KR100581387B1 - 표면 멤스 기술을 이용한 유전체 지지형 다층마이크로스트립 전송선로 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 MEMS 기술을 이용하여 반도체 기판 표면에 유전체 기둥을 제작하고 그 기둥 위에 신호선을 올려놓은 형태의 저손실 마이크로스트립 전송선 및 제작방법에 관한 것으로, 전송선로 구현시 산화된 다공성 실리콘 기판 표면상부에 전송선과 접지면 사이에 있는 유전체에서 발생하는 유전체 손실을 줄이기 위한 다수개의 제 1유전체 기둥을 구비하고 상기 제 1 유전체 기둥 상부에 제 1신호선을 제작하고 상기 제 1 신호선 위에 제 2유전체 기둥과 제 2 신호선을 구비함으로써, MEMS 기술을 이용한 종래의 밀리미터파 집적회로의 저손실 전송 선로에 비하여 제작 공정이 비교적 간단하고, 전송선로와 접지면 사이에 있는 유전체에서 발생하는 유전체 손실과 기판에 의한 유전체 손실이 줄어들며 기존의 집적회로 소자와 서로 호환이 가능한 밀리미터파 집적회로의 저손실 전송 선로 및 그 제작 방법에 대한 것이다.

MEMS, 유전체 기둥, 밀리미터파, 집적회로, 다층 신호선

Description

표면 멤스 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작 방법{multi-layer microstrip transmission line upon dielectric post using surface MEMS technique and method thereof}

도 1은 종래 마이크로스트립 전송선로의 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로의 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로의 공정순서도로, 도 3(a)은 접지면 공정단계의 단면도이고 도 3(b)은 제 1 유전체 기둥 공정단계의 단면도이고 도 3(c)은 제 1 희생층 공정단계의 단면도이며 도 3(d)은 제 1 도금 공정 단계의 단면도이고 도 3(e)은 제 1 마이크로스트립 전송선 공정단계의 단면도이며 도 3(f)은 제 2 유전체 기둥 공정단계의 단면도이고 도 3(g)은 제 2 희생층 공정단계의 단면도이며 도 3(h)은 제 2 도금 공정 단계의 단면도이고 도 3(i)은 제 2 마이크로스트립 전송선 공정단계의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반도체 기판

20 : 접지면

21, 22, 23, 24 : 패드

30 : 제 1 유전체 기둥

40 : 제 1 희생층

50 : 제 1 마이크로스트립 전송선

51 : 제 1 시드금속

52 : 제 1 도금용 패턴

60 : 제 2 유전체 기둥

70 : 제 2 희생층

80 : 제 2 마이크로스트립 전송선

81 : 제 2 시드금속

82 : 제 2 도금용 패턴

본 발명은 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작방법 에 관한 것으로, 유전체로 지지되는 다층 마이크로스트립 전송선로를 구성함으로써 MEMS 기술을 이용한 종래의 밀리미터파 집적회로의 저손 실 전송 선로에 비하여 제작 공정이 비교적 간단하고, 전송선로와 접지면 사이에 있는 유전체에서 발생하는 유전체 손실과 기판에 의한 유전체 손실이 줄어들며 기존의 집적회로 소자와 서로 호환이 가능한 밀리미터파 집적회로의 저손실 전송 선로에 대한 것이다.

본 발명은 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 특히 기판위의 접지면이 있고 전위면에 수직으로 유전체 기둥이 형성되어 마이크로스트립 전송선을 지지하여 공기층을 형성함으로써 유전체 손실과 신호의 손실이 감소되고 간단히 공정하는 저손실 전송 선로에 대한 것이다.

주파수가 상승함에 따라 전송선로는 그 손실이 커지게 되는데 전송선로의 선폭이 가늘고, 선로를 구성하는 금속의 두께가 얇으며, 기판으로 사용하는 반도체의 유전특성에 의하여 그 손실이 더욱 커지게 된다.

특히 밀리미터파 대역에서 전송선로는 짧은 거리에서도 상당한 손실이 발생하게 되며, 이러한 손실은 신호의 크기를 감쇄시켜 통신 품질의 저하를 일으킨다.

