KR100370061B1 - 인덕터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
인덕터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 형성된 소정 형상의 금속선과, 상기 금속선 중심에 형성된 세라믹 계통의 연자성체로 이루어진 코어를 포함하여 구성된다. 여기서, 금속선은 나선형태와 솔레노이드형태로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 인덕터 코어 물질을 세라믹 계통의 연자성체를 사용함으로서, 자성체 물질에 의한 전원 손실을 줄이고, 인덕턴스나 Q 값을 향상시키며, 보다 집적화 할 수 있다.
Description
본 발명은 인덕터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, RF용 인덕터 및 그제조방법에 관한 것이다.
최근 무선 이동 통신 시장의 급격한 성장과 함께, 성능이 우수하고, 가격이 싸며, 크기가 작은 이동 통신 단말기의 개발에 많은 관심이 집중되고 있다.
일반적으로, RF 집적 회로(Radio Frequency Integrated Circuits) 설계에 있어서는 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 인덕터가 요구되는데, 이 때 인덕터의 인덕턴스(inductance)뿐만 아니라, Q 값(Quality factor)은 정합 회로의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
이러한 요구 조건을 만족시키기 위해, 이동 통신용 RF 회로 소자들의 성능 향상 및 기판에 인덕터를 집적하는 이른바 온칩 집적(On-chip integration)에 관한 많은 연구가 진행중이고, 능동 소자 및 정합 회로를 한 칩에 집적하기 위한 시도가 활발히 전개되고 있다.
이러한 RF 소자들 중에서, 특히 RF용 고성능 인덕터는 저 잡음 RF 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator:VCO), 저 손실 임피던스 정합 네트워크(impedance matching network), 수동 필터(passive filter) 및 전원 증폭기(power amplifier)용 유도 부하(inductive load) 등으로 사용되는 매우 중요한 수동 소자이다.
종래의 RF용 인덕터로는 칩 인덕터와 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 RF 회로 상에 제작하는 온칩 인덕터가 있다.
RF용 칩 인덕터의 경우, 성능에 앞서 그 체적이 MEMS 기술을 이용한 온칩 인덕터에 비해 훨씬 클 뿐만 아니라, 표준 반도체 공정으로 제작되는 것이 아니기 때문에 RF 회로 상에 추가로 칩 인덕터를 연결하면서 발생하는 문제점들이 있다.
또한, 기존에 알려진 칩 인덕터의 경우 인덕터의 코어(core) 물질이 강자성체(hard magnet material) 물질이기 때문에 고주파에서의 특성이 나쁘고, 강자성체에 의한 전원 손실(power loss)이 연자성체(soft magnet material)에 비해 상대적으로 큰 문제점이 있다.
일반적인 MEMS 기술을 이용한 온칩 인덕터의 경우 기판 위에 뜬 3차원 구조를 기반으로 제작되어진 나선(spiral)형과 솔레노이드(solenoid)형이 있다.
이와 같이 3차원 구조로 제작된 RF 인덕터의 경우, 기판과의 용량성(capacitive) 또는 유도성 결합(inductive copling)에 의한 손실을 줄일 수 있으며, 온칩 집적이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고 좀더 큰 인덕턴스와 Q 값을 갖는 인덕터의 개발이 필요한 상태이다.
이는 Q 값이 높을수록 전압 제어 발진기와 대역 통과 필터의 주파수 특성이 안정화되고, 손실이 줄어들기 때문이다.
도 1은 종래 기술에 따른 인덕터의 구조단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, MEMS 기술을 기반으로 자기 코어(magnetic core)를 갖는 인덕터는 코어 물질로 강자성체인 알루미나(alumina)를 사용하였으며, 이 알루미나는 알루미나 시트(sheet)를 다이싱(dicing)하여 사용한다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 인덕터 및 그 제조방법은 다음과같은 문제점이 있다.
첫째, 종래에는 솔레노이드형 RF 인덕터만을 제작할 수밖에 없다는 한계점이 있다.
