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KR102145746B1 - Rf 집적형 전력 조절 커패시터 - Google Patents

Rf 집적형 전력 조절 커패시터 Download PDF

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KR102145746B1
KR102145746B1 KR1020197026546A KR20197026546A KR102145746B1 KR 102145746 B1 KR102145746 B1 KR 102145746B1 KR 1020197026546 A KR1020197026546 A KR 1020197026546A KR 20197026546 A KR20197026546 A KR 20197026546A KR 102145746 B1 KR102145746 B1 KR 102145746B1
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KR
South Korea
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photosensitive glass
dielectric layer
glass substrate
capacitor
layer
Prior art date
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KR1020197026546A
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KR20190119609A (ko
Inventor
젭 에이치. 플레밍
제프 에이. 벌링턴
Original Assignee
3디 글래스 솔루션즈 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 1 nf 이상 및 1 ㎟ 미만의 정전용량을 갖는 집적형 RF 전력 조절 커패시터를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 장치를 포함한다.

Description

RF 집적형 전력 조절 커패시터
본 발명은 집적형 RF 전력 조절(power condition) 커패시터를 제조하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 범위를 한정하지 않으면서, 전력 조절 커패시터와 관련한 배경기술에 대해 기술한다.
RF 장치는 점점 더 높은 전력을 사용하고 있다. 이러한 부류의 RF 장치는 10 V 초과의 전압 및 2 암페어 초과의 전류에서 펄스를 생성한다. 이러한 수준의 전류와 전압으로 신호를 스위치 온 및 오프(on/off)시키면 상당량의 고조파 신호를 생성하게 된다. 이러한 고조파 신호는 회로의 작동을 방해할 수 있다. 대용량 집적형 규소계 커패시터는 필요 정전용량을 달성하지 못하고 유전 파괴(dielectric breakdown) 현상을 겪게 된다.
본 발명자들은 자외선 노출과 열처리의 조합을 통해 유리상으로부터 세라믹상으로 전환될 수 있는 집적형 감광성 유리-세라믹을 개발하였다. 포토마스크 또는 섀도 마스크를 이용한 자외선 노출의 선택적 적용은 감광성 유리에 세라믹 물질의 영역을 생성시킨다. 본 발명은 표면적이 큰 구조의 유전 물질을 갖는 감광성 유리 기판을 제조하는 단계 및 하나 이상의 금속으로 코팅하는 단계에 의해 하나 이상의 2차원 또는 3차원 정전용량 장치를 구비한 기판을 제조하는 방법을 포함한다.
본 발명의 한 실시양태에서, 감광성 유리 상에 전력 조절을 위한 소형 폼팩터(form factor)로 집적된 대용량 커패시터를 제조하는 방법은 하기의 단계를 포함한다: 감광성 유리 내에 하나 이상의 비아 개구(via opening)를 형성하도록 가공처리된 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계; 상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계; 상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계; 2개의 인접한 충전된 비아 주위에 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계; 적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트(metal post)를 형성시키는 단계; 제1 전극을 형성하는 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계; 상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계; 상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계; 제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및 제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계. 한 양태에서, 상기 유전층은 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막이다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트이다. 다른 양태에서, 상기 유전층의 전기 유전율은 10 내지 10,000이다. 다른 양태에서, 상기 유전층의 전기 유전율은 2 내지 100이다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 ALD에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 닥터 블레이딩(doctor blading)에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도는 1,000 pf/㎟ 초과이다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 감광성 유리 상에 전력 조절을 위한 소형 폼팩터로 집적된 대용량 커패시터를 제조하는 방법은 하기의 단계를 포함한다: 감광성 유리 기판 상에 원형 패턴을 마스킹하는 단계; 상기 감광성 유리 기판의 적어도 일부분을 활성화 UV 에너지원에 노출시키는 단계; 상기 감광성 유리 기판을 그의 유리 전이 온도 이상으로 적어도 10분의 가열 단계로 가열하는 단계; 상기 감광성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 일부를 결정성 물질로 변환하여 유리-세라믹 결정질 기판을 형성하는 단계; 에칭액으로 상기 감광성 유리 기판의 세라믹상을 부분적으로 에칭하여 제거하는 단계; 상기 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계; 상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계; 상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계; 2개의 인접한 충전된 비아 주위에 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계; 적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트를 형성시키는 단계; 제1 전극을 형성하는 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계; 상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계; 상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계; 제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및 제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계. 한 양태에서, 상기 유전층은 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막이다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트이다. 다른 양태에서, 상기 유전층의 전기 유전율은 10 내지 10,000이다. 다른 양태에서, 상기 유전층의 전기 유전율은 2 내지 100이다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 ALD에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 닥터 블레이딩에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도는 1,000 pf/㎟ 초과이다.
