KR100339373B1 - 마이크로스트립카플러및그의제조방법 - Google Patents

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KR100339373B1
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Abstract

본 발명은 동일 기판상에 배치되는 능동소자에 전혀 영향을 주지 않으면서도 지향성을 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 커플러 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 도전성의 접지면 부재위에 형성되고 소정의 유전율을 가지는 절연기판과, 상기 절연기판의 일측면에 소정폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 배치되어 길이방향으로 연장되는 한쌍의 카플된 마이크로 스트립 라인을 가지는 마이크로 스트립 카플러에 있어서, 상기마이크로스트립 라인과 대향하여서 위치하는 접지면 부재쪽의 절연 기판에 상기 길이 방향에 따라 소정폭과 길이를 가지도록 형성되고, 상기 절연기판보다 작은 유전물의 물질로 충진되는 요홈부를 구비하는데 특징이 있으며, 상기 요홈부는 상기 길이방향에 따라 소정간격마다 상기 절연기판과 동일부재로 형성되는 소정 두께의 칸막이를 더 구비하는데 특징이 있다.

Description

마이크로스트립 카플러 및 그의 제조방법{micro strip coupler and method for fabricating the same}
본 발명은 마이크로스트립 카플러(Microstrip coupler)의 오드-모드 위상 속도와 이븐-모드 위상속도의 차이를 줄여 카플러의 결합도와 분리도의 비인 지향성(Directivity)를 개선하도록 한 마이크로 스트립 카플러 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
초고주파 및 마이크로파 회로에서 널리 이용되는 전송선로중에서 카플라인(Coupled line)이 있다.
이것은 전송선로간의 결합을 통해 에너지를 주고 받음으로써 특정한 단자로 에너지를 보내기도 하고 단절시키기도 한다.
이러한 카플라인은 구조의 특성상 이븐-모드(Even-mode)와 오드-모드(Odd-mode)라는 두가지 형태의 모드특성을 가지며, 각각의 모드상태에서의 필드(Field)의 분포 위상 속도(Phase velocity)등이 다르게 나타난다.
도 1는 일반적인 마이크로 스트립 방향 카플러를 개략적으로 도시한 것으로,마이크로스트립 라인(11)의 일측포트인 인프트(Input)에 전력 P1이 공급될 때, 스루(Through)포트에 나타나는 전력은 P2, 카플된 인접한 마이크로스트립 라인(12)의 카플드(Coupled)포트에 나타나는 전력은 P3, 그리고 이소레이티드(Isolated)포트에 나타나는 전력은 P4라 할 때, 지향성 카플러를 구성하는 주요 세가지 파라미터인, 결합도(Coupling)C, 분리도(Isolation)I 및 지향성(Directivity)D는 수학식 1로 표현된다.
여기서 beta {}는 상관 계수 S13을 나타낸다.
그리고 지향성 D에 대한 일반식은 수학식 2로 나타내 진다.
그리고 βe와 βo는 각각 이븐-모드 위상속도와 오드모드 위상속도를 나타내며, Zoe와 Zoo는 각각 이븐-모드와 오드-모드의 특성 임피던스를 나타낸다.
또한 Zo는 전송선로의 특성 임피던스로서 마이크로파 측정환경에서 일반적으로 50Ω으로 설정된다.
방향 카플러의 지향성은 순방향파 성분(Forward wave component)과 역방향 파성분(Reverse wave component)를 얼마나 잘 분리해 내느냐를 나타내기 때문에 방향 카플러가 응용되는 대상은 높은 지향성이 요구된다.
지향성이 나쁘면 리플렉트 미터(Reflect meter)의 정확성을 떨어뜨려 스루라인(Through line)에 전송되는 전력(P2)에 약간의 부정합(Mismatch)이 생겨도 카플러로 부터 생기는 카플드포트의 전력 레벨(P3)의 변화를 야기시킨다.
