KR100776406B1 - 마이크로 인덕터 및 그 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
자성 코어 및 이를 권선하는 코일을 포함하는 마이크로 인덕터가 개시된다. 본 마이크로 인덕터에 사용되는 자성 코어는 FeCuNbCrSiB로 이루어진다. 본 마이크로 인덕터는 자성 코어 및 코일을 절연시키는 절연체, 자성 코어 및 코일을 지지하는 기판, 패드 등을 더 포함한다. 절연체는, 알루미늄 옥사이드 또는 폴리 이미드가 될 수 있다. 이에 따라, 높은 동작 특성을 가지는 마이크로 인덕터를 초소형으로 구현할 수 있게 된다.
FeCuNbCrSiB, 자성코어, 코일, 절연체, 마이크로 인덕터
Description
도 1A 내지 1D는 NiFe로 이루어진 자성 코어를 사용하는 종래 마이크로 인덕터의 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 인덕터의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터의 구성을 나타낸 평면도,
도 4는 도 3의 마이크로 인덕터의 구성을 나타낸 사시도,
도 5는 도 3의 평면도에서 A-A' 단면을 나타낸 단면도,
도 6, 도 7A 및 도 7B는 도 3의 마이크로 인덕터에 사용되는 자성 코어 구조의 예를 나타내는 모식도,
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 인덕터를 하나의 웨이퍼 상에 복수 개로 제작한 상태를 설명하기 위한 모식도,
도 9A 내지 도 9E는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터 제작 방법을 설명하기 위한 단면도,
도 10A 내지 도 10D는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터의 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 11A 내지 도 11E는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터에서 사용되는 자성 코어의 표면 상태를 촬영한 전자 현미경 사진,
도 12A 내지 도 12E는 본 마이크로 인덕터의 자기장 대비 자기모멘트 특성을 자화 용이 축(easy axis)을 따라 측정한 그래프, 그리고,
도 13A 내지 도 13E는 본 마이크로 인덕터의 자기장 대비 모멘트 특성을 자화 곤란축(hard axis)을 따라 측정한 그래프이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110, 210 : 자성 코어 120, 220 : 코일
231, 232 : 패드 200 : 기판
본 발명은 마이크로 인덕터 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어를 포함하는 마이크로 인덕터 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
전자 기술의 발달에 힘입어, 다양한 종류의 전자 기기들이 개발, 보급되고 있다. 이러한 전자 기기들에 사용되는 소자들 중 하나가 인덕터나 트랜스포머 등과 같은 마그네틱 소자이다. 한편, 최근 전자 제품의 소형화 추세에 맞추기 위해서, 높은 동작 특성을 가지면서도 초소형, 초경량으로 제작가능한 마그네틱 소자에 대한 개발 노력이 진행중이다.
특히, 자성막(magnetic film)을 사용하는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터의 경우, CDMA 휴대폰, ADSL 네트워크 장치, 컴퓨터 시스템, CPU, DVD 드라이버, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등과 같은 각종 제품에 폭넓게 이용된다.
예전에는 인덕터는 자성 코어에 대하여 코일을 기계적으로 감는 방식으로 제작되었다. 이러한 방식으로 제작된 인덕터는 부피가 크고, 무거우며, 제조 단가도 비싸고, 동작 주파수 대역도 낮다는 문제점이 있었다.
이를 개선하기 위하여, 최근에는 멤스 기술 및 쿼시-리가(quasi-LIGA) 기술을 이용하여 NiFe로 이루어진 자성 코어를 사용하는 3D 마이크로 인덕터를 제작하는 것이 일반적이다.
이러한 종래의 마이크로 인덕터에 대해서는 발표된 논문 "fabrication of high frequency DC-DC converter using Ti/FeTaN film inductor"(C. S. Kim, IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS, VOL. 37, No.4, 2894-2896, July, 2001), "Ultralow-profile micromachined power inductors with highly laminated Ni/Fe cores: application to low-megahertz DC-DC converters"(J. W. Park, IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS, VOL. 39, No.5, 3184-3186, September 2003)을 참고하면, 알 수 있다.
도 1A 내지 도 1D는 NiFe 자성 코어를 이용하는 마이크로 인덕터의 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 1A 내지 1D는 자성 코어가 두 변을 구비한 사각 링 형태의 박막으로 제작되고, 코일이 두 변을 각각 권선하면서 서로 연결되어 있는 구조의 마이크로 인덕터를 가지고 실험한 실험 그래프이다.
