KR100686022B1 - 유전체 공진기 제조방법 - Google Patents

Abstract

고주파 통신용 부품인 RF 대역 통과 필터 모듈(module)에서 사용되는 유전체 공진기 제조방법에 관한 것으로, 기판 위에 제 1 금속막을 형성한 후, 제 1 금속막 전면에 유전체막을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 제 1 금속막을 노출시킨다. 이어, 노출된 제 1 금속막 위에 제 2 금속막을 형성하고, 유전체막의 소정영역 위에 제 2 금속막과 전기적으로 연결되도록 제 3 금속막을 형성한 다음, 제 3 금속막을 포함한 전면에 절연막을 형성하고, 절연막의 소정영역 위에 제 4 금속막을 형성하여 제작된다.

유전체막, 서페이스 마이크로머시닝, 전기도금

Description

유전체 공진기 제조방법{method for fabricating dielectric resonator}

도 1은 종래 기술에 따른 에어 캐비티 공진기의 제조공정을 보여주는 공정단면도

도 2a 내지 도 2h는 종래 기술에 따른 유전체 공진기의 제조 공정을 보여주는 공정단면도

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 유전체 공진기 제조공정을 보여주는 공정단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 기판 12 : 제 1 금속막

13 : 유전체막 14 : 제 2 금속막

15 : 제 3 금속막 16 : 절연막

17 : 제 4 금속막

본 발명은 고주파 통신용 부품인 RF 대역 통과 필터 모듈(module)에서 사용되는 유전체 공진기 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로파 공진기(microwave resonator)는 필터(filter), 멀티플렉서(multiplexer), 듀플렉서(duplexer), 오실레이터(oscillators) 등과 같은 다양한 마이크로파 소자나 모듈을 구성하는 중요한 요소이다.

급속도로 발전하고 있는 무선 통신이나 초고주파 통신에서 널리 사용되는 RF 대역 통과 필터로는 여전히 부피가 큰 에어 캐비티 공진기(air cavity resonator)나 개별 유전체 공진기(discrete dielectric resonator)가 사용되고 있다.

여기서, 초고주파 통신이나 무선 통신에 이용하기 위해 개발되고 있는 에어 캐비티 공진기는 높은 Q-팩터(Quality factor)를 갖는 반면에 부피가 크고 기판과 기판을 접합해야 하는 제조 공정상의 어려움이 있어 비경제적인 단점이 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 에어 캐비티 공진기는 공진기의 캐비티 부분과 공진기의 안테나 부분을 각각 제작한 다음, 캐비티 부분과 안테나 부분을 접합함으로써 완성되기 때문에 부피가 크고 공정이 복잡한 문제가 있었다.

반면에, 유전체 공진기는 높은 Q-팩터를 가질 뿐만 아니라 부피가 작고 공정이 쉬운 장점이 있다.

일반적으로 사용하고자 하는 캐비티 공진기의 특정 주파수에서, 유효 파장의 길이는 공진기의 크기에 비례하는데, 유효 파장의 길이는 주파수와 캐비티 안에 채워진 재료의 유전 상수에 반비례한다.

그로 인하여, 에어 캐비티 공진기는 유전 상수가 1인 공기가 캐비티 내에 채워지므로 유효 파장의 길이에는 아무런 영향을 주지 않지만, 유전체 공진기는 유전체가 캐비티 내에 채워지므로 고주파 손실이 적고 유전 상수가 큰 유전체를 매질로 사용하므로 유효 파장의 크기가 줄어들어 공진기의 크기도 줄어들게 된다.

따라서, 유전체 공진기는 에어 캐비티 공진기에 비해 크기가 매우 작은 장점이 있다.

도 2a 내지 도 2h는 종래 기술에 따른 유전체 공진기의 제조 공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 먼저, 실리콘 기판(1)의 상부 면과 하부 면에 각각 제 1, 제 2 식각 마스크(2,3)를 형성한다.

이어, 도 2b에 도시된 바와 같이 제 1 식각 마스크(2)의 소정영역을 식각하여 기판(1)을 노출시킨 후, 도 2c에 도시된 바와 같이 제 1 식각 마스크(2)를 마스크로 노출된 기판(1)을 소정 깊이만큼 식각하여 캐비티를 형성하고, 남아 있는 제 1 식각 마스크(2)를 제거한다.

그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이 전기도금이나 스퍼터링 등의 금속 증착 방법을 이용하여 노출된 기판(1) 전면에 접지를 위한 제 1 금속막(4)을 증착한 다음, 도 2e에 도시된 바와 같이 프린팅, 멀티 코팅, 스핀 코팅 등의 방법을 사용하여 캐비티 내에 유전체(5)를 증착하고, 용제를 없애기 위한 드라이 공정과 평탄화를 위한 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정을 수행한다.

