KR100638664B1 - 다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적층 기술을 이용하여 CMOS 소자와 IPD소자를 동일 기판상에 형성하여 소형화를 도모하면서 생산성을 높힐 수 있는 다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 그 기술적 수단은 복수 대역의 고주파송신신호를 전달하는 매칭네트워크, 커플러, 및 로우패스필터등의 수동소자와, 상기 복수 대역의 고주파 송신신호를 선택적으로 안테나로 전달하는 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자가 복합구성되는 다중 대역 고주파 모듈에 있어서, 유리 재질로 이루어진 기판상에, 전기적 채널을 형성하는 채널층을 형성하고, 상기 채널층 상부에 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자를 구현하는 제1회로형성층을 형성하며, 상기 제1회로형성층의 상부에 절연층을 형성하고, 이어 상기 절연층 상부에 매칭네트워크, 커플러 및 로우패스필터등의 수동소자가 구현되는 제2회로형성층을 형성하는 것이다.
무선 통신 시스템, 능동소자, 수동소자, 유리 기판, Si, IPD, CMOS

Description

다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법{Multi-band RF module and manufacture method thereof}
도 1은 다중 대역 무선 송수신 시스템의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2a,b는 상기 도 1의 시스템을 구성하는 다중 대역 고주파 모듈의 종래 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 4는 상기 도 3에 보인 제조 방법에 의해 구현된 본 발명의 다중 대역 고주파 모듈의 실시예를 나타낸 구조도이다.
도 5는 본 발명에 의한 다중 대역 고주파 모듈에 있어서, DC 블록 캐패시터의 상세 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 다중 대역 고주파 모듈에 있어서, 커플러 및 로우패스필터의 구현예를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
12 : 스위치(SP6T) 17, 18 : 매칭네트워크(OMN)
19 : 듀얼밴드 커플러 20, 21 : 로우패스 필터
41 : 유리기판 42 : 채널층
43 : 제1회로형성층 44 : 절연층
45 : 제2회로형성층 46 : 패시베이션층
본 발명은 다중 대역의 무선신호를 선택적으로 송수신할 수 있는 다중 대역 무선 송수신 시스템의 안테나측에 구비되는 고주파 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적층 기술을 이용하여 CMOS 소자와 IPD소자를 동일 기판상에 형성한 다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 무선 통신 기술 및 서비스가 다양해지면서, GSM850, E-GSM, DCS, PCS 등 여러가지 무선 통신 서비스가 이루어지고 있다. 그런데, 각각의 통신 서비스에서 사용되는 통신 대역은 서로 다르게 설정된다.
따라서, 다양한 통신 서비스중 원하는 서비스를 선택하여 이용할 수 있도록, 다중 대역의 무선신호를 선택적으로 송수신할 수 있는 다중 대역 무선 통신시스템이 제안되었다.
도 1은 다중 대역 무선 통신시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 다중 대역 무선 통신 시스템은, 안테나단에 연결되어 전자파 유입을 저지하는 ESD보호기(11)와, 6개의 선택단과 상기 ESD 보호기(11)에 연결되는 1개의 고정단을 구비하여 상기 1개의 고정단을 6개의 선택단중 하나로 스위칭시키 는 스위치(12)와, 상기 스위치(12)의 선택단중 4개의 선택단에 각각 연결되어 안테나로 수신된 4개 대역의 고주파 수신신호를 각각 필터링하는 4개의 쏘 필터(13)와, 상기 4개의 쏘 필터(13)의 출력단에 구비되어 임피던스 매칭을 구현하는 매칭블록(14)과, 상기 4 개의 쏘 필터(13)로부터 출력되어 매칭블록(14)을 통해 입력된 4개 대역의 고주파 수신신호를 주파수다운시키고, 입력된 베이스밴드의 송신신호를 4개 대역의 고주파신호로 주파수 변환하여 출력하는 RF IC(15)와, 상기 RF IC(15)로부터 출력된 4개 대역의 고주파신호를 전력증폭하는 복수의 전력증폭기(16)와, 상기 복수의 전력증폭기(16)의 출력단에 형성되어 임피던스 매칭을 구현하는 복수의 매칭네트워크(17,18)와, 상기 매칭네트워크(17,18)의 출력측에 구비되는 듀얼밴드 커플러(19)와, 상기 스위치(12)의 2개 선택단에 각각 연결되어 상기 듀얼밴드 커플러(19)를 통해 출력된 고주파 송신신호를 필터링하여 상기 스위치(12)의 스위칭동작에 의해 안테나로 출력하는 복수의 로우패스필터(20,21)와, 상기 듀얼밴드 커플러(19)를 통해 고주파 송신신호의 크기를 체크하여 상기 복수 전력증폭기(16)의 이득을 각각 제어하는 제어IC(22)를 포함하여 이루어진다. 상기 구성외에, 스위치(12)를 제어하는 디코더가 더 포함된다.