본 발명의 또 다른 실시양태는, 하기의 단계를 포함하는 방법으로 제조된 집적형 커패시터를 포함한다: 감광성 유리 기판 상에 원형 패턴을 마스킹하는 단계; 상기 감광성 유리 기판의 적어도 일부분을 활성화 UV 에너지원에 노출시키는 단계; 상기 감광성 유리 기판을 그의 유리 전이 온도 이상으로 적어도 10분의 가열 단계로 가열하는 단계; 상기 감광성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 일부를 결정성 물질로 변환하여 유리-세라믹 결정질 기판을 형성하는 단계; 에칭액으로 상기 감광성 유리 기판의 세라믹상을 부분적으로 에칭하여 제거하는 단계; 상기 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계; 상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계; 상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계; 2개의 인접한 충전된 비아 주위에 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계; 적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트를 형성시키는 단계; 제1 전극을 형성하는 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계; 상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계; 상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계; 제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및 제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계. 한 양태에서, 상기 유전층은 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막이다. 다른 양태에서, 상기 유전층은 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트이다. 다른 양태에서, 상기 유전 물질의 전기 유전율은 10 내지 10,000이다. 다른 양태에서, 상기 유전 박막의 전기 유전율은 2 내지 100이다. 다른 양태에서, 상기 유전 박막 물질은 ALD에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 유전 박막 물질은 닥터 블레이딩에 의해 증착된다. 다른 양태에서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도는 1,000 pf/㎟ 초과이다.
본 발명의 특징과 장점들을 보다 완전하게 이해하기 위해, 첨부하는 도면들과 함께 본 발명의 상세한 설명을 참조한다:
도 1은 씨드층으로 구리 전기도금된, 충전된 스루 홀(through hole) 비아의 이미지를 나타낸 것이다.
도 2A는 유전 물질이 HfO2인, RF 전력 조절 커패시터의 단면과 주재료들을 나타낸 것이다.
도 2B는 RF 전력 조절 커패시터의 상면도(top view)를 나타낸 것이다.
도 3은 BaTiO3 기반의 집적형 전력 조절 커패시터를 나타낸 것이다.
도 4는 직경이 65 ㎛이고, 중심간 피치(center-to-center pitch)가 72 ㎛인 스루 홀 비아를 나타낸 것이다.
본 발명의 다양한 실시양태들을 만들어 사용하는 것에 대해 아래에 상세히 설명하지만, 본 발명이 광범위하게 다양한 구체적인 상황들에 구현될 수 있는 여러가지로 응용가능한 독창적인 개념을 제공하고 있다는 점을 이해해야 할 것이다. 본원에 거론된 구체적인 실시양태들은 본 발명을 만들어 사용하는 구체적인 방법들을 예시하는 것일 뿐이지 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명을 쉽게 이해하기 위해, 다수의 용어들을 하기에 정의한다. 본원에 정의되는 용어들은 본 발명과 관련된 분야의 통상의 숙련가들이 통상적으로 이해하는 의미를 지닌다. 단수형 용어("a", "an" 및 "the"를 사용하는 용어)는 단수의 실체만을 지칭하는 것은 아니고, 예시를 위해 구체예를 사용할 수 있는 일반적인 부류도 포함한다. 본원에서의 용어는 본 발명의 구체적인 실시양태들을 설명하는데 사용되지만, 청구범위에 기재된 것을 제외하고 이들의 사용이 본 발명을 한정하지는 않는다.
감광성 유리 재료는 간단한 3단계 공정으로 1세대 반도체 장비를 사용하여 가공처리되며, 여기서 최종 재료는 유리, 세라믹으로 형성되거나, 또는 유리와 세라믹 양자 모두의 영역을 포함하여 형성될 수 있다. 감광성 유리는 광범위한 마이크로시스템 구성요소들, 칩상의 시스템 및 패키지의 시스템을 제조하는데 있어서 여러가지 장점을 지닌다. 마이크로구조물 및 전자 부품들은 종래의 반도체 및 인쇄 회로 기판 (PCB) 가공처리 장비를 사용하여 이러한 유형의 유리로 비교적 저렴하게 제조되어 왔다. 일반적으로, 유리는 고온 안정성, 양호한 기계적 특성과 전기적 특성 및 플라스틱과 여러 종류의 금속보다 우수한 내화학성을 가진다.
산화세륨의 흡수대역 내의 UV광에 노출시, 상기 산화세륨은 광자를 흡수하고 전자를 잃어버림으로써 감광제로 작용한다. 상기 반응은, 이웃하는 산화은을 환원시켜 은 원자를 형성하는데, 예를 들면 다음과 같다:
Figure 112019092704400-pct00001
은 이온들은 열처리 공정 동안 은 나노클러스터로 합쳐져, 주변 유리의 결정성 세라믹상의 형성을 위한 핵형성 자리를 유도한다. 상기 열처리는 유리 전이 온도 부근의 온도에서 수행해야 한다. 세라믹 결정상은 노출되지 않은 유리질의 비정질성 영역에 비해 불화수소산(HF)과 같은 에칭제에 더 가용성이다. 특히, FOTURAN®의 결정성 [세라믹] 영역은 10%의 HF에서 비정질 영역보다 약 20배 더 빠르게 에칭되어, 노출된 영역 제거시 약 20:1의 벽 경사비(wall slope ratio)를 갖는 마이크로구조물을 형성할 수 있다. 문헌 [T. R. Dietrich et al., "Fabrication technologies for microsystems utilizing photoetchable glass," Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)]을 참조하며, 본 문헌은 본원에 참조로 포함된다. 다른 감광성 유리 조성물들은 서로 다른 속도로 에칭될 것이다.
