KR100348443B1 - 유전체 공진기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체 공진기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래에는 microstrip 피드라인의 길이가 주파수대역의 파장길이에 비례함에 따라 유전체 공진기의 설계시 피드라인의 길이를 고려하지 않을 수 없게 되어 그 size 감소에 한계가 있는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 비아콘택을 통해 피드라인을 접지에 접촉시키는 유전체 공진기 및 그 제조방법을 제공하여 피드라인의 길이를 최소화할 수 있으며, 특성을 향상시킬 수 있게 되어 유전체 공진기의 소형화 및 고성능화에 기여함으로써, 그 유전체 공진기가 적용되는 이동통신 단말기의 소형화 및 고성능화에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

유전체 공진기 및 그 제조방법{RESONATOR USING CAVITY FILLED WITH HIGH DIELECTRIC PASTES AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 유전체 공진기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 초소형, 저가형 그리고 고성능 무선 및 이동 통신단말기의 집적화된 RF(radio frequency) 대역 여파기를 구현하기 위해 필요로 하는 유전체 공진기의 크기를 소형화함과 아울러 성능을 향상시키기에 적당하도록 한 유전체 공진기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 무선통신이나 초고주파통신에서 널리 사용되는 RF 대역 여파기를 제조함에 있어서, discrete type의 유전체 공진기가 사용되었다. 하지만, discrete type의 유전체 공진기는 사이즈(size)와 볼륨(volume)이 큰 단점으로 인해 초소형, 저가형 그리고 고성능의 차세대 무선 및 이동 통신단말기를 구현하기 위한 RF 대역 여파기의 제조에 적합하지 않다는 문제가 제기됨에 따라 최근에 silcon 기판을 식각하여 air 캐비티를 형성하고, 이를 이용하여 국부적으로 집적화된 air 캐비티 공진기를 제작함으로써, 웨이퍼 차원에서 대량 생산이 가능하도록 하는 연구가 진행되고 있다. 이와같은 air 캐비티 공진기는 높은 Q-factor를 갖고, 저가형으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 사용하고자 하는 특정 주파수에서 유효파장의 길이는 상기 캐비티 내에 채워진 재료의 유전상수에 반비례하며, 그 유효파장의 길이가 줄어들수록 공진기의 사이즈를 감소시킬 수 있는데, 유전상수가 1인 air는 유효파장의 길이에 아무런 영향을 주지 못함에 따라 air 캐비티 공진기는 특정주파수에서 유효파장의 길이에 따른 사이즈와 볼륨 감소의 한계를 갖게 된다.

따라서, 상기 캐비티 내에 손실이 적고 유전상수가 큰 유전체를 매질로 채워넣어 유효파장의 길이를 줄임으로써, 공진기의 사이즈를 감소시킬 수 있는 유전체 공진기가 제안되었다. 이와같은 종래의 유전체 공진기를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 및 도1b는 종래의 유전체 공진기를 보인 평면도 및 그 A-A선 단면도로서, 이에 도시한 바와같이 캐비티를 갖는 실리콘(또는 유리) 기판(1)의 상면에 형성된 박막의 제1금속층(2)과; 상기 제1금속층(2) 상의 캐비티에 채워진 유전체(3)와; 상기 유전체(3)가 채워진 캐비티를 포함하여 제1금속층(2)의 상면에 형성됨과 아울러 소정거리 이격되는 홈형태의 슬롯(4)을 통해 상기 유전체(3)가 채워진 캐비티의 상면이 부분적으로 노출되도록 형성된 제2금속층(5)과; 상기 유전체(3)가 채워진 캐비티의 노출된 영역 및 제2금속층(5)의 상면에 형성됨과 아울러 양 측면에 상기 제2금속층(5)과 접속되는 비아콘택(6)이 각기 구비된 절연막(7)과; 상기 절연막(7) 상부의 양 측면에 형성되어 비아콘택(6)을 통해 상기 제2금속층(5)과 각기 접속되어 접지된 접지판(8)과; 상기 절연막(6) 상부에 상기 슬롯(4)과 각각 교차하도록 패터닝된 2개의 microstrip 피드라인(9)으로 구성된다.

이때, 상기 2개의 microstrip 피드라인(9)의 패터닝되는 길이는 적용되는 주파수대역의 파장길이에 비례하므로, 그에 따른 일정한 길이가 요구된다.

따라서, air 캐비티 공진기는 캐비티 사이즈가 크기 때문에 피드라인의 길이에 영향을 받지 않지만, 상기한 바와같이 유전체(3)가 채워진 유전체 공진기의 경우에는 사이즈를 air 캐비티 공진기에 비해서 대폭 줄일 수 있게 됨에 따라 피드라인(9)의 길이가 유전체 공진기의 사이즈에 영향을 미칠 뿐만 아니라 그 성능에도 영향을 미치게 된다.

