의 한 단자를 와이어본딩(wire bonding)하는 단계로 이루어진 박막인덕터 제조방법.
6. 반도체 기판 위에 형성된 제1자성막;

   상기 제1자성막 위에 형성된 제1절연막;

   상기 제1절연막 위에 두 개의 단자를 가지도록 형성된 제1코일;

   상기 제1코일의 단자를 가리지 않도록 상기 제1코일의 위 일부에 형성된 제1평탄화막;

   상기 제1평탄화막 위에 형성된 제2자성막;

   상기 제2자성막 위에 형성된 제2절연막;

   상기 제2절연막 위에 두 개의 단자를 가지도록 형성된 제2코일;

   상기 제2코일의 단자를 가리지 않도록 상기 제2코일의 위 일부에 형성된 제2평탄화막; 그리고,

   상기 제2평탄화막 위에 형성된 제3자성막이 포함된 박막인덕터.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1자성막과 제2자성막 및 제3자성막의 일부가 연결된 것을 특징으로 하는 박막인덕터.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제1평탄화막과 제2자성막 사이가 상기 제1평탄화막 위에 형성된 층간자성막; 그리고,

   상기 층간자성막 위에 형성된 제3절연막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막인덕터.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제1코일의 한 단자와 상기 제2코일의 한 단자를 연결하는 연결선이 포함된 박막인덕터.

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