도 1과 같은 기존의 집적회로는 기판(2) 위에 금속라인으로 형성된 마이크로스트립전송선(3)이 구비되고 기판(2) 아래에 접지면(1)이 구비되어 반도체 기판의 표면, 유전체 표면, 유전체와 유전체의 중간에 전송선로가 구현됨으로써 유전 손실이 크게 발생하는 것을 피할 수 없었다.

따라서 전송선로의 특성을 개선하기 위한 여러 시도가 있었으며, 그 중에서도 마이크로 머시닝(MEMS) 기술을 이용한 공기층 삽입형 전송선로 구현 기술은 최 근에 연구가 진행된 사항으로 기존의 집적회로 구현 방법과 차이가 있다.

기존의 집적회로에 있어서 전송선로의 구현은 반도체 소자의 표면에 금속을 바로 접합하는 형태이거나, 유전체의 표면에 혹은 유전체 사이에 금속을 위치함으로써 이루어졌다. 이 경우 전송선로에서는 유전체에 의한 유전체 손실이 발생한다.

이러한 유전체 손실을 최소한으로 줄이기 위한 목적으로 공기층을 삽입하고자 하는 시도로, 미국의 미시건 주립대학교의 L. Katehi, G. Rebeiz 교수팀의 Micro-shielded Membrane type의 스트립 선로와 서울대학교 권영우 교수팀의 Elevated CPW 전송선로가 발표된 바 있다.

그러나, 상기의 CPW 전송선로는 반도체 소자에 반드시 공정이 복잡하고 기존 집적회로 소자와 호환성이 떨어지는 Bulk 식각이 필요하며 여러 개의 반도체 웨이퍼가 필요한 구조이고, CPW 전송선로를 구현됨으로써 접지면이 균일하게 설계된 형태가 아니므로 설계자에 따른 성능변화의 가능성이 크며, 이에 따른 설계 표준화 작업이 난해하다는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해소하기 위해 본 출원인이 출원한 2003년 특허 제77569호 표면 멤스(MEMS) 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작방법은 전송선과 반도체 기판과의 유전손실을 줄일 수는 있었으나 MMIC 칩의 크기를 효과적으로 줄일 수 없었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 유전체 기둥을 사용하여 전송선을 기판과 격리하여 공기 중에 띄워 놓은 구조를 반복하여 형성함으로써, 비교적 간단한 공정으로 유전체에 의한 유전 손실과 반도체 기판에 의한 유전손실을 줄이는 저손실 전송선을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이를 위해, 신호선(전송선)을 유전체 기둥으로 지지하기 위하여 유전체 기둥을 반도체 표면에 제작하였으며, 신호선과 접지 면의 높이 차를 10㎛ 이상으로 하는 공정을 개발하였다.

그리고 신호선에서 발생하는 도전성 손실을 줄이고 신호선 자체 물리적 강도를 강하게 함으로서 유전체 기둥의 간격을 1㎜까지 넓힐 수 있도록 하기 위하여 신호선의 두께를 7㎛로 하는 금도금 공정을 이용하였다.

본 발명의 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로는 마이크로스트립 전송선로에 있어서,

반도체 기판 상부에 구비되는 접지면에 수직으로 형성된 다수개의 제 1 유전체 기둥과;

상기 제 1 유전체 기둥으로 지지되어 상기 접지면과의 사이에 공기층이 형성되는 제 1 마이크로스트립 전송선과;

상기 제 1 마이크로스트립 전송선에 수직으로 형성된 다수개의 제 2 유전체 기둥과;

상기 제 2 유전체 기둥으로 지지되어 공중에 떠 있는 제 2 마이크로스트립 전송선으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로 제작방법은 반도체 기판 위에 접지면을 열 증착하는 단계;

상기 접지면 상부에 다수개의 제 1유전체 기둥을 형성하는 단계;

상기 제 1유전체 기둥보다 더 높이 적층된 식각 가능한 제 1 희생층을 형성하는 단계;

제 1 시드 금속을 증착한 뒤 도금이 되지 않는 곳에 제 1 도금용 패턴을 형성하는 단계;

