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표제지

초록

목차

I. 서론 16

1-1. 연구목적 16

1-1-1. 자기 소자(magnetic device)란? 16

1-1-2. 평면형 자기 소자(planar type magnetic device)의 필요성 16

1-1-3. 평면형 인덕터의 연구 동향 17

1-1-4. 인덕터의 원리 18

1-1-5. 평면형 인덕터의 구성 19

1-1-6. Meander와 Spiral 인덕터 25

II. FeTaN박막의 자기 이방성 27

2-1. 이론적 배경 27

2-1-1. 미세결정화 메카니즘 27

2-1-2. 결정립 크기에 따른 Fe박막의 자기 특성 30

2-1-3. 국소 이방성 분산(local anisotropy dispersion)에 따른 Fe박막의 자기 특성 33

2-1-4. 투자율의 주파수 의존성 33

2-1-5. 와전류 손실에 의한 투자율의 감소 35

2-1-6. 이방성 자계에 의한 투자율의 변화 36

2-1-7. FeTaN 연자성 박막에서 이방성의 근원 39

2-2. 실험방법 41

2-2-1. FeTaN 박막의 제조 41

2-2-2. 증착 조건 설정 42

2-2-3. 열처리 공정 42

2-2-4. 자기 특성 분석 43

2-2-5. 미세구조 분석 45

2-2-6. 조성분석 45

2-3. 실험 결과 및 고찰 46

2-3-1. FeTaN 박막의 자기 특성 46

2-3-2. Ti/Fe78.81Ta8.47N12.71 박막의 자기 특성(이미지참조) 47

2-3-3. Ti/Fe78.81Ta8.47N12.71 박막의 미세 구조(이미지참조) 48

2-3-4. Ti/Fe78.81Ta8.47N12.71 박막의 고주파 자기 특성(이미지참조) 51

III. 박막형 파워 인덕터 54

3-1. 이론적 배경 54

3-1-1. 인덕터의 특성 54

3-1-2. 평면형 인덕터의 구조 55

3-1-3. 인덕터의 크기와 사용주파수 한계 56

3-1-4. 인덕터 특성의 이론적 예측 56

3-1-5. 소자의 고주파 특성 측정법 61

3-1-6. Cu 전기도금 62

3-2. 실험 방법 64

3-2-1. 인덕터 구조 설계 64

3-2-2. 인덕터의 제조 64

3-2-3. 인덕터의 특성 측정 68

3-3. 결과 및 고찰 69

3-3-1. 인덕터 구조 설계 69

3-3-2. 저손실 평면 인덕터의 제조 86

3-3-3. 평면형 인덕터를 이용한 DC-DC converter의 특성 89

IV. 박막형 RF 인덕터 91

4-1. 이론적 배경 91

4-1-1. RF 인덕터의 개요 및 특성 91

4-1-2. RF대역에서 사용가능한 자성박막 92

4-1-3. 패턴 자성막 95

4-1-4. 코일 설계 102

4-1-5. Lift off process 104

4-1-6. RF회로용 기판 선정 105

4-2. 실험 방법 106

4-2-1. 인덕터 구조 설계 106

4-2-2. RF인덕터의 제조 106

4-2-3. 인덕터의 특성 측정 107

4-3. 결과 및 고찰 108

4-3-1. 인덕터 구조 설계 108

4-3-2. 공심형 RF 인덕터의 제조 110

4-3-3. 미세패턴 FeTaN 자성박막의 제조 및 자기적 특성 117

4-3-4. FeTaN 자성막을 이용한 RF 인덕터의 제조 122

V. 결론 129

참고문헌 131

ABSTRACT 135

표목차

Table 1-1. Materials and required properties for film type inductor 20

Table 3-1. Sputtering conditions of Fe78.8Ta8.5N12.7. SiO₂, Cu and Cr films(이미지참조) 65

Table 3-2. Chemical compositions of electrolyte 67

Table 3-3. Structural dimension of designed spiral type inductor 85

Table 3-4. Design condition of buck type DC-DC converter 90

Table 4-1. The comparison of material properties on the Cu, Al, Ag 102

그림목차

Fig. 1-1. Magnetic field distribution as a function of coil shape (Meander and spiral... 26

Fig. 2-1. Schematic free-energy concentration diagram of a model amorphous... 29

Fig. 2-2. Change of Coercivity as a function of grain size... 32

Fig. 2-3. Dependency of permeability on frequency for Fe78.81Ta8.47N12.71 films...(이미지참조) 34

Fig. 2-4. Magnetization Fe atom by appling magnetic field and interstitial site 40

Fig. 2-5. Schematic view of shielded loop pick-up coil 44

Fig. 2-6. Schematic view of the permeance meter 44

Fig. 2-7. Change of coercivity and saturation magnetization as a function... 46

Fig. 2-8. Change of anisotropy field as a function of annealing temperature 47

Fig. 2-9. Rocking curve of α-Fe(110) plane; Fe78.81Ta8.47N12.71 film, MFA 500 ℃,...(이미지참조) 49