이 때문에 지향성을 향상시키기 위한 여러 가지 방법이 시도되어 왔으며, 이들 시도는 상기 수학식 2에서의 Δ값을 제로로 만드는 방법, 즉 마이크로 스트립 구조가 유전체의 비균질성(Dielectric inhomogeneity)을 가지는 구조에 형성되어 있으므로써 생기는 오드-모드 위상 속도(Odd-mode phase velocity)와 이븐-모드 위상 속도(Even-mode phase velocity)의 차이를 최소화 하는 방향으로 진행되어 왔다.
종래의 한 마이크로스트립 카플러에 대한 일예는 그의 횡단면을 개략적으로 나타낸 도 2와 같이, 높이 h , 유전율 εr인 기판(10)상에 폭 W인 한쌍의 마이크로스트립 라인(11,12)이 간격 S로 배치되어 카플된 마이크로스트립 카플러에 있어서, 상기 기판(10)으로 부터 높이 d만큼 떨어져서 상기 마이크로스트립 라인(11,12)의상부에 설치된 전기적차폐막(13)으로 구성되어 있다.
이때 상기 전기적차폐막(13)이 설치된 공간은 공기매질이다.
이와 같은 전기적차폐막(13)을 가진 종래의 마이크로스트립 카플러는 상기 전기적차폐막에 의해 카플된 마이크로스트립 라인(11,12)위에 위치한 공기 매질중에 있는 상당량의 필드를 재분배한다.
따라서 이론적으로는 d=h 조건에서 이븐-모드 위상속도와 오드-모드 위상속도가 같아지게 되므로 상술한 수학식 2의 Δ[=(βe-βo)/β0]가 제로로 되어 지향성(Directivity)이 향상되게 된다.
또하나의 종래예는 그의 평면도를 개략적으로 나타낸 도 3에서와 같이, 상기 기판(10)상에 위치하는 카플된 마이크로스트립 라인(11,12)의 단면 양단에 집중정수 커패시터(15,16)를 삽입하는 구조이다.
이 종래예와 상술한 종래예와의 차이점은 마이크로스트립 라인(11,12)상의 공기 매질 중에 설치된 전기적차폐막(13) 대신에 마이크로스트립 라인(11,12)의 단면 양단에 집중정수 커패시터(15,16)를 설치하는 것이며 그 이외는 양자가 동일하므로 동일 부분에 대하여서는 동일 예시 부호를 사용하고 이들 동일 부분에 대한 설명은 생략한다.
이 종래예는 카플된 한쌍의 마이크로스트립 라인(11,12)의 단면 양단에 커패시터(15,16)가 삽입되어 있으므로 오드-모드 위상각(Odd-mode phase angle)을 효과적으로 증가시키게 되고, 이로 인하여 상술한 Δ[=(βe-βo)/β0]가 제로로 되어 지향성을 향상시키게 된다.
또하나의 다른 종래예는 그의 횡단면을 개략적으로 도시한 도 4에서와 같이, 높이 h이고 유전율 εr인 기판(10)위에 위치하는 상기 카플된 한쌍의 마이크로스트립 라인(11,12)를 포위하도록 상기 기판(10)과 같은 유전율 εr을 가지는 매질(17)이 오버레이되도록 구성되어 있다.
이 종래예는 카플된 마이크로스트립 라인(11,12)위에 기판과 동일한 유전율 εr을 가진 매질이 놓여있게 되어 오드-모드의 위상속도가 줄어져서 이븐-모드의 위상속도와 같아지게 되어 지향성을 향상시키게 된다.
이 경우에는 오버레이 되는 물질의 두께와 폭을 조절함으로써 이븐-모드 및 오드-모드 모두의 위상속도를 아주 정확하게 조정할 수 있다.