실리카, 산화리튬, 산화알루미늄 및 산화세륨으로 이루어진 감광성 유리 기판을 이용하여 금속 장치를 제조하는 한 방법은, 감광성 유리 기판 내에 적어도 하나의 2차원 또는 3차원 세라믹상 영역을 갖는 패턴을 생성하기 위한 마스크 및 UV 광의 사용을 수반한다.
바람직하게는, 상기 성형된 유리 구조는 적어도 하나 이상의 2차원 또는 3차원 유도 장치를 포함한다. 정전용량 장치는 전력 조절을 위한 고표면적 커패시터를 형성하기 위해 다수의 연결 구조를 만듦으로써 제조된다. 상기 구조는 직사각형, 원형, 타원형, 프랙털형(fractal)이거나, 또는 정전용량을 발생시키는 패턴을 생성하는 기타 형태일 수 있다. APEX™ 유리의 패턴화된 영역들은 도금 또는 기상 증착을 비롯한 다양한 방법들에 의해, 금속, 합금, 복합재, 유리 또는 기타 자성 매체로 충전될 수 있다. 해당 매체의 전기 유전율은 치수, 고표면적 및 장치 내의 구조들의 수와 결부되어서 해당 장치들의 유도용량을 제공한다. 가동의 빈도수에 따라, 유도 장치의 설계는 상이한 자기 유전율의 재료를 필요로 할 것이고, 이에 따라 더 높은 가동 빈도수에서는 구리와 같은 재료 또는 기타 유사한 재료가 유도 장치를 위한 선택 매체이다. 일단 정전용량 장치가 제조되면, 지지하고 있는 APEX™ 유리는 그 자리에 잔류시키거나 또는 제거하여 직렬 또는 병렬로 부착될 수 있는 정전용량 구조의 어레이를 만들 수 있다.
상기 공정은 1 nf/㎟ 이상의 값인 집적형 전력 조절 정전용량 밀도에 대한 소정의 기술적 요건을 초과하게 될 큰 표면적의 커패시터를 제조하는데 사용될 수 있다. 사용된 상대 유전율과 해당 유전 물질에 바람직한 증착 기법을 바탕으로 서로 다른 장치 구조물들이 존재한다. 본 발명은 각 유전 물질에 대한 장치 구조물을 제조하는 방법을 제공한다.
일반적으로, 유리 세라믹 재료는 성능, 균일성, 이용가능성 및 입수 용이성 문제로 골머리를 앓고 있는 마이크로구조물 제조과정에서의 성공은 제한적이었다. 과거의 유리-세라믹 재료는 약 15:1의 에칭 종횡비를 수득했던 반면, APEX® 글래스는 50:1 초과의 평균 에칭 종횡비를 가진다. 이로써 사용자는 보다 작고 깊은 배선(feature)을 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조 공정은 90% 초과의 생성물 수율을 달성할 수 있다 (기존 유리의 수율은 50%에 근접함). 마지막으로, 기존 유리 세라믹에서, 상기 유리의 약 30%만이 세라믹상으로 변환되는 반면, APEX® 글래스 세라믹을 사용하면 상기 변환율은 70%에 근접한다.
APEX® 조성물은 그 향상된 성능을 위한 세가지 주요 메커니즘을 제공한다: (1) 은의 양이 많을수록, 입계에서 보다 신속하게 에칭되는 작은 세라믹 결정의 형성을 유도하고, (2) 실리카 (HF 산으로 에칭되는 주성분) 함량의 감소는 노출되지 않은 재료의 원치않는 에칭을 감소시키고, (3) 알칼리 금속 및 산화붕소의 총 중량%가 높아질수록, 제조 공정 동안 훨씬 더 균질한 유리를 생성한다.
상기 유리의 세라믹화는 전체 유리 기판을 약 20 J/㎠의 310 nm 광에 노출시킴으로써 달성된다. 상기 세라믹 내에 유리 공간(glass space)을 만들고자 하는 경우, 사용자는 상기 유리가 유리로 잔류할 곳을 제외하고는 상기 모든 재료를 노출시킨다. 한 실시양태에서, 본 발명은 서로 다른 직경의 다양한 동심원들을 포함하는 석영/크롬 마스크를 제공한다.
본 발명자들에 의해 입증된 이보다 앞선 고표면적의 커패시터는 CVD 공정을 이용하는 박막 금속화 비아를 사용한다. 다음으로, 상기 금속화된 비아를 ALD 공정을 사용하여 20 nm의 Al2O3 층과 같은 유전 물질의 박막으로 코팅한 후, 상부 금속배선기법(top metallization)을 적용하여 비아(들)의 유효 표면적과 유전체의 초박막 코팅 덕택으로 정전용량을 대용량으로 만들었다.