먼저, 도 1A 및 도 1B는 사각 링 형태의 NiFe 자성 코어가 가로*세로 = 3900㎛ * 2660㎛의 크기를 가지며, NiFe 자성 코어의 두께는 10㎛, 자성 코어 일 변의 폭은 800 ㎛이고, 각 변의 폭은 서로 동일하며, 코일은 각 변을 32번씩 권선하여 총 권선 수는 64이고, 코일 폭은 20 ㎛, 코일 간 간격이 35 ㎛, 코일 두께가 10-20㎛, 코일 및 자성 코어 간에는 10 ㎛ 두께의 폴리이미드가 절연체로서 삽입되어 있는 조건 하에서 측정한 그래프이다.
다음으로, 도 1C 및 도 1D는 사각 링 형태의 NiFe 자성 코어가 가로*세로 = 3940㎛ * 3860㎛의 크기를 가지며, NiFe 자성 코어의 두께는 10㎛, 자성 코어의 4 변 중 코일이 권선된 두 변의 폭은 각각 1400 ㎛, 나머지 변의 폭은 각각 400㎛이고, 코일은 각 변을 40번씩 권선하여 총 권선 수는 80이고, 코일 폭은 20 ㎛, 코일 간 간격이 35 ㎛, 코일 두께가 10-20㎛, 코일 및 자성 코어 간에는 10 ㎛ 두께의 폴리이미드가 절연체로서 삽입되어 있는 조건 하에서 측정한 그래프이다.
이 중 도 1A 및 도 1C는 주파수 대비 인덕턴스 변화 특성을 나타내며, 도 1B 및 도 1D는 주파수 대비 선택도(Quility factor : Q 팩터) 변화 특성을 나타낸다.
하지만, NiFe를 자성 코어로 사용하면서, 적절한 크기의 인덕턴스나 Q 팩터를 얻기 위해서는 일정 값(대략, 10㎛) 이상의 두께를 가지는 자성 코어를 구비하여야 한다. 일반적으로 자성 코어의 자기 특성은 마이크로 인덕터의 성능 개선에 큰 영향을 준다. 따라서, NiFe보다 자기 특성이 우수한 새로운 물질의 자성 코어를 구비함으로써, 성능이 우수하면서 초소형으로 구현될 수 있는 마이크로 인덕터에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어를 구비함으로써 초소형으로 구현 가능한 마이크로 인덕터 및 그 제작 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터는, FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어 및 상기 자성 코어를 권선하는 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 자성 코어를 절연시키는 절연체를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 절연체는, 알루미늄 옥사이드 또는 폴리 이미드가 될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 자성코어 및 상기 코일을 지지하는 기판 및 상기 기판 상에 위치하며, 상기 코일과 연결되는 복수 개의 패드를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 코일은, 상기 기판 및 상기 자성 코어 사이에 위치하는 하부 코일 패턴, 상기 자성 코어 상측에 위치하는 상부 코일 패턴 및 상기 하부 코일 패턴과 상기 상부 코일 패턴을 연결시키는 비아를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 자성코어는, 상기 기판 상에서 서로 마주 보는 형태로 배치되는 두 변을 구비한 폐자로(closed magnetic circuit)형태가 될 수 있다.
이 경우, 상기 코일은, 상기 자성 코어의 두 변 중 제1 변을 권선하는 제1 코일 및 상기 자성 코어의 두 변 중 제2 변을 권선하며, 일 단이 상기 제1 코일과 연결되는 제2 코일을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 코일의 일 단은 상기 복수 개의 패드 중 제1 패드와 연결되고, 상기 제1 코일의 타 단은 상기 제2 코일의 일 단과 연결되며, 상기 제2 코일의 타 단은 상기 복수 개의 패드 중 제2 패드와 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 코일의 각 권선의 폭은 20-40㎛, 각 권선의 두께는 5-20㎛, 각 권선 간의 공간은 20-40㎛가 될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 자성 코어는, 2-6㎛ 두께의 박막 형태가 될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 자성 코어 및 상기 자성 코어를 권선한 코일을 구비한 마이크로 인덕터를 제작하는 마이크로 인덕터 제작 방법은, (a) 기판 상에 하부 코일 패턴을 제작하는 단계, (b) 상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판 상에 FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어를 소정 패턴으로 형성하는 단계, (c) 상기 하부 코일 패턴과 연결되는 비아 패턴을 제작하는 단계 및 (d) 상기 비아 패턴과 연결된 상부 코일 패턴을 적층하여, 상기 자성 코어를 권선한 형태의 코일을 제작하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 (a)단계는, 상기 기판의 일 표면에 씨드층을 제작하고, 상기 기판의 적어도 하나의 표면 상에 정렬 표지(alignment symbol)를 제작하는 단계, 상기 씨드층을 따라 도금하여 상기 하부 코일 패턴을 