KR100351806B1 - 가변 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커패시터의 크기가 작으면서도 큰 용량과 높은 공진 주파수를 가져 고주파 대역에서 사용 가능하며, 또한 자유로이 커패시터의 용량 조절이 가능하도록 하기 위한 것으로서, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 제 1 금속층과, 상기 제 1 금속층 위에 제 1 강유전 물질로 형성된 제 1 유전막과, 상기 제 1 유전막 위 한쪽 끝단의 일부영역이 노출되도록 형성된 제 2 금속층과, 상기 노출된 제 1 유전체와 연결되도록 상기 제 2 금속층 위에 제 2 강유전 물질로 형성된 제 2 유전막과, 상기 제 2 유전막 위에 형성된 제 3 금속층을 포함하여 구성되며, 기계적으로 움직이는 전극없이 DC 바이어스 전압으로 커패시턴스 값을 변화시킬 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로 수동소자에 관한 것으로, 특히 고주파용 가변 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 수동소자는 멀티칩 모듈(multichip modules), 또는 일반적인 전자 시스템에서 쓰이고 있는 소자로 저항(resistor), 커패시터(capacitor), 인덕터(inductor), 그리고 트랜스포머(transformer)등이 있다.
이 중 고주파 대역에서 많이 쓰이고 있는 커패시터의 일반적인 구조는 MIM(Metal/Insulator/Metal), 즉 도체/절연체/도체로 이루어진 소자로써, 현재 널리 사용되는 절연체(insulator)는 실리콘 질화물(silicon nitride)이 사용된다.
하지만, 상기 실리콘 질화물은 그 유전율(relative dielectric constant)이 6 ~ 8 [F/m]으로 낮기 때문에 높은 커패시턴스를 필요로 하는 경우 커패시터의 사이즈(size)를 크게 해야만 한다.
이때 상기 커패시터의 사이즈(size)를 크게 하면 수동과 능동소자의 결합으로 집적화된 회로 모듈의 사이즈 역시 커지고, 또한 커패시터의 공진 주파수가 낮아짐에 따라 사용주파수 대역이 낮아지게 된다.
또한 주파수 가변을 위해서는 커패시턴스의 값이 변화해야하는데 상기 MIM 커패시터의 경우 커패시턴스의 값이 고정되어 있기 때문에 주파수 가변을 위해서는 사용할 수가 없다.
따라서 최근에 마이크로머신닝(micromachining)이라는 신기술의 발달로 커패시터의 전극을 기계적으로 움직여서 커패시턴스의 값을 변화시키는 콤(comb) 구조의 가변 커패시터와 브릿지(bridge) 구조의 가변 커패시터가 연구, 개발되고 있다.
다시 말하면 인가한 전압에 의해서 발생된 정전기력에 의해서 어느 한쪽의 금속판이 움직이게 되고, 상기 금속판의 움직임에 의해서 커패시턴스가 변화하게된다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 가변 커패시터는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 상기 MIM 커패시터는 커패시턴스의 값이 고정되어 있기 때문에 주파수 가변으로 사용할 수 없는 문제가 있다.
둘째, 상기 콤 구조 및 브릿지 구조의 가변 커패시터는 신뢰도가 좋지 않을 뿐만 아니라 움직이는 금속판을 만들어야 하는 공정상의 어려움 때문에 수율이 낮아지는 문제가 있다.
