KR100942134B1 - 강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실 결정 방법 및튜닝가능 박막 강유전성 장치 - Google Patents

강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실 결정 방법 및튜닝가능 박막 강유전성 장치 Download PDF

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Abstract

튜닝가능 강유전성 컴포넌트(610-614) 그리고 상기 강유전성 컴포넌트의 손실을 측정하기 위한 협대역 공진회로(610-620). 상기 강유전성 컴포넌트가 상기 공진회로내에서 집적된 콘덴서이게 된다. 상기 검사 방법은 다른 소스들로부터 손실을 제거하여 상기 강유전성 재료로 기인한 손실을 분리시키도록 하며 그와 같은 손실이 낮아질 수 있도록 한다.

Description

강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실 결정 방법 및 튜닝가능 박막 강유전성 장치{LOW-LOSS TUNABLE FERRO-ELECTRIC DEVICE AND METHOD OF CHARACTERIZATION}
관련 출원
본 발명 출원은 2001년 4월 11일자 미국 가출원 제 60/283,093 호를 본원 명세서에서 참고로 인용한다. 또한 본 발명 출원은 2001년 7월 13일자 미국출원 "Tunable Ferro-electric Filter"에 대한 것이며, 2001년 7월 24일자 미국출원 "Tunable Ferro-electric Multiplexer"에 대한 것으로서, 이들 출원 명세서를 참고로 인용한다.
발명의 분야
본 발명의 기술분야는 강유전성 튜닝가능 전자소자 및 컴포넌트이다.
발명의 배경
가변 콘덴서는 정전용량의 변경에 의해 각기 상이한 전자 응답을 얻을 수 있기 때문에 유익한 점을 지니고 있다. 그러나, 가변의 또는 튜닝가능 콘덴서를 실시하기 위해 현재 사용되는 전자 구조는 중요한 성능과 실시상의 제한점을 가지고 있다. 이동가능한 병렬 플레이트는 무선 튜팅을 위해 가변의 정전용량을 제공하지만 크기가 크고, 손실이 크며, 잡음이 있고, 대개 제한된 범위의 주파수에서만 동작하거나, 그밖에 다수의 유사 단점들을 가진다. "손실용이(lossy)" 컴포넌트 또는 소자는 컴포넌트내 전력대 일정 부하로 전달되는 전력비인 높은 삽입 손실(IL)을 가진다. 전자 버랙터(varactor)(반도체 다이오드저항기)는 반도체 소자로서 가해진 전압에 응답하는 정전용량을 조절한다. 버랙터는 대개 손실이 많으며 잡음이 과다하고 200MHz 이상의 고주파 응용에서는 일반적으로 효과적이지 못하다. 따라서 이들 버랙터는 특히 코드 분할 다중 접근(CDMA)이 사용되는 무선 응용에서 필터와 멀티플렉서와 같은 삽입 손실-비중 소자등을 튜닝하는데는 적합하지 않다. 가변 정전용량을 제공하는 또다른 실시는 마이크로-전기-기계 시스템(MEMS)이다. 이는 소형 스위칭소자로서 가해진 신호에 응답하는 각기 다른 콘덴서를 물리적으로 선택한다. 그러나 MEMS는 대개 가격이 비싸고 신뢰할 수 없으며, 상당한 제어 전압을 필요로 하고 단지 이산 세트의 사전에 선택된 정전용량 값만을 가능하게 한다.
이들 가변 유전율때문에 강유전성 재료는 튜닝가능 콘덴서 또는 다른 튜닝가능 컴포넌트를 만드는데 유용하다. 그러나, 현재 사용되고 있는 측정과 특징화 기술로는 튜닝가능 강유전성 컴포넌트가 손실 특성을 개선하기 위해 사용되는 처리, 도핑 또는 다른 생산 기술에도 불구하고 계속적이며 상당한 크기의 손실이 발생시킴을 막을 수 없다. 따라서 이들은 널리 사용되고 있지 않다. RF 또는 마이크로파 영역에서 동작하는 강유전성 튜닝가능 컴포넌트는 특히 손실이 많은 것으로 알려져 있다. 이같은 관찰은 RADAR 응용에서 경험적으로 뒷받침되는데, 특히 최대 튜닝이 필요한때 크기가 큰(약 1.0㎜이상의 두께) f-e 재료의 경우 일반적이다. 일반적으 로 대부분의 f-e 재료는 이들 재료의 손실을 개선하기 위해(줄이기 위해) 추가적 조치가 취해지지 않는다면 손실이 크다. 상기의 추가 단계로는 (1) O2 결핍을 보상하기 위해 사전 또는 사후 증착 어닐링, (2) 버퍼층 사용으로 표면 스트레스 줄이기, (3) 다른 재료로 합금처리 또는 버퍼링, 그리고 (4) 선택적 도핑등이 있다.
저 전력 컴포넌트의 제한범위 튜닝의 요구가 근자에 증가하고 있으므로, 강유전성 재료에 대한 관심이 크기가 큰 재료가 아닌 박막의 사용으로 주목되고 있다. 그러나 높은 강유전성 손실이 있으리라는 것은 박막 작업에서도 마찬가지이다. 종래의 광대역 측정기술은 후막이든 박막이든간에 튜닝가능 강유전성 컴포넌트가 상당한 손실을 가져온다는 추측을 뒷받침하고 있다. 강유전성 콘덴서의 콘덴서 용량값에 대한 광대역 측정은 LRC 미터, 임피던스 분석장치 또는 네트워크 분석장치와 같은 장치를 사용하여 얻어진다. 전력측정으로부터, 상기 콘덴서의 손실을 계산할 수 있다. 상기 손실의 인버스(inverse)는 양호도("Q")이다. 따라서, 손실이 많은 장치는 낮은 Q를 가지며, 효율적인 장치는 높은 Q를 갖게된다. 종래 측정기술을 사용하여 얻어지는 1.8-2.0 GHz 주파수 범위에서 동작하여 약 0.5-1.0 pF 범위의 정전용량을 갖는 강유전성 콘덴서에서 Q 측정값은 대개 10-50 범위인것으로 알려져 있다. 이같은 수치는 허용할 수 없을 정도로 비효율적이며 따라서 강유전성 튜닝가능 컴포넌트는 보편적으로 사용하기에는 바람직하지 않은 것으로 판단된다. 무선 통신에서는 Q가 80이상, 바람직하기로는 180이상, 그리고 최적상태로는 350이상 인 것이 약 2GHz 주파수에서 요구되어 진다.
하기에서 설명 및 도시되는 바와 같이, 종래의 강유전성 컴포넌트는 잘못 생산되고, 측정되었으며 특성이 정하여졌다. 결과적으로, 강유전성 튜닝가능 컴포넌트는 매우 손실이 크고 Q가 L-대역에서 10-50 범위인 것으로 추정되고 있다. 또한 다른 주파수 대역에서 동작되는 강유전성 튜닝가능 장치는 대부분의 응용이 허용될 수 없는 Q를 갖는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 요약
f-e 박막에 대한 손실 또는 그 인버스인 Q를 검사하는 방법은 공지기술에서 문제가 있다. 상기 공지기술 방법은 광대역 검사방법과 비-집적 컴포넌트를 사용한다. 상기 검사방법과 장치는 검사중에 손실 메카니즘 모두가 설명되지는 못하는데, 이는 f-e 재료가 손실 크다고 믿게하였다.
본 발명은 협대역 검사 방법과 컴포넌트 인티그레이션(집적)을 제공한다. 모든 손실 메카니즘이 설명되며 제거되거나 최소화된다. 이는 결국 더욱 정확한 검사결과를 가져오도록 하고, f-e 재료가 앞서 생각했던 것보다 훨씬 손실이 크지 않음을 보여준다.
이같은 검사 방법으로 f-e 재료가 성공적으로 검사되어 손실, 튜닝가능성 및 다른 파라미터들 사이에 이상적인 교환을 찾아낼 수 있도록 한다. 따라서 손실이 적은 튜닝가능 f-e 장치(또는 소자)가 만들어질 수 있다. 손실이 적으며, 이같은 콘덴서는 튜닝가능성이 바람직한 많은 응용에서 빌딩 블록(building block)으로서 사용될 수 있으나, 낮은 손실 요구조건은 일정한 다른 튜닝가능 장치 사용을 막아왔다. 그 한가지 예가 무선 통신 장치에서의 응용이다.
하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 강유전성 박막으로 만들어지는 인터디지털 콘덴서 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 튜닝가능 강유전성 갭 콘덴서 단면도.
도 3은 갭 두께, 강유전성 층 두께 및 정전용량 사이의 관계를 도시한 테이블.
도 4는 본 발명에 따른 강유전성 오버레이 콘덴서 평면도.
도 5는 도 4의 오버레이 콘덴서 일부의 분해도.