둘째, 코어 물질이 크고 벌크(bulk) 형태로 미리 가공되어져야 하므로, 코어를 올릴 때 매우 섬세한 위치 조정이 필요하고, 코어 물질 선택에 있어서 제한이 있기 때문에, 공정 상 어려움이 있다.
셋째, 강자성체를 사용함으로서, 자성체 물질에 의한 전원 손실이 크고, 인덕턴스나 Q 값이 작아, 고 주파수 대역에서 인덕터가 캐피시터처럼 작용하기 때문에, GHz 대역의 고 주파수를 사용하는 RF회로에서는 사용하기가 힘들다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인덕터 코어 물질로 세라믹 계통의 연자성체를 사용함으로서, 자성체 물질에 의한 전원 손실을 줄이고, 인덕턴스나 Q 값을 향상시키며, 보다 집적화 할 수 있는 인덕터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인덕터의 구조단면도.
도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 인덕터의 평면도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 인덕터의 평면도 및 단면도.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 인덕터의 제조 공정단면도.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 제 2실시 예에 따른 인덕터의 제조 공정단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201, 301 : 기판 203 : 1차 금속선
202, 204, 206, 302, 304, 307 : 시드층 208, 306 : 코어
205, 305 : 스루 홀(through hole) 303 : 하부 금속선
207 : 2차 금속선 307 : 상부 금속선
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인덕터 및 그 제조방법의 특징은 기판 상에 형성된 소정 형상의 금속선과, 상기 금속선 중심에 형성된 세라믹 계통의 연자성체로 이루어진 코어를 포함하는데 있다.
여기서, 금속선은 나선형, 또는 솔레노이드형으로 이루어진다.
본 발명의 또 따른 특징은 기판 상에 제 1금속선을 형성하는 단계와, 제 1금속선 상에 스루 홀을 형성하는 단계와, 스루 홀에 의해 상기 제 1금속선과 연결된나선형의 제 2금속선을 형성하는 단계와, 제 2금속선의 중심에 세라믹 계통의 연자성체로 이루어진 코어를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
여기서, 제 1금속선, 스루 홀, 제 2금속선은 각각 폴리이미드 몰드에 의한 전기 도금법에 의해 형성된다.
또한, 코어는 제 1마스크 및 제 2마스크를 형성하는 단계와, PLD 방법으로 연자성체를 증착하는 단계와, 제 2마스크를 리프트 오프하는 단계와, 제 1마스크를 제거하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 특징은 기판 상에 제 1금속선을 형성하는 단계와, 제 1금속선 상에 세라믹 계통의 연자성체로 이루어진 코어를 증착하는 단계와, 제 1금속선 상에 스루 홀을 형성하는 단계와, 연자성체 상에 스루 홀을 통해 제 1금속선과 연결된 솔레노이드 형상의 제 2금속선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
여기서, 제 1금속선, 스루 홀, 제 2금속선을 형성하는 단계는 폴리이미드 몰드에 의한 전기도금법에 의해 형성된다.
또한, 코어는 제 1마스크 및 제 2마스크를 형성하는 단계와, PLD 방법으로 연자성체를 증착하는 단계와, 제 2마스크를 리프트 오프하는 단계와, 제 1마스크를 제거하는 단계로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 인덕터 코어 물질을 세라믹 계통의 연자성체를 사용함으로서, 자성체 물질에 의한 전원 손실을 줄이고, 인덕턴스나 Q 값을 향상시키며, 보다 집적화 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 인덕터 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에서 제작하고자 하는 구체적인 소자 구조는 도 2 및 도 3과 같다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 나선(spiral)형 인덕터의 평면도이다.
그리고, 도 2b는 도 2a에 도시된 인덕터의 A-A' 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 나선형 인덕터는 기판(201) 위에 형성된 시드층(202)및 1차 금속선(203)과, 1차 금속선(203) 위에 형성된 시드층(204) 및 스루 홀(through hole)(205)과, 스루 홀(205)로 연결된 시드층(206) 및 나선형태의 2차 금속선(207)과, 금속선(203, 207) 중심에 위치한 YIG(Yttrium-Iron-Garnet)로 이루어진 코어(208)로 구성된다.