본 발명은, 전기 마이크로파 및 고주파를 적용하여, 유리 세라믹 구조물 내에 또는 유리 세라믹 구조물 상에 유도 장치를 제작하는 방법을 포함한다. 상기 유리 세라믹 기판은, 아래의 것들을 포함하지만 여기에 제한되지는 않는, 광범위한 가짓수의 조성 변화를 갖는 감광성 유리 기판일 수 있다: 60-76 중량%의 실리카; 적어도 3 중량%의 K2O 및, 6-16 중량%의 K2O와 Na2O의 조합물; 0.003-1 중량%의, Ag2O 및 Au2O로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물; 0.003-2 중량%의 Cu2O; 0.75-7 중량%의 B2O3 및 6-7 중량%의 Al2O3; 13 중량%를 초과하지 않는 B2O3와 Al2O3의 조합물; 8-15 중량%의 Li2O; 및 0.001-0.1 중량%의 CeO2. 상기 조성물 및 기타 변형된 이의 조성물들을 일반적으로 APEX® 유리로 지칭한다.
상기 유리 중 노출된 부분은, 유리 기판을 유리 전이 온도 부근의 온도로 가열함으로써 결정성 재료로 변형시킬 수 있다. 불화수소산과 같은 에칭제 중에서 유리 기판을 에칭할 때, 노출된 부분 대 노출되지 않은 부분의 비등방성 에칭비는, 유리를 넓은 스펙트럼의 중자외선(약 308-312 nm) 투광 램프(flood lamp)에 노출시키는 경우 적어도 30:1이 되어, 적어도 30:1의 종횡비를 갖는 성형된 유리 구조물을 제공하고 유도 구조물을 생성하게 된다. 노출용 마스크는 노출에 대해 연속적인 그레이 스케일을 제공하여 유도 구조물/장치를 제조하기 위한 곡선형 구조물을 형성하는 하프톤 마스크(halftone mask)일 수 있다. 디지털 마스크는 투광 노출(flood exposure)과 함께 사용할 수도 있으며, 유도 구조물/장치를 제조하기 위해 사용할 수 있다. 다음으로, 상기 노출된 유리를 통상 2단계 공정으로 베이킹시킨다. 은 이온들을 은 나노입자로 합치기 위해 420℃-520℃의 온도 범위로 10분 내지 2시간 동안 가열하고, 산화리튬이 상기 은 나노입자들 주위에 형성될 수 있도록 520℃-620℃의 온도 범위로 10분 내지 2시간 동안 가열한다. 이후, 상기 유리 플레이트를 에칭한다. 상기 유리 플레이트는 통상적으로 5 부피% 내지 10 부피%의 HF 용액의 에칭제로 에칭되며, 여기서, 노출된 부분 대 노출되지 않은 부분의 에칭비는, 넓은 스펙트럼의 중자외선 투광 램프에 노출되는 경우 적어도 30:1이고, 레이저에 노출되는 경우 30:1 초과가 되어, 적어도 30:1의 비등방성 에칭비를 갖는 성형된 유리 구조물을 제공하게 된다. 도 1은 씨드층으로 구리 전기도금된, 충전된 스루 홀 비아의 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명은 유리-세라믹 기판 내에 다수의 금속 포스트들로 생성된 정전용량 구조물을 포함하며, 이러한 공정은 적어도 하나 이상의 2차원 또는 3차원 커패시터 장치를 포함하는 웨이퍼 내에 감광성 유리 구조물을 사용한다. 상기 감광성 유리 웨이퍼는 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 범위일 수 있으며, 본 발명의 경우 바람직하게는 250 ㎛이다. 다음으로, 상기 감광성 유리를 원형 패턴으로 패턴화하고 상기 유리를 전반적으로 에칭시킨다. 상기 원형 패턴은 직경이 5 ㎛ 내지 250 ㎛ 범위일 수 있지만, 바람직하게는 직경이 30 ㎛이다. 균일한 티타늄 씨드층을 CVD 공정에 의해 비아들을 포함하는 웨이퍼 전반에 증착시킨다. 상기 씨드층 두께는 50 nm 내지 1,000 nm 범위일 수 있지만, 바람직하게는 두께가 150 nm이다. 이후, 상기 웨이퍼를 전기도금용 조에 넣는데, 여기서 구리 (Cu)가 씨드층에 증착된다. 상기 구리층은 비아를 충전시키기에 충분해야 하며, 이 경우 25 ㎛이다. 웨이퍼의 전면과 후면은 상기 감광성 유리에 대해서는 래핑(lapping)되고 폴리싱(polishing)된 뒷면이다. 이는 도 2A에서 볼 수 있다. 직사각형 패턴은 앞서 기술한 공정을 사용하여 상기 감광성 유리 내에 형성되어 유리의 10% 내지 90%, 바람직하게는 상기 감광성 유리 부피의 80%를 변환시킨다. 비아는 희석된 HF와 같은 에칭제와 함께 추가의 저농축 린스를 수용할 수도 있다. 상기 희석된 HF는 상기 비아의 세라믹 벽을 패턴화하거나 또는 텍스처링하게 될 것이다. 상기 세라믹 벽의 텍스처링은 해당 구조물의 표면적을 크게 증가시켜고, 이는 해당 장치의 정전용량을 직접적으로 증가시키게 된다. 노출된 구리가 금속화된 폴리이미드를 함유하는 감광성 유리는 웨이퍼의 후면 상의 구리 충전된 비아와 물리적/전기적 접촉이 되도록 배치된다. 