도 6은 본 발명에 따른 2차원 협대역 공진 검사 회로를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 검사회로에 의해 얻어진 데이터를 종래의 검사방법을 사용하여 얻어진 데이터와 비교테이블.
도 8은 본 발명에 따른 2차원 협대역 공진 검사회로의 또다른 실시예 도면.
도 9는 본 발명에 따른 단일 공진기 협대역 검사회로를 도시한 도면.
도 10a는 본 발명에 따른 단일 공진기 협대역 검사회로의 또다른 실시예 도면.
도 10b는 도 10a의 회로 평면도.
본 발명은 튜닝가능 강유전성 컴포넌트가 사용될 주파수 범위에서 이들 컴포넌트의 효율을 정확하게 측정하고 특정화할 수 있으며 사용되어질 형태를 갖는 협대역 공진 회로를 사용하는 검사 방법을 제공한다. 이들 검사 방법 및 회로는 튜닝 가능 강유전성 컴포넌트가 종전기술에 의하던 것과 같이 손실이 균등하게 크지 않으며, 무선 핸드셋과 같은 낮은 손실 응용 및 장치에서 유익하게 사용할 수 있도록 한다. 손실에 대한 정확한 결정을 할 수 있도록 하므로써, 튜닝가능 강유전성 컴포넌트가 적절하게 최적상태로 될 수 있으며 디자이될 수 있다. 따라서 특정 손실 메카니즘이 식별되고 제거될 수 있거나 그렇지 않으면 줄어들어 제한될 수 있다.
튜닝가능 강유전성 컴포넌트, 특히 박막을 사용하는 컴포넌트들이 광범위한 주파수 애절 회로에서 사용될 수 있다. 튜닝가능 컴포넌트는 이들이 더욱 작은 컴포넌트 크기와 높이, 낮은 삽입 손실 또는 같은 삽입 손실에 대한 양호한 리젝션, 저렴한 제조비용 및 두 주파수 이상 대역에서 튜닝할 수 있는 성능을 제공할 수 있기 때문에 바람직하다. 멀티플 대역을 커버할 수 있는 튜닝가능 컴포넌트의 성능은 이산대역사이에서 사용되는 다수의 고정 주파수 컴포넌트들을 선택해야 하는 스위치와 같은 필요한 컴포넌트의 수를 줄이도록 한다. 이같은 장점은 기능증가 필요와 낮은 제조비용 및 크기가 서로 상충되는 조건인 무선 핸드셋 디자인에서 특히 중요하다. CDMA 핸드셋(가령 핸드폰)에서는, 예를 들어 개별 컴포넌트의 성능이 매우 강조된다. 강유전성 재료는 또한 무선 장치와 같은 안테나 인터페이스 유닛(AIU)과 같은 오늘날까지도 축소를 허용하지 않는 RF 컴포넌트의 집적을 허용할 수 있을 것이다.
가령 AIU는 하나나 둘 이상의 튜닝가능 송수전환기(이중대역 무선 통신 장치에서는 US PCS 및 셀룰러), 다이플레서(diplexers), PA's 및 LNA's 등을 집적시킬 수 있다. 이들 컴포넌트중 몇가지 혹은 모두가 집적(또는 통합) 될 수 있으며, 전 체 크기가 줄어들고 이들 컴포넌트 성능이 개선된다. 튜닝가능 강유전성 컴포넌트에 대한 다른 응용은 본원 명세서에서 차차 설명된다.
어떠한 유전체에서와 마찬가지로, 강유전성 재료는 두가지의 중요한 손실 메카니즘, 전도도 손실 및 유전체내 래티스 진동(lattice Vibrations)으로부터의 댐핑을 가지고 있다. 이같은 두가지 영향의 조합이 재료의 손실 탄젠트(tan(δ))로서 참조된다. 튜닝가능 RF 또는 마이크로파 회로에서의 강유전성 재료의 경우 래티스 진동으로부터의 댐핑은 전하를 갖지 않는 캐리어가 없기 때문에 압도적이다. 그러나, tan(δ)를 측정하는 어떠한 방법도 만약 존재한다면 무한한 전도도의 영향을 포함시키지 않고 있다. 이는 rf/마이크로파 특성에 관한한 상기 두 메카니즘의 손실 영향이 구분할 수 없기 때문이다.
RF 회로에서 중요한 컴포넌트는 콘덴서이다. F-E 튜닝가능성이 f-e 콘덴서와 관련하여 이제 설명될 것이다. 튜닝가능하든 그렇지 않든 콘덴서의 전체 손실이 저장에너지와 분산에너지의 비로서 표시되는 양호도(Q)에 의해 제공된다. 여기서 상기 에너지는 전장에 저장되고 저항으로 분산되는 것이다. 등가로 합산된 콘덴서 소자의 경우 부하가 없을 때 Q(Qu)는 다음과 같다.
Qu=X/Rs-1(ω*Rs*C) (1)
상기 식에서, ω=레디안 주파수, Rs=콘덴서의 직렬저항, C=콘덴서 정전용량이다. Rs는 측정되고 C와 ω는 알고 있는 값이며, Qu는 계산될 수 있다. 상기 직렬저항은 유전체에 도선과 분산 손실 모두, 즉 tan(δ)로부터 발생된다.
튜닝가능 콘덴서가 공진회로내로 통합되면, 시스템의 전체 Q(Qt)는 다음과 같이 주어진다.
1/Qt=1/Qc+1/Qd+1/Qr (2)
여기서 Qc는 도선 Q, Qd는 유전체 Q 그리고 Qr은 레디에이션 Q이다. 잘 디자인된 비-레디에이팅 시스템의 경우, 레디에이션 손실은 없다. 따라서, 도선 손실과 유전체 손실이 전체 손실을 결정한다. 상기 유전체 손실은 만약 존재한다면 유전체로 인해 기인하게 되는 전도도 손실을 포함하는 손실 탄젠트, tan(δ) 영향때문인 것이다. 따라서, 부하가 없는 경우 Q와 전체 Q 모두의 경우, tan(δ)의 올바른 측정이 튜닝가능 장치가 허용될 수 있는 손실 특성으로 생산될 수 있는가를 결정하는데 중요한 것이다.
공동 공진기(cavity resonator) 방법은 통상 재료의 유전율과 손실 탄젠트를 측정하도록 사용된다. 이들 방법은 상기 공동의 크기가 매우 크기 때문에 특히 셀룰러 폰이 사용되는 낮은 마이크로파 주파수(~2 GHz)에서 곤란하게 된다. 강유전성 박막에서 공동 공진기 방법의 사용은 1마이크론 범위 두께를 가지는 구조에서 공동내로 삽입되는 섭동(perturbation)을 측정하는 것이 매우 곤란하기 때문에 심각한 문제가 된다. 착오 전위는 큰 문제가 된다.
공진기 방법에서 이같은 어려움 때문에 인터디지탈 콘덴서(IDC's)는 강유전성 박막 품질(양호도)를 측정하기 위해 사용된다. 종래의 마이크로스트립 구성에서 강유전성 인터디지탈 콘덴서(IDC)(100)가 도 1에 도시된다. 인터디지탈 콘덴서(100)는 기판(110), 박막 강유전성층(120), 그리고 제 1 및 제 2 도선(130)(140)을 포함한다. 인터디지탈 콘덴서는 단안정 마이크로파 집적회로(MMICs)와 같은 응용에서 사용되고, 0.1-6 pF 범위의 정전용량이 필요한 응용에서 사용된다. 한 인터디지탈 콘덴서에서, 상기 정전용량을 동 구조내 병렬 전도선 또는 핑거(fingers)사이에서 발생된다.
기판(110)은 마그네슘 산화물(MgO), 사파이어 또는 고순도 알루미늄과 같은 낮은 손실 재료로 구성된다. 사기 기판은 고유한 낮은 손실 탄젠트와 추가의 버퍼층없이 광범위한 f-e 박막의 직접증착을 받아들일 수 있는 성능을 바탕으로 하여 선택된다. 강유전성 박막(120)이 기판(110)상에 증착된다. 강유전성 박막(120)은 대개 0.15-1.5 마이크론 범위의 두께를 가진다. 한 전도층이 다음에 강유전성 박막(120)상에 증착된다. 얼마동안 접착층이 필요하다. 상기 전도층은 대개 구리, 금, 또는 은과 같은 금속재료이다. 이들 금속은 실온에서 이들의 상대적으로 낮은 손실로인해 바람직하다. 이같은 목적으로, 상기 실온은 -30℃-85℃로 정의되며 이는 대부분의 상업적 컴포넌트에 대한 전형적인 동작 온도이게 된다. 상기 전도층은 0.5-6.0마이크론 범위의 두께를 가지며, 가장 보편적으로는 0.5-1.5마이크론 범위의 두께를 가진다. 두께 조건은 주파수에 따라 달라지는 스킨 깊이(skin depth)에 따라 달라진다.