이어, 도 2f에 도시된 바와 같이 제 1 금속막(4) 및 유전체(5) 위에 접지를 위한 제 2 금속막(6)을 증착하여 소정 형태로 패터닝한다.

여기서, 접지를 위한 제 2 금속막(6)은 제 1 금속막(4)과 전기적으로 연결되고, 유전체(5) 위에 형성된 제 2 금속막(6)은 후 공정에서 형성될 안테나 부분으로부터 입사되는 고주파를 캐비티 내로 입사시키는 스롯(slot) 부분이다.

그리고, 도 2g에 도시된 바와 같이 제 2 금속막(6)을 포함한 전면에 고주파가 입사되는 안테나 부분과 접지를 위한 제 1, 제 2 금속막(4,6)을 절연시키기 위한 절연막(7)을 증착한다.

여기서, 절연막(7)은 로스 탄젠트(loss tangent)가 작은 물질이어야 한다.

마지막으로, 도 2h에 도시된 바와 같이 절연막(7) 위에 안테나 부분에 해당하는 제 3 금속막(8)을 전기도금이나 스퍼터링 등의 금속 증착 방법으로 증착하고 소정 형태로 패터닝하여 공정을 마친다.

그러나, 종래 기술에 따른 유전체 공진기의 제조방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 기판을 식각하여 캐비티를 형성하므로, 그 다음 공정에서 형성되는 금속막의 표면이 거칠어진다.

둘째, 금속막이 형성된 캐비티 내에 유전체를 채우므로 금속막과 유전체와의 접촉이 불량하다.

셋째, 기판을 식각하는 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 이용하므로 다른 소자를 집적하여 공진기를 제작하기가 어렵다.

본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 잡음 지수를 줄여 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 유전체 공진기 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다른 소자와 집적이 가능하고, 안정한 공정으로 수율 을 높일 수 있는 유전체 공진기 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 유전체 공진기 제조방법은 기판 위에 제 1 금속막을 형성하는 제 1 단계와, 제 1 금속막 전면에 유전체막을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 제 1 금속막을 노출시키는 제 2 단계와, 노출된 제 1 금속막 위에 제 2 금속막을 형성하는 제 3 단계와, 유전체막의 소정영역 위에 제 2 금속막과 전기적으로 연결되도록 제 3 금속막을 형성하는 제 4 단계와, 제 3 금속막을 포함한 전면에 절연막을 형성하는 제 5 단계와, 절연막의 소정영역 위에 제 4 금속막을 형성하는 제 6 단계로 이루어진다.

여기서, 유전체막은 약 100㎛ 이상으로 형성한다.

상기 제 2 단계에서, 유전체막이 감광성을 갖는 유전체막이라면 유전체막의 소정영역에 자외선을 조사하여 유전체막을 패터닝하고, 유전체막이 감광성을 갖지 않는 유전체막이라면 하드 마스크(hard mask)를 이용하여 유전체막을 식각 및 패터닝한다.

또한, 상기 제 3 단계에서는 제 2 금속막을 전기도금으로 형성하고, 경우에 따라서 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정으로 제 2 금속막을 폴리싱하여 표면을 평탄화한다.

이와 같이 제작되는 본 발명은 Q-팩터가 높고 다른 소자와 집적이 가능하며, 안정한 공정으로 수율이 높고 공정단가를 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 가장 효과적인 마이크로파 공진기는 Q-팩터(Quality factor)가 높고, 크기가 작으며, 다른 소자와 집적이 가능해야 한다.

본 발명에서는 이러한 공진기를 구현하기 위하여 서페이스 마이크로머시닝(surface micromachining) 공정을 이용하여 실리콘 기판을 식각하지 않고 유전체를 패터닝하고, 전기도금을 이용하여 초소형 유전체 공진기를 하였다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 유전체 공진기 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 먼저 도 3a에 도시된 바와 같이 실리콘, GaAs, 석영 등의 기판(11) 위에 스퍼터링(sputtering), 이베포레이션(evaporation), 전기도금 등의 방법으로 제 1 금속막(12)을 증착한다.

여기서, 도 3a의 공정은 기존과 같이 기판을 식각하여 캐비티를 형성하지 않고 기판 위에 바로 금속막을 형성하므로 기판 위에 형성된 다른 소자들과 집적할 수 있는 장점이 있다.

이어, 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 금속막(12) 위에 스핀 코팅, 프린팅, 멀티 코팅 등의 방법을 사용하여 약 100㎛ 이상의 두께로 유전체막(13)을 증착한다.

이 때, 유전체막(13)은 고주파 영역에서도 사용되어야 하므로 로스 탄젠트(loss tangent)가 작은 물질이어야 한다.

그리고, 유전체막(13)의 소정영역을 패터닝하여 제 1 금속막(12)을 노출시킨 다.

여기서, 유전체막(13)을 패터닝하는 경우, 유전체막(13)의 물질에 따라 두 가지 방법을 사용할 수 있다.

