KR100446735B1 - 초소형 가변 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 가변 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 절연기판의 상에서 일측방향으로 긴 형상으로 위치하는 하부전극과; 상기 하부전극의 길이 방향에 대하여 각각 이격되어 수직으로 교차하며, 양끝단이 상기 절연기판 상에 고정된 복수의 리본형 상부전극으로 구성되는 초소형 가변 커패시터를 절연기판의 상부에 금속을 증착하고, 패터닝하여 일측 방향으로 긴 형태의 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계와; 상기 하부전극의 상부와 그 주변의 절연기판 일부에 희생층을 형성하는 희생층 형성단계와; 상기 구조의 상부전면에 질화막과 금속을 순차적으로 증착하고, 패터닝하여 상기 희생층의 상부에 중앙부 희생층의 길이방향과 수직으로 교차하며, 양측단부가 상기 절연기판의 상부일부에 위치하는 다수의 리본을 형성하는 리본 형성단계와; 상기 희생층을 선택적으로 식각하는 희생층 제거단계로 구성되는 제조방법을 통해 제조하여 정전용량에 변화를 주기위해 특정 수의 리본형 상부전극을 구동시킴으로써, 소비전력을 낮추고 구동속도를 향상시키는 효과가 있으며, 두 평판의 거리에 따라 정전용량을 가변시키는 방법에 비하여, 구동되는 리본의 수를 제어함으로써 미세한 정전용량의 가변을 실현할 수 있는 효과가 있다.

Description

초소형 가변 커패시터 및 그 제조방법{MICRO TUNABLE CAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 초소형 가변 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 리본형의 전극 패턴을 사용하여 보다 빠른 가변 특성을 나타내는 초소형 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보 통신 기술의 급속한 발달로, 화상정보, 음성정보 및 인터넷 검색정보등을 포함하는 대용량의 실시간 정보처리 기술의 향상에 대한 요구가 증대되고 있다.

이에 따라 반송파의 고주파화 및 신호 대역간의 인접화 현상이 수반되며, 필요한 신호를 변조 및 검파하기 위한 회로 역시 이에 부응할 수 있는 성능이 요구되고 있다.

특히, 이동통신의 현저한 발전으로 고주파 대역에서의 신호처리회로가 급속도의 발전을 보이고 있다.

그런데, 고주파 회로 구성의 어려움은 구성소자의 성능 뿐만 아니라 소자 간 혹은 기판에서 발생하는 기생성분에 의한 영향을 제어해야 하는 어려움이 있으며, 또한 기존의 이동통신 방식과 호환이 가능하도록 다중 대역폭의 신호를 처리할 수 있는 고주파 회로를 개발해야 한다.

상기 상이한 대역폭의 신호를 동일한 고주파 회로로 처리하기 위해서는 각각의 대역폭의 신호를 선택적으로 여파할 수 있는 가변 필터가 필요하게 된다.

그 가변 필터에는 통과대역에 맞는 정전 용량을 조절할 수 있는 초소형 가변 커패시터가 필요하게 되었다.

상기 초소형 가변 커패시터는 마이크로머시닝 기술을 이용하고 있으며, 고주파 시스템의 핵심 수동소자인 인덕터와 커패시터를 제작하는 기술을 포함하여, 고주파 회로와 개발된 수동소자의 집적화 기술, 고주파 회로용 전압제어발진기의 핵심 모듈 개발이 진행되고 있다.

마이크로머시닝 기술을 이용하는 소자들은 Q-FACTOR로 높은 동작범위의 가변 필터 및 저위상 노이즈의 실현이 가능하며, 넓은 주파수 대역에서 튜닝이 좋으며, 공정이나 온도변화에 대한 보상이 용이하여, 잡음을 줄이고, 저전력을 구현하는 장점이 있다.

그러나 종래의 초소형 커패시터는 평판을 형성하고, 그 평판에 전압을 인가하여 평판 간의 간격 또는 면적을 조절하여 그 정전용량을 변경하는 구조를 가진다.