즉, YIG 코어(208)가 나선형태의 2차 금속선(spiral line)(207)의 중심에 위치하게 되며, 2차 금속선(207)은 1차 금속선(signal line)(203)과 스루 홀(through hole)(205)을 통해 연결되어 있다.
그리고, 스루 홀(205)은 나선 형태의 2차 금속선(207)이 3차원 입체적인 구조가 되도록 지탱하는 구조를 갖고 있다.
도 3a는 본 발명의 제 2실시 예에 따른 솔레노이드(solenoid)형 인덕터의 평면도이다.
그리고, 도 3b는 도 3a에 도시된 인덕터의 A-A' 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 솔레노이드형 인덕터는 기판(301) 위에 형성된 시드층(302) 및 하부 금속선(303)과, 하부 금속선(303) 위에 형성된 시드층(304) 및 YIG 코어(306)과, YIG 코어(306) 양쪽에 형성된 스루 홀(305)과, YIG 코어(306)와 스루 홀(305) 위에 형성된 시드층(307) 및 상부 금속선(winding line)(308)로 구성된다.
즉, 이 구조에서는 기판과 수평한 방향으로 솔레노이드(308)가 위치하게 되며, YIG 코어(306)가 솔레노이드(308)의 중심을 이루게 된다.
또한, 솔레노이드 코어인 YIG(306)의 하부를 지나는 하부 금속선(303)이 기판과 붙어 있으나, 이것은 하부 금속선(303)을 특정 부분에 기둥(post)를 세워 3차원 구조가 되도록 만들 수 있다.
여기서, YIG는 연자성체로서, 감자(減磁)하기 쉽고, 히스테리시스 손실이 적은 자성 재료로서, 잔류 자속값은 작고, 히스테리시스 곡선은 매우 가늘고 길며, 그 면적은 작다. 또한, 가공성이 좋고 기계적으로도 무른 재료가 많다.
위와 같은 구조를 갖는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 나선형 인덕터의 제조방법은 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명에 따른 나선형 인덕터의 제조과정을 나타내는 공정단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 하부 1차 금속선을 제작하기 위해기판(401) 위에 시드 금속(seed metal)(402)층과 폴리이미드(polyimide)(403)층을 형성한다.
이어, 도 4b에 도시한 바와 같이, 폴리이미드(403)층에 몰드(mold)(404)를 형성한다.
여기서, 하부 1차 금속선을 제작하기 위한 폴리이미드(403)는 YIG 증착 시의 기판 온도에서 견뎌야 하기 때문에 약 450℃ 이상의 좋은 내열성을 갖는 폴리이미드를 선택해야 한다.
그리고, 폴리이미드(403)의 몰드(404)는 Al로 이루어진 하드 마스크(hard mask)를 이용하여 포토리소그래피(photolithography)와 건식 식각 공정을 통해 형성할 수 있다.
폴리이미드(403)의 건식 식각 후, 남은 Al 마스크는 3% HF(HF:H2O=3:93)에서 제거하여 준다.
다음으로, 도 4c에 도시한 바와 같이, 몰드(404)를 이용하여 Au를 도금함으로서, 하부 1차 금속선(405)의 형태를 완성한다.
그리고, 도 4d 도시한 바와 같이, 위와 동일한 과정으로 시드층(406)과 폴리이미드층(407)을 순차적으로 형성하고, 폴리이미드 몰드를 형성한 후, Au를 도금함으로서, 스루 홀(408)을 형성한다.
또한, 도 4e에 도시한 바와 같이, 시드층(409)과 폴리이미드층(410)을 순차적으로 형성하고, 폴리이미드 몰드를 형성한 후, Au를 도금함으로서, 나선 형태의2차 금속선(411)을 형성한다.