그러나 상술한 종래예들은 모두 카플린 마이크로스트립 라인이 형성된 기판이나 기판위에 커패시터를 설치하거나 또는 전기적차폐판 및 기판과 동일 유전율을 가진 매질을 오버레이함으로써 오드-모드의 위상속도를 조절하고 있다.
따라서, 수동소자인 마이크로스트립 라인을 단독으로 사용하는 경우에는 큰 문제점이 없으나 능동소자인 반도체 장치가 동일 기판상에 배치되는 경우, 기판위에 전기적인 차폐판이나 커패시터 또는 동일매질을 도포하여 설치함으로써 차폐(shield)가 일반화되어 있지 않는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)나 오버레이 유전물질의 종류와 두께가 능동소자의 특성에 중요한 영향을 미쳐서 오버레이 물질의 사용에 제한을 받을 수 밖에 없는 밀리미터파 집접회로에는 사용하기 힘들다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 동일 기판상에 배치되는 능동소자에 전혀 영향을 주지 않으면서도 지향성을 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 커플러 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 일반적인 마이크로스트립 방향 카플러의 개략도
도 2는 차폐막을 이용하여 지향성을 향상시킨 종래의 마이크로스트립 카플러의 개략적인 단면도
도 3은 집중정수 커패시터를 이용하여 지향성을 향상시킨 종래의 마이크로스트립 카플러의 개략적인 단면도
도 4는 오버레이 물질을 이용하여 지향성을 향상시킨 종래의 마이크로스트립 카플러의 개략적인 단면도
도 5는 본 발명에 따른 마이크로스트립 커플러의 개략적인 단면도
도 6(a)~도 6(c)는 본 발명에 의한 한 실시에의 마이크로스트핍 카플러의 각 제조공정의 단면을 나타낸 도면
도 7(a)~도 7(d)는 본 발명에 의한 다른 실시예의 마이크로스트립 카플러의 단면 및 이면을 개략적으로 나타낸 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 절연기판11,12 : 마이크로스트립 라인
13 : 차폐막14 : 접지면부재
15,16 : 집중정수 커패시터17 : 오버레이물질
20 : 요홈부21,30 : 기판
22,23,31,32 : 마이크로스트립24 : 요홈부
25 : 충진물질26,33 : 접지용 금속막
34 : 브릿지
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명의 마이크로 스트립 카플러는 도전성의 접지면 부재위에 형성되고 소정의 유전율을 가지는 절연기판과, 상기 절연기판상에 소정폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 배치되어 길이방향으로 연장되는 한쌍의 카플된 마이크로스트립 라인을 가지는 마이크로스트립 카플러에 있어서, 상기마이크로스트립 라인과 대향하여서 위치하는 접지면 부재쪽의 절연 기판에 상기 길이 방향에 따라 소정폭과 길이를 가지도록 형성되고, 상기 절연기판보다 작은 유전물의 물질로 충진되는 요홈부를 구비하는데 특징이 있으며, 상기 요홈부는 상기 길이방향에 따라 소정간격마다 상기 절연기판과 동일부재로 형성되는 소정 두께의 칸막이를 더 구비하는데 특징이 있다.
본 발명의 또하나의 양태의 마이크로스트립 카플러의 제조방법은, 절연기판을 마련하는 단계와, 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 절연기판의 일측면에 금속막을 증착한 후 소정의 폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 떠어져서 길이 방향에 따라 연장된 상기 한쌍의 마이크로스트립 라인과 대향하는 위치에 소정폭과 길이를 가진 요홈부를 형성하는 단계와, 상기 요홈부에 상기 절연 기판의 유전율 보다 더 작은 유전율을 가지는 물질을 충진하는 단계와, 상기 요홈부를 포함하는 절연기판의 타측면상에 접지용 금속막을 증착하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 또하나의 다른 양태인 마이크로스트립 카플러의 제조방법은 절연기판을 마련하는 단계와, 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 절연기판상의 일측면에 금속막을 증착한 후 소정폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 떨어져서 길이방향으로 연장하는 한쌍의 마이크로스트립 라인을 형성하는 단계와, 포토리소그래피 공정을 이용하여 소정 패턴으로 패터닝하여 절연기판의 타측면에 접지용 금속막을 증착하는 단계와, 상기 패터닝된 금속막을 마스크로 상기 절연기판을 에칭하여 요홈부를 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.
