KR0125293B1 - 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 특성이 우수한 고온초전도 박막을 이용하여 정보ㆍ통신용 수동소자, 특히 고주파 영역에서 성능이 매우 우수한 마이크로파용 대역통과필터의 제조방법에 관한 것이다.

고온초전도 에피택셜박막을 준비하고 시뮬레이션으로 구한 최적회로패턴을 전사시킨 전자선 마스크를 이용한 포토리소그래픽 공정과 혼합식각공정을 통해 YBa2Cu3O7-δ/LaAlO3/Cr/Cu/Au 구조의 대역통과필터를 제조한다.

본 발명에 따라 제조된 마이크로파 전송선 소자의 고주파 특성측정을 통해 고온초전도의 고주파 응용가능성을 확인하고, 저온(77K 근방)에서는 기존의 금속박막형 고주파파 전송선 소자보다 성능이 우수함을 알았다.

고온초전도 박막의 제조에서부터 대역통과필터를 구현하기까지는 복잡하고 다양한 소자제조 공정들을 거치게 되지만, 이러한 공정들을 통하여 기판위에 형상화 할 회로패턴의 정밀도 및 예리도를 훨씬 높일 수 있게 되었다.

Description

고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법

제1도는 본 발명에 따른 고온초전도 대역통과필터의 회로 패턴을 나타낸 것으로, (A)는 고온초전도 박막제조용 LaAlO3 단결정기판의 두께가 0.5mm인 경우의 회로패턴, (B)는 고온초전도 박막제조용 LaAlO3 단결정기판의 두께가 1.0mm인 경우의 회로패턴.

제2도의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따라 제조된 미이크로파용 대역통과필터의 단면도 및 평면도.

제3도 (A) 및 (B)는 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로서,

(A)는 MgO 기판의 두께가 0.5mm인 경우의 회로패턴이고,

(B)는 MgO 기판의 두께가 1.0mm인 경우의 회로패턴을 보인 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 평행결합선 2 : 단결정기판

3 : 입출력단 4 : 결합선(matching network)

5 : 고온초전도 박막 6 : Cr 박막

7 : Cu 박막 8 : Au 박막

본 발명은 마이크로파 전송선 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 LaAlO3 또는 MgO단결정기판 위에 고온초전도 YBa2Cu3O7-δ 박막을 제조한 후, 마이크로파용 대역 통과필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

오늘날 이동통신 및 위성통신의 비약적인 발전이 거듭됨에 따라 상기의 통신시스템에서는 대용량의 정보를 특정 고주파영역의 협대역에서 보다 깨끗하고 잡음없이 통신할 수 있는 우수한 통신부품이 절실이 요구되고 있는 실정이다.

특히, 위성통신 및 이동통신의 중요성이 커짐에 따라 대용량의 정보를 고속으로 처리하는 정보, 통신시스템이 요구되고, 이들 시스템을 구성하는 핵심 고주파 통신부품의 특성 향상도 절실하게 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 일환으로 이동통신 및 위성통신용 송ㆍ수신시스템의 핵심소자들 중의 하나인 마이크로파 대역통과 필터를 보다 소형ㆍ경량으로 할 수 있고, 동시에 그 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 고온 초전도 박막을 이용하여 X-대역용 및 마이크로파용 대역통과필터를 제조한다.

초전도 전자소자의 제작에 다성분체(多成分體)인 고온 초전도체를 응용하기 위해서는 양질의 에피택셜 박막의 제조가 요구된다.

이와 같이 고온초전도 전자소자의 제작에서 필수조건인 양질의 박막을 얻기 위하여, 본 발명에서는 펄스레이저 증착(PLD) 시스템을 사용하여 고온초전도 박막을 제조하고 박막제조용 기판으로서는 ABO3형 유전체인 LaAlO3 단결정을 사용한다.

또한, 본 발명에서는 기판으로 MgO 단결정을 사용한다.

