KR20010077106A - 코플래나 웨이브 가이드 - Google Patents

Abstract

코플래나 웨이브 가이드에 있어서, 기판 위에 금(Au) 등의 도전 물질로 띠 모양으로 이루어져 있는 중앙 전송선이 형성되어 있고, 중앙 전송선 양측으로 접지 전송선이 중앙 전송선과는 분리되어 형성되어 있다. 이 때, 중앙 전송선의 양측부는 기판으로부터 높이 H만큼 들려 있어서 단면이 갈매기 모양을 이루고 있다. 접지 전송선은 중앙 전송선의 들려 있는 부분 아래에까지 형성되어 있어서 접지 전송선과 중앙 전송선은 중첩되는 부분을 가진다. 이렇게 하면, 접지 전송선과 중앙 전송선의 사이에 형성되는 전기장을 넓은 영역으로 분산시켜 전류 밀도와 도전 손실을 감소시키는 것뿐만 아니라 중앙 도전체와 접지 도전체 사이의 평행 평판 사이에 전기장을 집중시킴으로써 기판 손실을 차단하는 효과도 있다.

Description

코플래나 웨이브 가이드{co-planar wave guide}

본 발명은 코플래나 웨이브 가이드(co-planar wave guide : CPW)에 관한 것이다.

먼저 도면을 참고로 하여 종래의 기술에 따른 CPW의 구조를 설명한다.

기판(10) 위에 얇은 띠 모양으로 형성되어 있는 전송선(11, 12) 3개가 나란히 형성되어 있다. 이 중에서 좌우 측의 두 전송선(11)은 접지되어 있고, 중앙의 전송선(12)에는 특정 주파수의 전압이 인가된다. 이렇게 하면, 접지 전송선(11)과 중앙 전송선(12) 사이에는 일정 주기로 변화하는 전기장이 형성되고, 이 전기장에 의하여 다시 변화하는 자기장이 형성되면서 전자파를 이루어 전송선(11, 12)을 따라 진행한다.

이러한 종래의 CPW의 구조는 사용 가능한 임피던스(impedance) 범위를 벗어나면 전력 손실이 과도해지므로 사용 가능한 임피던스 범위는 한정되어 있다. 그런데 높은 임피던스는 중앙 전송선(12)의 좁은 폭에 기인하고, 이러한 높은 임피던스는 높은 도전 손실을 초래한다. 한편, 낮은 임피던스를 구현하기 위해서는 중앙 전송선(12)과 접지 전송선(11) 사이의 간격이 매우 좁아야 한다. 그러나 전송선(11, 12) 사이의 간격이 좁아지면 전송선(11, 12)의 모서리부의 전류 밀도가 증가하여 도전 손실의 증가가 수반된다.

중앙 전송선의 위치를 높임으로써 CPW 선의 높은 임피던스로 인한 손실을 감소시키려는 시도가 있다. 이것을 엘리베이티드(elevated) 코플래나 웨이브 가이드(ECPW)라 하며 그 구조가 도 2에 나타나 있다.

기판(20) 위에 중앙 전송선(22)이 형성되어 있고, 중앙 전송선(22) 양측으로 접지 전송선(21)이 형성되어 있다. 중앙 전송선(22)의 양측부는 기판(20)으로부터높이 H만큼 들려 있고, 접지 전송선(21)의 중앙 전송선(22)과 인접한 측부도 기판(20)으로부터 높이 H만큼 들려 있다. 중앙 전송선(22)과 접지 전송선(21)은 G만큼 간격이 벌어져 있다.

이를 통해 중앙 전송선의 폭을 넓히고, 동시에 전류를 넓은 영역으로 분산시킬 수 있는 등의 이유로 인해 종래의 CPW에 비해 손실을 낮출 수 있다. 그러나 ECPW 구조도 낮은 특성 임피던스 영역에서의 도전 손실이 과도해지는 등의 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 집적 회로 설계에서 요구하는 넓은 임피던스 범위를 커버(cover)할 수 있는 코플래나 웨이브 가이드 구조를 마련하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 코플래나 웨이브 가이드의 전력 손실을 감소시키는 것이다.

도 1 및 도 2는 각각 종래의 기술에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 단면도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 SEM(scanning electrode microscope) 사진이고,

도 5는 종래의 기술에 따른 코플래나 웨이브 가이드와 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 특성 임피던스에 따른 손실의 변화를 비교한 그래프이고,

도 6은 종래의 기술에 따른 코플래나 웨이브 가이드와 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 주파수에 따른 손실의 변화를 비교한 그래프이고,

도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 제조 공정을 순서에 따라 나타낸 단면도이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 코플래나 웨이브 가이드의 중앙 전송선 또는 측면 전송선의 일부분을 기판으로부터 떠있도록 형성한다.