Fig. 2-10. Measured and calculated permeability plotted against frequency for... 52

Fig. 2-11. Dependency of permeability on frequency for Fe78.81Ta8.47N12.71 films...(이미지참조) 53

Fig. 3-1. spiral coil pattern 58

Fig. 3-2. schematic description of mobile electric charge around the surface 62

Fig. 3-3. Development of spiral shape with stacked Cu atom 63

Fig. 3-4. Experimental flow chart for selective electroplating 66

Fig. 3-5. Experimental flow chart for film type inductor 67

Fig. 3-6. Jig set for impedance measurement and electrical circuit 68

Fig. 3-7. Magnetic field distribution calculated by computer simulation for meander... 70

Fig. 3-8. Magnetic field distribution simulated by maxwell program for Cu coil... 72

Fig. 3-9. Magnetic field distribution simulated by maxwell program for Cu coil... 74

Fig. 3-10. Magnetic field distribution simulated by maxwell program for Cu coil... 76

Fig. 3-11. Magnetic field distribution for Meander meander type inductor 78

Fig. 3-12. Magnetic field distribution as a function of geometry of magnetic layer 80

Fig. 3-13. Magnetic field distribution simulated by maxwell program for magnetic... 82

Fig. 3-14. Magnetic field distribution simulated by maxwell program for magnetic... 84

Fig. 3-15. Design of double rectangular spiral type inductor 85

Fig. 3-16. The measured inductances and resistances of fabricated inductor... 87

Fig. 3-17. Quality factor plotted against frequency plot against frequency 88

Fig. 3-18. Image of fabricated dc-dc converter using bulk and planar type... 89

Fig. 3-19. Circuit diagram of buck type DC-DC converter. 90

Fig. 3-20. DC-DC converter efficiency plotted against load current. 90

Fig. 4-1. The calculated ferromagnetic resonance frequency is plotted against Hk 93

Fig. 4-2. The calculated skin depth with film resistivities 93

Fig. 4-3. The calculated skin depth with various permeabilities 94

Fig. 4-4. Magnetization in rectangular parallelepiped 96

Fig. 4-5. Micro patterned magnetic film layer 97

Fig. 4-6. (a) H magnetic field, (b) B magnetic field in rod magnet 98

Fig. 4-7. (a) diamagnetic field Hd, (b) change of induced magnetic field with...(이미지참조) 99

Fig. 4-8. Change of magnetic field as a result of magnet in uniform magnetic... 100

Fig. 4-9. Calculated skin depth of Ag, Cu, Al-1%Si 103

Fig. 4-10. Process flow of magnetic RF inductor 107

Fig. 4-11. the designed RF inductor 108

Fig. 4-12. Magnetic flux simulated by HFSS (a) air core (b) magnetic core type 109

Fig. 4-13. Formation of Metal layer by PR. double spin coating 111

Fig. 4-14. Cross-sectional SEM image of PR for single coating 112

Fig. 4-15. Cross-sectional SEM image of PR for double coating 112

Fig. 4-16. Plane view of Ti/Ag by lift off process 113

Fig. 4-17. Plane view of Al-1%Si by lift off process 113

Fig. 4-18. Measured high frequency properties of Ti/Ag air core 800Å 115

Fig. 4-19. Measured high frequency properties of Ti/Ag air core 1400Å 115

Fig. 4-20. Measured high frequency properties of Al-1%Si air core 800Å 116

Fig. 4-21. Measured high frequency properties of Al-1%Si air core 1400Å 116

Fig. 4-22. Stripe patterned FeTaN soft magnetic film 117

Fig. 4-23. Magnetic induction changes vs aspect ratio 119

Fig. 4-24. Magnetic anisotropy field changes vs aspect ratio 119

Fig. 4-25. Demagnetization field changes vs aspect ratio 120

Fig. 4-26. Shape anisotropy constant changes vs aspect ratio 120

Fig. 4-27. Effective permeability changes with aspect ratio 40 patterned FeTaN... 121

Fig. 4-28. Plan view of (a) aspect ratio of 10 (b) aspect ratio of 40 patterned... 124

Fig. 4-29. Measured high frequency properties of Al-1%Si inductor with aspect... 125

Fig. 4-30. Measured high frequency properties of Al-1%Si inductor with aspect... 125

Fig. 4-31. Flux distributed by distance of coil 126

Fig. 4-32. Flux distributed by distance between coil & patterned magnetic film 127