제작하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 (b) 내지 (d)단계는, 상기 정렬 표지를 기준으로 대응되는 위치에서 수행될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 (b)단계는, 상기 코일과 소정 거리 이격된 위치에 상기 자성 코어를 제작하며, 상기 자성 코어는 서로 마주 보는 형태로 배치되는 두 변을 구비한 폐자로(closed magnetic circuit) 형태가 될 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 (b)단계는, FeCuNbCrSiB 샘플을 이용한 스퍼터링 공정을 수행하여, FeCuNbCrSiB 박막을 상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판 상에 적층하는 단계 및 상기 FeCuNbCrSiB 박막을 패터닝하여, 상기 자성 코어를 제작하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (c)단계는, 상기 비아 패턴과 함께 패드를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 자기장이 인가된 소정 온도의 진공로(vacuum furnace) 내에 상기 마이크로 인덕터를 배치하여, 가열 냉각(anneal)하는 단계를 더 포함하는 것도 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 스퍼터링 공정은, 상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판과 상기 FeCuNbCrSiB 샘플이 내부에 배치된 스퍼터링 챔버 내에서 다음과 같은 스퍼터링 조건하에서 수행될 수 있다. 스퍼터링 조건은, 스퍼터링 챔버 내부 기체 : 아르곤, 스퍼터링 챔버 내부 압력 : 4.2 pa 압력, 스퍼터링 시간 : 1-2 h, 스퍼터링 전력 : 600 W, 플로우 레이트 : 13 SCCM, 자기장 크기 : 16 kA/m이며, 자기장 방향은 상기 기판 표면에 평행한 방향이 된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 마이크로 인덕터의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다. 도 2에 따르면, 본 마이크로 인덕터는 자성 코어(110) 및 코일(120)을 포함한다.
자성 코어(110)는 FeCuNbCrSiB로 이루어진다. 도 2에서는 자성 코어(110)가 두 개의 바(111, 112) 형태를 이루나, 자성 코어(110)의 구조는 서로 마주보는 두 변을 가지는 사각 링 형태와 같은 폐자로(closed magnetic circuit)를 형성할 수도 있다.
코일(120)은 자성 코어(110)의 두 변(111, 112)을 각각 권선하며, 서로 연결된 형태로 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터의 구성을 나타내는 평면도이다. 도 3에 따른 마이크로 인덕터는 기판(200), 자성 코어(210), 코일(220), 패드(231, 232)를 포함한다.
자성 코어(210)는 FeCuNbCrSiB로 이루어지며, 사각 링 형태와 같은 폐자로를 형성한다. 사각 링 구조에서 각 변은 막(film) 형태로 이루어진다.
코일(220)은 자성 코어(210)의 서로 마주 보는 두 변 중 한 변을 권선하는 제1 코일(221) 및 타 변을 권선하는 제2 코일(222)을 포함한다.
제1 코일(221)의 일 단은 제1 패드(231)와 연결되며, 타 단은 제2 코일(222)의 일 단과 연결된다. 제2 코일(222)의 타 단은 제2 패드(232)와 연결된다.
제1 및 제2 패드(231, 232)는 외부 전원으로부터 인가되는 전기 신호를 코일(220)로 전달하는 역할을 한다.
도 4는 도 3의 마이크로 인덕터의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 4에 따르면, 제1 코일(221) 및 제2 코일(222)은 각각 하부 코일 패턴(221c, 222c), 비아(221b, 222b), 상부 코일 패턴(221a, 222a)을 포함한다. 하부 코일 패턴(221c, 222c)은 기판(200) 표면에 제작되고, 상부 코일 패턴(221a, 222a)은 자성 코어(210)의 상측에 제작된다. 비아(221b, 222b)는 자성 코어(210)의 제1 및 제2 변(211, 212) 각각의 양 측에 제작되어 하부 코일 패턴(221c, 222c)과 상부 코일 패턴(221a, 222a)을 각각 연결한다.
도 5는 도 3의 마이크로 인덕터의 자성 코어 제1 변(211)에 대하여 A-A'방향으로 자른 단면을 나타내는 단면도이다. 도 5에 따르면, 제1 코일(221) 및 자성 코어 제1 변(211) 사이에는 절연체(240)가 배치되어, 자성 코어 제1 변(211)을 절연시킨다. 도 5는 제1 변(211)에 대해서만 도시하고 있으나, 제2 변(212)도 동일한 구조를 가진다.
절연체(240)로는 폴리 이미드(polyimide) 또는 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide)가 사용될 수 있다.
도 3 내지 5의 마이크로 인덕터에서 자성 코어(210), 코일(220)의 규격은 원하는 임피던스 값을 얻을 수 있도록 다양한 크기로 설계할 수 있다. 마이크로 인덕터의 임피던스 값은 다음과 같은 수식으로 표현된다.