다음으로, 도 4f에 도시한 바와 같이, 포토레지스트를 이용하여 Ti로 이루어진 제 1마스크(412)를 형성한다.
그리고, 도 4g에 도시한 바와 같이, 제 1마스크(412)를 이용하여 2차 금속선의 중심부에 형성된 폴리이미드(410)/시드(409)/폴리이미드(407)/시드(406)/폴리이미드(403)를 건식 식각을 통해 패터닝해준다.
폴리이미드(403,407,410)는 O2또는 Cl2/O2가스 분위기에서 컨밴셔녈 리액티브 이온 식각(conventional Reactive Ion Etching:RIE)으로 제거하고, 시드층(406,409)은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 리액티브 이온 식각를 이용하여 식각한다.
도 4h에 도시한 바와 같이, 리프트 오프(lift-off) 금속 몰드를 위한 포토레지스트를 입히고 패턴을 형성한 후 Ni로 이루어진 제 2마스크(413)를 도금한다.
여기서, 제 2마스크(413)의 도금은 리프트 오프를 효과적으로 하기 위해 몰드를 넘치도록 한다.
이 후, 포토레지스트를 제거하고, 도 4i에 도시한 바와 같이, PLD(Pulsed Laser Deposition)방법으로 YIG(414)를 증착한다.
그리고, 도 4j에 도시한 바와 같이, 제 2마스크(413)와 제 1마스크(412)를 제거하여 줌으로서, 불필요한 YIG를 제거한다.
여기서, 제 2마스크(413)는 선택적인 습식 식각에서 리프트 오프하여 제거한다.
도 4k에 도시한 바와 같이, 폴리이미드(403,407,410)와 시드(402,406,409)의 일부를 제거한 후, 폴리이미드 세척(ashing)을 통해 나선형 구조를 완성한다.
여기서, 폴리이미드(403,407,410)는 건식 식각을 통해 제거하고, 시드(402,406,409)는 습식 식각을 통해 제거한다.
최종적으로 짧은 시간동안 열처리(post-annealing)하여 줌으로써 본 발명의 제 1실시 예에 따른 인덕터의 제조공정을 완료한다.
그리고, 본 발명의 제 2실시 예에 따른 솔레노이드형 인덕터의 제조방법은 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명에 따른 솔레노이드 형태의 인덕터의 제조방법에 대한 제 2실시 예의 제조과정을 나타내는 공정단면도이다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이, 하부 금속선을 제작하기 위해 기판(501) 위에 시드 금속(502)층과 폴리이미드(503)층을 형성한다.
이어, 도 5b에 도시한 바와 같이, 폴리이미드(503)층에 몰드(504)를 형성한다.
다음으로, 도 5c에 도시한 바와 같이, 몰드(504)를 이용하여 Au를 도금함으로서, 하부 금속선(505)의 형태를 완성한다.
위와 같이 하부 금속선(505) 형성 후, 도 5d에 도시한 바와 같이, 시드(506)층과 폴리이미드(507)층을 형성하고, Al로 이루어진 제 1마스크(508)를 이용하여 폴리이미드(507)를 식각한다.
도 5e에 도시한 바와 같이, 제 1마스크(508) 위에 Ni로 이루어진 제 2마스크(509)를 도금한 후, 전면에 PLD 방법으로 YIG(510)를 증착한다.
본 발명의 제 2실시 예에 따른 솔레노이드 형태의 인덕터에서 코어의 형성 과정은 나선 형태의 인덕터와 비교하여, 폴리이미드 패터닝 시 제 1마스크 물질로 Ti 대신 Al을 사용하는 점이 다르다.
그리고, 시드금속은 여러 가지 조합이 가능하겠지만, 기본적으로 Ti/Au/Ti를 선택할 수 있으며, Ti/Au/Ti 시드를 사용할 경우 YIG 증착 전에 YIG용 시드(예를 들면, Au 등)를 증착하여야 한다.