박막(약 1.5㎛이하인 tf-e)인 f-e 재료가 설명되었으나, 후막인 f-e 재료가 사용될 수 있기도 하다. 여기서, "후막(thick film)"이란 약 1.5㎛-1.0㎜인 tf-e를 말하는 것이다. 벌크(bulk)는 약 1.0㎜보다 두꺼운 것을 말한다. 후막 f-e 재료의 생산 및 응용은 박막 f-e 재료의 생산 및 응용과는 다르다. 이는 페이스트(paste) 또는 솔-겔 기술, 상당히 추가된 두께를 생산하기 위한 f-e 재료를 필요로 한다. 상기 추가된 두께 및 특히 줄어든 생산비용은 다수 줄어든 f-e 성능, 눈에 띄게 줄어든 튜닝가능성을 발생시킨다.
인터디지탈 콘덴서(100)가 다음에 제 1 도선(130) 및 제 2 도선(140)을 형성시키기 위해 에치-백(etch-back) 또는 리프트-오프(life-off) 기술을 사용하여 만들어진다. 제 1 도선(130)은 제 2 도선(140)의 핑거(142) 및 공간(144)에 근접한 핑거(132) 및 공간(134)을 가진다. 상기 도선들은 제 1 도선(130) 핑거(132)가 제 2 도선(140) 공간(144)내에 있도록 그리고 제 2 도선(140)의 핑거(142)는 제 1 도선(130)의 공간(134)내에 있도록 배치된다. 오늘날까지, f-e 박막 제조 및 특징화 분야에서의 연구자 및 기술자들은 통산 1-5마이크론 너비 핑거, 그리고 통산 1-5마이크론 너비사이의 갭 또는 공간을 갖는 IDC's를 디자인 해왔다.
상기 정전용량은 핑거(132)(142)사이에서 주로 발생된다. 높은 수준의 정전용량을 발생시키기 위해, 작은 갭 크기(<5 마이크론) 및 긴 핑거가 요구되어진다. 강유전성 튜닝 필드를 크게 발생시키는데에도 도움이 된다. 상기 튜닝 필드 대부분이 콘덴서(100)위에 공기 영역에서 상실되기 때문에 이는 중요한 것이다.
상기와 같은 구성에서 가장 큰 손실 성분은 상기 핑거 영역내에서 발생된 불일치 모드(odd mode)에서 발생된다. 상기 병렬 라인들사이의 커플링은 동일 모드(even mode)와 불일치 모드로 표현될 수 있다. 상기 동일 모드는 두 라인이 동 위상으로 여자되는때(대개 위상차가 제로임) 발생되며, 상기 불일치 모드는 라인들이 180도 위상차로 여자되는때 발생된다. 마이크로스트립 회로에서, 동일 또는 불일치 모드가 전파되는 속도는 상이하다. 상기 손실은 박막 전도층(1.5마이크론 이하), 좁은 핑거 폭 그리고 갭 공간(어느하나 또는 모두가 5마이크론 이하) 그리고 샤프 코너가 사용되는때 더욱 증가한다. 인터디지탈 콘덴서를 통하여 강유전성 박막 손실을 측정하기 위한 스탠다드 과정은 다음과 같다. 상기에서 설명된 바와 같이, 약 0.5마이크론의 강유전성 박막이 마그네슘 산화물과 같은 낮은 손실 기판상에 증착된다. 다음에, 1마이크론 또는 2 이하인 두께를 가지는 전도층이 가장 작은 가능한 크기를 갖는 인터디지탈 콘덴서 생산을 허용하도록 증착된다. 핑거 폭(너비)와 갭 공간은 모두 대개 1-5㎛범위이다. 에치-백(etch-back) 또는 리프트-백(life-back) 기술이 샤프 코너를 갖는 좁고 긴 핑거를 형성하도록 사용된다. 상기 결과의 인터디지탈 콘덴서는 LRC 미터 또는 임피던스 또는 상기 콘덴서에 접촉하게 되는 탐침 선단(probe tips)을 갖는 네트워크 분석장치와 같은 광대역 측정 도구를 사용함을 특징으로 한다.
상기와 같은 과정을 사용하여, 0.2-1.5 pF 범위의 콘덴서가 얻어지는데, 약 500MHz-2GHz의 동작주파수, 어느 주파수에서도 10-100범위의 Q가 측정된다. 이같은 손실은 대개 전적으로 강유전성 박막의 선택이다. 상기와 같은 Q 값은 상당히 낮은 값이며, 결과적으로, 강유전성 튜닝가능 컴포넌트는 일반적으로 많은 용도의 경우 손실이 크며 허용될 수 없는 것으로 추정된다. 가령, 무선통신에서 100보다 큰, 그리고 바람직하게는 250보다 큰 Q 가 1.0 pF 근처 f-e 콘덴서의 경우 2GHz 범위의 주파수에서 필요하게 된다. 그러나 하기에서 설명되는 바와 같이, 종래의 생산과 손실 측정 기술은 상기 강유전성 박막의 탓으로 돌릴 수 있는 신뢰할 수 있는 실제 손실 측정값을 제공하지 못한다.
상기 식(1)에서 설명하는 바와 같이, 콘덴서 손실(튜닝가능하든 그렇지 않든간에)은 무선주파수(f>약 500MHz)에서의 직렬 손실 Rs에 비례하며, 이때 상기 콘덴서를 단락시키는 큰 병렬 저항의 영향은 무시해도 좋을 정도이다. 상기 콘덴서는 단지 하나의 소스가 있게되어 상기 직렬 손실의 소스가 무엇인가에 대하여는 관심을 갖지 않는다. 가령 1pF 강유전성 튜닝가능 콘덴서가 2GHz에서 허용될 수 있는 낮은 손실을 갖도록 하기 위해, 상기 직렬 손실은 0.32Ω이어야 한다. 상기 직렬 손실은 상기 콘덴서 사용으로부터 발생되는 모든 소스로부터의 전체 손실을 포함한다. 직렬 손실 소스들을 최소로하거나 제거시키기 위하여 먼저 존재하는 손실 메카니즘 각각을 설명하여야 한다. 이와 같이 하여 특히 강유전성 박막으로 인한 손실에 대한 더욱 정확한 결정이 가능하여지게 된다.
f-e 디바이스의 경우에 총 손실은 다음과 같은 소스 인자를 합하여 결정된다:
Lt=Lgeom+Lattach+Lmetal+Lsub+Lrad+Lmeas+Lf-e;
Lgeom은 콘덴서의 토폴로지(topology)로부터 기인하며,
Lattach는 디바이스 부착물에 의한 손실이고,
Lmetal는 총 금속 손실이며,
Lsub는 베이스 기판 손실이고(존재할 경우),
Lrad는 복사 손실이고,
Lmeas는 측정 에러로 발생한 총 손실이며,
Lf-e는 f-e 손실 탄젠트이다.
이러한 손실 할당은 f-e 축전기가 사용될 방식에서 필요한 작동 주파수에서 정확한 Lf-e값(또는 f-e tanδ)을 수득하는데 먼저 사용될 수 있다. Lf-e를 정확히 유도하기 위해서 앞서 언급된 다른 손실 인자 소스를 제거 또는 제한해야 한다. 가령 Lgeom는 토폴로지에 따라 변하는데 오버레이 축전기에서 최상이고 갭 축전기에서 나쁘고 IDC 축전기에서 최악이다. 이러한 손실은 감소 및 조절될 수 있을지라도 디바이스에서 고유하다. 결과적으로 주어진 f-e 축전기에 대한 토폴로지의 선택은 f-e 축전기로부터 수득 가능한 최선의 Qc에 영향을 준다. 무-손실 f-e 필름을 가정하여 전자기(EM) 소프트웨어는 필요한 기하학적 구조에 대한 기준선 손실을 확정할 수 있다. 이러한 기준선 손실은 주어진 기하학적 구조에 대해 최상(최저) 손실이다.
일반적으로 갭 축전기 제조가 가장 용이하다. IDC가 다음으로 쉽고 오버레이 축전기는 셋 중에서 가장 어렵다. IDC에 비해서 갭 축전기는 더 양호한 Q를 갖지만 단위면적 당 더 낮은 전기용량을 갖는다(도1a에서 W). IDC의 전기용량은 단위면적 당 다수의 핑거 사용으로 인해 더 크다. 그러나 많은 통신 필터 분야에서 큰 전기용량(C≥4.0pF)은 불필요하다. 따라서 갭 축전기가 종종 정확한 전기용량을 제공할 수 있다. 대부분의 f-e 필름의 경유 높은 고유 κ값은 전통적인 갭 축전기에 비해 비교적 높은 단위면적 당 전기용량(W)을 제공한다.