상기 평판은 실리콘 또는 금속으로 형성하며, 그 평판에 전압을 인가하여 발생하는 정전기에 의해 평판간의 간격이 변화되거나, 대응하는 면적을 변화시켜 정전용량을 가변시킨다.

이러한 구동방식은 평판의 전면을 구동시킴으로써, 소비전력이 증가하여 이동통신 단말기 등에 적용하기가 용이하지 않다.

또한, 상기 평판 가변 커패시터는 넓은 평판을 구동하므로, 그 크기가 크며, 동작속도가 느리고 정전용량을 미세하게 조정하기가 용이하지 않다.

상기한 바와 같이 종래 가변 커패시터는 두 평판에 전압을 인가하여, 두 평판사이에 발생하는 정전력을 이용하여 평판 간의 거리 또는 대응면적을 조절하여 정전용량을 가변시켰으며, 구동되는 평판의 크기가 커 구동전압시 소비전력이 증가하고, 그 면적도 커 이동통신 단말기에 적용할 수 없으며, 동작속도가 느리고 정전용량을 미세조정하기가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 구동되는 평판의 면적을 줄이며, 보다 빠른 응답속도를 나타내며, 정전용량의 미세조정이 가능한 초소형 가변 커패시터 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1a 내지 도1c는 본 발명 초소형 가변 커패시터의 구동형상을 보인 사시도.

도2는 도1c에 있어서, A-A'방향의 단면도.

도3은 본 발명 초소형 가변 커패시터의 하부전극과 상부전극 간격에 따른 커패시턴스의 변화를 보인 그래프.

도4a 및 도4b는 본 발명 초소형 가변 커패시터의 다른 실시 사시도.

도5는 도4b에 있어서, A-A'방향의 단면도.

도6은 본 발명 초소형 가변 커패시터의 구동되는 상부전극 수에 따른 커패시턴스 변화를 보인 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:절연기판 2:하부전극

3:리본

상기와 같은 목적은 절연기판의 상에서 일측방향으로 긴 형상으로 위치하는 하부전극과; 상기 하부전극의 길이 방향에 대하여 각각 이격되어 수직으로 교차하며, 양끝단이 상기 절연기판 상에 고정된 복수의 리본형 상부전극으로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 내지 도1c는 본 발명 초소형 가변 커패시터의 구동형상을 보인 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 절연기판(1)의 상부 일부에 소정의 폭으로 일측방향으로 길게 위치하는 하부전극(2)과, 상기 양측단이 상기 절연기판(1)에 고정되며, 중앙부는 상기 하부전극(2)과는 소정거리 이격되도록 브릿지형상을 나타내는 다수의 리본(3)으로 구성된다.

상기 하부전극(2)과 상부전극인 복수의 리본(3)에 전압을 인가하여, 리본(3)을 하부전극(2)측으로 휘어지도록 구동함으로써, 정전용량을 변경할 수 있게 된다.

상기 다수의 리본(3) 각각에 전압을 개별적으로 인가할 수 있도록 함으로써, 도1b와 같이 전체 리본(3)을 구동시키거나, 일부의 리본(3)만을 구동시킬 수 있다.

상기와 같이 구동되는 리본(3)의 수를 조절하여 정전용량을 가변시킬 수 있다.

또한, 상기 리본(3)의 구성은 리본(3)의 휨과 복원이 가능할 수 있도록 실리콘 질화막(Si_xN_y)을 하층에 두고, 그 상부에 상부전극으로 사용할 금속을 적층하여 형성한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 초소형 가변 커패시터의 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 절연기판(1)을 준비한다.

이때, 절연기판(1)은 석영기판을 사용한다.

그 다음, 상기 석영기판인 절연기판(1)의 상부에 텅스텐 또는 텅스텐실리사이드와 같이 고온공정에서 안정한 고온용 금속박막(REFACTORY METAL FILM)을 스퍼터링법으로 증착한다.

그 다음, 사진식각공정을 통해 상기 증착된 고온용 금속박막을 패터닝하여 절연기판(1)의 상부에 위치하며, 그 형상이 일정한 폭을 가지며 일측방향으로 긴 형태를 나타내는 하부전극(2)을 형성한다.

