KR100632500B1 - 표면 멤스 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립전송선로 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 반도체 기판표면에 형성되는 접지면과; 상기 접지면에 수직으로 세워진 유전체로 이루어진 유전체 기둥 및; 상기 반도체 기판 표면의 두개 이상의 패드를 서로 연결하기 위해 상기 유전체 기둥으로 지지되어 상기 접지면 사이에 공기층을 형성되는 마이크로스트립 전송선;으로 구성되며, 반도체 기판 위에 접지면과 패드를 열 증착하는 단계; 유전체 기둥을 형성하는 단계; 상기 유전체 기둥보다 더 두꺼운 식각 가능한 희생층을 형성하는 단계; 레지스트를 사용하여 상기 희생층을 코팅과 패터닝을 수행한 후 열처리하는 단계; 금속 라인을 도금공정하여 마이크로스트립 전송선을 형성하는 단계; 식각용액으로 상기 희생층 영역을 제거하는 단계로 제작됨으로써 유전체 손실과 신호의 손실이 감소되고 공정이 간단해져 공정시간 및 공정단가를 줄일 수 있다.

MEMS 기술, 유전체 기둥, 저손실전송선, 마이크로스트립 전송선, 밀리미터파, 집적회로

Description

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

도 1은 종래의 마이크로스트립 전송선로의 사시도,

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

도 3은 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 공정순서도로, 도 3(a)는 접지면 공정단계의 단면도이고 도 3(b)는 유전체 기둥 공정단계의 단면도이고 도 3(c)는 희생층 공정단계의 단면도이며 도 3(d)는 도금 공정 단계의 단면도이고 도 3(e)는 마이크로스트립 전송선 공정단계의 단면도,

도 4는 본 발명에 따라 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 전자현미경 사진으로 도 4(a)는 유전체 지지형과 패드의 사진이고, 도 4(b)는 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 유전체 지지형의 사진이며, 도 4(c)는 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선의 사진,

도 5는 실제 제작이 완료된 상태의 다수개의 유전체 지지대와 공기층의 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판

20 : 접지면

21, 22 : 패드

30 : 유전체 기둥

40 : 마이크로스트립 전송선

50 : 희생층

60 : 시드금속

70 : 도금용 패턴

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 최근에 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.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 최소 체적의 유전체 지지형을 사용하여 마이크로스트립 전송선을 기판과 격리하여 공기 중에 띄워 놓을 수 있다는 것에 착안하여, MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술 중 표면 마이크로매칭(Surface Micromachining) 기법을 이용하여 유전체 지지대를 기반으로 소자를 공기 중에 위치시켜 기판에 의한 신호 손실을 최소화 시키고 또한 평면이 아닌 3차원 형태의 소자구현으로 인한 다양한 구조 개발 및 소자크기의 제한을 받지 않으면서 밀리미터파 대역의 저 손실 전송선로를 제공하는 데 있다.

이를 위해 본 발명에서는 마이크로스트립 전송선을 접지면과 분리하고 최소 부피의 유전체 기둥으로 지지하기 위하여 단일 유전체 기둥을 사용하였으며, 마이크로스트립 전송선과 접지 면의 높이 차를 10㎛ 이상으로 하는 공정을 개발하였다.

또한 마이크로스트립 전송선로에서 발생하는 도전성 손실을 줄이고 신호선 자체의 물리적 강도를 강하게 함으로서 유전체 기둥의 간격을 1㎜까지 할 수 있도록 하기 위하여 신호선의 두께를 7㎛로 하는 금도금 공정을 개발하였다.

본 발명의 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로는 반도체 기판표면에 형성되는 접지면과; 상기 접지면에 수직으로 세워진 유전체로 이루어진 다수개의 유전체 기둥 및; 상기 반도체 기판 표면의 두개 이상의 패드를 서로 연결하기 위해 상기 유전체 기둥으로 지지되어 상기 접지면 사이에 공기층을 형성되는 마이크로스트립 전송선;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 제작 방법은 반도체 기판 위에 접지면과 패드를 열 증착하는 단계; 상기 접지면 상부에 유전체 기둥을 형성하는 단계; 상기 유전체 기둥보다 더 높이 적층된 식각 가능한 희생층을 형성하는 단계; 금속 라인을 도금공정하여 마이크로스트립 전송선을 형성하는 단계; 식각용액으로 상기 희생층을 제거하는 단계;로 이루어진다.

또한, 상기 마이크로스트립 전송선의 폭이 30~70㎛이고 두께가 7㎛이고, 상기 단일 유전체 기둥이 밑면적이 20×20 ㎛²이고 높이가 10㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 유전체 기둥의 패턴닝 공정시 회전속도를 조절함으로써 접지면으로부터 공기중에 떠 있는 높이 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.

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

도 2는 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 사시도로써, 본 발명에 따른 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송 선로는 반도체 기판(10)의 표면 상부에 접지면(20)과 패드(21, 22)를 구비하며 상기 접지면(20)에 수직으로 형성되는 유전체 기둥(30)과 상기 패드(21, 22)를 연결하기 위해 상기 유전체 기둥(30)으로 지지되어 공기층을 형성하는 마이크로스트립 전송선(40)으로 구성된다.