고온초전도 박막으로 마이크로파 수동소자의 회로패턴을 제작할 때 소자의 성능을 좌우하는 평행결합선(paralled coupled lines) 즉, 신호전파용 채널의 길이가 정확해야 하는데, 이를 위하여 본 발명에서는 반도체 소자 제조공정과 유사한 리소그래픽 공정 및 혼합식각공정(건식식각＋습식식각)등을 활용하여 고온초전도 박막상에 설계한 회로패턴을 형성한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 소자제조 방법은 LaAlO3 기판 또는 MgO 기판위에 PLD법으로 고온초전도물질인 YBa2Cu3O7-δ을 증착하여 양질의 고온초전도박막을 제조하는 단계와, 전자선 마스크를 사용하고 포토리소그래픽에 의해 회로의 패턴을 상기 고온 초전도 박막위에 옮기기 위해, 상기 고온초전도 박막위에 포토레지스트를 도포하고 상기 마스크를 정렬시킨 후 자외선에 노출시키고, 상기 포토레지스트를 현상한 후 소정의 시간동안 하드베이킹(hard baking)을 수행하는 단계와, ECR 식각장비에 의해 상기 고온초전도 박막과 상기 포토레지스트를 밀링(milling)하여 대체적인 회로패턴을 형상화하는 단계와, 시료를 EDTA 용액과 아세톤 용액속에 넣어 상기 회로패턴의 예리도(銳利度)를 높임과 동시에 남아 있는 상기 포토레지스트를 완전히 제거한 후, 시료표면의 유기물이나 기타의 불순물까지 제거하기 위해 시료를 세정하는 단계와, 상기 고온초전도 박막의 증착시 상기 기판의 고정을 위해 사용한 기판 뒷면의 은 접착제(Ag-paste)를 제거하고 접지평면(ground plane)을 형성하기 위해 상기 기판의 뒷면을 폴리싱(polishing)하는 단계와, 상기 기판의 폴리싱된 뒷면에 상기 접지평면을 형성하는 단계와, 고주파하우징(jig)의 K-컨넥터와 입출력단과의 우수한 접촉 및 정합을 위해 상기 입출력단의 가장자리에 새도마스크를 사용하여 Au를 증착시켜 입출력단을 재형성하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.

이제부터 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소자의 회로패턴을 최적으로 설계하기 위해서 EEsof, MDS 등과 같은 고주파부품 개발용 소프트웨어를 이용한다.

이와 같은 소프트웨어를 이용하여 소자의 패턴을 설계하면 창출된 소자를 실제로 부품으로서 제조하지않고도, 부품으로서의 적합성 여부를 미리 점검해 볼 수 있다.

특히, 이와 같은 식으로 소자를 설계하면 설계시 고려해야 할 제반 공정변수(예를 들면, 입출력단과 결합선(macthing network)의 선폭 및 두께, 사용하는 기판의 유전상수 및 두께, 도체의 선폭과 두께 및 전도도 등)를 변화시키면서 회로의 이론적인 고주파응답 등을 미리 살펴볼 수 있기 때문에 실제의 제조 공정시에 유발될 수 있는 여러 가지의 시행착오를 대폭 줄일 수 있다.

제1도는 이상과 같은 방식에 의해 설계된 마이크로파 소자의 회로 패턴을 나타낸 것으로, (A) 및 (B)는 본 발명에서 기판으로 사용하는 단결정(LaAlO3)의 두께가 각각 0.5mm, 1.0mm일때의 최적회로 패턴을 각각 나타낸 것이다.

제1도에서, 참조번호 1로 나타낸 것이 평행결합선이고, 2는 LaAlO3 단결정기판, 3은 입출력단, 4는 상기 평행결합선(1)과 상기 입출력단(3)을 연결하는 결합선 또는 정합망(matching network)을 각각 나타낸 것이다.

마이크로 스트립 형태의 고주파 필터는 기본적으로 입출력단과 λ/2(λ : 입력 신호의 파장)의 평행결합선 공진기로 이루어지며, 특히 마이크로 스트립선(microstrip line)을 정확하게 제작하는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다.

이러한 점을 고려하여 설계한 본 발명에 따른 마이크로 소자의 회로패턴의 특징을 열거하면 다음과 같다.