상기 하부전극(2)은 구동되지 않으며, 염원하는 커패시터의 정전용량에 적당하도록 그 면적을 조절한다.

그 다음, 상기 구조의 상부전면에 희생층을 증착한다.

이때의 희생층은 비정질실리콘을 사용하며, 화학기상증착법 등 가능한 증착법을 사용하여 증착한다.

그 다음, 상기 증착된 희생층을 패터닝하여 상기 형성된 하부전극(2)이 노출되지 않을 정도, 즉, 하부전극(2)의 상부전면과 그 주변 일부의 절연기판(1) 상에 위치하는 희생층 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 구조의 상부전면에 기계적 탄성이 우수한 질화막을 증착하고, 그 질화막의 상부에 상부전극으로 사용될 금속층을 증착한다. 상기 금속층은 알루미늄 또는 금을 증착하여 형성한다.

그 다음, 상기 증착된 금속층과 질화막을 패터닝하여 중앙부가 상기 희생층을 사이에 두고, 하부전극(2)의 길이방향과 수직으로 교차되며, 양단이 상기 희생층의 측면 절연기판(1)의 상부에 위치하도록 다수의 리본(3)을 형성한다.

그 다음, 식각공정을 통해 상기 희생층 패턴을 제거하여 상기 하부전극(2)과는 중앙부가 소정거리 이격되며, 양측단이 절연기판(1)에 접속되는 다수의 브릿지형 리본(3)을 형성하게 된다.

상기 식각공정에서 사용하는 가스는 비정질 실리콘인 희생층을 선택적으로 제거할 수 있는 XeF₂가스를 사용한다.

상기 리본(3)의 수는 가변 커패시터의 정전용량 변화에 맞춰 설정할 수 있다. 즉 동일 면적의 하부전극(2)의 상부측에 보다 많은 리본(3)이 위치하고, 그 리본(3)을 각각 구동하면, 정전 용량을 미세하게 변화시킬 수 있다. 이때 전체 정전용량은 일정하다.

도2는 상기 도1c의 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 리본(3)은 전압의 인가에 따라 상기 하부전극(2)측으로 구동된다.

즉, 리본(3)이 구동함에 따라 하부전극(2)과 리본(3)의 최초 이격거리(d)에서 리본의 구동거리(h)를 감하면, 구동시 리본(3)과 하부전극(2) 사이의 거리를 산출할 수 있다.

도3은 최초의 이격거리(d)를 5000Å으로 설정한 상태에서, 상기 리본(3)과 하부전극(2)의 사이 간격이 줄어들때의 커패시턴스 변화를 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 최초 5000Å의 간격일때는 커패시턴스가 250pF이하이며, 1000Å일때는 약 750pF 정도로 커패시턴스가 증가하게 된다.

이와 같은 특성은 커패시터의 정전용량의 결정요인이 전극의 면적에 비례하고, 이격거리에 반비례하는 특성의 차이에 의한 것이다.

상기 실험에서 리본의 폭은 5㎛이고 길이는 50㎛로 하였고, 리본(3) 사이의 거리는 5㎛이며, 이와 같은 리본을 약 300개 형성하였을때 나타난 결과이다.

상기 다수의 리본(3) 각각을 선택적으로 구동하여 정전용량의 미세한 변화를 이룰 수 있으며, 평판 전체를 구동하는 것이 아니고 필요에 따라 일부 리본만을 구동함으로써, 구동시 소비전력이 절감됨과 아울러 응답속도도 향상된다.

또한, 도4a 및 도4b는 본 발명의 다른 실시예의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 절연기판(1)에 홈을 형성하고, 그 홈 내에 위치하는 하부전극(2)을 형성한 후, 그 홈을 가로 지르는 리본(3)을 형성한다.

상기 구조의 특징은 리본(3)의 형상이 브릿지 형이아닌 막대형이며, 브릿지형 구조에 비하여, 리본(3)이 구동될때 압력에 대한 분산이 이루어질 수 있다.