특히 이 제조방법에서는 상기 패턴이 마이크로스트립 라인에 따라 연장되는 길이방향에 있어서 소정간격마다 소정폭의 브릿지가 형성되도록 하고 이 패턴을 마스크로 하여 형성되는 상기 요홈부에는 공기로 충진하도록 하면 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 방법들이 오드-모드의 위상속도를 조절하는데 반하여 본 발명은 이븐-모드의 위상속도를 조절하여 지향성을 향상시키는 것으로, 오드-모드파는 슬롯형태로서 주로 기판의 표면에 필드가 분포하는데 반하여, 본 발명에서 이용하고자 하는 이븐-모드파는 마이크로스트립 모드 형태로서 기판의 표면보다는 전송전로나 후면 접지기판 사이의 물질(εr)에 대부분의 필드가 분포한다.
그리고 유효유전율이 클수록 위상속도가 감소하게 되고 작을수록 증가하게 된다.
따라서 기판의 접지면에 요홈부를 설치하고 이 요홈부에 유전율이 절연기판의 유전율보다 작은 물질이나 또는 공기로 충진되게 함으로써 전체 유효유전율을 감소시킬 수 있고 이로인해 이븐-모드파의 위상속도를 증가시켜 오드-모드파의 위상속도와 동일하게 조정할 수 있다.
이것에 의해 능동소자와 동일 기판을 사용할 때 위상속도를 절연기판 표면위에 능동소자의 특성에 영향을 주는 조정수단을 구성할 필요가 없기 때문에 능동소자의 특성이 양호하게 유지되면서도 카플러의 지향성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 근거하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 마이크로스트립 카플러의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 마이크로스트립 카플러는 도 5에 도시된 바와 같이 접지면 부재(14)위에 형성되고 소정높이 h와 소정의 유전율 εr을 가지는 절연기판(10)과, 상기 절연기판(10)의 일측면에 소정폭 W을 가짐과 동시에 소정간격 S로 배치되어 길이방향에 따라 연장되는 한쌍의 카플된 마이크로스트립 라인(11,12)을 가지는 마이크로스트립 카플러에 있어서, 상기 마이크로스트립 라인(11,12)에 대향되게 위치하는 접지면부재(14)쪽의 절연기판(10)에 상기 길이방향에 따라 소정폭(χ)과 깊이(y)를 가지는 요홈부(20)를 형성하도록 구성되어 있다.
상기 요홈부(20)는 그 폭(χ)과 길이(y)를 적절히 조절하여 카플된 스트립의 이븐-모드 위상 속도를 증가시켜 오드-모드의 위상속도와 같게 되도록 한다.
그리고 상기 요홈부(20)는 절연기판의 유전율 εr보다 작은 유전율εr'(εr>>εr')을 가지는 물질이나 공기가 채워지도록 한다.
