본 논문에서 기존 반도체공정들이 갖는 리소그래피와 식각 등의 공정단계를 배제하는 direct-write 공정과 LAM(Laser Ablation of Microparticles) 공정을 이용하여 친환경적인 이점을 가질 수 있는 나선형 인덕터의 구조를 제안하고 주파수 특성을 확인하였다. 인덕터의 구조는 Si를 540${\mu}m$, $SiO_2$를 3${\mu}m$으로 하였으며, Cu 코일의 폭과 선간의 간격은 LAM 공정과 direct-write 공정을 이용할 수 있도록 각각 30${\mu}m$으로 설정하여 2회 권선하였다. 나선형 박막 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, quality-factor, SRF에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션 하였다. Underpass와 via가 제거된 인덕터는 300-800MHz 범위에서 1.11nH의 인덕턴스, 5GHz에서 최대 38 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 18GHz로 시뮬레이션 결과를 얻었다. 반면에 underpass와 via를 가지는 일반적인 인덕터는 300-800MHz 범위에서 1.12nH의 인덕턴스, 5GHz에서 최대 35 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 16GHz로 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
본 논문에서 기존 반도체공정들이 갖는 리소그래피와 식각 등의 공정단계를 배제하는 direct-write 공정과 LAM(Laser Ablation of Microparticles) 공정을 이용하여 친환경적인 이점을 가질 수 있는 나선형 인덕터의 구조를 제안하고 주파수 특성을 확인하였다. 인덕터의 구조는 Si를 540${\mu}m$, $SiO_2$를 3${\mu}m$으로 하였으며, Cu 코일의 폭과 선간의 간격은 LAM 공정과 direct-write 공정을 이용할 수 있도록 각각 30${\mu}m$으로 설정하여 2회 권선하였다. 나선형 박막 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, quality-factor, SRF에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션 하였다. Underpass와 via가 제거된 인덕터는 300-800MHz 범위에서 1.11nH의 인덕턴스, 5GHz에서 최대 38 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 18GHz로 시뮬레이션 결과를 얻었다. 반면에 underpass와 via를 가지는 일반적인 인덕터는 300-800MHz 범위에서 1.12nH의 인덕턴스, 5GHz에서 최대 35 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 16GHz로 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
In this study, we propose that the structures of spiral inductors have the environment advantage utilizing direct-write and LAM(Laser Ablation of Microparticles) processes without process step of lithography and etching etc. of existing semiconductor process. The structures of inductors have Si thic...
In this study, we propose that the structures of spiral inductors have the environment advantage utilizing direct-write and LAM(Laser Ablation of Microparticles) processes without process step of lithography and etching etc. of existing semiconductor process. The structures of inductors have Si thickness of 540${\mu}m$, $SiO_2$ thickness of 3${\mu}m$. The width of Cu coils and the space between segments have 30${\mu}m$, respectively, using for direct-write and LAM processes. The performance of spiral planar inductors was simulated to frequency characteristics for inductance, quality-factor, SRF(Self- Resonance Frequency) using HFSS. The inductors without underpass and via have inductance of 1.11nH over the frequency range of 300 to 800 MHz, quality-factor of maximum 38 at 5 GHz, SRF of 18 GHz. Otherwise, inductors with underpass and via have inductance of 1.12nH over the frequency range of 300 to 800 MHz, quality-factor of maximum 35 at 5 GHz, SRF of 16 GHz.
In this study, we propose that the structures of spiral inductors have the environment advantage utilizing direct-write and LAM(Laser Ablation of Microparticles) processes without process step of lithography and etching etc. of existing semiconductor process. The structures of inductors have Si thickness of 540${\mu}m$, $SiO_2$ thickness of 3${\mu}m$. The width of Cu coils and the space between segments have 30${\mu}m$, respectively, using for direct-write and LAM processes. The performance of spiral planar inductors was simulated to frequency characteristics for inductance, quality-factor, SRF(Self- Resonance Frequency) using HFSS. The inductors without underpass and via have inductance of 1.11nH over the frequency range of 300 to 800 MHz, quality-factor of maximum 38 at 5 GHz, SRF of 18 GHz. Otherwise, inductors with underpass and via have inductance of 1.12nH over the frequency range of 300 to 800 MHz, quality-factor of maximum 35 at 5 GHz, SRF of 16 GHz.
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문제 정의
이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과인 인덕턴스, Q-factor, SRF에 대하여 기존의 일반적인 형태와 비교하여 LAM공정과 direct-write 공정에 적합한 인덕터의 형태를 도출하고자 하였다.
가설 설정
그림 2와 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인덕터의 레이아웃은 간단하며, 2층 금속 공정을 기반으로 하고 있다. 두 종류의 인덕터 최외각 크기는 540㎛으로 고정하였다. RF 주파수에서는 금속층의 두께가 품질계수를 결정짓는 주요 요소 중의 하나이며, 인덕터 중심의 공간은 품질계수를 향상시키는데 있어 도움을 준다.
제안 방법
인덕터의 외부 크기를 300㎛, 도체폭과 도체간의 간격을 각각 30㎛과 30㎛으로 고정하고, 10Ω-㎝ 실리콘 기판을 사용하였으며 기판 두께를 300㎛으로 하였다. 기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 3㎛으로 하였다. 도체 두께를 1㎛으로 하여 2회 권선하였다.
기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 3㎛으로 하였다. 도체 두께를 1㎛으로 하여 2회 권선하였다.