노출된 구리 컬럼을 갖는 감광성 유리와 접촉된 상기 금속화된 폴리이미드를 전기도금용 조에 배치하여, 여기서 비산화성 금속의 플래시 코팅이 이루어지거나, 또는 반도체 산화물 또는 전도성 산화물을 형성하는 금속이 금속 포스트의 표면 상에 도금된다. 상기 금속은 바람직하게는 금 (Au)이다. 상기 박막 플래시 코팅은 유전 매체/물질의 증착이 이루어지는 동안 구리 포스트의 산화를 방지한다. 유전체는 원자층 증착 (ALD) 공정을 사용하여 증착되는데, 산화될 수 있는 금속을 증착시키거나, 또는 Ta2O5, Al2O3, 또는 Al2O3을 포함하나 이에 제한되지 않는 기타 기상 유전체의 유전층의 산화물 재료를 예컨대 10Å로 직접 증착시킨다. 380℃에서 TMA와 O3을 사용하여 Al2O3 - 주기 시간: 3.5초. 이후, Al2O3 층을 산소 분위기 하에 300℃로 5분간 가열하여 상기 유전층을 완전히 산화시킨다. 상기 유전층의 두께는 5 nm 내지 1,000 nm 범위일 수 있다. 본 발명에서 바람직한 두께는 도 2A에서 볼 수 있는 바와 같이 5 nm 두께이다. 다음으로, 구리의 RLD를 증착시켜 직사각형 구멍을 채운다. 상기 RLD는 바람직하게는 실크 스크리닝 공정에 의해 증착된 구리 페이스트이다. 이후, 상기 웨이퍼를 화로(furnace)에 넣어 불활성 기체 또는 진공 환경 하에 450℃ 내지 700℃로 5분 내지 60분간 가열한다. 본 발명에서 바람직한 온도와 시간은 아르곤 기체 하에 600℃로 20분 동안이다. 마지막 단계는 RLD 구리와 접촉시켜 다이의 전면을 행으로, 웨이퍼의 후면을 열로 만드는 것이다. 전면의 모든 행들을 병렬로 함께 묶어 표면적이 큰 집적형 커패시터용 전극을 제조한다. 이와 유사하게, 다이 후면 상의 모든 열들을 병렬로 함께 묶어 표면적이 큰 집적형 커패시터용 하부 전극을 제조한다. 도 2B는 RF 전력 조절 커패시터의 상면도를 나타낸 것이다.
제2 실시양태는 도 3에서 볼 수 있다. 본 발명은 유리-세라믹 기판 내에 다수의 금속 포스트들로 생성된 정전용량 구조물을 포함하며, 이러한 공정은 적어도 하나 이상의 2차원 또는 3차원 커패시터 장치를 포함하는 웨이퍼 내에 감광성 유리 구조물을 사용한다. 상기 감광성 유리 웨이퍼는 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 범위일 수 있으며, 본 발명의 경우 바람직하게는 250 ㎛이다. 다음으로, 상기 감광성 유리를 원형 패턴으로 패턴화하고 상기 유리를 전반적으로 에칭시킨다. 상기 원형 패턴은 직경이 5 ㎛ 내지 250 ㎛ 범위일 수 있지만, 바람직하게는 직경이 30 ㎛이다. 균일한 티타늄 씨드층을 CVD 공정에 의해 비아들을 포함하는 웨이퍼 전반에 증착시킨다. 상기 씨드층 두께는 50 nm 내지 1,000 nm 범위일 수 있지만, 바람직하게는 두께가 150 nm이다. 이후, 상기 웨이퍼를 전기도금용 조에 넣는데, 여기서 구리 (Cu)가 씨드층에 증착된다. 상기 구리층은 비아를 충전시키기에 충분해야 하며, 이 경우 25 ㎛이다. 웨이퍼의 전면과 후면은 상기 감광성 유리에 대해서는 래핑되고 폴리싱된 뒷면이다. 이는 도 3에서 볼 수 있다. 직사각형 패턴은 앞서 기술한 공정을 사용하여 상기 감광성 유리 내에 형성되어 유리의 10% 내지 90%, 바람직하게는 상기 감광성 유리 부피의 80%를 변환시킨다. 비아는 희석된 HF와 같은 에칭제와 함께 추가의 저농축 린스를 수용할 수도 있다. 노출된 구리 컬럼을 갖는 감광성 유리와 접촉된 상기 금속화된 폴리이미드를 전기도금용 조에 배치하여, 여기서 비산화성 금속의 플래시 코팅이 이루어지거나, 또는 반도체 산화물 또는 전도성 산화물을 형성하는 금속이 금속 포스트의 표면 상에 도금된다. 상기 금속은 바람직하게는 금 (Au)이다. 상기 박막 플래시 코팅은 유전 매체/물질의 증착이 이루어지는 동안 구리 포스트의 산화를 방지한다. 이후, 직사각형 웰로 실크 스크리닝된 시판되는 BaTiO3 페이스트를 사용하여 유전 영역을 만든다. 다음으로, 상기 웨이퍼를 화로에 넣어 산소 분위기 하에 450℃ 내지 700℃로 5분 내지 60분간 가열한다. 바람직한 온도와 시간은 산소 분위기 하에 600℃로 30분 동안이다. 마지막 단계는 RLD 구리와 접촉시켜 다이의 전면을 행으로, 웨이퍼의 후면을 상부 전극과 평행하게 위치된 열로 만드는 것이다. 전면의 모든 행들을 병렬로 함께 묶어 표면적이 큰 집적형 커패시터용 전극을 제조한다. 이와 유사하게, 다이 후면 상의 모든 행들을 병렬로 함께 묶어 표면적이 큰 집적형 커패시터용 하부 전극을 제조한다.