수학식 1에서 L은 인덕턴스, μ0는 진공중에서의 절대 투자율, μr은 코어 물질의 상대 투자율, lc는 폐자로 코어의 전체 길이, N은 코일의 총 권선 수, Ac는 자성 코어의 단면적을 나타낸다. 따라서, 수학식 1에서 원하는 인덕턴스 값을 얻기 위해서는, lc, N, Ac등을 조정하면 된다.
바람직하게는, 코일의 각 권선의 폭은 대략 20-40㎛, 각 권선의 두께는 대략 5-20㎛, 각 권선 간의 공간은 대략 20-40㎛로 설계할 수 있다. 또한, 자성 코어는, 대략 2-6㎛ 두께를 가지는 막으로 설계할 수 있다. 그리고, 자성 코어의 구조도 다양하게 변경할 수 있다. 높은 인덕턴스를 가지는 초소형 인덕터를 구현하기 위하여, 권선 수를 증가시키거나 자성 코어의 단면적을 증가시키는 것이 바람직하다.
도 6, 도 7A, 도 7B는 자성 코어의 다양한 구조를 설명하기 위한 모식도이다. 먼저, 도 6은 서로 마주보는 두 개의 직선 변을 가지며, 직선 변을 제외한 나머지 부분은 곡선 형태로 제작된 폐자로(310) 형태의 자성 코어를 나타낸다.
도 7A는 네 변의 폭이 동일한 사각 링 형태의 자성 코어(이하, A 타입)를 나타내며, 도 7B는 네 변 중에서 코일이 권선되는 두 변의 폭이 나머지 두 변의 폭보다 큰 사각 링 형태의 자성 코어(이하, B 타입)를 나타낸다. 이 밖에도, 자성 코어는 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 바(bar) 형태로 제작될 수도 있다.
도 8은 하나의 웨이퍼 상에서 복수개의 마이크로 인덕터를 동시 제작한 상태를 촬영한 사진이다. 즉, 하나의 웨이퍼의 전체 영역에 대해서, 하부 코일 패턴(221c, 222c), 자성코어(210), 비아(221b, 222b), 상부 코일 패턴(221a, 222a)등을 제작하는 공정을 동시에 수행하여 복수개의 마이크로 인덕터를 동시 제작한 후, 다이싱(dicing)과정을 통해 분리하여 사용할 수 있다.
도 9A 내지 도 9E는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 인덕터 제작 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 9A 내지 도 9E는 도 3의 마이크로 인덕터에서 자성코어(210)의 제1 변(211)에 대응되는 위치를 기준으로 마이크로 인덕터 제작 공정을 설명하는 단면도이므로, 제2 변(212)에 대응되는 제작 공정은 도 9A 내지 도 9E에서 미도시된다. 하지만, 각 변(211, 212)에 대한 공정은 동일하게 수행되므로, 이하에서는 제1 변(211)에 대한 공정만을 설명한다.
먼저, 도 9A와 같이, 기판(200)의 일 표면 상에 하부 코일 패턴(221c) 및 제1 하부 패드(231a)를 제작한다. 도 9A의 공정을 구체적으로 설명하면, 먼저 Cr이나 Cu와 같은 물질을 스퍼터링하여 기판(200) 일 표면 상에 대략 100nm 정도 두께로 씨드층(201)을 적층한다. 한편, 마이크로 인덕터 제작을 용이하게 하기 위하여 정렬 표지(align mark : 202)를 사용할 수 있다. 통상적으로는 기판의 전면에 정렬 표지를 제작하나, 공정의 편이상 후면에 제작할 수도 있다.
바람직하게는, Cr/Cu 씨드층(201)은 다음과 같은 스퍼터링 조건을 이용하여 스퍼터링할 수 있다.
[ 씨드층 스퍼터링 조건]
1. 기판 진공도 : 4 * 10-4Pa
2. Ar 압력 : 0.67 Pa
3. 스퍼터링 전력 : 800W
4. Ar 플로우 레이트 : 20 SCCM
씨드층(201)이 적층되면, 포토레지스트(미도시)를 이용하여 하부 코일 패턴(221c) 및 제1 하부 패드(231a)를 제작한다. 구체적으로는, 씨드층(201)을 패터닝 한 후, 포토레지스트(미도시)를 대략 10㎛의 두께로 도포하고 90 ~ 95℃ 정도 온도로 60분 정도 가열한 후, 노광 및 현상 과정을 수행하고, 씨드층(201)을 이용하여 도금함으로써, 하부 코일 패턴(221c) 및 제1 하부 패드(231a)를 제작할 수 있다. 도금 물질로는 Cu를 사용할 수 있다. 이 경우, 도 9A에서는 도시되지 않았으나, 자성 코어(210)의 제2 변(212)에 대응되는 위치의 하부 코일 패턴(222c) 및 제2 패드(231a)도 동시에 제작된다.