상기 무선통신시스템의 구성요소에 있어서, 송신단측의 구성요소들, 즉, 스위치(12)는 GaAs 기판상에 형성하고, 또한, 다른 Si 기판상에 상기 스위치(12)를 제어하는 디코더(도시생략)를 형성하고, 이어 커플러(19) 및 로우패스필터(20,21)는 IPD 공정을 통해 형성하고, DC 블록 캐패시터(도시생략)은 MLCC 공정을 이용하여 각각 만들은 후, PCB상에 연결시켜 구현하였다.
그러나, 상기와 같이 구성하는 경우, 무선 통신 시스템의 사이즈가 커지게 된다. 이에, 무선 통신시스템의 소형화를 위하여, 상기의 구성요소중, 별도의 IC로 구현되지 않는 스위치(12), 매칭네트워크(17,18), 듀얼밴드 커플러(19), 로우패스필터(20,21)등의 구성요소를 하나의 모듈로 구성하고 있으며, 그 구현방식은 도 2a,b과 같다.
상기 도 2a, 도 2b를 참조하면, 세라믹기판(30)의 일부 상면위에 Si층(31c)를 형성하고, 상기 Si층(31c)상에 CMOS 공정을 통해 스위치(31a)와 디코더(31b)를 형성하고, 세라믹기판(30)의 나머지 영역에 IPD 공정을 통해 매칭네트워크, 로우패스필터, DC 블록 커패시터등의 수동소자를 형성한다.
상기와 같이 구성할 경우, 이전 보다 사이즈를 감소시킬 수 는 있으나, 기판의 표면 거칠기등으로 인하여 수율이 떨어지는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 적층 기술을 이용하여 CMOS 소자와 IPD소자를 동일 기판상에 형성하여 소형화를 도모하면서 생산성을 높힐 수 있는 다중 대역 고주파 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 복수 대역의 고주 파송신신호를 전달하는 매칭네트워크, 커플러, 및 로우패스필터등의 수동소자와, 상기 복수 대역의 고주파 송신신호를 선택적으로 안테나로 전달하는 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자가 복합구성되는 다중 대역 고주파 모듈에 있어서,
유리 재질로 이루어진 기판;
상기 기판상부에 전기적 채널을 형성하는 채널층;
상기 채널층 상부에 형성되며 상기 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자를 구현하는 제1회로형성층;
상기 제1회로형성층의 상부에 형성되는 절연층; 및
상기 절연층 상부에 형성되며, 매칭네트워크, 커플러 및 로우패스필터등의 수동소자가 구현되는 제2회로형성층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 다른 구성수단으로서 복수 대역의 고주파송신신호를 전달하는 매칭네트워크, 커플러, 및 로우패스필터등의 수동소자와, 상기 복수 대역의 고주파 송신신호를 선택적으로 안테나로 전달하는 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자가 복합구성되는 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법에 있어서,
유리로 이루어진 기판를 제공하는 단계;
상기 기판 상에 Si를 이용하여 채널층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상부에 스위치 및 디코더를 포함하는 능동소자로 이루어진 제1 회로형성층을 CMOS 공정에 의하여 형성하는 단계;
상기 제1회로형성층의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층의 상부에 매칭네트워크, 커플러 및 로우패스필터등의 수동소자로 이루어진 제2회로형성층을 IPD 공정을 통해 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명은 상기 절연층에 제1회로형성층과 제2회로형성층과의 전기적 연결을 위하여, 제2회로형성층에서 제1회로형성층까지 연결되는 비아홀을 형성하며, 상기 유리 기판의 하면에는 상부면의 제1회로형성층으로부터 발생된 열을 방출하는 히트싱크를 형성하며, 상기 제2회로형성층의 상부에는 물리적 자극으로부터 회로를 보호하기 위한 패시베이션층을 더 형성할 수 있다.
또한, 상기 채널층은 UTSI(Ultra thin silicon) 공정을 통해 형성되는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 단일칩화를 위한 본 발명에 의한 고주파 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우챠트이다. 더하여, 도 4 내지 도 6은 상기 제조 방법에 의하여 제조된 고주파 모듈의 구조를 보이는 단면사시도이다.