본 논문에서 실리콘 상에 이루어진 평면 나선형 박막 인덕터를 LAM 공정과 direct-write 공정에 적용할 수 있도록 underpass와 via를 제거하여 설계하였다. 이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 LAM 공정과 direct-write 공정에 적용 가능한 underpass와 via를 제거한 나선형 박막 인덕터의 구조를 제시하고, 그에 따른 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, Quality-factor, SRF(자기공진 주파수)에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션하여 기존의 일반적인 형태인 underpass와 via를 가지는 나선형 인덕터와 비교 분석하였다.
우선 인덕터의 설계 변수로써는 권선수, 도체폭, 도체간의 간격, 도체 두께, 유효 면적 등이 있다. 여기에서는 우선 외부 크기와 도체폭, 그리고 도체간의 간격, 권선수(Number of turns)를 고정하고, LAM 공정과 direct-write 공정의 적용을 위한 underpass와 via의 유무에 따른 인덕턴스, Q(Quality-factor) 값과 SRF를 비교 분석하였다.
우선 외부 크기(300㎛)와 도체폭(30㎛), 도체간의 간격(30㎛), 도체의 두께(1㎛), 권선수는 2회로 고정하고 underpass와 via를 제거한 인덕터와 underpass와 via를 갖는 인덕터에 대하여 비교하였다. underpass를 제거한 인덕터의 경우는 L(인덕턴스)=1.
본 논문에서 실리콘 상에 이루어진 평면 나선형 박막 인덕터를 LAM 공정과 direct-write 공정에 적용할 수 있도록 underpass와 via를 제거하여 설계하였다. 이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과인 인덕턴스, Q-factor, SRF에 대하여 기존의 일반적인 형태와 비교하여 LAM공정과 direct-write 공정에 적합한 인덕터의 형태를 도출하고자 하였다.
대상 데이터
인덕터는 2층 금속 공정을 기반으로 하고 있다. 인덕터의 구조는 300㎛ 두께의 Si에 3㎛ 두께의 SiO2를 적층하였다. 인덕터는 direct-write 공정과 LAM 공정을 적용할 수 있도록 금속선 간의 간격은 공정에서 허용하는 간격인 30㎛으로, 금속선의 폭과 높이는 30㎛과 1㎛으로 하였다.
1. 인덕턴스
인덕터의 외부 크기를 300㎛, 도체폭과 도체간의 간격을 각각 30㎛과 30㎛으로 고정하고, 10Ω-㎝ 실리콘 기판을 사용하였으며 기판 두께를 300㎛으로 하였다. 기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 3㎛으로 하였다.
그림 4와 5에 대하여 음영부분은 Cu로 이루어진 나선형 코일을 나타내며, 외각의 회색 패턴은 시뮬레이션을 위하여 바이어스를 인가하기 위한 접지(ground)로 설정하였다. 포트는 2-포트의 lumped port를 사용하였다. 우선 인덕터의 설계 변수로써는 권선수, 도체폭, 도체간의 간격, 도체 두께, 유효 면적 등이 있다.
이론/모형
시뮬레이션을 위하여 안소프트사의 HFSS를 사용하였다. 그림 4는 HFSS를 이용한 underpass와 via를 갖지 않는 LAM 공정을 위한 나선형 박막 인덕터의 시뮬레이션 구조를 나타낸다.
비록 다양한 실험식이 나선형 인덕터의 인덕턴스를 추정하기 위해 문헌에 존재할지라도 Greenhouse 방법이 우수한 정확성을 제공한다. 여기서 인덕턴스 계산을 위한 Greenhouse 방법을 사용한다[10].
성능/효과
표 1은 Mathcad를 이용한 나선형 박막 인덕터의 기하학적 수치를 나타낸다. 표의 Total Inductance는 Greenhouse 식을 이용한 계산 결과로써, HFSS를 이용한 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인덕터는 어디에 사용되는가?
최근의 정보기술의 도래와 더불어 이러한 자성소자 들의 소형 경량화 및 고주파수화가 요구되고 있다. 인덕터는 고집적 RF 회로에서 필수적인 수동 소자 중의 하나로써, 커패시터와 결합한 LC 필터, 트랜지스터를 위한 AC 초크, 회로정합과 EMI 필터 등에 적용하여 개인통신서비스, 무선 LAN, 위성통신과 GPS에 등에 사용된다[1-5].
실리콘을 기반으로 한 고주파 집적회로들은 어디에 사용되고 있는가?
Si VLSI 기술의 극적인 진보로 인해 실리콘 기반의 고주파 집적회로는 급격히 성장한 무선통신 어플리케이션을 만족시키기 위한 대안으로 최근에 대두되고 있다[6,7]. 그리고 실리콘을 기반으로 한 고주파 집적회로들은 0.9GHz의 GSM(Global System for Mobile) 시스템과 1.8GHz의 DCS(Digital Cordless System), 그리고 2.4GHz 대역의 블루투스 시스템과 같은 저 GHz의 주파수 범위에서 광범위하게 사용되고 있다[8,9].
나선형 박막 인덕터의 구조는 어떠한가?
그림 1은 나선형 박막 인덕터의 단면을 나타낸다. 인덕터는 2층 금속 공정을 기반으로 하고 있다. 인덕터의 구조는 300㎛ 두께의 Si에 3㎛ 두께의 SiO2를 적층하였다. 인덕터는 direct-write 공정과 LAM 공정을 적용할 수 있도록 금속선 간의 간격은 공정에서 허용하는 간격인 30㎛으로, 금속선의 폭과 높이는 30㎛과 1㎛으로 하였다.
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