Lattach는 땜납, 은 페인트 또는 와이어 결합을 포함한 분리된 디바이스 부착 기술에서 발생한다. 이러한 부착 손실은 크고 예견할 수 없다. f-e 축전기를 공명기나 다른 RF 회로에 직접 조립하여 최저 손실이 달성되므로 이러한 손실 성분을 제거하지 않더라도 최소화 한다.
표준 단독 f-e 축전기의 고유 손실은 거의 중요하지 않다. 중요한 것은 f-e 축전기를 회로에 부착하는데 발생하는 손실이다. f-e 축전기가 무-손실일지라도 큰 손실을 일으키는 연결이 사용되어야 한다면 손실이 있는 f-e 디바이스가 형성될 것이다. 가령 1.0pF의 전기용량의 경우 2.0GHz에서 250 이상의 Q가 필요하면 전체 직렬 저항Rs는 0.32옴 이하가 되어야 한다. 따라서 추가 손실은 이러한 축전기의 Q를 더욱 감소시킨다. 이러한 추가 손실이 실제 축전기에 대해 외재적이다는 것은 무의미하다. 가령 장착으로 인한 손실과 같이 불가피한 손실 메카니즘조차 시스템에 미치는 효과로 인해 축전기의 유효 Q를 낮춘다.
최소한의 추가된 손실의 경우 f-e 축전기와 공명기 간의 연결은 최저의 추가된 저항을 제공하여야 한다. 따라서 f-e 축전기와 관련된 전류 및 전하는 최소한의 추가된 손실을 보여야 한다. 납땜, 와이어 결합이나 은 페인트 또는 페이스트와 같은 전통적인 결합 또는 장착 기술은 저 손실의 제어 가능한 결합을 제공하지 못한다.
이러한 결합 방법의 사용으로 발생한 예견 불능인 추가 손실은 f-e 축전기가 공명기 튜닝 목적이나 f-e 필름의 분석에 사용되는지 여부에 무관하게 Q를 저하 시킨다. 따라서 최상의 성능(최저 손실)을 위해 f-e 축전기가 공명기에 직접 형성되어야 하며 다른 필수 RF회로에 직접 형성되어야 한다. 직접적인 제조에 의해 f-e 튜닝 소자로부터 공명기로의 전자기 소스(전류)의 최소 손실 전달이 있을 수 있다. 공명기에 f-e 축전기의 직접 제조의 바람직한 효과는 예리한 코너나 전이부가 없으면 향상될 수 있다.
Lmetal인자는 금속의 표면 거칠기(SR), 스킨 깊이에 비교되는 금속 두께, δs, 및 전도도를 포함한다. L 및 S 밴드에서 작동 주파수(1-4GHz)의 경우 SR은 약 10마이크로 인치 미만의 rms라면 인자로서 SR은 효과적으로 제거될 수 있다. 두께가 1.5δs 이상이면 인자로서 금속 두께는 감소될 수 있고 두께가 5δs 이상이면 효과적으로 제거될 수 있다. 전극 접촉부의 경우 금속 두께(tm)는 약 1.5δs일 수 있다. 전자기 공명기의 경우 주행파나 정지파가 보완되는 경우, 즉 문제의 금속이 적절한 파장 비율(약 10% 이상)에 대해 연장되는 경우 금속 두께는 5δs 이상에 더 가까워야 한다.
Au, Cu 또는 Ag의 경우 전도도가 최상이다. 따라서 인자로서 Lmetal인자는 감소 또는 조절될 수 있지만 제거되지는 않는다. 그러나 그 효과는 당업자에게 공지된 관계식이나 Eagleware 또는 Touchstone과 같은 공지된 회호 시뮬레이터에서 이용 가능한 라인 계산기를 이용하여 계산될 수 있다. 게다가 정확한 제조 조절은 Lmetal에서 기하학적 변화를 제한할 수 있다.
Lsub인자는 작동 주파수에서 0.001 미만, 특히 0.0005 미만의 손실 탄젠트를 갖는 저 손실 기판을 선택하여 최소화될 수 있다. 적합한 재료는 >99% 순도의 알루미나를 포함하며 손실/비용 측면에서 최상의 선택이다. 사파이어나 MgO는 더 작은 손실 탄젠트를 갖는다는 측면에서 알루미나보다 양호하지만 더 비싸다. 이들 재료는 버퍼 층 없이도 많은 f-e 박막을 수용하며 추가 연마 없이 수용 가능한 표면 거칠기를 갖는다. 반도체 기판은 비교적 높은 전도도 때문에 선호되지 않는다. 손실 탄젠트, 표면 거칠기 및 가격 인자에 추가적으로 적합한 기판은 부서지기 쉬워서는 안되며 더 큰 면적의 웨이퍼로 제조될 수 있으며 과도한 예비 가공 없이도 쉽게 금속화될 수 있다.
복합 기판(f-e 필름+ 기판)의 총 손실로부터 Lsub인자의 분리는 EM장 또는 회로 시뮬레이션 소프트웨어에 의해 달성될 수 있다. 예컨대 Sonnet, Momentum 또는 IE3D가 사용될 수 있다. 따라서 Lsub인자는 크게 감소되거나 정확히 계산될 수 있다.
Lrad인자는 적절한 차폐나 디자인에 의해 제거될 수 있으므로 대체로 인자가 아니다. combline 또는 헤어핀과 같은 평면 필터를 포함한 다양한 필터는 필요한 성능 달성을 하는데 복사 커플링에 종속적이다. 이 경우 원치 않은 스트레이 커플링은 제거는 아닐지라도 감소되어야 한다.
Lmeas인자는 추가된 작은 손실이 테스트 중인 디바이스(DUT) 또는 시스템의 측정된 Q를 크게 감소시켜 DUT의 고유 Q를 모호하게 하므로 회로 손실 에러에 의미 있게 추가될 수 있다. 재료의 유전상수 및 손실 탄젠트를 측정하는 전통적인 방법은 공지된 공동 교란 기술이다. 그러나 L밴드에서 공동의 크기는 꽤 커진다. f-e 필름과 같은 1.5㎛ 이하의 필름 두께를 갖는 박막을 분석할 경우(벌크에 대해) 측정 에러가 심할 수 있으므로 문제가 더 곤란해진다. 게다가 사용되는 방법과 매우 유사한 방식으로 f-e 축전기(또는 필터)를 분석해야 한다. 따라서 f-e 필름을 분석하는데 선호되는 방법은 마이크로스트립 공명기 기술이다.
공명 회로 측정을 위해 네트워크 분석기가 선호된다. 네트워크 분석기를 사용하여 측정 손실을 최소화해서 가장 정확한 측정치를 얻기 위해 DUT 손실이 계산되어야 하고 분석기에 대해 완전 2 포트 보정이 수행되고 보정 및 측정에 대해 평균화가 사용되어야 한다.
디바이스 부착물, 기판, 복사 및 측정 에러 손실 성분의 최소화 또는 제거를 통해 총 손실은 다음과 같다:
Ltot=Lgeom+Lmetal+Lf-e+ΔLmisc
Ltot는 주어진 강유전성 축전기의 기하학적 구조에 관한 총 손실이고 Lgeom 및 Lmetal은 이 기하학적 구조에서 주요 부분이다. 이들의 존재는 특정 디바이스의 실제 손실 결정에 적절하지만 강유전성 물질 단독에 의한 손실을 결정하기 위해 정량화 및 제거될 수 있다. Lgeom은 무-손실 강유전성 물질을 가정하여 회로를 정확히 전자기 시뮬레이션 하여 결정될 수 있으며 Lmetal은 전도도, 표면 거칠기 및 스킨 깊이를 가정한 금속 손실에 대한 표현을 사용하여 결정될 수 있다. ΔLmisc은 Lgeom 및 Lmetal에 대해 유한 경계치를 갖는 다른 손실 메카니즘의 불완전한 제거의 조합을 나타낸다.
(a)모든 손실 메카니즘을 고려하고 (b)이들 손실을 제거 또는 제한하는 2-단계 과정은 강유전성 손실의 정확한 결정을 허용하며 저-손실 튜닝 가능한 성분에 대한 정확한 디자인 가이드라인 확립을 돕는다. Lf-e에 대한 정확한 지식은 고려중인 필름이 제안된 분야에 사용될 수 있는지 여부를 결정할 수 있게 한다. Lf-e에 대한 지식은 또한 강유전성 필름을 사용하여 최적의 디자인을 위한 가이드라인을 제공한다. 이러한 지식은 튜닝 가능성에 대한 손실 탄젠트를 효과적으로 교환하는데 필요하다. 요약하면 정확한 제조 및 측정 기술은 일정한 강유전성 필름 손실 분석을 가져온다.