첫째, 설계한 회로패턴에서의 최소선폭은 기판의 두께에 따라서 달라지는데, LaAlO3 기판의 두께가 0.5mm인 경우의 최서선폭은 0.097mm가 되도록 설계하고, 기판의 두께가 1.0mm인 경우에는 0.103mm가 되도록 설계하였다.

둘째, 평행결합선(1)으로 이루어지는 마이크로파 필터는 2극 대역통과 필터이다.

셋째, 고주파 하우징(도시되지 않음)에 부착된 K-컨넥터와 평행결합선(1) 사이에 정합이 잘 이루어지도록 하기 위해 입출력단(3)은 평행 결합선(1)보다 넓게 설계하였다.

넷째, 회로패턴의 고주파응답은 고주파하우징의 응답 특성까지를 고려하였고, 중심주파수는 10GHz가 되도록 하였으며 신호가 통과될 대역폭은 800MHz가 되도록 설계하였다.

그리고 회로패턴의 모양은 박막제조용 단결정기판의 종류와 기판두께에 따라서 다르게 설계된다.

이상과 같이 설계된 본 발명에 따른 마이크로파용 고온 초전도 대역통과필터의 제조방법에 대해 바람직한 실시예를 나타낸 제2도에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우수한 특성의 고온초전도 전자소자를 제작하기 위해서는 양질의 고온초전도 에피택셜 박막의 제조가 요구되므로, 본 발명에서는 펄스 레이저 증착(PLD)장비를 이용하여 고온초전도 에피택셜 박막을 제조한다.

이 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 보다 나은 양질의 고온초전도 박막을 증착하기 위하여, 먼저 유전상수(ε)가 24인 LaAlO3 기판(2) 위에 고온초전도 박막을 증착하기에 앞서, ECR 식각장비에 의해 상용(常用)의 LaAlO3 기판을 밀링(milling)하여 더욱 평활한 표면이 되게 한다.

상기의 기판표면 처리공정은 약 1mA/cm2의 이온빔 전류로 약 10분 정도 처리한다.

이어서, 표면처리가 완료된 LaAlO3 기판(2) 위에 액시머 레이저(XeCl)를 이용한 PLD(pulsed laser deposition)법으로 고온초전도 물질인 YBa2Cu3O7-δ을 400nm 정도의 두께로 증착하여, 고온초전도 박막(5)을 형성한다.

고주파부품 개발용 소프트웨어에 의해 얻어진 최적의 회로 패턴(제2도의 (B)참조)이 전사(轉寫)되어 있는 전자선 마스크(electron beam mask)를 사용하고 포토리소그래픽 공정에 의해 회로패턴을 상기 고온초전도 박막(5) 위에 옮겨 형상화 한다.

참고로, 상기의 포토리소그래픽 공정에서는 포토레지스트로서 AZ4500을 사용하며, 이 포토레지스트는 회전도포(spin coating) 방식에 의해(4000 RPM)의 속도로 약 90초 동안) 상기 고온 초전도 박막(5)위에 도포된다.

이어서, 포토레지스트가 도포된 시료(試料)를 자외선에 약 3분 정도 노출시키고, 노광된 시료를 AZ350현상액(developer)에 약 5분 정도 넣어 상기 포토레지스트를 현상한 후, 약 3분 정도 하드베이킹(hard baking)을 수행한다.

이어서, ECR 식각장비에 의해 약 30분 동안 드러난 고온 초전도 박막과 포토레지스트를 밀링하여 대체적인 회로의 패턴을 형성한다.

이상과 같이 1차적인 회로패턴의 형상화가 이루어지면 회로패턴의 예리도(sharpness)를 높이고, 남아있는 포토레지스트를 완전히 제거하기 위하여 시료를 EDTA 용액에서 습식식각을 행하고, 이어서 아세톤용액 속에 넣어 세정한다.

그리고, 시료표면의 유기물이나 기타의 불순물까지 완전히 제거하기 위해 고순도의 아세톤으로 시료를 세정하면 제2(A)도의 5와 같은 고온초전도 박막의 회로패턴을 얻게 된다.