금속 라인을 도금공정하여 제 1 마이크로스트립 전송선을 형성하고 상기 제 1 도금용 패턴을 제거하는 단계;

상기 제 1 마이크로스트립 전송선 상부에 다수개의 제 2 유전체 기둥을 형성하는 단계;

상기 제 2 유전체 기둥보다 더 높이 적층된 식각 가능한 제 2 희생층을 형성하는 단계;

제 2 시드 금속을 증착한 뒤 도금이 되지 않는 곳에 제 2 도금용 패턴을 형성하는 단계;

금속 라인을 도금공정하여 제 2 마이크로스트립 전송선을 형성하는 단계;

상기 제 2 도금용 패턴과 상기 제 2 희생층을 제거하는 단계;로 이루어진다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로의 사시도, 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로는 반도체 기판(10)의 표면 상부에 접지면(20)과 패드(21, 22, 23, 24)를 구비하며 상기 접지면(20)에 수직으로 형성되는 제 1유전체 기둥(30)과 상기 패드(21, 22, 23, 24)를 연결하기 위해 상기 제 1 유전체 기둥(30)으로 지지되어 공기층을 형성하는 제 1 마이크로스트립 전송선(50)과 상기 제 1 마이크로스트립 전송선(50)에 수직으로 형성되는 제 2유전체 기둥(60)과 상기 제 2유전체 기둥(60)에 지지되는 제 2마이크로스트립 전송선(80)으로 구성된다.

도 3은 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로의 공정순서도이다.

도 3(a)은 접지면 공정단계의 단면도이고, 반도체 기판 위에 금속(Ti/Au)을 열적 증착기를 이용하여 각각 열 증착하여 접지면(20)을 형성한다.

도 3(b)은 제 1 유전체 기둥 공정단계의 단면도로, 폴리미드 유전체를 사용하여 면적 200 ㎛², 높이 10㎛ 의 제 1 유전체 기둥(30)을 형성한다.

도 3(c)은 제 1 희생층(40)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 상기 도 3(b)에서 공정제작된 상기 제 1 유전체 기둥(30)보다 더 높이 AZ4903 레지스트를 사용하여 사진 식각 공정을 통한 패턴닝 과정을 수행하였으며 신호선 금속을 증착 시킬 때 수직적인 레지스트의 구조로 인한 신호선이 단락되는 현상과 후속 공정시의 열 적 안정화를 위하여 대류 오븐에서 열처리하여 곡선 모양의 제 1 희생층(40) 레지스트를 공정한다.

도 3(d)은 제 1 도금단계를 보여주는 단면도로, 제 1 시드(sead) 금속(51) 증착한 뒤 도금이 될 곳을 남기고 제 1 도금용 패턴(52)을 형성하고, 원하는 금속 두께만큼 도금을 한다.

본 발명의 실시예에서는 전송선 도금 기반 층으로 Ti/Au를 각각 열 증착 방법을 사용하여 연속적으로 증착하였다. 그 위에 신호선 영역의 패터닝 과정을 수행하기 위하여 다시 한번 AZ 4903 resist를 patterning 과정을 수행하여 제 1 도금 패턴(52)을 형성하였다. 다음 공정으로 Au plating 장비를 이용하여 7 ㎛ 높이의 Au를 증착하였다. 이 때 도금액의 온도는 60℃를 유지하였으며 전류밀도는 0.3 A/dm²의 조건을 사용하였다.

도 3(e)은 제 1 마이크로스트립 전송선(50)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 아세톤으로 제 1 도금용 패턴(52)을 제거하여 제 1 마이크로스트립 선로를 형성한다.

도 3(f)은 제 2 유전체 기둥 공정단계의 단면도로, 폴리미드 유전체를 사용하여 제 2 유전체 기둥(60)을 형성한다.

도 3(g)은 제 2 희생층(70)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 상기 제 2 희생층(40)과 동일하게 AZ4903 레지스트를 사용하여 사진 식각 공정을 통한 패턴닝 과정을 수행하였으며 신호선 금속을 증착 시킬 때 수직적인 레지스트의 구조로 인 한 신호선이 단락되는 현상과 후속 공정시의 열적 안정화를 위하여 대류 오븐에서 열처리하여 곡선 모양으로 공정한다.