이러한 손실 분석에 기초하여 저 손실 튜닝 가능한 강유전성 성분, 특히 강유전성 축전기가 다양한 분야에서 설계, 테스트 및 구현될 수 있다. (1)갭 축전기, (2)오버레이 축전기, (3) 인터디지탈 축전기에 대한 손실 분석에 기초한 디자인 절차 및 구현이 설명된다.
도2에서 튜닝 가능한 강유전성 갭 축전기(200)가 도시된다. 갭 축전기(200)는 기판 층(202), 강유전성 층(204), 전기용량 유도 갭(208)을 한정하는 금속 층(206)을 포함한다. 다음 디자인은 다른 소스로 인한 손실을 최소화하여 강유전성 필름(204)으로 인한 손실을 정확히 측정할 수 있게 한다. 동일한 방법이 다른 밴드에 적용될 수 있지만 무선 핸드세트에서 l-밴드(1-2GHz)의 작동 주파수를 가정한 다.
한 측면에서 기판(202)은 20-40mils의 두께를 갖는 순도 99.5% 알루미나 층이다. 표면 거칠기는 5마이크로 인치 rms 이하여야 한다. 강유전성 층(204)은 0.15-2.0마이크론의 두께를 갖는 바륨 스트론튬 티타네이트BaxSr1-xTiO3(BSTO) 필름이다. >1.0㎛ 두께의 필름을 사용하여 전기용량 및 튜닝 범위를 최대화할 수 있다.
Ba/Sr 비율, 도핑 및 어닐링 조절은 필요한 튜닝 범위를 제공하면서 최소 tanδ를 제공하도록 선택된다. 한 측면에서 실온 작동에서 x(BaxSr1-xTiO3에서)는 0.5이다. 또 다른 강유전성 물질이 사용될 수 있다. 금속 층(206)은 전극에 적용하기에 적합한 약 2.5㎛의 두께를 갖는다. 갭(208)은 폭이 30-80mils 이며 손실 감소를 최대화하기 위해 변부가 둥글게 되어야 한다. 갭(208)의 전기용량은 0볼트 DC바이어스에서 0.6-1.5pF이다.
EM시뮬레이션은 2GHz에서 약 1pF 전기용량의 경우 0.002의 손실 탄젠트를 가정하면 갭 축전기는 Q>700을, 0.005의 손실 탄젠트를 가정하면 갭 축전기는 Q>300을 가짐을 보여준다. 도3은 갭 폭, 강유전성 층 두께 및 전기용량 간의 관계를 보여주는 표이다. 이러한 데이터는 갭 축전기 테스트 회로 디자인에 유용하다. 도3의 결과는 0볼트 DC바이어스에서 1000의 유전상수를 갖는 0.5마이크론 두께의 강유전성 필름, 40mil 두께의 99.5%순도 알루미나 기판 층, f-e 필름의 경우 0.002의 손실 탄젠트를 가정한다.
본 발명에 따른 강유전성 오버레이 축전기(300)가 도4에 도시된다. 축전기(300)는 기판(310), 바이어스 패드 층(320), 강유전성 층(330), 축전기 패드 층(340)을 포함한다. 바이어스 패드 층(320)은 DC바이어스 패드를 한정하고 축전기 패드 층(340)은 축전기 패드(342)와 DC 차단 축전기 패드(344)를 한정한다.
한 측면에서 베이스 기판(310)은 20-40mils의 두께를 갖는 알루미나이다. 바이어스 패드 층(320)은 두께 100nm의 백금 층이 피복된 두께 2.0마이크론의 베이스 전극 은 층을 포함한다. 백금 층은 강유전성 층의 성장 동안 은 층이 산화되는 것을 방지한다. 층(320)은 0.5-1.0MΩ 저항을 연결하여 DC바이어스를 제공하기 위해 구축된 패드를 갖는다. 필요할 경우에 알루미나와 은 사이에 더 양호한 접착을 위해 얇은(10nm) 크롬 층이 배치될 수 있다. 강유전성 층(330)은 약 1마이크론 두께의 얇은 BSTO필름이다. 축전기 패드(342)는 8.0×4.0mils의 최소 면적을 가지며 4.0×4.0mils의 면적을 갖는 금이나 은 전극으로 토핑 된다. DC차단 축전기는 150-200pF 이상의 전기용량과 100×100마이크론의 면적을 갖는다. 접촉 패드의 총 면적은 최소7.0×8.0mils 이다.
오버레이 축전기는 0.8-1.5pF 최소 전기용량을 갖는다. 축전기(300)의 확대도인 도5에서 축전기(300)의 중첩 영역(350)은 매우 작다. 한 측면에서 중첩 영역(350)은 0.3×0.3mil의 크기를 갖는다. 이것은 0볼트 DC에서 약 1000의 BSTO유전상수와 약 1.0마이크론의 필름 두께에 기초한다. 패드(342,320)는 축전기 오버레이 영역(350)로부터와 영역으로 테이퍼 된다. 테이퍼는 1.0mil 거리에서 4.0-0.25mils 이다.
축전기(300)의 손실 타겟은 1.0pF의 경우 2.0GHz에서 350이상의 Q이다. 필요 할 경우 강유전성 필름(330)은 도핑, 어닐링 또는 버퍼 층의 사용에 의해 더욱 최적화 된다. 마지막으로 0-2.5볼트 바이어스 전압에서 변화의 경우 전기용량에서 변화는 2:1(50%)이상이어야 한다.
본 발명의 한 측면은 축전기 구조가 위의 실시예인 튜닝 가능한 강유전성 성분에 대한 최적의 구조 및 디자인이다. 또 다른 측면은 튜닝 가능한 강유전성 성분에서 손실을 정확히 분석하는 측정방법 및 장치이다. 이 방법은 공명기와 협대역 공명 회로의 사용에 관계한다. 측정되는 디바이스가 협대역 주파수에서 작동하도록 설계되므로 협대역 측정이 적절하다. 협대역(공명) 측정은 측정을 용이하게 하는 작은 손실 효과를 자연적으로 증진시키므로 선호되고 측정이 더욱 정확하다. 공지 방법은 협대역 디바이스에서는 부적절하고 부정확한 광대역 측정이 관련된다. 공명 회로를 테스트 하는 2개의 방법이 기술된다:2차 협대역 밴드패스 필터와 마이크로스트립 공명기 회로(반파나 1/4파).
도6은 2개의 강유전성 축전기(410,412)를 테스트 하는 공명 협대역 테스트 회로(400)를 보여준다. 이것은 2차 평면 combline 필터이다. 축전기(410,412)는 도1 및 도2의 구성이며 손실 성분을 최소화하도록 구성된다. 테스트 회로(400)는 하나의 2차 평면 combline 밴드패스 필터를 포함하며 축전기(410,412)와 직렬연결된 2개의 공명기(402,404)를 포함한다. 축전기(410,412)에 DC바이어스 전압이 적용된다. 축전기(410,412)는 기판에 직접 인쇄하거나 럼프 소자로 테스트를 위해 장착된다. DC차단 축전기(약 180pF의 전기용량을 갖는)는 도시되지 않는다. 럼프 구성에서 축전기는 납땜 되거나 은 페인트나 페이스트로 부착된다. 이것은 다양한 디바 이스의 사용을 허용하지만 장착 방법으로 인해 예견 불능이고 증가된 손실이 있다. 인쇄 구성에서 축전기는 기판에 직접 인쇄된다. 인쇄는 납땜이나 결합이 불필요하고 직접 제조로 인한 저 손실 때문에 유리하다. 그러나 사용될 수 있는 기판의 종류가 강유전성 필름의 존재로 인해 제한된다. DC차단 축전기는 도시되지 않는다.
네트워크 분석기에 연결된 입출력 라인(406,408)을 통해 응답이 측정된다. 공명기 센터 주파수f0의 측정은 실제 축전기 값의 결정을 허용하고(방정식1 참조) f0에서 삽입 손실은 축전기Q를 결정한다. 측정 후에 전기용량 및 Q값을 얻기 위해 회로 시뮬레이션이 사용될 수 있다.
전통적 테스트 방법에 비교되는 본 발명의 테스트 방법을 사용하여 수득된 테스트 결과에서 현저한 차이를 설명하기 위해서 도7이 참조된다. 도7의 표는 본 발명의 양수인인 Kyocera Wireless Corporation(KWC)과 계약 하에서 Naval Research Laboratory(NRL)(워싱턴 DC)에서 제조된 강유전성 인터디지털 축전기 샘플로부터 수득된 측정 데이터를 보여준다. 전통적인 방법(HP 4291B 임피던스 분석기와 Cascade Tech 마이크로파 프로브)을 사용하여 NRL에서 인터디지털 축전기 샘플로부터 취한 전기용량 및 Q가 신규 테스트 방법을 사용하여 KWC에서 동일한 샘플로부터 취한 측정치와 비교된다.