구체적으로는, 기판 위에 중앙 전송선이 형성되어 있고, 중앙 전송선 양측으로 측면 전송선이 형성되어 있다. 이 때, 중앙 전송선의 양측면부는 기판으로부터 떠있도록 형성한다. 또는, 측면 전송선의 중앙 전송선과 인접한 측부가 기판으로부터 떠있도록 형성한다.

여기서, 중앙 전송선과 측면 전송선은 서로 중첩되는 부분을 가질 수 있고, 측면 전송선에는 접지 전압이 인가될 수 있다.

이러한 구조의 코플래나 웨이브 가이드는 기판 위에 제1 도금틀을 형성하는 단계, 제1 도금틀을 사용하여 중앙 전송선 하부층과 그 양측의 전송선을 형성하는 단계, 중앙 전송선을 노출시키는 접촉부를 가지는 희생층을 형성하는 단계, 희생층 위에 제2 도금틀을 형성하는 단계, 제2 도금틀을 사용하여 희생층 위에 중앙 전송선과 접촉부를 통하여 연결되는 중앙 전송선 상부층을 형성하는 단계, 희생층을 제거하는 단계를 통하여 제조된다.

여기서, 제1 도금틀 형성하기 이전에 기판 위에 제1 기반층을 형성하고, 제2 도금틀을 형성하기 이전에 희생층 위에 제2 기반층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제1 기반층은 Cr층과 Au층의 이중층으로 형성하고, 제2 기반층 및 전송선은 Au로 형성하는 것이 바람직하다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 오버레이(overlay) 코플래나 웨이브 가이드(OCPW)의 구조에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코플래나 웨이브 가이드의 주사 전자 현미경(scanning electrode microscope : SEM) 사진이다.

기판(30) 위에 금(Au) 등의 도전 물질로써 띠 모양으로 이루어져 있는 중앙 전송선(32)이 형성되어 있고, 중앙 전송선(32) 양측으로 역시 금 등의 도전 물질로써 띠 모양으로 이루어져 있는 접지 전송선(31)이 중앙 전송선(32)과는 분리되어형성되어 있다. 이 때, 중앙 전송선(32)의 양측부는 기판(20)으로부터 높이 H만큼 들려 있어서 단면이 갈매기 모양을 이루고 있다. 접지 전송선(31)은 중앙 전송선(32)의 들려 있는 부분 아래에까지 형성되어 있어서 접지 전송선(31)과 중앙 전송선(32)은 중첩되는 부분(O)을 가진다.

이러한 구조의 OCPW의 임피던스는 중앙 전송선(32)과 접지 전송선(31)의 중첩되는 폭에 의하여 조절된다. 넓은 임피던스 범위가 이러한 중첩폭을 조절함으로써 쉽게 얻어질 수 있다. 여기에 전기장이 중앙 전송선(32)과 접지 전송선(31) 사이의 중첩되는 영역에 넓게 분포되므로 전송선(31, 32)의 모서리에의 전류 집중이 해소되고, 따라서 도전 손실이 감소된다. 이 구조는 기판(30) 유전체 손실도 얼마간 감소시킬 수 있다. 대부분의 전기장이 기판(30) 유전체 사이가 아닌 두 전송선(31, 32) 사이의 공기중에 형성되기 때문이다. 요약하면 제안된 구조는 넓은 임피던스 범위를 커버할 수 있고, 전력 손실도 감소시킨다.

제안된 구조의 성능을 비교하기 위하여 세 종류의 CPW 구조를 무시할 수 없는 유전체 손실을 나타내는 유리 기판(ε_eff= 4.6, tanδ = 0.026) 위에 형성하였다. 세 구조는 본 발명의 실시예에 따른 OCPW(도 3), 종래의 일반적인 CPW(도 1) 및 ECPW(도 2)이다.