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

도 3(a)는 접지면 공정단계의 단면도이고, 반도체 기판 위에 금속(Ti/Au)을 열적 증착기를 이용하여 각각 열 증착하여 접지면(20)과 패드(21, 22)를 형성한다.

도 3 (b)은 유전체 기둥 공정단계의 단면도로, 폴리미드 유전체를 사용하여 면적 20×20 ㎛² , 높이 10㎛ 의 유전체 기둥(30)을 형성한다.

도 3(c)는 희생층(50)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 상기 도 3(a)에서 공정제작된 상기 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 열적 안정화를 위하여 대류 오븐에서 열처리하여 곡선 모양의 희생층(50) 레지스트를 공정한다.

도 3(d)는 도금단계를 보여주는 단면도로, 시드(sead) 금속(60)을 증착한 뒤 도금이 될 곳을 남기고 도금용 패턴(70)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 도금 패턴(70)을 형성하였다. 다음 공정으로 Au plating 장비를 이용하여 7 ㎛ 높이의 Au를 증착하였다. 이 때 도금액의 온도는 60 ⁰C를 유지하였으며 전류밀도는 0.3 A/dm²의 조건을 사용하였다.

도 3(e)는 마이크로스트립 전송선(40)의 공정단계를 보여주는 단면도로, 아세톤으로 도금용 패턴(70)을, 금속 식각제(Au etchant)로 노출된 시드 금속(60)을 제거하고, 다시 한번 아세톤으로 희생층(50)영역을 제거하면 공기층이 마이크로스트립 전송선(40)과 접지면(20)사이에 형성되고 패드(21, 22)를 이용해 마이크로스트립 선로를 시험할 수 있는 구조가 만들어진다.

상세하게 말하자면, 상기 도 3(d)에서 Au를 증착 시킨 후 도금 패턴(70)을 아세톤을 이용하여 제거하였고 다음으로 시드 금속(60)을 제거하기 위하여 Au etchant를 이용하여 노출된 Au층을 제거하였고, Ti 층은 BOE (Buffered Oxide Etchant)를 사용하여 제거하였다. 마지막 과정으로 희생층(50) 영역을 제거하기 위하여 다시 한번 아세톤을 이용하여 희생층 영역을 제거하여 공기 중에 떠 있는 전 송선을 형성하였다.

상기 마이크로스트립 전송선(40)이 적용되는 소자의 다양한 디자인을 위해 상기 마이크로스트립 전송선(40)의 폭을 30㎛내지 70㎛으로 공정하였다.

도 4(a)는 상기 도 3의 공정으로 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 유전체 기둥(30)과 패드(21,22)이고, 도 4(b)는 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로의 유전체 기둥(30)이다.

도 4(c)는 제작된 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선에서 금도금되어 두께가 7㎛인 마이크로스트립 전송선(40)을 보여준다.

도 5는 실제 제작이 완료된 상태의 다수개의 유전체 지지대와 공기층의 확대도이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로 및 그 제작 방법은 표면 MEMS 기술을 이용하여 반도체 기판 표면에 10㎛ 높이의 유전체 기둥을 제작하고 그 기둥 위에 7㎛ 두께의 전송선을 올려놓음으로써 제작 공정이 비교적 간단하고, 기존의 집적회로 소자와 서로 호환이 가능하다.

또한, 신호선이 공기 중에 떠 있기 때문에 전송선과 접지면 사이에 있는 유전체에서 발생하는 유전체 손실이 줄어들을 뿐만 아니라 금속 지지대가 아닌 유전 체 지지대를 이용함으로써, 길이가 긴 소자의 경우에 신호선의 신호가 금속 지지대로 유입되어 신호의 손실이 발생되는 것을 막을 수 있으며 또한 금속 지지대를 이용한 공정에 비하여 지지대를 형성하기 위한 금속 증착 공정부분이 생략되어지므로 공정이 매우 간단해지고 공정시간 및 공정단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 반도체 기판(10) 표면에 형성되는 접지면(20)과;

   상기 접지면(20)에 구비되되 접지면(20)에 수직으로 세워진 유전체로 이루어진 다수개의 유전체 기둥(30) 및;

   상기 반도체 기판(10) 표면의 두개 이상의 패드(21, 22)를 서로 연결하기 위해 상기 유전체 기둥(30)으로 지지되어 상기 접지면(20)과의 사이에 공기층이 형성되는 마이크로스트립 전송선(40);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로.
2. 반도체 기판(10) 위에 접지면(20)과 패드(21, 22)를 열 증착하는 단계;

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

   상기 유전체 기둥(30)보다 더 높이 적층된 식각 가능한 희생층(50)을 형성하는 단계;

   금속 라인을 도금공정하여 마이크로스트립 전송선(40)을 형성하는 단계;

   식각용액으로 상기 희생층(50)을 제거하는 단계;

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로 제작 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로스트립 전송선(40)의 폭이 30~70㎛이고 두께가 7㎛이고, 상기 단일 유전체 기둥(30)이 밑면적이 20×20 ㎛²이고 높이가 10㎛인 것을 특징으로 하는 표면 MEMS 기술을 이용한 유전체 지지형 마이크로스트립 전송선로.
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