상기 도 3 ~ 도 6 을 참조하여, 본 발명에 있어서 고주파 모듈의 제조 방법 및 그 구조에 대하여 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 고주파 모듈은 유리(glass)로 이루어진 기판(41)을 베이스로 하여 이루어진다(S301). 상기 유리로 이루어진 기판은 기존의 세라믹 기판에 비하여 전기적 절연성이 우수하고, 신호손실이 적어 고주파 모듈의 회로구성에 있어서, 스위치의 격리도를 만족시킬 수 있다. 특히, 표면거칠기 문제로 수율이 떨어지는 기존의 세라믹 기판에 비하여, 그 상부에 형성되는 스위치 회로에 대한 신뢰도 및 수율을 만족시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 유리 기판(41)의 상면에는 반도체 제조 공정에 따라서 고주파 모듈의 각 회로부분이 형성되는데, 상기 형성된 회로의 동작에 의해 발생된 열방출을 위하여, 상기 유리 기판(41)의 하면을 에칭하여 히트싱크(41a)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 유리 기판(41) 자체는 전기적 전달이 이루어지지 않으므로, 상기 유리 기판(41) 상에 스위치회로를 형성하기 전에, 먼저 회로간에 전기신호를 전달하는 전기적 채널을 만드는 채널층(42)을 형성한다(S302). 상기 전기적 채널층(42)은 전도성이 우수한 Si를 상기 유리 기판(41)상에 도포하거나, epi-layer를 형성함으로서 구현될 수 있는데, 바람직하게는 UTSI(Ultra-thin-silicon) 기술을 이용하여 채널층(42)을 형성한다(S302).
상기 UTSI 기술을 이용한 채널층 형성 방법을 간략히 설명하면, 유리 기판(41)상에 소정 두께의 실리콘 막을 성장시키는데, 상기 성장된 실리콘 막에는 결함이 많이 존재한다. 따라서, 이러한 결함을 줄이기 위하여, 상기 실리콘 막에 이온 을 주입하여, 결함이 많은 유리기판(41)과의 계면측에 존재하는 실리콘을 아몰퍼스화한다. 그 다음, 열처리를 실시하여 결함이 적은 상부의 실리콘에서 계면측으로 고상 에피택셜 성장(SPE)시켜 재결정화하고, 마지막으로, 열산화를 실시하여, 실리콘막의 두께를 원하는 두께까지 얇게 만든다. 이러한 과정을 통해 상기 유리 기판(41) 상에서 얇은 두께의 실리콘으로 이루어진 채널층(42)을 형성할 수 있게 된다.
그리고 상기 형성된 전기적 채널층(42)상에, 해당 전기적 채널을 통해 상호 전기적으로 연결되는 고주파 모듈의 구성요소중 스위치와 디코더를 형성한다(S303). 이하에서, 이렇게 전기적 채널층(42) 상부에 형성된 회로층을 제1회로형성층(43)이라 한다. 상기 제1회로형성층(43)의 스위치와 디코더는 일반적으로 알려진 CMOS 공정(예를 들어, Bulk CMOS process)을 통해 형성된다. 여기서, 상기 제1회로형성층(43)상에는 스위치와 디코더이외에, CMOS 소자로 구현되는 다른 능동소자들이 고주파 모듈에 포함되는 경우, CMOS 소자로 구현되는 다른 능동소자들을 더 포함시켜 구현할 수 있다.
이어서, 고주파 모듈의 나머지 구성요소들(예를 들어, 매칭네트워크(17,18), 커플러(19), LPF(20,21)등의 수동소자들)을 상기 제1회로형성층(43)상에 적층형성하기 위하여, 상기 제1회로형성층(43)상에 절연층(44)을 형성한다(S304). 상기 절연층(44)은 전기적 절연특성이 우수한 BCB 유전체를 상기 제1회로형성층(43)의 상부에 도포함에 의해 구현될 수 있다. 이때, 상기 절연층(44)을 관통하여 비아홀(44a)을 형성하고, 상기 비아홀(44a)을 통하여 상기 제1회로형성층(43)과의 전기적 연결을 구현한다.
상기와 같이, 절연층(44)상에 전기적 연결을 위한 비아홀(44a)까지 형성한 후엔, 상기 절연층(44)의 상부에 고주파 모듈의 나머지 수동소자들로 이루어진 제2회로형성층(45)을 형성한다(S305).
상기 제2회로형성층(45)에 형성되는 회로부분은 도 1에 보인 고주파 모듈에 있어서, 매칭네트워크(17,18)와, 커플러(19)와, 로우패스필터(20,21)등이 포함되며, 이외에 상기 고주파 모듈을 구성하는 수동소자들, 예를 들어, 직류신호의 유입을 저지하는 DC 블록 캐패시터(도시생략)등도 포함될 수 있다.