초록보기

 자기 소자란 회로상에 인가되는 전기 신호를 전 · 자기 변환의 원리에 의해 변조하는 소자를 의미한다. 즉, 전기장 주위에 형성되는 자기장으로 인해 에너지의 변환 시 에너지의 위상이 변환되는 원리를 이용하는 소자이다. 따라서 소자의 효율은 전기 신호가 자기 신호로, 다시 자기 신호가 전기 신호로 바뀌는 효율이 가장 주요한 인자로 작용한다. 현재 이러한 자기 소자는 전원 공급과 무선단말기 동의 RF 회로에 사용되어지고 있으며, 중추소자의 개발 단계에 비해 낮은 효율, 상대적으로 큰 부피 등이 문제가 되는 실정이다. 따라서 자성체를 이용하는 자기 소자의 특성을 개선하기 위한 방안으로 기존의 효율이 낮은 페라이트 자성체를 보다 고효율의 자성체로 대체하려는 노력과 소자의 경박단소화를 위한 박막형 소자를 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

종래에 사용되는 인덕터는 벌크형 자성 재료에 코일을 감은 형태이거나 평면형 인덕터를 제조하기 위한 공심형 코일 또는 반도체 제조기술을 이용한 소자가 사용되거나 제안되었다. 그러나 소자의 크기를 줄이기 위한 평면형 인덕터(planar type inductor)의 경우 소자에 작용되는 큰 전류와 온도의 상승, 사용되는 주파수 대역의 한계 및 소자의 특성 저하로 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 이에 따라 이러한 단점을 보안하기 위해 제안된 인덕터의 제조 방식이 자성 박막을 이용한 박막형 인덕터이다.

본 연구에서는 고포화 자속 밀도와 우수한 연자기 특성을 나타내는 Fe계 미세 결정 박막의 기본적인 자기 특성과 자기이방성의 발현 기구와 제어에 관한 연구를 하였으며, 박막형 인덕터에 적용하기 위해 고주파 특성을 개선하는 연구를 진행하였다. 또한 연구된 자성 박막을 적용한 파워용과 RF 대역용 박막형 인덕터를 제조하고 자기 특성에 따른 인덕터의 특성을 평가하였다.

FeTaN박막의 경우 Ta와 N의 조성에 따라 연자기 특성 및 열적 안정성에 차이를 보였다. 최적의 특성이 나타난 조성은 Fe78.81Ta8.47N12.71 이었으며, 이때의 자기 특성은 BS : 15 ~ 16 KG, Hc : 0.1 ~ 02 Oe, μ (5MHz) : 2000 ~ 4000의 값을 나타내었다. 또한 자성 박막의 미세 구조는 결정립의 크기가 50 ~ 70 Å으로서 결정립 미세화에 의한 Fe의 결정 자기 이방성 에너지의 감소가 연자기 특성 발현 기구로 나타났다.

박막형 인덕터에 적용하기 위해 Fe78.81Ta8.47N12.71 박막의 고주파 특성을 개선하고자 Ti 하지층을 인가한 Ti/Fe78.81Ta8.47N12.71 박막을 제조하고 이방성 특성 및 고주파 자기 특성을 분석하였다. Ti 하지층을 인가한 경우 단층의 Fe78.81Ta8.47N12.71 박막에서 관찰할 수 없는 이방성 특성이 관찰되었으며, 자화 공란축으로의 고주파 투자율 특성이 개선되었다. 이러한 원인은 X-선 회절 분석의 일종인 rocking curve를 통하여 α-Fe(110) 결정면의 배열 상태와 우선 성장이 원인인 것으로 분석되었으며, Ti 하지층과 Fe78.81Ta8.47N12.71 박막의 계면에서 α-Fe의 핵생성이 촉진된 이유로 분석되었다.

공심형과 자심형 파워 인덕터를 제조하여 특성을 평가했으며, 자성 박막의 이방성 특성이 인덕터의 특성에 미치는 영향을 연구하기 위하여 코일의 자장 형성 방향에서 일정한 각도로 이방성을 인가한 인덕터를 제조하여 특성을 평가하였다. 결과적으로 자성 박막의 자화 곤란축이 코일이 자장을 형성하는 방향과 일치하는 경우 가장 큰 인덕턴스를 나타내었으며, 코일이 자장을 형성하는 방향에서 멀어질수록 인덕턴스는 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 소자의 사용 용량을 결정하는 포화 전류는 자성막의 이방성 방향이 코일의 자장 형성 방향과 일치할 경우 최대의 값을 나타내었다.

제조된 박막형 인덕터를 DC-DC converter에 적용하여 converter의 구동 효율을 평가하였다. 그 결과 300 mA까지 약 80% 의 효율을 나타내었다.

RF대역용 공심형과 자심형 인덕터를 제조하여 특성을 평가하였으며, RF 대역에서 연자성 특성을 유지시키기 위해 자성박막을 패터닝하여 자기이방성을 증가시켰다. 자심형 인덕터의 낮은 인덕턴스 증폭 문제를 분석한 결과 패턴된 자성박막의 magnetic flux 밀도가 최대가 되는 지점에 코일이 위치해야 한다는 결론을 얻었으며, 컴퓨터 시뮬레이션으로 이를 예측 하였다.

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