즉, 유전체막(13)이 SU-8과 같은 감광성을 갖는 유전체 물질인 경우에는 유전체막의 소정영역에 자외선을 조사하여 패터닝하고, 유전체막(13)이 BCB와 같이 감광성을 갖지 않는 유전체인 경우에는 하드 마스크(hard mask)를 이용하여 패터닝한다.

하드 마스크를 이용하여 패터닝하는 경우는 먼저, 유전체막(13) 위에 하드 마스크를 형성하고, 하드 마스크의 소정영역을 패터닝하여 유전체막(13)을 노출시킨 다음, 노출된 유전체막을 식각하여 제 1 금속막(12)을 노출시키고, 남아 있는 하드 마스크를 제거하면 된다.

그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이 유전체 둘레에 금속 도체면을 형성하기 위하여 노출된 제 1 금속막(12) 위에 전기도금 방법으로 제 2 금속막(14)을 증착한다.

이 때, 제 2 금속막(14)의 두께는 유전체막(13)의 높이만큼 도금을 하고, 필요한 경우에는 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정으로 제 2 금속막(14)을 폴리싱하여 표면을 평탄화한다.

다음, 도 3d에 도시된 바와 같이 제 2 금속막(14) 및 유전체막(13) 위에 접지를 위한 제 3 금속막(15)을 증착하여 소정 형태로 패터닝한다.

여기서, 접지를 위한 제 3 금속막(15)은 제 2 금속막(14)과 전기적으로 연결 되고, 유전체막(13) 위에 형성된 제 3 금속막(15)은 후 공정에서 형성될 안테나 부분으로부터 입사되는 고주파를 하부로 입사시키는 스롯(slot) 부분이다.

그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이 제 3 금속막(15)을 포함한 전면에 고주파가 입사되는 안테나 부분과 접지를 위한 제 2, 제 3 금속막(14,15)을 절연시키기 위한 절연막(16)을 증착한다.

여기서, 절연막(16)은 로스 탄젠트(loss tangent)가 작은 물질이어야 한다.

마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 절연막(16) 위에 안테나 부분에 해당하는 제 4 금속막(17)을 전기도금이나 스퍼터링 등의 금속 증착 방법으로 증착하고 소정 형태로 패터닝하여 공정을 마친다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 유전체 공진기 제조방법은 유전체 둘레의 금속 도체면의 표면 거칠기가 극히 우수하므로 표면 산란(surface scattering)을 현격히 줄일 수 있어서 고주파 손실을 줄이고 잡음 지수를 낮출 수 있는 등 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 실리콘 기판을 식각하는 벌크 마이크로머시닝 방법이 아닌 서페이스 마이크로머시닝 방법을 적용하므로 실리콘 기판뿐만 아니라 GaAs 및 석영 기판 등 다른 기판을 이용할 수 있어서 다른 소자와의 집적이 가능하다.

그리고, 기존의 유전체 공진기는 캐비티를 형성하고 유전체를 형성하기 때문에 금속 도체면과의 접촉이 상당히 불량하지만 본 발명에 의한 유전체 공진기는 유전체를 형성하고 전기 도금 방법으로 금속 도체면을 형성하므로 유전체와 금속 도 체면의 접촉이 상당히 우수하여 수율을 높이고 공정단가를 줄일 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 기판 위에 제 1 금속막을 형성하는 제 1 단계;

   상기 제 1 금속막 전면에 유전체막을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 제 1 금속막을 노출시키는 제 2 단계;

   상기 노출된 제 1 금속막 위에 제 2 금속막을 형성하는 제 3 단계;

   상기 유전체막의 소정영역 위에 상기 제 2 금속막과 전기적으로 연결되도록 제 3 금속막을 형성하는 제 4 단계;

   상기 제 3 금속막을 포함한 전면에 절연막을 형성하는 제 5 단계; 그리고,

   상기 절연막의 소정영역 위에 제 4 금속막을 형성하는 제 6 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체막은 100㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는

   상기 제 1 금속막 위에 감광성을 갖는 유전체막을 형성하는 단계;

   상기 유전체막의 소정영역에 자외선을 조사하고 패터닝하여 소정영역의 제 1 금속막을 노출시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는

   상기 제 1 금속막 위에 감광성을 갖지 않는 유전체막을 형성하는 단계;

   상기 유전체막 위에 하드 마스크(hard mask)를 형성하고, 상기 하드 마스크의 소정영역을 패터닝하여 유전체막을 노출시키는 단계;

   상기 노출된 유전체막을 식각하여 상기 제 1 금속막을 노출시키고, 상기 남아 있는 하드 마스크를 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서, 제 2 금속막은 전기도금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 제 2 금속막 형성 후, CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정으로 상기 제 2 금속막을 폴리싱하여 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 제조방법.

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