도 9B는 코일과 자성코어 사이의 절연층을 제작하는 과정을 나타내는 단면도이다. 구체적으로는, PR, 폴리이미드를 절연체로 사용할 수 있고, 스퍼터링 방식으로 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 등의 절연체를 적층한 후 패터닝할 수도 있다.
절연체는 다음과 같은 스퍼터링 조건을 이용하여 스퍼터링할 수 있다.
[ 절연체 스퍼터링 조건]
1. 기판 진공도(substrate vacuum) : 4 * 10-4Pa
2. Ar 압력 : 2.66 Pa
3. 스퍼터링 전력 : 4000W
4. Ar 플로우 레이트 : 70 SCCM
다음으로, 도 9C와 같이 자성 코어의 일 변(211)과 함께 자성 코어(210)를 제작한다. 구체적으로는, Cr 씨드층(203)을 20 ~ 30nm 두께로 스퍼터링한 후, FeCuNbCrSiB 박막을 2 ~ 6㎛ 두께로 스퍼터링하고 패터닝함으로써, 자성 코어의 일 변(211)과 함께 자성 코어(210)가 제작된다.
스퍼터링 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, FeCuNbCrSiB 타겟을 별도로 제작한다. 구체적으로는, 아르곤 기체가 채워진 진공 오븐에서, 99.8% 의 Fe, 99.9%의 Si, 99.6% 의 Nb, 99.9%의 Cu, 99.8%의 Cr을 아크 멜팅(arc-melting)하여, Fe73 .5Cu1Nb2Cr1Si13 .5B9 의 조성비를 가지는 Fe-Cu-Nb-Cr-Si-B 합금 샘플을 제작한다. 그리고 나서, 합금 샘플을 커팅하여 3-4 mm 두께, 153 mm 직경의 얇은 타겟으로 만든다. 이에 따라, 제작된 타겟을 이용하여, SPF-312 시스템에서 마그네트론 스퍼터링을 수행하여 FeCuNbCrSiB 박막을 적층할 수 있다.
한편, 스퍼터링 파워, 플로우 레이트, 아르곤 압력을 다양하게 변화시키면서, 각 조건 하에서 제작된 자성막의 투자율 및 보자력을 측정함으로써 최적 조건을 찾을 수 있다.
자성체는, 아래와 같은 스퍼터링 조건하에서 스퍼터링을 수행할 수 있다.
[ FeCuNbCrSiB 스퍼터링 조건]
1. 기판 진공도(substrate vacuum) : 1.1*10-4Pa
2. Ar 압력 : 4.2 Pa
3. 스퍼터링 전력 : 600 W
4. Ar 플로우 레이트(flow rate) : 13 SCCM
5. 스퍼터링 시간 : 1 ~ 2 h
6. 자기장 : 16 KA/m
여기서, 자기장은 자성 코어(210)의 장 변에 평행한 방향으로 인가될 수 있다.
한편, 스퍼터링 방식으로 제작된 자성 코어의 조성 비는 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma : ICP) 분석 방식 등과 같은 다양한 방식으로 구할 수 있다. 검출된 조성 비는 대략 Fe 76.2Si 9.2B6.9Cu4 .8Nb0 .1Cr1 .3Ni1 .5가 된다. 자성 박막의 DSC(differential scanning calorimety) 곡선(미도시)을 이용하면, 큐리 온도는 대략 447 ℃, 결정화 온도는 대략 602℃ 정도가 된다.
한편, 이와는 상이한 조성비를 가지는 샘플을 이용하여, 상이한 스퍼터링 조건 하에서 스퍼터링을 수행하면, 각 성분들의 조성비 등은 상이하게 검출될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 자성 코어(210) 제작이 완료되면, 도 9D와 같이, 비아(221b) 및 패드(231)를 완성한다. 구체적으로는, 자성 코어(210)가 제작된 상태에서 약 20㎛ 두께의 포토레지스트를 적층한 후, 노광 및 현상 과정을 수행하여 비아 및 패드부위가 나타나도록 한다. 그리고 나서 도금 과정을 통해 제1 상부 패드(231b)와 비 아 패턴(221b)을 제작한다. 다음으로 CMP를 통해 상면이 평평해질 때까지 연마한다.