실험 목적으로 0.5-1.2pF의 전기용량; 약 5.0마이크론의 갭 간격; 150마이크론 이상의 핑거 폭; 0.5마이크론 두께의 강유전성 필름; 1.5-2.5마이크론의 금속 두께; 100마이크론 이상의 핑거 길이를 갖도록 인터디지털 축전기가 제조된다.
KWC테스트 회로는 회로(400)와 유사한 방식으로 구성된다. 이것은 약 1800MHz에서 공명하도록 구성된 2차 평면 Chebychev 밴드패스 필터이다. 인터디지털 축전기 샘플, 럼프 소자 축전기가 플립-칩 장착되고 은 페인트를 사용 부착된다. C1≠C2를 보정하도록 바이어스가 적용되는데, C1 및 C2는 필터 보정에 필요한 2개의 combline 밴드패스 필터 로딩 축전기이다.
C1은 C2와 같도록 할 것이나, 실제 C1=C2를 달성함이 용이하지 않다. C1≠C2인 일반적인 실시의 경우 이것이 교정되지 않는다면 대역통과 삽입 손실이 크게 증가하게 된다(Q 결정에 관한한).
베이스라인(baseline) 대역통과 삽입손실을 설정하기 위하여 0.6-0.8pF 범위의 높은 Q ATC와 AVX 칩 콘덴서가 사용된다. 이들 칩 콘덴서의 Q는 검사 주파수에서 600-800범위이었다. 이글웨어(Eagleware) 회로 시뮬레이터가 사용되어 상기 인터디지탈 콘덴서의 실제 정전용량과 Q를 결정하고 상기 측정된 데이터와 같은 공진 주파수와 대역통과 삽입 손실을 제공하도록 하였다.
도 7의 데이터는 모든 가능한 손실 컴포넌트들을 제거하기 위한 어떠한 시도도 하지 않은 경우여서, 기본적으로 가장 열악한 경우 Q 데이터라 할 것이다. 그와 같은 손실 컴포넌트 한가지가 라인과 인터디지탈 콘덴서 각각에서 상이한 접착(bonding)(Attachment)손실이다. 다른 한 컴포넌트로는 결과로 발생된 공진기 길이 미스매치, 콘덴서 위치 아래 마이크로스트립 객 개방 단부 영향, 그리고 인터디지탈 콘덴서 기본 기하구조로부터 발생되는 손실등이 있다. 이같은 경우 종래의 방법과 관련하여 본 발명을 사용하여 얻어진 Q 값의 차이는 더욱 주목할 만한 것이 다. 가령 알루미나 또는 MgO 기판을 사용하여 갭 콘덴서를 직접 생산하는 것과 같은 에러 소스의 개선 및 제거는 상 Q 데이터를 개선할 뿐이다.
협대역 공진 검사 회로와 같은 2차 대역통과 필터를 사용하게 되면 여러 가지 장점을 갖게된다. 콘덴서 데이터는 상기 동작 주파수에서 추출될 수 있다. 상기 기하구조는 단순하며, 반복가능하며 용이하게 생산될 수 있다. 상기 측정은 간단하며 상기 측정에 의해 추가되는 오류는 거의 없게된다. 상기 결과는 시뮬레이트된 결과와 쉽게 비교될 수 있다. 주목해야할 여러 가지 단점이 있기도하다. 상기에서 설명된 정전용량값의 차이는 상기 측정 데이터에서 손실이 증가된 것으로 나타날 수 있다. 그러나 바이어스 전압중 한 전압을 조금 조정하며 그와 같은 불일치를 보상시킬 수 있다. 또한 스트레이 정전용량과 커플링이 상기 얻어진 fo 및 Q 값에 영향을 미칠 수 있다. 상기의 영향들은 EM 필드 시뮬레이터를 통하여 설명될 수 있기도 하다. f-e 콘덴서를 균일하지 않게 장착하게 되면 I.L.로 직접 추가되는 두 공진기 전기길이의 다소간의 차이를 발생시킨다. 상기 f-e 캡의 오정렬은 결국 추가된 손실을 초래시킬 수 있으며, 더욱 낮은 Q 값을 확인시킬 뿐일 것이다.
2차 협대역 공진 검사 회로(450)의 또다른 실시예가 도 8에 도시된다. 검사 회로(450)는 동축의 공진기 튜닝가능 필터의 형태를 하는 것이나, 모노블록, 스트립라인 또는 마이크로스트립과 같은 다른 공진기들이 사용될 수 있기도 하다. 반복컨데, 강유전성 콘덴서(452)(454)가 등가로 합산되거나 프린트될 수 있다. 검사 회로(450)는 ¼ 파장 공진기(462)(464)를 더욱 포함할 수 있다. 비-강유전성 콘덴서(470)(C2)는 공진기(462)(464)들 사이에서 결합되며, 비-강유전성 콘덴서(472)(474)(C1)가 상기 공진기 바깥측에 결합된다. 상기와 같은 기본 구조는 종래의 고정-튜닝된 2차 용량적으로 결합 BPF이다.
회로(450)를 이용한 상기 측정 기술은 다음과 같아. BPF 성능은 f-e 콘덴서없이 먼저 측정되며, 다음에 f-e 콘덴서가 있는 상태에서 측정된다. 첫 번째 경우, 상기 공진기 중심 주파수 f01과 상기 필터의 삽입 손실 IL2이 강유전성 콘덴서 없이 먼저 측정된다. 두 번째 경우, 상기 공진기 중심주파수 f02와 상기 공진기 삽입 손실 IL2가 강유전성 콘덴서(452)(454)가 있는 상태에서 측정된다. f01이 항상 f02 보다 큼을 주목해야 할 것이며, 공진기(442)(444)들의 길이가 같은 동안은 IL2 는 항상 IL1 보다 큼을 주목해야 할 것이다. 상기 정전용량 Cfe는 f01-f02로부터 결정되며 Q(Cfe)가 정확하게 시뮬레이션과 비교하므로써 IL2-IL1으로부터 결정될 수 있다. 상기 f-e 콘덴서는 본래의 회로로 추가될 필요가 없다. 오히려, 기본이 되는 용량성으로 결합된 BPF가 어떠한 f-e 콘덴서 없이도 만들어질 수 있으며, 두 번째 BPF가 f-e 콘덴서로부터 직접 만들어질 수 있다. 이와 같이 하므로써 회로와 함께 f-e 콘덴서를 직접 만들 수 있도록 하므로(최소-추가-손실(minimum-added-loss)) 튜닝가능 검사 회로를 만들 수 있도록 한다.
선택적 검사 회로는 f-e 콘덴서와 함께 사용되는때 물리적으로 더욱 짧은 공진기(442)(444) 사용을 허용하도록 한다. 이와 같이 하므로써 상기 BPF가 f-e BPF 없을때와 같은 공진 주파수에서 또는 그에 가까운 주파수에서 BPF가 공진할 수 있 도록 한다. 상기와 같은 f-e 콘덴서 Q 추출방법이 사용되게 된다.
2차 검사 회로(450)는 2차 검사 회로(400)와 비교하여 몇가지 장점을 가진다. 회로(400)와 회로(450) 모두는 고유하게 협대역 구조를 가지나 상기 동축 공진기(462)(464)는 매우 높은 Q를 가질 수 있어서, 결과적으로 매우 낮은 삽입 손실을 가져보게 된다. 상기 고유 차폐(shielding) 작용으로 매우 적은 스트레이 커플링이 포함된다. 또한 회로(400)의 경우에서처럼, 검사 회로(450)는 일 검사회로일 뿐 아니라 실제 응용에서 대역통과 필터로 사용될 수 있기도 하다. 그러나, 회로(450)는 제조 및 검사하기가 조금 어렵다. 고정 설비장치가 중대하며 강유전성 콘덴서를 추가시키므로써 콘덴서 장착에 따른 추가의 손실을 발생시키게 된다. 이는 C1 및 C2를 실시하기 위해 사용된 동 회로에 강유전성 콘덴서를 직접 제조하고, 다음에 추가의 회로가 상기 강유전성 콘덴서없이 만들어질 수 있도록 하므로써 극복될 수 있다.
상기 검사회로 및 방법은 두 개가 아닌 단일 공진기를 사용하여 더욱 단순하여질 수 있다. 이와 같이 하므로써 콘덴서 미스매치의 문제를 없애게 된다. 사익 결과의 회로는 견고하며 모델을 만들기가 더욱 용이하고 에러가 발생될 여지가 줄어든다. 도 7에 도시된 결과가 인터디지탈 콘덴서에 대한 검사 결과이지만, 갭 또는 오버레이 콘덴서가 인터디지탈 콘덴서보다 더욱 큰 Q 값을 가질 수 있기 때문에 마찬가지로 유익하게 사용될 수 있다.