상술한 바와같이 종래의 유전체 공진기는 사이즈를 air 캐비티 공진기에 비해 대폭 줄일 수 있게 되었지만, microstrip 피드라인의 길이가 주파수대역의 파장길이에 비례함에 따라 유전체 공진기의 설계시 피드라인의 길이를 고려하지 않을 수 없게 되어 그 사이즈 감소에 한계가 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 피드라인의 길이를 대폭 감소시킴과 아울러 그 성능 또한 향상시킬 수 있는 유전체 공진기 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도1a 및 도1b는 종래의 유전체 공진기를 보인 평면도 및 그 A-A선 단면도.

도2는 본 발명에 의한 유전체 공진기를 보인 평면도.

도3a 내지 도3e는 도2의 A-A선 단면에 따른 일 예시 공정수순 단면도.

도4a 내지 도4f는 도2의 A-A선 단면에 따른 다른 예시 공정수순 단면도.

도5a 및 도5b는 종래 microstrip 피드라인을 적용한 유전체 공진기와 본 발명에 의한 비아콘택 접속 피드라인을 적용한 유전체 공진기의 특성을 시뮬레이션한 비교 그래프도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

11:실리콘기판 12:캐비티

17:절연막 18A∼18D:비아콘택

19A,19B:접지판 20A,20B:피드라인

먼저, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유전체 공진기는 기판에 매립됨과 아울러 제1금속층에 의해 기판과 격리된 캐비티 내에 채워진 유전체와; 상기 유전체의 상면에 제1금속층과 접속되도록 형성되며, 유전체의 일부를 노출시키는 홀(hole) 형태의 슬롯이 구비된 제2금속층과; 상기 노출된 유전체를 포함하여 제2금속층 상부에 형성되며, 제2금속층과 접속되는 다수개의 비아콘택이 이격 구비된 절연막과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성되며, 그 영역에 구비된 비아콘택을 통해 제2금속층과 각각 접속되어 접지된 접지판과; 상기 절연막 상부의 중앙에 이격 패터닝되며, 그 영역에 구비된 비아콘택을 통해 제2금속층과 각각 접속되는 피드라인을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유전체 공진기 제조방법의 제1실시예는 기판의 일부를 식각하여 캐비티를 형성한 다음 상부전면에 박막의 제1금속층을 형성하는 공정과; 상기 제1금속층 상부에 유전체를 형성한 다음 평탄화하여 상기 캐비티를 채우는 공정과; 상기 유전체 및 제1금속층 상부에 유전체의 일부를 노출시키는 슬롯이 구비된 제2금속층을 형성하는 공정과; 상기 슬롯에 의해 노출된 유전체를 포함하여 제2금속층 상부에 절연막을 형성하는 공정과; 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 제2금속층이 노출되도록 콘택홀을 다수개 형성하고, 그 콘택홀 내에 금속물질을 채워 비아콘택을 형성하는 공정과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성된 비아콘택과 접속되어 접지되는 금속재질의 접지판을 패터닝함과 동시에 그 절연막 상부의 중앙에 형성된 비아콘택과 접속되도록 금속재질의 피드라인을 이격 패터닝하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유전체 공진기 제조방법의 제2실시예는 기판 상에 홈 형태의 슬롯을 갖도록 제1금속층을 패터닝하는 공정과; 상기 결과물의 상부에 절연막을 형성한 다음 정해진 영역을 식각하고, 금속물질을 채워 제1금속층과 접속되는 다수의 비아콘택을 형성하는 공정과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성된 비아콘택과 접속되어 접지되는 금속재질의 접지판을 패터닝함과 동시에 그 절연막 상부의 중앙에 형성된 비아콘택과 접속되도록 금속재질의 피드라인을 이격 패터닝하는 공정과; 상기 기판의 배면을 식각하여 캐비티를 형성한 다음 기판의 배면 및 캐비티의 측면에 상기 제1금속층과 일부가 접속되도록 제2금속층을 형성하는 공정과; 상기 캐비티 내에 유전체를 채운 다음 그 유전체의 배면에 제3금속층을 형성하는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도2는 본 발명에 의한 유전체 공진기의 평면도로서, 그 제1실시예를 A-A선 단면에 따른 도3a 내지 도3e의 공정수순 단면도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도3a에 도시한 바와같이 실리콘기판(11)을 식각하여 캐비티(12)를 형성한 다음 상부전면에 박막의 제1금속층(13)을 형성한다.