그리고 나서, 도 9E와 같이 또다른 씨드층(204)를 이용하여, 상부 코일 패턴(221a)을 제작한다. 이에 따라, 자성 코어의 제1 변(211)을 권선하는 형태의 제1 코일(221)이 완성된다. 이와 동시에, 제2 변(212)을 권선하는 형태의 제2 코일(222)도 완성된다. 상부 코일 패턴(221a)의 구체적인 제작 과정은 하부 코일 패턴(221c)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.
완성된 코일의 형태는 솔레노이드(solenoid) 형태이며, 각 권선의 폭은 대략 20 ~ 40㎛ 정도이고, 두께는 5~20㎛, 권선 간 간격은 20~40㎛ 정도로 제작하는 것이 바람직하다. 코일 권선수는 자성코어(210)의 길이에 따라 상이하게 결정된다.
이와 같이, 코일(220) 구조가 완성되면, 진공로(vacuum furnace) 안에 마이크로 인덕터를 배치한 후, 30분 동안 자기장을 인가하면서 250℃로 가열하여, 마이크로 인덕터 제작을 완료할 수 있다. 각각의 마이크로 인덕터는 기판을 다이싱하여 분리하며, 이때 도금을 위해 연결된 불필요한 배선이 단절될 수 있다.
도 10A 내지 도 10D는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 마이크로 인덕터의 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 10A 내지 10D는 자성 코어가 두 변을 구비한 사각 링 형태의 박막으로 제작되고, 코일이 두 변을 각각 권선하면서 서로 연결되어 있는 구조의 마이크로 인덕터를 가지고 실험한 실험 그래프이다. 따라서, 도 1A 내지 도 1D와 비교하면, 본 마이크로 인덕터의 성능과 종래 마이크로 인덕터의 성능을 비교할 수 있다.
먼저, 도 10A 및 도 10B는 사각 링 형태의 FeCuNbCrSiB 자성 코어가 가로*세로 = 3900㎛ * 2660㎛의 크기를 가지며, 자성 코어의 두께는 3 ~ 6 ㎛, 자성 코어 각 변의 폭이 800 ㎛인 A 타입이고, 코일은 각 변을 32번씩 권선하여 총 권선 수는 64이고, 코일 폭은 20 ㎛, 코일 간 간격이 35 ㎛, 코일 두께가 10-20㎛, 코일 및 자성 코어 간에는 10 ㎛ 두께의 폴리이미드가 절연체로서 삽입되어 있는 조건 하에서 측정한 그래프이다.
다음으로, 도 1C 및 도 1D는 사각 링 형태의 FeCuNbCrSiB 자성 코어가 가로*세로 = 3940㎛ * 3860㎛의 크기를 가지며, FeCuNbCrSiB 자성 코어의 두께는 3 ~ 6㎛, 자성 코어 장 변의 폭이 1400 ㎛인 B 타입이고, 코일은 각 변을 40번씩 권선하여 총 권선 수는 80이고, 코일 폭은 20 ㎛, 코일 간 간격이 35 ㎛, 코일 두께가 10-20㎛, 코일 및 자성 코어 간에는 10 ㎛ 두께의 폴리이미드가 절연체로서 삽입되어 있는 조건 하에서 측정한 그래프이다.
이 중 도 10A 및 도 10C는 주파수 대비 인덕턴스 변화 특성을 나타내며, 도 10B 및 도 10D는 주파수 대비 선택도(Quility factor : Q 팩터) 변화 특성을 나타낸다.
도 1A 내지 도 1D와 도 10A 내지 도 10D를 각각 비교하면, 10 ㎛ 두께의 NiFe 자성 코어를 사용하였을 때의 임피던스 및 Q 팩터 특성과, 3 ~ 6 ㎛ 정도 두께의 FeCuNbCrSiB 자성 코어를 사용하였을 때의 임피던스 및 Q 팩터 특성이 거의 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 종래의 마이크로 인덕터에 비해 자성 코어의 두께를 절반 정도로 줄이는 것이 가능해지므로, 마이크로 인덕터 전체 크기도 감소될 수 있게 된다.
한편, 도 3 내지 도 5에 도시된 마이크로 인덕터에서 사용된 FeCuNbCrSiB 자성 코어의 특징을 살피기 위하여 가열(annealing) 실험을 수행할 수 있다. 구체적으로는, 자성 코어가 제작된 샘플을 각각 300, 400, 500, 및 600℃ 온도로 각각 30 분간 가열한 후, 일정 시간이 경과하면 그 특성 변화를 체크하는 실험이 수행된다.