도 4는 직경이 65 ㎛이고, 중심간 피치가 72 ㎛인 스루 홀 비아를 나타낸 것이다.
본 발명과 그 장점을 상세하게 설명하였으나, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체 및 변형을 본원에서 수행할 수 있다는 점을 이해해야 할 것이다. 본 출원의 범위는 본 명세서에 기재되는 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법들 및 단계들의 특정 실시형태에 한정하려는 것은 아니다. 당해 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 개시 내용으로부터 용이하게 알 수 있는 것과 같이, 본원에 기재된 해당 실시양태들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나, 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 차후에 개발될 공정, 기계, 제조물, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계들 역시 본 발명에 따라 이용할 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이러한 공정, 기계, 제조물, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계들을 청구범위 내에 포함시키고자 한다.
본 발명은 비용 효율적인 유리 세라믹 3차원 커패시터 구조물 또는 3차원 커패시터 어레이 장치를 제조한다. 본 발명에서는, 유리 세라믹 기판은 수직면 및 수평면 모두를 개별적으로 또는 동시에 가공하여 상기 구조물을 형성하여 2차원 또는 3차원 정전용량 장치를 제조할 수 있는 역량을 입증하였다.
본 발명은, 비아 또는 포스트를 갖는 감광성 유리 기판을 제조하는 단계, 및 추가로, 통상적으로 금속인 하나 이상의 전도층, 유전 매체 및 통상적으로 금속인 상부 전도층으로 코팅 또는 충전하는 단계에 의해, 하나 이상의 2차원 또는 3차원 커패시터 장치를 지니는 기판을 제조하는 방법을 포함한다.
본 발명의 다양한 실시양태들을 만들어 사용하는 것에 대해 아래에 상세히 설명하지만, 본 발명이 광범위하게 다양한 구체적인 상황들에 구현될 수 있는 여러가지로 응용가능한 독창적인 개념을 제공하고 있다는 점을 이해해야 할 것이다. 본원에 거론된 구체적인 실시양태들은 본 발명을 만들어 사용하는 구체적인 방법들을 예시하는 것일 뿐이지 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 명세서에서 논의된 임의의 실시양태는 본 발명의 임의의 방법, 키트, 시약 또는 조성물에 대하여 실시할 수 있으며, 그 반대도 가능하다. 또한, 본 발명의 조성물은 본 발명의 방법을 달성하는데 사용될 수 있다.
본원에 기술한 구체적인 실시양태들은 예시로서 나타낸 것이지 본 발명의 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 주요 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 실시양태로 사용될 수 있다. 당업계의 숙련자라면 단지 일상적인 실험만을 이용하여 본원에 기술된 특정 절차들에 대한 다양한 균등물을 인식할 수 있을 것이거나, 또는 확인할 수 있을 것이다. 이러한 균등물들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주되며, 특허청구범위에 포함된다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물 및 특허 출원들은 본 발명이 속한 업계에서 숙련자들의 기술 수준을 나타낸다. 모든 간행물 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물 또는 특허 출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참고로 포함되었던 것과 동일한 정도로 본원에 참고로 포함된다.
특허청구범위 및/또는 명세서에서 "포함하는"이라는 용어와 함께 사용되는 단수형 명사("a" 또는 "an")는 "하나"를 의미할 수 있으나, "하나 이상," "적어도 하나," 및 "하나 또는 하나 이상"이라는 의미와 같을 수도 있다. 청구항에서 "또는" 이라는 용어의 사용은, 그것이 명시적으로 대안만을 언급하지 않는 한 또는 명세서가 대안 및 "및/또는"만을 언급하는 정의를 뒷받침하고 있더라도 그 대안이 상호 배타적이지 않는 한 "및/또는"을 의미하는 것으로 사용된다. 본 출원 전반에 걸쳐, "약" 이라는 용어는 어떠한 값이 해당 장치, 그 값을 측정하는데 사용되는 방법에 대한 고유한 오차 변화, 또는 해당 연구 대상들 간에 존재하는 변화를 포함함을 나타내는데 사용된다.