상기 제2회로형성층(45)은 IPD(Integrate passive device) 공정을 통해 형성된다. 상기 수동소자중에 있어서, DC 블록 캐패시터와 같은 캐패시터는 상기 제2회로형성층(45)상에 함께 구현할 수 도 있고, 또한, 제2회로형성층(45)을 형성하기 전에 절연층(44)의 상부에 유전층(45b)을 사이에 두고 상하부메탈층(45b)을 적층함으로서 구현할 수 도 있다.
또한, 상기 제2회로형성층(45)상에 구현되는 수동소자중, 커플러(19)와 로우패스필터(20,21)는 도 6에 도시된 바와 같은 패턴으로 형성될 수 있다. 즉, 커플러(19)는 부호 61과 같은 형태의 패턴으로, 로우패스필터(20,21)는 부호 62와같이 나선형 패턴으로 구현할 수 있다. 이러한 수동소자들의 패턴 설계는 일반적으로 잘 알려져 있다.
더하여, 상기와 같이, 수동소자들이 구현된 제2회로형성층(45)의 상부에 패시베이션(46)을 도포함으로서, 외부의 물리적 자극으로부터 제2회로형성층(45)에 형성된 회로들을 보호한다.
상술한 구조 및 방법에 의하여, 스위치(12)등과 같은 능동소자와, 매칭네트워크(17,18), 커플러(19), 로우패스필터(20,21)와 같은 수동소자로 이루어진 고주파 모듈(23)을 동일 기판상에 적층 구조로 형성함으로서, 고주파 모듈(23)에 대한 단일칩 구현이 가능하게 되며, 해당 부품의 사이즈를 종래보다 더 감소시킬 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 상기에 한정되지 않고 여러가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한 이루어질 수 있다.
본 발명은 유리로 이루어진 기판와, 적층 기술을 이용함으로서, 수동소자와 능동소자가 복합되어 이루어진 고주파 회로들을 단일칩으로 구현할 수 있으며, 표면 거칠기가 양호하고 절연성이 우수한 유리 기판를 이용함으로서, 수율 향상 및 특성 개선을 도모할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 복수 대역의 고주파송신신호를 전달하는 매칭네트워크, 커플러, 및 로우패스필터등의 수동소자와, 상기 복수 대역의 고주파 송신신호를 선택적으로 안테나로 전달하는 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자가 복합구성되는 다중 대역 고주파 모듈에 있어서,
    유리 재질로 이루어진 기판;
    상기 기판상부에 전기적 채널을 형성하는 채널층;
    상기 채널층 상부에 형성되며 상기 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자를 구현하는 제1회로형성층;
    상기 제1회로형성층의 상부에 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층 상부에 형성되며, 매칭네트워크, 커플러 및 로우패스필터등의 수동소자가 구현되는 제2회로형성층으로 이루어지는 다중 대역 고주파 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층에는 제1회로형성층과 제2회로형성층과의 전기적 연결을 위하여, 제2회로형성층에서 제1회로형성층까지 연결되는 비아홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 유리 기판의 하면에는 상부면의 제1회로형성층으로부 터 발생된 열을 방출하는 히트싱크가 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2회로형성층은
    절연층상에 이루어지는 하부메탈, 유전층, 상부 메탈로 이루어지는 DC 블록 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2회로형성층의 상부에는 물리적 자극으로부터 회로를 보호하기 위한 패시베이션층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈.
  6. 복수 대역의 고주파송신신호를 전달하는 매칭네트워크, 커플러, 및 로우패스필터등의 수동소자와, 상기 복수 대역의 고주파 송신신호를 선택적으로 안테나로 전달하는 스위치 및 그 제어를 위한 디코더등의 능동소자가 복합구성되는 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법에 있어서,
    유리로 이루어진 기판를 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 Si를 이용하여 채널층을 형성하는 단계;
    상기 채널층 상부에 스위치 및 디코더를 포함하는 능동소자로 이루어진 제1회로형성층을 CMOS 공정에 의하여 형성하는 단계;
    상기 제1회로형성층의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층의 상부에 매칭네트워크, 커플러 및 로우패스필터등의 수동소자로 이루어진 제2회로형성층을 IPD 공정을 통해 형성하는 단계를 포함하는 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는 UTSI(Ultra thin silicon) 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 방법은
    상기 제1회로형성층과 제2회로형성층을 전기적으로 연결하는 비아홀을 절연층내에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 방법은
    제2회로형성층의 상부에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판의 하부면을 에칭하여 열방출을 위한 히트싱크를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 고주파 모듈 제조 방법.
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