세 종류의 CPW는 560㎛ 두께의 유리 기판 위에 형성하였다. 모든 도전체층은 3㎛ 두께로 금을 전기 도금함으로써 구현하였다. 떠있는 전송선의 높이(H)는 기판으로부터 15㎛이다. 각 CPW 구조에 대한 전력 손실을 임피던스의 함수로 해석하기 위하여 상업적 시뮬레이터(simulator)인 IE3D를 사용하여 전자기적 시뮬레이션(EM simulation)을 수행하였다. 좌우의 접지 전송선 사이의 간격(W+2S)은 비교를 위하여 170㎛로 고정시켰다. 중앙 전송선의 폭은 특성 임피던스(Z₀)를 변화시키기 위하여 종래의 CPW에서 변동시켰다. ECPW와 제안된 OCPW에서는 Z₀을 변화시키기 위하여 높여진 평면 폭(L)을 변경시켰다. 간격(G)과 중첩폭(O)이 ECPW와 OCPW 각각에 대하여 변화되었다.

ECPW의 특성들이 간격(G)이 3㎛에서 27㎛로 변화되는 동안 계산되었다. 특성 임피던스는 37Ω에서 63Ω까지 변화시켰고, 유효 유전 상수를 2.4에서 1.9까지 변화시켰다. MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 공정의 사진 식각 공정상의 한계를 고려할 때, ECPW를 사용해서는 30Ω이하의 임피던스를 얻기는 어려울 것이다.

유사한 계산이 본 발명의 실시예에 따른 OCPW에 대하여도 수행되었다. 중앙 전송선(32)과 측면 전송선(31)의 중첩폭(O)은 50㎛에서 -30㎛까지(음수는 벌어진 간격을 의미) 변화시켰다. 특성 임피던스와 유효 유전 상수 값이 표 1에 도표화되어 있다. 기대한 대로 넓은 임피던스 범위를 중첩폭(O)을 조절함으로써 얻을 수 있었다. OCPW를 사용하면 20Ω정도의 임피던스 레벨을 쉽게 얻을 수 있음을 표 1로부터 알 수 있다.

L(㎛)	81	71	61	51	41	31	21	11	1
O(㎛)	50	40	30	20	10	0	-10	-20	-30
Z0(Ω)	23.5	26.3	30.2	34.7	39.6	45.4	52.2	58.9	65.7
εeff	1.40	1.45	1.53	1.61	1.69	1.79	1.92	2.03	2.14

특성 임피던스의 함수로써 50㎓에서의 각 CPW의 손실이 도 4에 비교되어 있다. 종래의 CPW와 비교하여 ECPW와 OCPW는 모든 임피던스 범위에서 더 낮은 손실을 나타낸다. 그러나 ECPW와 같이 단순히 전송선의 일부분을 높이기만해서는 낮은 임피던스 극단에서의 손실 증가를 방지할 수 없다. 낮은 임피던스에서의 큰 손실은 종래의 CPW와 마찬가지로 중앙 전송선과 접지 전송선 사이의 강한 모서리 전기장 때문으로 보인다. 한편, OCPW에서는 임피던스가 낮아지고 전기장이 평행한 평판 사이의 공기중에 고르게 분포되기 때문에 과도한 모서리 전기장을 형성되지 않는다. 도 4는 낮은 임피던스 레벨에서의 OCPW 구조의 장점을 보여준다. 손실은 대부분의 임피던스 범위에 걸쳐서 1.4dB/cm 미만으로 유지된다. 도 4에는 각 구조에 대하여 특성 임피던스가 40Ω과 50Ω일 때 측정된 전력 손실 값이 점으로 표시되어 있다. 계산된 데이터와 0.2dB의 오차 범위 내에서 실험 결과 역시 비슷한 경향을 나타낸다.

각 CPW의 1cm/40Ω선에 대하여 측정된 손실이 도 5에 주파수의 함수로써 비교되어 있다. 50㎓에서 종래의 CPW 선은 2.65dB/cm, ECPW는 1.9dB/cm의 손실을 나타내는 데 비해 OCPW 선은 1.25dB/cm의 손실을 나타낸다. CPW에서 OCPW로 변경함으로써 손실이 dB 단위로 1/2로 감소되었다. 손실의 감소는 OCPW 구조의 기판 손실이 차단되는 것에서도 기인한다. 따라서, OCPW는 규소와 같은 손실성 기판(lossy substrate)에도 잘 적용될 수 있다.

상기 실시예에서는 중앙 전송선의 양측부가 기판으로부터 떠있는 구조만을 제시하였으나 이와 달리 접지 전송선의 중앙 전송선과 인접한 측부가 기판으로부터 떠있고 중앙 전송선은 기판 위에 접촉된 상태로 형성되어 있는 구조도 가능하다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 OCPW의 제조 방법을 설명한다.

도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 코플래나 웨이브 가이드의 제조 공정을 순서에 따라 나타낸 단면도이다.