본 명세서 및 특허청구범위에서, "포함하는(comprising)" (및 "포함하고" 및 "포함하며"와 같은 "포함하는"의 임의의 형태), "갖는(having)" (및 "가지고" 및 "가지며"와 같은 "갖는"의 임의의 형태), "비롯한(including)" (및 "비롯하여" 및 "비롯해"와 같은 "비롯한"의 임의의 형태) 또는 "함유하는(containing)" (및 "함유하고" 및 "함유하며"와 같은 "함유하는"의 임의의 형태)은 포괄적 또는 개방형 의미로서, 언급하지 않은 추가의 구성요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본원에 제공된 임의의 조성물 및 방법의 실시양태에서, "포함하는"은 "본질적으로 ~ 이루어진" 또는 "~로 이루어진"으로 대체될 수 있다. 본 명세서에서, "본질적으로 ~ 이루어진"이라는 어구는, 특정된 정수 또는 단계뿐만 아니라 청구된 발명의 특징 또는 기능에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것도 필요로 한다. 본원에서, "~로 이루어진"이라는 용어는 언급된 정수 (예컨대, 특징, 구성요소, 특성, 속성, 방법/공정 단계 또는 한계) 또는 정수들의 그룹 (예를 들어, 특징(들), 구성요소(들), 특성(들), 속성(들), 방법/공정 단계들 또는 한계(들)만 존재하는 것을 나타내는데 사용된다.
본원에서 사용된 "또는 이들의 조합"이라는 용어는 해당 용어에 선행하여 열거된 항목들의 모든 순열과 조합을 가리킨다. 예를 들어, "A, B, C, 또는 이들의 조합"은 A, B, C, AB, AC, BC 또는 ABC 중 적어도 하나, 특정 맥락에서 순서가 중요한 경우에는, BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC 또는 CAB도 포함하려는 것이다. 상기 예를 계속하여, BB, AAA, AB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB 등과 같은 하나 이상의 항목 또는 용어의 반복을 포함하는 조합도 명백히 포함된다. 당업계의 숙련자라면, 문맥상 명백하게 달리 언급하지 않은 한, 일반적으로 임의의 조합으로 해당 항목 또는 용어들의 수에는 제한이 없다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 명세서에서, "약", "실질적인" 또는 "실질적으로" (반드시 이 용어들에만 한정되지 않음)와 같은 근사치를 나타내는 단어들은, 그에 의해 수식되는 경우, 반드시 절대적이거나 완벽할 필요는 없지만 당업계의 숙련자에게는 충분히 근접한 것으로 간주되어 존재하는 것으로 명시될 수 있는 조건을 지칭한다. 상세한 설명이 변화될 수 있는 정도는, 얼마나 큰 변화가 도입될 것인가의 여부에 따라 따를 것이지만, 그래도 당업계의 숙련자라면 상기 변화된 특징이 이전의 변화되지 않은 특징의 필요 특성과 역량을 여전히 지니고 있는 것으로 인식할 것이다. 일반적으로, 그러나 전술한 논의에 따라, "약"과 같은 근사치를 나타내는 단어에 수식되는 본원의 수치는 언급된 값과 적어도 ±1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 12 또는 15%만큼 달라질 수 있다.
본원에 개시되고 청구된 모든 조성물 및/또는 방법들은 본 명세서의 내용을 고려하여 과도한 실험없이도 고안하여 실시할 수 있다. 본 발명의 조성물 및 방법은 바람직한 실시양태의 관점에서 기술되었지만, 본 발명의 개념, 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 기술된 조성물 및/또는 방법들과 상기 방법의 단계들 또는 상기 방법 단계들의 순서에 적용할 수 있다는 점은 당업계의 숙련자들에게는 명백할 것이다. 당업계의 숙련자들에게 자명한 이러한 모든 유사한 대체물과 변형물은 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 개념, 범위 및 사상에 속하는 것으로 간주한다.
여기에 첨부된 특허청구범위를 해석하는데 있어서 특허청 및 본 출원에 부여된 특허에 대한 임의의 독자들에 도움을 주기 위해, 출원인은, "~를 위한 수단" 또는 "~를 위한 단계"라는 말이 특정 청구항에 명시적으로 사용되지 않는 한, 첨부된 임의의 청구항들이 본 출원의 출원일에 시행되고 있는 35 U.S.C. §112의 여섯번째 문단인 U.S.C. §112 (f) 단락, 또는 이와 균등한 내용을 환기시키려고 하는 것이 아니다라는 점을 주지시키고자 한다.
각 청구항에 있어서, 각각의 종속항은, 선행 청구항이 해당 청구항 용어 또는 구성요소에 대해 적절한 선행사를 제공하기만 한다면, 독립항과 각각의 모든 청구항에 대한 선행 종속항 모두에 종속될 수 있다.