즉 브릿지형 리본은 그 구동시 상대적으로 좁은 면적을 가지는 리본의 중앙부와 기판에 접하는 리본의 양단부를 연결하는 영역에 압력이 집중되어 기계적 구동에 의한 고장이 발생할 수 있다.

이를 좀더 안정화 하기 위해 리본(3)의 형상을 기판(1)의 상부면과 평행한 구조로 변경하여, 리본의 구동시 압력을 분산시킬 수 있도록 하였다.

도5는 상기 도4b의 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 전압이 인가되지 않은 리본(3)은 절연기판(1)과 평행하게 위치하며, 전압이 인가되면 홈의 내측으로 휘어지면서 구동하게 된다.

이때 역시 상기 설명한 브릿지형 구조와 동일하게 하부전극(2)과 리본(3)의 거리가 가까울수록 커패시터의 정전용량은 증가하게 된다.

도6은 상기 평행막대형 리본을 가지는 본 발명 초소형 가변 커패시터의 리본 구동수에 따른 커패시턴스의 변화를 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 리본이 구동되면, 커패시터의 상부전극인 리본(3)과 하부전극(2) 사이의 간격이 줄어들게 되어 커패시턴스가 증가하게 된다.

또한, 그 리본(3)의 구동 수와 비례하여 커패시턴스는 증가하게 된다.

즉, 300개의 리본(3)을 설치하고, 그 300개의 리본(3) 중 50개의 리본에 전압을 인가한 경우 커패시턴스는 약 500pF을 나타내며, 100개의 리본(3)을 구동하는 경우 약 1000pF, 300개 모두를 구동할 경우 약 3000pF의 커패시턴스를 가지게 된다.

이와 같이 본 발명은 상부전극을 복수의 구동 가능한 리본 형태로 변경하여, 필요에 따라 리본의 수를 제어하여 각각 구동함으로써, 용이하게 정전용량을 가변시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 기판에 고정된 하부전극과, 그 하부전극과는 소정거리 이격되며, 전압의 인가에 따라 독립적으로 구동하는 리본형의 상부전극을 구비하여, 정전용량에 변화를 주기위해 특정 수의 리본형 상부전극을 구동시킴으로써, 소비전력을 낮추고 구동속도를 향상시키는 효과가 있으며, 두 평판의 거리에 따라 정전용량을 가변시키는 방법에 비하여, 구동되는 리본의 수를 제어함으로써 미세한 정전용량의 가변을 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 절연기판의 상에서 일측방향으로 긴 형상으로 위치하는 하부전극과; 상기 하부전극의 길이 방향에 대하여 각각 이격되어 수직으로 교차하며, 양끝단이 상기 절연기판 상에 고정된 복수의 리본형 상부전극으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하부전극은 절연기판에 형성된 홈 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 리본형 상부전극은 질화막과 금속의 적층구조인 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터.
4. 절연기판의 상부에 금속을 증착하고, 패터닝하여 일측 방향으로 긴 형태의 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계와; 상기 하부전극의 상부와 그 주변의 절연기판 일부에 희생층을 형성하는 희생층 형성단계와; 상기 구조의 상부전면에 질화막과 금속을 순차적으로 증착하고, 패터닝하여 상기 희생층의 상부에 중앙부 희생층의 길이방향과 수직으로 교차하며, 양측단부가 상기 절연기판의 상부일부에 위치하는 다수의 리본을 형성하는 리본 형성단계와; 상기 희생층을 선택적으로 식각하는 희생층 제거단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 하부전극 형성단계는 절연기판의 일부를 식각하여 홈을 형성하고, 그 홈 내에 하부전극을 형성하며, 희생층 형성단계에서는 희생층을 상기 홈 내에만 위치하며, 그 희생층의 상부면이 절연기판과 동일 평면상에 있도록 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터 제조방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 하부전극은 고온공정에서 안정적인 텅스텐 또는 텅스텐 실리사이드를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터 제조방법.
7. 제 4항에 있어서, 상기 희생층은 비정질실리콘을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 가변 커패시터 제조방법.