가장 간단한 형태로 갭이 결합된 마이크로스트립 공진기로 이루어진 검사 회로(500)가 도 9에서 도시된다. 회로(500)는 낮은 손실 기판(502), 그리고 갭(508) 에 의해 입력 라인(506)으로부터 분리된 마이크로스트립 공진기(504)로 구성된다. 강유전성 박막이 갭(508)에 증착되어 강유전성 갭 콘덴서를 발생시키도록 한다. 따라서, 공진기(604)와 갭 콘덴서가 단순하고 집적된 구조로 만들어진다. 선택에 따라, 강유전성 재료가 상기 공진기(504) 아래에서 증착되며, 튜닝가능 공진기를 발생시키게 된다.
기판(502)은 고 품질이어야 하며, 마그네슘 산화물 99% 이상 순도의 알루미나 그리고 사파이어와 같이 손실이 낮은 기판이어야 한다. 기판(502)은 또한 낮은 S.R(5.0μ인치 이하)을 가져야 한다. 공진기(504)는 반파(개방회로) 또는 ¼파(단락회로) 공진기일 수 있다. 반파 공진기는 제조기간이 오래 소요되나 제조가 용이한 반면, ¼파 공진기는 제조기간이 짧지만 제조가 비교적 용이하지 않은 면이 있다. 갭(508)의 길이는 임계-커플링가까이에서 선택된다.
네트워크 분석기가 정전용량과 Q 측정을 위해 사용된다. 갭 정전용량의 모델과 금속 손실에 대한 표시는 기판의 Q와 강유전성 박막의 Q에 대한 합인 유전체 Q를 추출하도록 사용된다. 따라서, 기판의 Q에 대한 추가 손실이 유전성 박막의 손실을 나타내게 된다. 마지막으로, "스트립-라인 공진기 Q 측정 데이터 리덕션 방법(Data Reduction Method for Q Measurements of Strip-Line Resonators)", IEEE Transactions in MTT, S. Toncich and R.E. Collin Vol. 40, No. 9, Sept. 1992, pp. 1833-1836에서 설명되는 바와 같이, 상기 측정된 데이터에 대한 적절한 분석이 검사중인 콘덴서 Q 또는 손실을 정확하게 추출하기위해 요구되어 진다.
도 6-8에서 설명된 2차 협대역 공진기 검사 방법을 도 9에서 설명된 갭이 결 합된 단일 공진기 검사 방법 및 회로와 비교함은 유익하므로 하기 설명한다. 상기 갭이 결합된 단일 공진기는 작고, 단순하여 제조하기가 매우 용이하다. 또한 입력과 출력 콘덴서 C1의 어떠한 가능한 미스매치에 대하여도 튜닝을 필요로 하지 않는다. 그러나 전체 기판과 결합 콘덴서 손실로부터 강유전성 손실 탄젠트를 추출해내는 것은 쉬운일이 아니다. 반면, 2차의 공진기 회로는 검사 회로가 되는 것 외에 실제 장치일 수 있다. 또한 상기 측정된 데이터를 시뮬레이션 데이터 또는 높은 Q를 갖는 Q-강유전성 콘덴서를 사용하여 얻어진 데이터와 비교하는 것이 매우 용이하다. 상기 2차 회로 단점은 이득이 부피가 크고, 더욱 복잡한 회로이며 강유전성 콘덴서에 대한 더욱 많은 튜닝이 최소 삽입 손실을 얻어내기 위해 요구될 수 있다는 것이다.
도 10a 및 10b는 바람직한 협대역 공진 검사회로(600)를 도시한 것이다. 회로(600)는 단일 공진기 대역통과 필터 형태를 한다. 회로(600)에 대한 개략도인 도 10a에서, 공진기(620)에 결합된 회로(600)는 강유전성 콘덴서를 포함한다. 콘덴서9630)(640)(C1)는 상기 공진기를 상기 측정 기구에 결합시키는 입력과 출력 콘덴서이다.
도 10b는 회로(600)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 콘덴서(610)와 공진기(620)는 집적된 컴포넌트로서 만들어진다. 강유전성 박막(616)은 손실이 낮은 기판(602)상에 증착된다. 공진기(620)와 전도 패드(612)는 강유전성 박막(616)에서 갭(614)만큼 떨어져서 강유전성 갭 콘덴서(610)를 만들도록 한다. DC 바이어스 전압은 패드(612)로 가해지며 바이어스 저항기(625)를 포함할 수 있다. DC 차단 콘덴서(618)가 패드(612)와 접지사이에서 연결된다. 콘덴서(630)(640)는 콘덴서 갭을 형성하기 위해 공진기(620)로부터 떨어져 있는 기판(602)상에 증착된 전도 스트립(632)(642)에 의해 실현된다.
한 실시예에서, 기판(602)은 99.5% 순도 알루미나로부터 형성되며 약 40밀(mils)의 두께와 약 5.0μ인치의 SR을 갖는다. 강유전성 박막(616)은 약 1.0㎛의 두께를 가지며 갭 콘덴서(610) 영역에서만 증착된다. 마이크로 스트립(612)(620)은 4-6㎛의 두께를 가지며 약 10㎛만큼 떨어져서 갭(614)을 만들도록 한다. 공진기(620)의 길이는 전체 구조(콘덴서(610)와 공진기(620))가 바람직한 주파수 대역에서 공진하도록 선택된다. 한 실시예에서, 공진기(620)는 ¼파 공진기이다. 만약 특정 공진 주파수가 요구되거나 필요하다면 또다른 제조 사이클이 상기 공진 주파수를 미세 튜닝하기 위해 사용될 수 있다.
공진기(620)는 마이크로 스트립, 동축 또는 스트립라인 공진기로서 구성될 수 있다. 평면 마이크로스트립 구성은 그것이 회로(600)로부터 정전용량과 Q값에 대한 보다 용이한 추출을 가능하게 하기 때문에 바람직하다. 집적된 컴포넌트 구조의 사용(즉, 공진기(620)/콘덴서(610)와 같은 집적된 갭 콘덴서를 갖는 공진기)은 등가 합산 엘리먼트 콘덴서에 의해 발생되는 손실 및 에러등을 측정하는 것이 용이하지 않으며 예측할 수 없는 것이어서 이들이 제거되기 때문에, 분리된 공진기와 등가 합산 엘리먼트 콘덴서와 비교하여 바람직하다.
회로(600)와 같이 단일 공진기 대역통과 검사회로를 사용하는 검사방법은 다음과 같이 진행된다. 먼저 집적된 갭 콘덴서를 갖는 단일 공진기 대역통과 필터 검사회로가 상기 설명된 바와 같이 만들어진다. 정밀 박막 제조 및 처리기술이 바람직한 기하학적 구조와 특성이 달성되도록 하기 위해 사용되어야 한다. 바람직하게는, 허용오차가 ±0.5마이크론 범위인 기술이 사용되어야 한다. 일단 회로가 만들어지게 되면, 중심주파수 fo 와 삽입 손실 ILo가 측정된다. 바람직하게는, 이들 측정이 전 2단자 측정에 의해 측정된 네트워크 분석기를 사용하고 그리고 평균치를 사용하여 얻어지게 된다.
다음에 같은 회로가 Sonnet, IE3D 또는 Momentum과 같은 전자기장 시뮬레이션 도구에서 디자인되고 분석된다. 처음에는, 상기 시뮬레이션이 상기 강유전성 박막(즉, 제로 손실 탄젠트)으로 인해 아무런 손실을 받지 않는다. 상기 강유전성 유전율이 다음에 상기 갭 영역내에서 조정되어 상기 검사회로에서 측정된 바와 같은 동일한 중심주파수 fo를 제공하도록 한다. 다음에 ILo가 강유전성 갭 콘덴서만에 대하여 측정하여진다. 다음에 상기 측정값이 상기 시뮬레이션에서 사용되어 상기 금속과 결부된 손실 컴포넌트 Lmetal을 설명할 수 있도록 한다. 다음에, 또다른 회로 시뮬레이션이 실행되나, 이번에는 제로가 아닌 손실 탄젠트를 사용한다. 한 실시예에서, 0.003 손실 탄젠트가 사용되며 ILo가 다시 계산된다. 이같은 반복처리는 상기 검사회로로부터의 상기 측정된 삽입 손실이 얻어져서, 이에 의하여 상기 회로에 대한 손실 탄젠트, 그리고 검사된 특정 구조로 인한 손실 컴포넌트 Lgeom(본 실시 경우, 갭 콘덴서)에 대한 정확한 근사값을 결정할 수 있을 때까지 반복된다.
