Integrated inductors for RF ICs have been intensively investigated since the performance of the integrated inductor can determine that of the RF ICs. Recently, the integrated inductor using micromachining technologies have developed and the performance of the integrated inductor has been much enhanced compared to that of inductors using conventional IC process. In this thesis, the micromachined high-Q integrated inductors have been experimentally analyzed and the model for the integrated inductor has been proposed.
In this thesis, the effect of two important factors, metal thickness and insulating layer thickness, to the performance of integrated inductors has been investigated with the experimental results. The inductors for the analyses have been fabricated by thick metal surface micromachining technology to fabricate the thick metal line and high separation gap. From the experimental analysis of the effect of metal thicknesses, it was reported that the enhancement of Q-factor as increasing metal thickness is mainly determined by the proximity effect to induce eddy current and the Q-factor can be enhanced by thicker metal line if the proximity effect in the inductor is negligible. Through the study into the effect of insulating layer thickness, we have shown that the Q-factor of the air-suspended inductor strongly depends on not only the thick air-gap but the oxide thickness below the under-pass line. Especially, we have firstly shown that the under-pass line in the integrated inductor plays an important role to determine the Q-peak frequency when the insulating layer between the inductor line and substrate is fairly thick. In this thesis, we have tested feasibility of the PDMS encapsulation of the air-suspended inductors by investigating structural deformation and RF performance variation after encapsulation with PDMS. From this study, we have shown that encapsulation with PDMS can be a good and practical solution for addressing the mechanical stability and package issues of the air-suspended inductors.
In this thesis, physical model for integrated inductor has been proposed and the each components of lumped model has been calculated by equations based on the process parameter and inductor dimension. In the physical model for the integrated inductors, the model of series resistance by metal line has been considered as the most difficult component due to high frequency effects, such as proximity effect and skin effect. In this thesis, the experimental model of series resistance has developed with the consideration into the skin effect and proximity effect. Through the comparison between measured resistance and modeled resistance, we have shown that the modeled resistance is well matched with the measured resistance of the various inductors using IC process or micromachining process. We have proposed the equations for all components in the proposed model which consist of the physical dimensions of the inductor and the process parameters. When the modeled Q-factor and inductance were compared with the measured Q-factor and inductor, we have known that the calculated performances by the proposed physical model are well matched with measured performances of the integrated inductor within ?0% error range.
We believe that the experimental analyses and the model of the integrated inductor can help to design high performance integrated inductors for RF ICs
본 학위 논문에서는 마이크로머시닝 (micromachining) 기술을 이용해 제작한 고성능 고주파 집적 인덕터에 대한 실험적 분석을 수행하였으며 고주파 집적 인덕터의 성능을 예측할 수 있는 물리적 모델을 제안하였고 이를 다양한 공정을 통해 제작한 집적 인덕터의 측정 결과와의 비교를 통해 검증하였다.
인덕터는 고주파 회로의 동작 주파수를 결정하는데 중요한 역할을 하는 수동소자로 다양한 고주파 회로에 사용되고 있다. 이러한 인덕터를 회로와 함께 집적할 경우 공정 비용과 전체 시스템의 크기를 크게 줄일 수 있어 고성능의 인덕터를 집적시키고자 하는 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 이러한 연구 중의 하나인 마이크로머시닝 기술을 이용해 제작한 집적 인덕터는 기존의 반도체 공정으로는 제작하기 힘들었던 두꺼운 금속선과 두꺼운 절연막을 쉽게 형성할 수 있어 높은 Quality (Q-) factor를 가질 수 있음이 보고되어 왔다. 본 연구에서는 인덕터의 특성을 향상 시킬 수 있는 것으로 알려진 두꺼운 금속선과 두꺼운 절연막이 인덕터의 특성에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 체계적인 연구를 수행 하였다. 고주파에서의 금속선의 저항은 크게 표피 효과(skin effect)와 근접 효과 (proximity effect)에 의해서 결정된다고 할 수 있는 데 본 연구에서는 근접효과를 고려하여 인덕터를 이루는 금속선의 두께 변화에 따른 인덕터의 Q-factor의 변화를 연구하였다. 근접 효과가 큰 구조의 인덕터에서는 금속선의 두께가 증가함에 따라서 Q-factor의 포화가 발생함을 보였으며 근접 효과가 크지 않은 구조의 인덕터에서는 Q-factor가 금속선의 두께가 증가함에 따라 계속 증가할 수 있음을 실험적 결과와 고주파 시뮬레이션을 통해 보였다. 또 두꺼운 절연막이 인덕터의 특성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 인덕터와 기판 사이에 존재하는 공기 층의 높이가 높아 질 경우 인덕터의 Q-peak 주파수가 향상할 수 있지만 그 향상 정도는 집적 인덕터를 형성하는 데 반드시 필요한 under-pass line에 의해 형성되는 캐패시턴스 값에 의존함을 보였다. 본 연구와 같이 마이크로머시닝 기술을 이용한 인덕터의 경우 패키지가 아주 중요한 문제가 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 PDMS(polydimethylsiloxane)을 이용하여 떠 있는 인덕터의 패키지에 대한 연구를 수행하였다. PDMS를 제작한 인덕터에 대해서 스핀 코팅하거나 떨어뜨렸을 경우 구조적 변화가 일어나지 않음을 확인하여 마이크로머시닝 인덕터의 구조적 안정성을 확인 할 수 있었으며 패키지 이후의 특성 변화의 경우 PDMS의 유전율(=2.65) 에 의해 Q-peak 주파수의 감소가 보였으나 여전히 높은 Q-factor를 가짐을 확인하여 본 연구에서 사용한 마이크로머시닝 기술을 이용한 인덕터의 패키지 가능성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 집적 인덕터의 특성을 예측할 수 있는 물리적 모델을 제안하였다. 모델을 구성하는 모든 요소들을 위한 식들은 인덕터를 이루는 금속선의 물리적 치수, 절연막의 두께와 유전율, 그리고 기판의 저항율 등을 이용해 계산할 수 있도록 제안되었다. 특히 이 모델에서는 인덕터를 이루는 금속선에 의한 저항 모델을 새롭게 제안하였다. 다양한 구조를 가지는 인덕터들의 측정 데이터로부터 고주파 인덕터의 저항을 결정하는 데 중요한 요소인 근접 효과를 표현할 수 있는 값을 추출하고 이로부터 근접 효과를 표현할 수 있는 식을 인덕터의 구조를 결정하는 치수들을 이용해 제안하였다. 이를 집적회로 공정을 이용해 제작한 인덕터들과 마이크로머시닝 기술을 이용해 제작한 인덕터들의 측정값과 비교하여 제안한 식이 집적 인덕터의 금속선에 의한 저항을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 제안한 식들을 이용해 계산한 각각의 값들을 이용해 기존의 IC파운드리를 이용해 제작한 다양한 인덕터들과 본 연구에서 마이크로머시닝 기술을 이용해 제작한 인덕터들의 측정값과 비교하였으며 이때 인덕터의 특성을 나타내는 Q-factor와 인덕턴스의 경우 ±10%내의 오차 내에서 제안한 집적 인덕터를 위한 물리적 모델이 측정값을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다.