이와 같이 실의 세정이 완료되면, 고온초전도 박막(5)의 증착시 기판(2)의 고정을 위하여 사용한 기판뒷면의 은 접착제(Ag-paste)를 제거하고, 전자장의 확산과 누설전류의 극소화를 위한 접지평면(ground plane)을 형성하기 위해 특별히 제작한 기구물을 이용하여 기판(2)의 앞면에 형성된 패턴이 손상되지 않도록 세심한 주의를 기울이면서 기판(2)의 뒷면을 깨끗이 폴리싱(polishing)한다.

그리고, 상기 기판(2)의 폴리싱된 뒷면 위에 접지평면을 형성하기 위해 Cr, Cu, Au 금속박막을 순차로 증착한다.

이와 같이 기판(2) 뒷면에 접지평면을 형성하기 위해 다층으로 Cr 박막(6), Cu 박막(7), Au 박막(8)을 증착하는 이유는 다음과 같다.

고주파특성이 우수하고 금(Au)으로 도금된 고주파하우징(도시되지 않음)의 바닥과 우수한 정합(整合)을 얻기 위해 접지 평면은 역시 동일한 Au로 형성되는 것이 바람직하나 고가의 Au를 절약하고 저온고주파 측정시의 열분산이 잘 이루어지도록 하기 위하여 Cu 박막의 소정의 두께로 증착한다.

상기의 Cu 박막(60은 기판(2)과 Cu 박막(7)의 접착을 좋게 하고 기판(2) 뒷면의 평활도를 높이기 위해 증착되는데, 이때 Cr 박막(6)은 약 10mm 정도의 두께로 형성된다.

상기 Cu 박막(6)의 증착이 완료되면 Cu 박막(7)과 Au 박막(8)을 순차로 각각 1μm, 200nm 정도의 두께로 형성한다.

이상의 증착공정을 거쳐 접지평면이 완성되면 정밀한 고주파 특성의 측정이 가능하도록 3-성분 고주파하우징의 K-컨넥터와 결합선(4)과의 우수한 접촉 및 정합을 위해 결합선(4)의 가장자리에 새도마스크(stainless steel)를 사용하여 Au로 입출력단(3)을 형성한다.

상기 입출력단(3)은 전자선 증발기로 증착하며, 특히 Au를 증착할 때에는 이미 형성된 회로패턴이 손상되지 않도록 세심한 주의가 요구된다.

이상에서 설명된 공정들이 순차로 수행되면서 회로패턴의 예리도가 뛰어난 고온초전도 마이크로파(10 GHz)용 대역통과 필터가 제작된다.

한편, 제3도(A) 및 (B)는 본 발명의 다른 실시예를 보이 것으로서, (A)는 MgO 기판의 두께가 0.5mm인 경우의 회로패턴이고, (B)는 MgO 기판의 두께가 1.0mm인 경우의 회로패턴을 보인 것이다.

이와 같이 MgO 기판을 사용하는 경우는 LaAlO3 기판을 사용한 경우와 동일한 방식으로 제조하되, 기판의 유전상수(MgO는 약 9.8이고, LaAlO3는 24정도이므로, 그 기판의 유전상수, 기판위에 증착하는 고온 초전도체의 종류, 그 고온초전도체의 두께, 전도도 등을 고려하여 필터패턴의 형태와 선폭의 길이 및 간격등이 회로이론에 따라 계산을 하고, 최적 파라메타를 결정하게 되고, 파라메타가 달라짐에 따라 필터의 패턴도 달라지게 된다.

이상과 같이, 본 발명에서는 반도체소자 제조공정과 고온 고온초전도 에피택셜 박막을 이용하여 마이크로파 수동소자 및 능동소자를 제조할 수 있다는 것을 보여줌으로서 이를 바탕으로 새로운 처전도소자 제조공정을 개발할 수 있을 것이며, 이러한 제조공정과 관련된 장비(예를들면, 건식식각장비) 및 소재산업(예를들면, 식각용가스, 기판재료 등)의 발전도 유도 할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명에 따라 제작된 고온초전도 마이크로파 대역통과 필터를 정보통신용 송ㆍ수신시스템에 적용할 경우, 특정 고주파 영역의 협대역에서 대용량의 정보를 손실과 잡음없이 고속 통신할 수 있을 것으로 기대되며, 고온초전도 에피택셜 박막으로 제작한 고주파 부품을 사용하기 때문에 신호 대(對) 잡음비(比)뿐만 아니라 크기, 무게 및 성능면에서 기존의 통신시스템용 고주파 부품보다 훨씬 소형이고 고성능을 발휘하므로, 정보ㆍ통신산업의 발달을 가속시킬 것으로 기대된다.