도 3(h)은 제 2 도금단계를 보여주는 단면도로, 제 2 시드(sead) 금속(71)을 Ti/Au로 증착한 뒤 도금이 될 곳을 남기고 제 2 도금용 패턴(72)을 형성하고, 원하는 금속 두께만큼 도금을 한 후, 제 2 마이크로스트립 전송선(80)을 증착한다.

도 3(i)은 제 2 마이크로스트립 전송선(80)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 아세톤으로 제 2 도금용 패턴(82)을, 금속 식각제(Au etchant)로 노출된 제 2시드 금속(81)을 제거하고 아세톤으로 제 1희생층(40)과 제 2희생층(70)을 제거한다.

본 발명의 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로는 MEMS 기술을 이용하여 유전체 기둥을 제작하고 그 기둥 위에 신호선을 올려놓은 후 다시 신호선위에 유전체 기둥을 제작하고 신호선을 올려놓는 다층 신호선을 형성함으로써 MEMS 기술을 이용한 종래의 밀리미터파 집적회로의 저손실 전송 선로에 비하여 제작 공정이 비교적 간단하고, 접지면과 제2 전송선과의 거리가 멀어짐으로 인한 기판 손실을 줄일 수 있고, 기존의 집적회로 소자와 서로 호환이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 다층 구조 공정을 통한 능동 소자와 수동 소자와의 집적화를 할 시 보다 쉽게 연결 가능하며, 더불어 공정의 안정화를 통한 전송선위에 새로운 소자를 구현함으로 인한 전체적인 칩의 사이즈 또한 감소 효과를 보기 위한 연구이다.

즉, 제1 전송선위에 폴리마이드를 이용하여 유전체를 제작하고 그 위에 꼭 전송선 만이 아닌 인덕터나, 필터 등 다른 수동 소자를 구현하여 소자들이 차지하는 면적 부분을 위로 쌓아 올리면서 전체적인 칩 면적을 줄이는 효과도 볼수 있다.

Claims (2)

1. 마이크로스트립 전송선로에 있어서,

   반도체 기판(10) 상부에 구비되는 접지면(20)에 수직으로 형성된 다수개의 제 1 유전체 기둥(30)과;

   상기 제 1 유전체 기둥(30)으로 지지되어 상기 접지면(20)과의 사이에 공기층이 형성되는 제 1 마이크로스트립 전송선(50)과;

   상기 제 1 마이크로스트립 전송선(50)에 수직으로 형성된 다수개의 제 2 유전체 기둥(60)과;

   상기 제 2 유전체 기둥(60)으로 지지되어 공중에 떠 있는 제 2 마이크로스트립 전송선(80)으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로.
2. 반도체 기판(10) 위에 접지면(20)을 열 증착하는 단계;

   상기 접지면(20) 상부에 다수개의 제 1유전체 기둥(30)을 형성하는 단계;

   상기 제 1유전체 기둥(30)보다 더 높이 적층된 식각 가능한 제 1 희생층(40)을 형성하는 단계;

   제 1 시드 금속(51)을 증착한 뒤 도금이 되지 않는 곳에 제 1 도금용 패턴(52)을 형성하는 단계;

   금속 라인을 도금공정하여 제 1 마이크로스트립 전송선(50)을 형성하고 상기 제 1 도금용 패턴(52)을 제거하는 단계;

   상기 제 1 마이크로스트립 전송선(50) 상부에 다수개의 제 2 유전체 기둥(60)을 형성하는 단계;

   상기 제 2 유전체 기둥(60)보다 더 높이 적층된 식각 가능한 제 2 희생층(70)을 형성하는 단계;

   제 2 시드 금속(81)을 증착한 뒤 도금이 되지 않는 곳에 제 2 도금용 패턴(82)을 형성하는 단계;

   금속 라인을 도금공정하여 제 2 마이크로스트립 전송선(80)을 형성하는 단계;

   상기 제 2 도금용 패턴(82)과 상기 제 2 희생층(70)을 제거하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 다층 마이크로스트립 전송선로 제작 방법.

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