그리고, 도3b에 도시한 바와같이 상기 제1금속층(13) 상에 고유전율을 갖는 유전체(14)를 형성한 다음 열처리(curing)를 통해 솔벤트(solvent)를 제거하고, 상기 캐비티(12) 내에 채워지도록 절연재료를 사용하여 평탄화한다.

그리고, 도3c에 도시한 바와같이 상기 캐비티(12) 내에 채워진 유전체(14)를 포함하여 제1금속층(13)의 상면에 2개의 홀 형태로 이격되어 유전체(14)를 부분적으로 노출시키는 커플링 슬롯(16A,16B)이 구비된 제2금속층(15)을 형성한다.

그리고, 도3d에 도시한 바와같이 상기 커플링 슬롯(16A,16B)이 형성된 제2금속층(15)의 상면에 절연막(17)을 형성하여 열처리한 다음 선택적인 식각을 통해 커플링 슬롯(16A,16B)의 이격된 영역에 서로 이격되는 콘택홀을 형성하여 제2금속층(15)을 노출시킴과 동시에 절연막(17)의 좌우 가장자리에 콘택홀을 형성하여 제2금속층(15)을 노출시키고, 콘택홀 내에 전기도금을 통해 고전도율의 금속물질을 채워 비아콘택(18A∼18D)을 형성한다.

그리고, 도3e에 도시한 바와같이 상기 비아콘택(18A∼18D)을 포함하여 절연막(17)의 상부에 감광막을 도포, 노광 및 현상하여 패터닝하고, 전기도금을 통해 금속물질을 채운 다음 감광막을 제거함으로써, 비아콘택(18A,18D)과 접속되는 접지판(19A,19B)을 형성함과 동시에 비아콘택(18B,18C)과 접속되는 피드라인(20A,20B)을 이격 형성한다.

상기한 바와같은 본 발명의 제1실시예에 따른 유전체 공진기는 도2 및 도3e에 도시한 바와같이 실리콘기판(11)에 매립됨과 아울러 제1금속층(13)에 의해 기판(11)과 격리된 캐비티 내에 채워진 유전체(14)와; 그 유전체(14)의 상면에 제1금속층(13)과 접속되도록 형성되며, 유전체(14)의 일부를 노출시키는 홀 형태의 슬롯이 구비된 제2금속층(15)과; 상기 노출된 유전체(14)를 포함하여 제2금속층(15) 상부에 형성되며, 제2금속층(15)과 접속되는 다수개의 비아콘택(18A∼18D)이 이격 구비된 절연막(17)과; 그 절연막(17) 상부의 좌우 가장자리에 형성되며, 그 영역에 구비된 비아콘택(18A,18D)을 통해 제2금속층(15)과 각각 접속되어 접지된 접지판(19A,19B)과; 그 절연막(17) 상부의 중앙에 이격 패터닝되며, 그 영역에 구비된 비아콘택(18B,18C)을 통해 제2금속층(15)과 각각 접속되는 피드라인(20A,20B)으로 구성된다.

한편, 본 발명에 의한 유전체 공진기의 제2실시예를 상기 도2의 평면도 및 그 A-A선 단면에 따른 도4a 내지 도4f의 공정수순 단면도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고로, 본 발명의 제1실시예에 따른 완성도인 상기 도3e와 후술할 본 발명의 제2실시예에 따른 완성도인 도4f의 평면도는 상기 도2에 도시한 바와같이 동일하게 도시되지만, 편의상 도2의 각 부분에 대한 부호는 도4f를 고려하지 않고, 상기 도3e의 일치하는 부분과 동일하게 표기하였다.

먼저, 도4a에 도시한 바와같이 실리콘기판(21)의 상면에 2개의 홀 형태로 이격되어 실리콘기판(21)을 부분적으로 노출시키는 커플링 슬롯(22A,22B)이 구비된 제1금속층(23)을 형성한다.

그리고, 도4b에 도시한 바와같이 상기 커플링 슬롯(22A,22B)이 구비된 제1금속층(23)을 포함하는 실리콘기판(21)의 상부전면에 절연막(24)을 형성하고, 선택적 식각을 통해 커플링 슬롯(22A,22B)의 이격된 영역에 서로 이격되는 콘택홀을 형성하여 제1금속층(23)을 노출시킴과 동시에 절연막(24)의 좌우 가장자리에 콘택홀을 형성하여 제1금속층(23)을 노출시키고, 콘택홀 내에 전기도금을 통해 고전도율의 금속물질을 채워 비아콘택(25A∼25D)을 형성한다.

그리고, 도4c에 도시한 바와같이 상기 비아콘택(25A∼25D)을 포함하여 절연막(24)의 상부에 감광막을 도포, 노광 및 현상하여 패터닝하고, 전기도금을 통해 금속물질을 채운 다음 감광막을 제거함으로써, 비아콘택(25A,25D)과 접속되는 접지판(26A,26B)을 형성함과 동시에 비아콘택(25B,25C)과 접속되는 피드라인(27A,27B)을 이격 형성한다.