그리고, 고온초전도체가 갖는 반도체, 금속 및 절연체와의 우수한 접합특성 등을 고려하면 차세대를 겨냥한 고성능 고온초전도 하이브리드 MMIC(예를들면, 혼합기, 발진기 등)의 개발에도 커다란 효과를 줄수 있다.

Claims (7)

1. 고온초전도 전자소자의 제조방법에 있어서, LaAlO3 기판(2) 위에 펄스레이저 증착(PLD)법으로 고온초전도물질인 YBa2Cu3O7-δ을 증착하여 고온초전도 박막(5)을 제조하는 공정과, 전자선 마스크를 사용하고 포토리소그래픽에 의해 회로패턴을 상기 고온초전도 박막(5) 위에 옮기기 위해 상기 고온초전도 박막(5) 위에 포토레지스트를 도포하고 상기 전자선 마스크를 정렬한 후 자외선에 노출시키고 상기 포토레지스트를 현상한 후, 약 3분 정도 하드베이킹 하는 공정과, ECR 식각장비에 의해 약 30분동안 상기 고온초전도 박막(5)과 상기 포토레지스트를 밀링하여 대체적인 회로패턴을 형상화 하는 공정과, 시료를 EDTA 용액 속에 넣어 상기 회로패턴의 예리도를 높임과 동시에 남아 있는 상기 포토레지스트를 아세톤용액으로 완전히 제거한 후, 시료표면의 유기물이나 기타의 불순물까지 완전히 제거하기 위해 시료를 세정하는 공정과, 상기 고온초전도 박막(5)의 증착시 상기 기판(2)의 고정을 위해 사용한 기판 뒷면의 은 접착제(Ag-paste)를 제거하고 접지평면을 형성하기 위해 상기 기판(2)의 뒷면을 폴리싱하는 공정과, 상기 기판(2)의 폴리싱된 뒷면에 상기 접지평면을 형성한 공정과, 3-성분 고주파 하우징의 K-컨넥터와 결합선(4)과의 우수한 접촉 및 정합을 위해 상기 결합선(4)의 가장자리에 새도마스크를 사용하여 Au를 증착하여 입출력단(3)을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 LaAlO3 기판(2) 위에 상기 고온초전도 박막(5)을 증착하기에 앞서 ECR 식각장비에 의해 상기 LaAlO3 기판(2)을 더욱 평활하게 밀링하여 표면처리하는 공정을 부가적으로 포함하고, 상기 기판표면의 처리공정은 약 1mA/cm2의 이온빔 전류로 약 10분 정도 처리하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 접지평면 제조공정은 고주파 특성이 우수하고 상기 고주파 하우징의 바닥과의 우수한 정합을 얻기 위한 Au 박막(8)을 증착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 접지평면 제조공정은 저온고주파 측정시의 열분산이 잘 이루어지도록 하기 위해 상기 Au 박막(8)을 형성하기에 앞서 Cu 박막(7)을 소정의 두께로 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 접지평면 제조공정은 상기 LaAlO3 기판(2)과 상기 Cu 박막(7)의 접촉을 좋게 하고 상기 기판(2) 뒷면의 평활도를 높이기 위해 상기 Cu 박막(7)을 증착하기에 앞서 Cu 박막(6)을 소정의 두께로 제조하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마리크로파 대역통과필터의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 Cr 박막(6)과 상기 Cu 박막(7) 및 상기 Au 박막(8)을 각각 10mm, 약 1μm, 약 200nm 정도의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 MgO기판을 사용한 것을 특징으로 하는 고온초전도 박막을 이용한 마이크로파 대역통과필터의 제조방법.