그리고 필요에 따라서는 상기 요홈부(20)는 후술하는 바와 같이 상기 길이방향에 따라 절연기판(10)의 유전율과 동일한 물질로하고 요홈부에는 공기가 충진되도록 하면 설계시와 상술한 요홈부의 소정폭(χ) 및 소정길이(y) 뿐만 아니라 칸막이(35)의 폭(z)과 소정간격(l)을 이븐-모드 위상속도와 오드-모드 위상속도가 같아지도록 조정할 수 있으므로 설계시에 상기 소정폭(χ) 및 소정길이(y)의 자유도를 크게할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 마이크로 스트립 카플러는 상기 한쌍의 마이크로스트립 라인(11,12)에 대향하는 접지면 부재(14)쪽의 기판(10)에 마이크로스트립 라인(11,12)이 연장하는 길이 방향에 따라 요홈부(20)가 설치되어 있고, 이 요홈부(20)를 절연기판(10)보다 유전율이 작은 물질이나 공기로 충진하게 함으로써 마이크로스트립 형태의 모드에 대하여 유효 유전율을 낮추는 역할을 하게 되고, 오드-모드에 대해서는 오드-모드 자체가 절연기판의 표면에 필드가 집중되어 있으므로 이부분에 대하여서는 영향이 거의 없게 되므로 요홈부의 폭(x)과 길이(y)의 조정으로 이븐-모드의 위상속도를 증가시켜 오드-모드의 위상속도와 같게 만들 수 있다.
따라서 상술한 수학식 2의 Δ값을 제로로 할 수 있어 마이크로스트립 카플러의 지향성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 밀리미터파 회로와 같이 백사이드 비아홀(Backside via hole)과 같이 후면 공정을 사용하지만 사용되는 능동소자의 특성에 영향을 주지 않기 때문에 오버레이 물질을 임의로 사용할 수 없는 경우에 매우 유용하다.
이하 본 발명의 마이크로스트립 카플러의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 6(a)~도 6(c)는 본 발명의 마이크로스트립 카플러의 각 제조공정의 단면을 나타낸 것이다.
본 발명의 마이크로스트립 카플러의 제조방법은 먼저 유전율 εr을 가지며 높이 h인 절연기판(21)의 일측면에 포토리소그래피 공정을 이용하여 폭 W을 가짐과 동시에 간격 S로 떨어져 위치하여 길이방향에 따라 연장하는 한쌍의 카플된 마이크로스트립 라인(22,23)을 형성한다.
그 후, 상기 절연기판(21)의 타측면에 상기 길이 방향에 따라 연장되는 폭(χ)과 깊이(y)를 가지는 요홈부(24)를 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성한다.
그 다음 도 6(b)와 같이, 상기 요홈부(24)내에 상기 절연기판(21)의 유전율 εr보다 작은 유전율 εr'을 가지는 물질(25)을 층진한 후 표면을 평탄화 시킨다.
이어 도 6(c)에 도시된 바와 같이 상기 요홈부(24)를 포함하는 절연기판(21)의 타측면에 절연율의 금속막(26)을 증착하여 공정을 완료한다.
도 7(a)~7(c)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로스트립 카플러의 제조방법을 도시한 것이다.
이 실시예에 따른 제조방법은, 먼저 유전율 εr과 소정높이 h인절연기판(30)의 일측면에 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 폭 W을 가지며 간격 S만큼 떨어저 길이방향으로 연장하는 한쌍의 카플된 마이크로스트립 라인(31,32)을 형성한다.
이어, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 상기 절연기판(30)의 타측면에 접지용 금속막(33)을 증착하여 리프트-오프(lift-off)한다.
도 7(b)의 금속막 증착은 도 7(c)의 이면도에 도시된 바와 같이, 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 마이크로스트립 라인(31,32)과 대향하는 접지용 금속막(33)의 양측에 길이방향에 따라 소정간격(l)마다 소정폭(z)의 브릿지(34)로 연결되어 형성될 요홈부의 금속막 부분이 제거되도록 길이방향에 따라 연이어져 있는 섬모양으로 노출되는 패턴으로 패터닝하여 이루어진다.
그 다음 도 7(d)에 도시된 바와 같이 상기 패터닝된 접지용 금속막을 마스크로 상기 절연기판(30)을 식각하여 요홈부(35)를 형성한다.
본 실시예의 방법은 도 6(a)~6(c)에 도시된 본 발명의 방법보다 요홈부를 상기 길이방향에 따라 섬모양으로 배열되게 하고 상기 간격(l) 및 폭(z)과 상술한 폭(x) 및 길이(y)를 동시에 조정하여 이븐-모드의 위상 속도를 상승시켜 오드-모드의 위상속도와 같도록 한다.