도 5f에 도시한 바와 같이, 제 2마스크(509)와 제 1마스크(508)를 제거하여 줌으로서, 불필요한 YIG를 제거한 후, 스루 홀 형성을 위한 YIG(510) 양쪽의 폴리이미드(507)를 제거하여 몰드를 형성한다.
이어, 도 5g에 도시한 바와 같이, 도 5f에서 형성된 몰드에 Au를 도금함으로서, 스루 홀(512)을 형성한다.
도 5h에 도시한 바와 같이, 다시 시드(513)층과 폴리이미드(514)층을 형성하고, 폴리이미드 몰드를 형성하여, Au를 도금함으로서, 상부 금속선(515)을 형성한다.
그리고, 폴리이미드(514,507,503)와 시드(513,506,502)의 일부분을 제거하여 솔레노이드 형태의 인덕터를 완성한다.
여기서, 폴리이미드(514,507,503)는 건식 식각을 통해 제거하고, 시드(513,506,502)는 습식 식각을 통해 제거한다.
최종적으로 짧은 시간동안 열처리(post-annealing)하여 줌으로써 공정을 완료한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 인덕터 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 솔레노이드형 뿐만 아니라 나선형 RF 인덕터도 제작이 가능하고, 반도체 공정과 호환 가능한 공정이므로, 코어 물질을 벌크 형태가 아닌 PLD 방법으로 형성하기 때문에 코어 위치를 쉽게 조정할 수 있고, 종래의 고주파용 인덕터에 비해 상대적으로 좁은 면적을 차지하기 때문에, RF 회로에 직접 집적시킬 수 있다.
둘째, 코어 물질을 세라믹 계통의 연자성체를 사용함으로서, 자성체 물질에 의한 전원 손실을 줄일 수 있고, 연자성체가 부도체이므로, 인덕터 코어의 전면적에 다 채울 수 있어, 인덕턴스와 Q 값을 효과적으로 향상시킬 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 (15)
- 기판 상에 형성된 소정 형상의 금속선과,상기 금속선 중심에 형성된 세라믹 계통의 연자성체만으로 이루어진 코어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인덕터.
- 제 1항에 있어서,상기 금속선은 나선형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터.
- 제 1항에 있어서,상기 금속선은 솔레노이드형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터.
- 기판 상에 제 1금속선을 형성하는 단계;상기 제 1금속선 상에 스루 홀을 형성하는 단계;상기 스루 홀에 의해 상기 제 1금속선과 연결된 나선형의 제 2금속선을 형성하는 단계;상기 제 2금속선의 중심에 세라믹 계통의 연자성체만으로 이루어진 코어를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제 1금속선, 스루 홀, 제 2금속선은 각각 폴리이미드 몰드에 의한 전기 도금법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 코어는제 1마스크 및 제 2마스크를 형성하는 단계;PLD(Pulsed Laser Deposition)방법으로 연자성체를 증착하는 단계;상기 제 2마스크를 리프트 오프하는 단계;상기 제 1마스크를 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 연자성체 코어의 열처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 삭제
- 제 4항에 있어서,상기 연자성체 코어를 형성한 후, 불필요한 층을 제거하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 기판 상에 제 1금속선을 형성하는 단계;상기 제 1금속선 상에 세라믹 계통의 연자성체로 이루어진 코어를 증착하는 단계;상기 제 1금속선 상에 스루 홀을 형성하는 단계;상기 연자성체 상에 상기 스루 홀을 통해 제 1금속선과 연결된 솔레노이드 형상의 제 2금속선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 제 1금속선, 스루 홀, 제 2금속선을 형성하는 단계는 폴리이미드 몰드에 의한 전기도금법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 코어는제 1마스크 및 제 2마스크를 형성하는 단계;연자성체를 증착하는 단계;상기 제 2마스크를 리프트 오프하는 단계;상기 제 1마스크를 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 연자성체 코어의 열처리공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 제 2금속선을 형성한 후, 불필요한 층을 제거하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 연자성체를 증착하는 단계는 PLD 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조방법.
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