셋째, 금속막을 정전기력에 의해서 움직이기 위해서는 높은 전압이 필요로 되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 커패시터의 크기가 작으면서도 큰 용량과 높은 공진 주파수를 가져 고주파 대역에서 사용이 가능하고, 또한 커패시터의 용량을 자유로이 조절할 수 있는 가변 커패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 가변 커패시터의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 가변 커패시터의 단면도
도 3 은 본 발명에 따른 가변 커패시터의 평면도
도 4와 도 1을 집중 모듈(lumped model)로 나타낸 구성도
도 5 는 본 발명에 따른 가변 커패시터의 공정도
도 6 은 본발명에 따른 전압과 커패시턴스의 관계를 나타낸 그래프
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 4, 5, 8 : 금속층
2, 6, 7 : 유전막
3 : 기판
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 커패시터의 특징은 기판과, 상기 기판 위에 형성된 제 1 금속층과, 상기 제 1 금속층 위에 제 1 강유전 물질로 형성된 제 1 유전막과, 상기 제 1 유전막 위 한쪽 끝단의 일부영역이 노출되도록 형성된 제 2 금속층과, 상기 노출된 제 1 유전체와 연결되도록 상기 제 2금속층 위에 제 2 강유전 물질로 형성된 제 2 유전막과, 상기 제 2 유전막 위에 형성된 제 3 금속층을 포함하여 구성되는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 커패시터의 제조방법의 특징은 기판 위에 금속체를 증착하고 패터닝하여 제 1 금속층을 형성하는 공정, 전면에 강유전 물질을 증착하고 패터닝하여 제 1 유전막을 형성하는 공정, 전면에 금속체를 증착하고 패터닝하여 상기 제 1 유전막의 한쪽 끝단이 일정영역 노출되도록 제 2 금속층을 형성하는 공정, 상기 노출된 제 1 유전막과 연결되도록 강유전 물질을 증착하고 패터닝하여 제 2 유전막을 형성하는 공정, 및 전면에 금속체를 증착하고 패터닝하여 상기 제 2 유전막의 한쪽 끝단이 일정영역 노출되도록 제 3 금속층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는데 있다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 여러 개의 커패시터를 동일 면적상에 적층하여 병렬 형태로 구성함으로써 작은 크기와 높은 용량을 갖으며, 또한 커패시터의 용량을 변화시켜 주파수를 튜닝할 수 있도록 스트론튬 산화물과 같은 강유전체 물질을 금속사이에 유전물질로 사용함으로써, 커패시터에 DC 바이어스 전압을 인가하면 강유전체 물질의 유전율의 변화로 커패시터의 용량을 가변시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 가변 커패시터의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 가변 커패시터의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변 커패시터의 단면도이다.
그리고 도 3 은 본 발명에 따른 가변 커패시터의 평면도이다.
도 1에서 나타낸 것과 같이 작은 사이즈(size)에서 높은 커패시턴스를 갖기 위해서 여러 개의 커패시터를 병렬로 연결하였다.
이렇게 병렬로 연결된 커패시터는 도 2와 같이 기판(3) 위에 제 1 금속층(4)을 형성하고, 상기 제 1 금속층(4) 위에 강유전 물질로 형성된 제 1 유전막(6)과, 상기 제 1 유전막(6) 위 한쪽 끝단의 일부영역이 노출되도록 형성된 제 2 금속층(5)과, 상기 노출된 제 1 유전막(6)과 연결되도록 상기 제 2 금속층(5) 위에 제 2 강유전 물질로 형성된 제 2 유전막(7)과, 상기 제 2 유전막(7) 위에 형성된 제 3 금속층(8)으로 구성된다.
그리고 도 1의 커패시터는 도 4와 같이 집중 모듈(lumped model)로 나타낼 수 있다.
이와 같이 커패시터의 커패시턴스를 변화시켜 주파수를 동조(tuning)하는 가변 커패시터를 만들기 위해서 STO(Strontium Titanate Oxide)와 BSTO(Barium Strontium Titanate Oxide)같은 강유전 물질을 이웃하는 금속사이에 질화물(nitride) 대신에 유전체로 사용한다.
이때 사용되는 상기 STO와 BSTO 같은 강유전 물질을 이용한 커패시터는 DC 바이어스 전압에 의해서 유전율이 변화함으로써, 기존의 기계적인 움직임에 의해서 커패시턴스가 변화하는 가변 커패시터와는 달리 움직이는 금속판 없이 커패시턴스가 변화한다.
또한 상기 STO와 BSTO 같은 강유전체 물질은 종래의 질화물보다 20 배 이상의 높은 유전율을 가지고 있을 뿐만 아니라 수십 GHz의 주파수까지도 일정한 유전율을 갖기 때문에 고주파대역에서도 널리 사용될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 가변 커패시터의 공정 순서도로서, 먼저 도 5 a와 같이 절연기판(3) 위에 Ti/Pt 또는 Ti/Pt/Au/Pt를 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 패턴(4)을 형성한다.
이때 패턴된 금속이 제 1 금속층(4)이다.