따라서 이 실시예의 방법은 도 6(a)~도 6(c)에 도시된 실시예의 방법보다 폭(x) 및 길이(y)를 설정하는 자유도가 더욱 크게 할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명의 마이크로스트립 커플러는 차폐가 일반화 되어 있지 않는 MMIC나 오버레이 유전물질의 종류와 두께가 특성에 중요한 영향을 미치는 능동 소자가 동일 기판상에 형성되는 마이크로 파나 밀리미터파 회로의 마이크로스트립 카플러에서 상기 특성에 전혀 영향을 미치지 않는 절연기판의 이면측에 요홈부를 설치하고 이 요홈부에 전체 유효유전율이 감소되도록, 상기 절연기판의 유전율보다 작은 유전율의 물질 또는 공기로 충진함으로써 이븐-모드파의 위상속도를 오드-모드파의 위상속도와 같게 되도록 조절할 수 있으므로, 오버레이 물질의 사용에 제한을 받는 능동소자와 동일 기판을 사용하는 마이크로파나 밀리미터파 회로에 적용하여 마이크로 스트립 카플러의 지향성을 크게 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 도전성의 접지면 부재위에 형성되고 소정의 유전율을 가지는 절연기판과,
    상기 절연기판의 일측면에 소정폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 배치되어 길이방향으로 연장되는 한쌍의 카플된 마이크로스트립을 가지는 마이크로스트립 카플러에 있어서,
    상기 마이크로스트립 라인과 대향하여서 위치하는 접지면 부재쪽의 절연 기판에 상기 길이 방향에 따라 소정폭과 길이를 가지도록 형성되고, 상기 절연기판보다 작은 유전물의 물질로 충진되며, 상기 길이방향에 따라 소정간격마다 상기 절연기판과 동일부재로 형성되는 소정 두께의 칸막이를 구비한 요홈부를 구비함을 특징으로 하는 마이크로스트립 카플러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 요홈부는 공기로 충진됨을 특징으로 하는 마이크로스트립 카플러.
  3. 절연기판을 마련하는 단계와,
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 절연기판의 일측면에 금속막을 증착한 후 소정의 폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 떨어져서 길이 방향에 따라 연장되는 한쌍의 마이크로스트립 라인을 형성하는 단계와,
    상기 절연기판의 타측면에 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 길이 방향에 따라 상기 한쌍의 마이크로스트립 라인과 대향되는 위치에 소정폭과 길이를 가진 요홈부를 형성하는 단계와,
    상기 요홈부에 상기 절연기판의 유전율보다 더 작은 유전율을 가지는 물질을 충진하는 단계와,
    상기 요홈부를 포함한 절연기판의 타측면상에 접지용의 금속막을 증착하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 마이크로스트립 카플러의 제조방법.
  4. 절연기판을 마련하는 단계와,
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 절연기판의 일측면에 금속막을 증착한 후 소정폭을 가짐과 동시에 소정간격으로 떨어져서 길이 방향으로 연장하는 한쌍의 마이크로스트립 라인을 형성하는 단계와,
    포토리소그래피 공정을 이용하여 소정 패넝으로 패터닝하여 상기 절연기판의 타측면에 접지용의 금속막을 증착하는 단계와,
    상기 패터닝된 금속막을 마스크로 상기 절연기판을 에칭하여 요홈부를 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 마이크로 스트립 카플러의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 패터닝 단계는 상기 패턴이 마이크로스트립 라인에 따라 연장되는 길이방향에 있어서 소정 간격마다 소정폭의 브릿지가 형성되도록 함을 특징으로 하는마이크로스트립 카플러의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 요홈부는 공기로 충진됨을 특징으로 하는 마이크로스트립 카플러의 제조방법.
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