그리고, 도4d에 도시한 바와같이 상기 비아콘택(25A,25D)과 접속되는 제1금속층(23)의 커플링 슬롯(22A,22B)과 인접하는 일부 영역이 노출되도록, 그리고 중간에 하나의 턱을 갖도록, 실리콘기판(21)의 배면을 2단계 식각하여 캐비티(28)를형성한다.

그리고, 도4e에 도시한 바와같이 상기 실리콘기판(21)의 식각된 측면과 배면 상에 선택적으로 형성함과 아울러 상기 제1금속층(23)의 노출된 영역과 접속되도록 제2금속층(29)을 형성한다.

그리고, 도4f에 도시한 바와같이 상기 실리콘기판(21)의 중간에 구비된 턱까지 고유전율을 갖는 유전체(30)를 채우고, 열처리하여 솔벤트를 제거한 다음 그 채워진 유전체(30)의 배면에 전기도금을 통해 제3금속층(31)을 선택적으로 형성하여 외부로부터 격리시킨다.

한편, 도5a 및 도5b는 종래 microstrip 피드라인을 적용한 유전체 공진기와 본 발명에 의한 비아콘택 접속 피드라인을 적용한 유전체 공진기의 특성을 시뮬레이션한 비교 그래프도로서, 그 주파수에 따른 대역폭 특성이 향상되었음을 알 수 있다.

상술한 바와같은 본 발명에 의한 유전체 공진기는 비아콘택을 통해 피드라인을 접지에 접촉시킴에 따라 피드라인의 길이를 최소화할 수 있으며, 특성을 향상시킬 수 있게 되어 유전체 공진기의 소형화 및 고성능화에 기여함으로써, 그 유전체 공진기가 적용되는 이동통신 단말기의 소형화 및 고성능화에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 기판에 매립됨과 아울러 제1금속층에 의해 기판과 격리된 캐비티(cavity) 내에 채워진 유전체와; 상기 유전체의 상면에 제1금속층과 접속되도록 형성되며, 유전체의 일부를 노출시키는 홀 형태의 슬롯이 구비된 제2금속층과; 상기 노출된 유전체를 포함하여 제2금속층 상부에 형성되며, 제2금속층과 접속되는 다수개의 비아콘택이 이격 구비된 절연막과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성되며, 그 영역에 구비된 비아콘택을 통해 제2금속층과 각각 접속되어 접지된 접지판과; 상기 절연막 상부의 중앙에 이격 패터닝되며, 그 영역에 구비된 비아콘택을 통해 제2금속층과 각각 접속되는 피드라인을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
2. 기판의 일부를 식각하여 캐비티를 형성한 다음 상부전면에 박막의 제1금속층을 형성하는 공정과; 상기 제1금속층 상부에 유전체를 형성한 다음 평탄화하여 상기 캐비티를 채우는 공정과; 상기 유전체 및 제1금속층 상부에 유전체의 일부를 노출시키는 슬롯이 구비된 제2금속층을 형성하는 공정과; 상기 슬롯에 의해 노출된 유전체를 포함하여 제2금속층 상부에 절연막을 형성하는 공정과; 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 제2금속층이 노출되도록 콘택홀을 다수개 형성하고, 그 콘택홀 내에 금속물질을 채워 비아콘택을 형성하는 공정과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성된 비아콘택과 접속되어 접지되는 금속재질의 접지판을 패터닝함과 동시에 그 절연막 상부의 중앙에 형성된 비아콘택과 접속되도록 금속재질의 피드라인을 이격 패터닝하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기의 제조방법.
3. 기판 상에 홈 형태의 슬롯을 갖도록 제1금속층을 패터닝하는 공정과; 상기 결과물의 상부에 절연막을 형성한 다음 정해진 영역을 식각하고, 금속물질을 채워 제1금속층과 접속되는 다수의 비아콘택을 형성하는 공정과; 상기 절연막 상부의 좌우 가장자리에 형성된 비아콘택과 접속되어 접지되는 금속재질의 접지판을 패터닝함과 동시에 그 절연막 상부의 중앙에 형성된 비아콘택과 접속되도록 금속재질의 피드라인을 이격 패터닝하는 공정과; 상기 기판의 배면을 식각하여 캐비티를 형성한 다음 기판의 배면 및 캐비티의 측면에 상기 제1금속층과 일부가 접속되도록 제2금속층을 형성하는 공정과; 상기 캐비티 내에 유전체를 채운 다음 그 유전체의 배면에 제3금속층을 형성하는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기의 제조방법.