이에 따라, 가열 전후의 박막의 구조적 특성을 파악하기 위해서 영 률(Young's modulus) 및 경도(hardness)가 측정될 수 있다. 가열 온도별로 측정된 영 률과 경도는 다음 표와 같이 정리된다.
| as-deposited | annealed at 300℃ | annealed at 400℃ | annealed at 500℃ | annealed at 600℃ | |
| 영 률 (GPa) | 156.6 | 159 | 150 | 192 | 197.5 |
| 경도 (GPa ) | 12.34 | 9.4 | 8.8 | 11.4 | 11.9 |
그 밖에, 박막 형태의 자성 코어의 표면 구조 및 자기 특성을 파악하기 위하여, X-레이 촬영, 전자 현미경(AFM) 촬영, 또는, B-H loops 검출 등이 수행될 수 있다.
도 11A 내지 11E는 각 온도 별로 촬영한 전자 현미경 촬영 사진이다. 도 11A는 적층된 상태 그대로의 상태, 도 11B는 300℃로 가열한 상태, 도 11C는 400℃로 가열한 상태, 도 11D는 500℃로 가열한 상태, 도 11E는 600℃로 가열한 상태에서 자성 코어(210) 표면을 촬영한 사진이다. 도 11A 내지 11E를 살피면, 가열 전의 자성 코어 표면은 무정형상태임을 알 수 있으나, 400℃의 온도에서 정형화가 개시됨을 알 수 있다. 온도가 500℃ 이상이 되면, 나노 미터 크기의 미세 결정이 생성된다.
도 12A 내지 도 12E와, 도 13A 내지 도 13E는 각 온도 별 B-H 특성을 검출한 그래프이다. 먼저, 도 12A 내지 도 12E는 본 마이크로 인덕터의 자기장 대비 모멘트 특성을 자화 용이 축(easy axis)을 따라 측정한 그래프이고, 도 13A 내지 도 13E는 본 마이크로 인덕터의 자기장 대비 자기모멘트 특성을 자화 곤란축(hard axis)을 따라 측정한 그래프이다.
도 12A 및 도 13A는 적층된 상태 그대로의 상태, 도 12B 및 도 13B는 300℃로 가열한 상태, 도 12C 및 도 13C는 400℃로 가열한 상태, 도 12D 및 도 13D는 500℃로 가열한 상태, 도 12E 및 도 13E는 600℃로 가열한 상태를 나타낸다. 도 12A 내지 도 12E, 도 13A 내지 도 13E를 살피면, 원 상태의 자성 박막은 매우 뛰어난 연자성을 가지며, 300℃로 가열된 이후에 더욱 개선되며, 반면에, 보자력은 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 구조적 이완 프로세스(structural relaxation processes)에 의해 응력(stress)이 줄어드는 것에 기인한다. 하지만, 가열 온도의 증가에 따라, 자성 박막은 더 단단해지고, 보자력은 매우 커진다. 그리고, 박막은 등방성을 가지게 된다.
이상과 같은 실험 결과를 토대로, 마이크로 인덕터의 각 구성요소의 크기, 구조, 형태 등을 다양하게 조합함으로써, 마이크로 인덕터를 다양한 기술 분야의 제품에 대하여 적용할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 마이크로 인덕터의 자성 코어를 FeCuNbCrSiB로 형성한다. 이에 따라, 동작 특성이 우수한 마이크로 인덕터를 초소형, 초경량으로 제작할 수 있게 된다. 또한, MEMS 프로세스를 사용하게 되면, 미세 구조의 마이크로인덕터의 각 구성요소를 정확한 위치에 제작할 수 있게 되고, 기존의 반도체 제조 공정과 호환성을 가지게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져 서는 안될 것이다.
Claims (18)
- FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어; 및,상기 자성 코어를 권선하는 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제1항에 있어서,상기 자성 코어를 절연시키는 절연체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제2항에 있어서,상기 절연체는,알루미늄 옥사이드인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제2항에 있어서,상기 절연체는,폴리 이미드인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 자성코어 및 상기 코일을 지지하는 기판; 및,상기 기판 상에 위치하며, 상기 코일과 연결되는 복수 개의 패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제5항에 있어서,상기 코일은,상기 기판 및 상기 자성 코어 사이에 위치하는 하부 코일 패턴;상기 자성 코어 상측에 위치하는 상부 코일 패턴; 및,상기 하부 코일 패턴과 상기 상부 코일 패턴을 연결시키는 비아;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제5항에 있어서,상기 자성코어는,상기 기판 상에서 서로 마주 보는 형태로 배치되는 두 변을 구비한 폐자로(closed magnetic circuit)인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제7항에 있어서,상기 코일은,상기 자성 코어의 두 변 중 제1 변을 권선하는 제1 코일; 및,상기 자성 코어의 두 변 중 제2 변을 권선하며, 일 단이 상기 제1 코일과 연결되는 제2 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제8항에 있어서,상기 제1 코일의 일 단은 상기 복수 개의 패드 중 제1 패드와 연결되고, 상기 제1 코일의 타 단은 상기 제2 코일의 일 단과 연결되며, 상기 제2 코일의 타 단은 상기 복수 개의 패드 중 제2 패드와 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제1항에 있어서,상기 코일의 각 권선의 폭은 20-40㎛, 각 권선의 두께는 5-20㎛, 각 권선 간의 공간은 20-40㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 제10항에 있어서,상기 자성 코어는,2-6㎛ 두께의 박막 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터.