상기 리프트 오프(lift-off) 공정은 기판(3) 위에 포토레지스트를 코팅하고 포토리소그라피 공정으로 패턴을 형성한 후, 증발 식각(evaporator)을 이용하여 금속을 증착하여 아세톤에 담가 놓으면 패턴된 부분은 금속이 남아있고 패턴되지 않은 부분은 상기 포토레지스트가 제거되면서 금속도 같이 제거되는 공정이다.
여기서 리프트 오프 공정을 사용하는 이유는 백금(platinum : Pt)의 식각이 쉽지 않기 때문이다.
이어 도 5 b와 같이 전면에 유전체 물질인 STO, BSTO를 증착하고 포토리소그라피(photolithography)공정을 이용하여 패터닝한 후, 포토레지스트 마스크와 BOE 또는 묽은 불산 용액을 이용하여 선택적으로 식각하여 패턴(6)을 형성한다.
이때 패턴된 유전체가 제 1 유전막(6)이다.
그리고 도 5 c와 같이 전면에 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 Pt/Ti 또는 Pt/Au/Ti를 패터닝하여 상기 제 1 유전막(6)의 한쪽 끝단이 일정영역 노출되도록 형성한다.
이때 패턴된 금속이 제 2 금속층(5)이다.
이어 도 5 d와 같이 상기 노출된 제 1 유전막(6)과 연결되도록 유전물질인 STO, BSTO를 증착하고 포토리소그라피 공정을 이용하여 패터닝한 후, 포토레지스트 마스크와 BOE 또는 묽은 불산 용액을 이용하여 선택적 식각으로 패턴(7)을 형성한다.
이때 패턴된 유전체가 제 2 유전막(7)이다.
그리고 도 5 e와 같이 전면에 리프트 공정을 이용하여 Pt/Ti/Au를 패터닝하여 상기 제 2 유전막(7)의 한쪽 끝면에 일정영역 노출되도록 형성한다.
이때 패턴된 금속이 제 3 금속층(8)이다.
커패시터의 커패시턴스를 증가시키기 위해서는 상기 공정을 반복하여 더 많은 커패시터를 병렬 연결시켜 적층시킨다.
따라서, 도 6 과 같이 전압을 조절하여 커패시턴스를 조절할수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 가변 커패시터 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, DC 바이어스 전압에 의해 강유전 물질의 유전율을 변화시킴으로써 기계적으로 움직이는 금속막 없이 커패시턴스를 변화시킬 수 있다.
둘째, 강유전 물질을 사용한 가변 커패시터는 기존의 가변 커패시터에서 사용되었던 질화물(nitride)보다 높은 유전율과, 또한 높은 주파수에서 일정한 유전율을 갖기 때문에 고주파대역에서도 사용될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (6)
- 기판과,상기 기판 위에 형성된 제 1 금속층과,상기 제 1 금속층 위에 제 1 강유전 물질로 형성된 제 1 유전막과,상기 제 1 유전막 위 한쪽 끝단의 일부영역이 노출되도록 형성된 제 2 금속층과,상기 노출된 제 1 유전체와 연결되도록 상기 제 2 금속층 위에 제 2 강유전 물질로 형성된 제 2 유전막과,상기 제 2 유전막 위에 형성된 제 3 금속층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 강유전 물질 및 2 강유전 물질은 스트론튬 산화물인 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
- 기판 위에 금속을 증착하고 패터닝하여 제 1 금속층을 형성하는 공정,전면에 강유전 물질을 증착하고 패터닝하여 제 1 유전막을 형성하는 공정,전면에 금속을 증착하고 패터닝하여 상기 제 1 유전막의 한쪽 끝단이 일정영역 노출되도록 제 2 금속층을 형성하는 공정,상기 노출된 제 1 유전막과 연결되도록 강유전 물질을 증착하고 패터닝하여 제 2 유전막을 형성하는 공정, 및전면에 금속을 증착하고 패터닝하여 상기 제 2 유전막의 한쪽 끝단이 일정영역 노출되도록 제 3 금속층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 금속, 제 2 금속, 및 제 3 금속과 제 1 유전막, 제 2 유전막 형성공정을 반복하여 다수개의 다른 금속층과 유전막을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속은 Ti/Pt 또는 Ti/Pt/Au/Pt로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 강유전 물질은 스트론튬 산화물(Strontium Titanate Oxide : STO, Barium STO : BSTO)로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터의 제조방법.
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