먼저, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 기판(10) 위에 열증착 방법을 사용하여 티타늄(Ti)층(101)과 금(Au)층(102)을 연속으로 증착함으로써 도금 기반층(101, 102)을 형성한다.

다음, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 감광막을 약 3.5㎛ 두께로 도포한 후 마스크를 통하여 노광하고 현상하여 도금틀(103)을 형성한 후, 금을 전해 도금하여 약 3㎛ 두께의 전송선(104)을 형성한다. 이 때, 도금틀(103)을 이루는 감광막은 AZ4533을 사용하였다.

이어서, 도 7c에 나타낸 바와 같이, 도금틀(103)로 사용된 감광막을 제거하고, 노출되어 있는 기반층(101, 102)을 식각하여 제거하고 중앙 전송선부와 좌우의 전송선부를 분리한 다음, 다시 감광막을 약 15㎛ 두께로 도포하고 패터닝(patterning)하여 중앙의 전송선(104)을 노출시키고 있는 희생층(105)을 형성한다.

다음, 도 7d에 나타낸 바와 같이, 희생층(105) 감광막을 열처리하여리플로(reflow)시킴으로써 희생층(105)의 모서리를 완만하게 만든다. 이를 통하여, 후속 공정에서 금 전해 도금을 위한 기반층이 측면 벽에도 균일하게 증착되도록 하고, 열적 화학적 안정화를 도모한다.

다음, 도 7e에 나타낸 바와 같이, 금을 열증착하여 도금 기반층(106)을 형성하고, 그 위에 감광막을 도포하고 패터닝하여 도금틀(107)을 형성한다.

다음, 도 7f에 나타낸 바와 같이, 금을 전해 도금하여 기판(10)으로부터 떠있는 전송선의 상부층(108)을 형성한다.

마지막으로, 도 7g에 나타낸 바와 같이, 도금틀(107)을 제거하고, 기반층(106)을 식각한 다음, O₂플라즈마를 사용하여 애싱(ashing)하여 희생층(105)을 제거함으로써 양측부가 기판(10)으로부터 떠있는 형태의 중앙 전송선(12)을 완성한다.

본 발명에 따른 OCPW는 전기장을 넓은 영역으로 분산시켜 전류 밀도와 도전 손실을 감소시키는 것뿐만 아니라 중앙 도전체와 접지 도전체 사이의 평행 평판 사이에 전기장을 집중시킴으로써 기판 손실을 차단하는 효과도 있다. 따라서 반도체 집적 회로 설계에서 요구하는 넓은 임피던스 범위를 커버할 수 있다.

Claims (7)

1. 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 중앙 전송선,

   상기 기판 위에 상기 중앙 전송선 양측으로 형성되어 있는 측면 전송선

   을 포함하며,

   상기 중앙 전송선의 양측면부는 상기 기판으로부터 떠있는 코플래나 웨이브 가이드.
2. 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 중앙 전송선,

   상기 기판 위에 상기 중앙 전송선 양측으로 형성되어 있는 측면 전송선

   을 포함하며,

   상기 측면 전송선의 상기 중앙 전송선과 인접한 측부는 상기 기판으로부터 떠있는 코플래나 웨이브 가이드.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 중앙 전송선과 상기 측면 전송선은 서로 중첩되는 부분을 가지는 코플래나 웨이브 가이드.
4. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 측면 전송선에는 접지 전압이 인가되는 코플래나 웨이브 가이드.
5. 기판 위에 제1 도금틀을 형성하는 단계,

   상기 제1 도금틀을 사용하여 중앙 전송선 하부층과 그 양측의 전송선을 형성하는 단계,

   상기 중앙 전송선을 노출시키는 접촉부를 가지는 희생층을 형성하는 단계,

   상기 희생층 위에 제2 도금틀을 형성하는 단계,

   상기 제2 도금틀을 사용하여 상기 희생층 위에 상기 중앙 전송선과 상기 접촉부를 통하여 연결되는 중앙 전송선 상부층을 형성하는 단계,

   상기 희생층을 제거하는 단계

   를 포함하는 코플래나 웨이브 가이드 제조 방법.
6. 제5항에서,

   상기 제1 도금틀 형성하기 이전에 상기 기판 위에 제1 기반층을 형성하고, 상기 제2 도금틀을 형성하기 이전에 상기 희생층 위에 제2 기반층을 형성하는 단계를 더 포함하는 코플래나 웨이브 가이드 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 제1 기반층은 Cr층과 Au층의 이중층으로 형성하고, 상기 제2 기반층 및전송선은 Au로 형성하는 코플래나 웨이브 가이드 제조 방법.