- 자성 코어 및 상기 자성 코어를 권선한 코일을 구비한 마이크로 인덕터를 제작하는 마이크로 인덕터 제작 방법에 있어서,(a) 기판 상에 하부 코일 패턴을 제작하는 단계;(b) 상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판 상에 FeCuNbCrSiB로 이루어진 자성 코어를 소정 패턴으로 형성하는 단계;(c) 상기 하부 코일 패턴과 연결되는 비아 패턴을 제작하는 단계; 및,(d) 상기 비아 패턴과 연결된 상부 코일 패턴을 적층하여, 상기 자성 코어를 권선한 형태의 코일을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제12항에 있어서,상기 (a)단계는,상기 기판의 일 표면에 씨드층을 제작하고, 상기 기판의 적어도 하나의 표면 상에 정렬 표지(alignment symbol)를 제작하는 단계;상기 씨드층을 따라 도금하여 상기 하부 코일 패턴을 제작하는 단계;를 포함하며,상기 (b) 내지 (d)단계는, 상기 정렬 표지를 기준으로 대응되는 위치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제12항에 있어서,상기 (b) 단계는,상기 하부 코일 각각과 소정 거리 이격된 위치에 상기 자성 코어를 제작하며, 상기 자성 코어는 서로 마주 보는 형태로 배치되는 두 변을 구비한 폐자로(closed magnetic circuit) 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제12항에 있어서,상기 (b)단계는,FeCuNbCrSiB 샘플을 이용한 스퍼터링 공정을 수행하여, FeCuNbCrSiB 박막을 상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판 상에 적층하는 단계; 및,상기 FeCuNbCrSiB 박막을 패터닝하여, 상기 자성 코어를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제12항에 있어서,상기 (c)단계는,상기 비아 패턴과 함께 패드를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제12항에 있어서,자기장이 인가된 소정 온도의 진공로(vacuum furnace) 내에 상기 마이크로 인덕터를 배치하여, 가열(anneal)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법.
- 제15항에 있어서,상기 스퍼터링 공정은,상기 하부 코일 패턴이 제작된 기판과 상기 FeCuNbCrSiB 샘플이 내부에 배치된 스퍼터링 챔버 내에서 다음과 같은 스퍼터링 조건하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인덕터 제작 방법 :스퍼터링 챔버 내부 기체 : 아르곤스퍼터링 챔버 내부 압력 : 4.2 pa 압력스퍼터링 시간 : 1-2 h스퍼터링 전력 : 600 w플로우 레이트 : 13 SCCM자기장 크기 : 16 kA/m자기장 방향 : 상기 기판 표면에 평행한 방향.
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| KR (1) | KR100776406B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102096760B1 (ko) * | 2018-07-04 | 2020-04-03 | 스템코 주식회사 | 코일 장치 및 그 제조 방법 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR970071871A (ko) * | 1996-04-05 | 1997-11-07 | 게네비브 부 탄 | 1MHz와 100MHz 사이에서 작동하는 저장실 페라이트 및 그 제조방법 |
| KR20010028523A (en) * | 1999-09-21 | 2001-04-06 | Lg Electronics Inc | Micro passive element and method for manufacturing micro passive element |
| JP2002050520A (ja) | 2000-06-29 | 2002-02-15 | Memscap | マイクロインダクタあるいはマイクロトランスタイプのマイクロ要素 |
| KR20040047452A (ko) * | 2002-11-30 | 2004-06-05 | 주식회사 쎄라텍 | 칩타입 파워인덕터 및 그 제조방법 |
| JP2005019511A (ja) | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Nec Tokin Corp | マイクロインダクタ及びその製造方法 |
-
2006
- 2006-11-27 KR KR1020060117821A patent/KR100776406B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR970071871A (ko) * | 1996-04-05 | 1997-11-07 | 게네비브 부 탄 | 1MHz와 100MHz 사이에서 작동하는 저장실 페라이트 및 그 제조방법 |
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| JP2005019511A (ja) | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Nec Tokin Corp | マイクロインダクタ及びその製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20070082494A (ko) | 2007-08-21 |
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