Claims (24)

  1. 하기의 단계를 포함하는, 감광성(photodefinable) 유리 상에 전력 조절을 위한 소형 폼팩터(form factor)로 집적된 대용량 커패시터를 제조하는 방법:
    상기 감광성 유리 내에 하나 이상의 비아 개구(via opening)를 형성하도록 가공처리된 상기 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계;
    상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계;
    2개의 인접한 충전된 비아 주위에 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계;
    적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 상기 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트(metal post)를 형성시키는 단계;
    제1 전극을 형성하는 상기 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계;
    상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계;
    상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계;
    제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및
    제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전층이 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막인 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유전층이 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트(sintered paste)인 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율(electric permittivity)이 10 내지 10,000인 것인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율이 2 내지 100인 것인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전층이 ALD에 의해 증착되는 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유전층이 닥터 블레이딩(doctor blading)에 의해 증착되는 것인, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도가 1,000 pf/㎟ 초과인 것인, 방법.
  9. 하기의 단계를 포함하는, 감광성 유리 기판 상에 전력 조절을 위한 소형 폼팩터로 집적된 대용량 커패시터를 제조하는 방법:
    상기 감광성 유리 기판 상에 원형 패턴을 마스킹하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판의 적어도 일부분을 활성화 UV 에너지원에 노출시키는 단계;
    상기 감광성 유리 기판을 그의 유리 전이 온도 이상으로 적어도 10분의 가열 단계로 가열하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 일부를 결정성 물질로 변환하여 유리-세라믹 결정질 기판을 형성하는 단계;
    에칭액으로 상기 감광성 유리 기판의 세라믹상을 부분적으로 에칭하여 제거하는 단계;
    상기 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계;
    상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계;
    2개의 인접한 충전된 비아 주위에 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계;
    적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 상기 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트를 형성시키는 단계;
    제1 전극을 형성하는 상기 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계;
    상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계;
    상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계;
    제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및
    제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유전층이 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막인 것인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유전층이 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트인 것인, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율이 10 내지 10,000인 것인, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율이 2 내지 100인 것인, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 유전층이 ALD에 의해 증착되는 것인, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 유전층이 닥터 블레이딩에 의해 증착되는 것인, 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도가 1,000 pf/㎟ 초과인 것인, 방법.
  17. 하기의 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 집적형 커패시터:
    감광성 유리 기판 상에 원형 패턴을 마스킹하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판의 적어도 일부분을 활성화 UV 에너지원에 노출시키는 단계;
    상기 감광성 유리 기판을 그의 유리 전이 온도 이상으로 적어도 10분의 가열 단계로 가열하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 일부를 결정성 물질로 변환하여 유리-세라믹 결정질 기판을 형성하는 단계;
    에칭액으로 상기 감광성 유리 기판의 세라믹상을 부분적으로 에칭하여 제거하는 단계;
    상기 감광성 유리 상에 전도성 씨드층을 증착시키는 단계;
    상기 감광성 유리 기판과 금속화된 씨드층 전기도금용 금속을 함께 배치하여 감광성 유리 기판의 하나 이상의 개구를 충전시켜 비아를 형성하는 단계;
    상기 감광성 유리 기판의 전면 및 후면을 화학적-기계적으로 연마하여 충전된 비아만을 남기는 단계;
    2개의 인접한 충전된 비아 주위에 상기 감광성 유리 기판의 적어도 하나의 직사각형 부분을 노출시켜 변환시키는 단계;
    적어도 하나의 인접한 충전된 비아쌍을 노출하고 있는 상기 직사각형 부분을 에칭하여 금속 포스트를 형성시키는 단계;
    제1 전극을 형성하는 상기 금속 포스트에 비산화성 층을 플래시 코팅하는 단계;
    상기 포스트들 상에 또는 그 주위에 유전층을 증착시키는 단계;
    상기 유전층을 금속 코팅하여 제2 전극을 형성하는 단계;
    제1 금속층을 모든 제1 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 단일 전극을 형성하는 단계; 및
    제2 금속층을 모든 제2 전극들에 병렬로 연결하여 커패시터용 제2 전극을 형성하는 단계.
  18. 제17항에 있어서, 상기 유전층이 0.5 nm 내지 1,000 nm 두께의 박막인 것인, 커패시터.
  19. 제17항에 있어서, 상기 유전층이 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 소결 페이스트인 것인, 커패시터.
  20. 제17항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율이 10 내지 10,000인 것인, 커패시터.
  21. 제17항에 있어서, 상기 유전층의 전기 유전율이 2 내지 100인 것인, 커패시터.
  22. 제17항에 있어서, 상기 유전층이 ALD에 의해 증착되는 것인, 커패시터.
  23. 제17항에 있어서, 상기 유전층이 닥터 블레이딩에 의해 증착되는 것인, 커패시터.
  24. 제17항에 있어서, 상기 커패시터의 정전용량 밀도가 1,000 pf/㎟ 초과인 것인, 커패시터.
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