상기 SR-BPF에 대한 베이스라인 성능은 f-e 박막없이 회로를 제조하므로써 설정될 수 있다. 상기 결과의 공진 주파수는 물론 상기 적재 콘덴서(610)의 부피가 작기 때문에 더욱 높을 것이다. 이같은 결과가 전체 형상과 상기 SR-BPF 주파수 응답에 대한 정확한 정보를 제공하도록 한다.
회로(600)는 강유전성 갭 콘덴서에 의해 발생된 손실을 측정하기 위한 정확한 메카니즘일 뿐 아니라 무선 핸드셋과 같은 광범위 응용에서 실시될 수 있는 저 손실 튜닝가능 필터를 위한 기본 빌딩 블록일 수도 있다. 본 실시예에서와 같이 구성된 협대역 공진 회로는 전형적인 RF 트랜시버 많은 컴포넌트의 효율을 향상시키고 튜닝가능성을 추가하도록 사용될 수 있다. 본 발명이 실시될 수 있는 RF 컴포넌트의 예로는 듀플렉서, 격리기, 정합 회로, 전압 증폭기, 멀티플렉서, 대역 통과 필터 그리고 저 잡음 증폭기 등이 있다. 각 엘리먼트가 튜닝가능해지므로써 멀티-대역 모드를 수용하기 위해 멀티 회로 블록을 사용할 필요가 없어진다. 필요하다면, 상기 공진 회로가 적절한 방식으로 직렬연결되어 바람직한 필터 및 시스템을 만들 수 있으며, 제조비용과 크기를 줄이면서 시스템 성능을 크게 개선시키게 된다. 전형적인 무선 핸드셋(핸드폰) 많은 컴포넌트들이 튜닝가능성으로부터 바람직한 기능을 달성할 수 있게 된다.

Claims (36)

  1. 강유전성 콘덴서와 결부된 강유전성 손실을 결정하는 방법에 있어서, 상기 강유전성 손실 결정 방법은,
    강유전성 콘덴서를 협대역 공진 회로로 연결하는 단계,
    네트워크 분석기를 이용하여 상기 협대역 공진 회로와 강유전성 콘덴서의 중심 주파수(f0) 및 삽입 손실(ILo)을 측정하는 단계,
    시뮬레이션 도구를 이용하여 상기 협대역 공진 회로의 시뮬레이션 회로를 생성하는 단계;
    상기 협대역 공진 회로의 전도도(conductivity), 표면 거칠기, 및 스킨 깊이를 이용하여 금속 손실(Lmetal)을 계산하는 단계;
    상기 시뮬레이션 도구를 이용하여 상기 시뮬레이션 회로의 제 1 시뮬레이션을 수행하는 단계로서, 여기서 강유전성 손실 탄젠트(Lf-e)는 0(제로)이고, 시뮬레이션 회로 삽입 손실(Lsimulation total)이 상기 삽입 손실(ILo)과 동일한 것이 특징인 제 1 시뮬레이션 수행 단계를 포함하되, 상기 제 1 시뮬레이션 수행단계는,
    상기 제 1 시뮬레이션이 상기 중심 주파수(f(o))와 동일한 시뮬레이션 된 중심 주파수를 제공할 때까지, 상기 시뮬레이션 회로의 갭 영역의 강유전성 절연 상수를 조절하는 단계, 그리고
    Lsimulation total=Lf-e + Lgeom + Lmetal의 제 1 식에 따라 기하학적 손실(Lgeom)을 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 강유전성 손실 결정 방법은, 반복적인 제 2 시뮬레이션을 수행하는 단계를 더 포함하되,
    상기 시뮬레이션 회로 삽입 손실(Lsimulation toatal)이 상기 삽입 손실 (Lo)과 동일해질 때까지, 상기 제 1 식에 따라 상기 강유전성 손실 탄젠트(Lf-e)에 대해 반복되는 값이 사용되고,
    상기 반복적인 제 2 시뮬레이션의 최종 반복에 의한 상기 손실 탄젠트(Lf-e)가 상기 강유전성 콘덴서의 강유전성 손실의 근사치를 제공하는 것을 특징으로 하는 강유전성 손실 결정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전성 콘덴서는 갭 콘덴서이고,
    상기 갭 콘덴서와 결합된 공진기를 포함하는 집적된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실을 결정하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 집적된 구조가 갭에 의해 분리된 기판상에 증착된 전도성 스트립, 그리고 상기 갭 아래에 위치한 강유전성 재료 박막을 포함함을 특징으로 하는 강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실을 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전성 콘덴서가 인터디지탈 콘덴서, 갭 콘덴서 그리고 오버레이 콘덴서로 이루어진 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실을 결정하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 협대역 공진회로가 상기 강유전성 콘덴서를 만들기 위해 갭을 가지는 마이크로스트립 공진기를 포함함을 특징으로 하는 강유전성 회로 컴포넌트와 결부된 손실을 결정하는 방법.
  7. 제 1 금속 스트립을 포함하는 제 1 전도 표면,
    제 2 금속 스트립을 포함하는 제 2 전도 표면으로서, 상기 제 1 및 제 2 전도 표면이 콘덴서를 구성하는 것이 특징인 상기 제 2 전도 표면,
    상기 제 1 및 제 2 금속 스트립 사이에 위치한 강유전성 재료,
    상기 강유전성 재료의 가변 유전율 및 인가된 전압에 응답하여, 상기 콘덴서의 정전용량을 변경하도록 상기 강유전성 재료에 연결된 가변 전압 라인
    을 포함함을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 강유전성 재료가 바륨 스트론튬 티탄산염임을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 강유전성 재료가 1 ㎛의 두께를 가지는 박막을 포함하며, 상기 제 1 금속 스트립과 제 2 금속 스트립은 2-3 ㎛의 두께를 가짐을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 콘덴서가 마이크로스트립 갭 콘덴서임을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 전도 표면과 제 2 전도 표면이 2.5마이크론의 폭 또는 너비의 갭에 의해 분리됨을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  17. 제 7 항에 있어서, 상기 콘덴서가 오버레이 콘덴서임을 특징으로 하는 튜닝가능 강유전성 콘덴서.
  18. 삭제
  19. 강유전성 콘덴서(610)와 결부된 강유전성 손실을 검사하는 협대역 공진 회로(600)에 있어서, 상기 협대역 공진 검사회로는,
    기판(602)에 증착된 강유전성 필름(616), 그리고
    상기 기판(602)에 마이크로스트립으로 형성되고 갭(614)에 의해 분리된 제 1 전도성 패드(612)와 공진기(620)를 포함하되,
    상기 갭(614)에 강유전성 필름(616)이 배치되고,
    상기 강유전성 콘덴서(610)는 상기 강유전성 필름(616), 상기 제 1 전도 패드(612) 및 상기 갭(614)에 인접한 상기 공진기(620)의 마이크로스트립의 일부를 포함하며, 상기 협대역 공진 회로는,
    상기 기판(602)에 형성되고, 입력 콘덴서(630)를 형성하도록 제 2 갭에 의해 상기 공진기(620)로부터 분리된 제 1 전도 스트립(632),
    상기 기판(602)에 형성되고, 출력 콘덴서(640)를 형성하도록 제 3 갭에 의해 상기 공진기(620)로부터 분리된 제 2 전도 스트립(642)으로서, 상기 제 1 및 제 2전도 스트립(632, 642)은 상기 공진기(620)를 측정 기구에 연결하며,
    상기 강유전성 콘덴서(610)의 전기용량을 변경하기 위해 상기 제 1 전도 패드(612)에 연결되는 가변 전압원(VDC), 그리고
    접지 패드와 상기 제 1 전도 패드(612) 사이에 연결된 차단 콘덴서(618)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 공진 검사회로.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 강유전성 콘덴서(610)와 결부된 손실이,
    상기 제 1 및 제 2 전도 스트립(632, 642)에 네트워크 분석기를 연결하는 단계; 그리고
    상기 협대역 공진 검사회로(600)에 대해 중심 주파수(f(o)) 및 삽입 손실(IL(o))을 획득하는 단계;
    삽입 손실의 손실 컴포넌트(Lmetal 및 )를 결정하는 회로 시뮬레이션 도구에서 상기 협대역 공진 검사회로를 분석하는 단계로서, 상기 손실 컴포넌트(Lmetal)는 상기 협대역 공진 검사회로(600)의 전도성 금속 컴포넌트에 의한 총 금속 손실이고, 상기 손실 컴포넌트(Lgeom)는 강유전성 콘덴서(610)의 기하학적 토폴로지에 의한 손실인 것이 특징인 검사회로 분석 단계, 그리고
    상기 강유전성 콘덴서(610)와 결부된 손실(Lf-e)을 결정하도록 상기 협대역 공진 검사회로(600)에 대해 획득된 삽입 손실(ILo)로부터 손실 컴포넌트(Lmetal, Lgeom)를 뺄셈하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 협대역 공진 검사회로.
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