KR20100132237A - 미세가공 공동 공진기와 그 제조 방법 및 이를 이용한 대역통과 필터와 발진기 - Google Patents

미세가공 공동 공진기와 그 제조 방법 및 이를 이용한 대역통과 필터와 발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세가공 공동 공진기와 그 제조 방법 및 이를 이용한 대역통과 필터와 발진기에 관한 것으로서, 특히 미세가공 공동 공진기 구조 제작시에 동시에 형성되는 전류 프로브와 패키지 기판 내의 외부 회로와 전류 프로브의 연결시에 간섭효과를 없애기 위한 홈 구조를 구비한 미세가공 공동 공진기 및 이를 이용한 밀리미터파 대역통과 필터와 밀리미터파 발진기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미세가공 공동 공진기는, 가공 공정을 통해 동시에 형성된 전류 프로브와 홈 구조를 구비한 공동 구조; 및 상기 공동 구조가 집적된 패키지 기판을 포함한다..
미세가공, 공동 공진기, 전류 프로브, 홈 구조, 대역통과 필터, 발진기

Description

미세가공 공동 공진기와 그 제조 방법 및 이를 이용한 대역통과 필터와 발진기 {Method for producing micromachined air-cavity resonator and a micromachined air-cavity resonator, band-pass filter and ocillator using the method}
본 발명은 미세가공 공동 공진기와 그 제조 방법에 관한 것이며, 또한 이를 이용하여 제조되는 대역통과 필터와 발진기에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 미세가공 공동 공진기, 대역통과 필터 및 발진기는 밀리미터파 응용에 적합하다.
높은 Q값을 갖는 밀리미터파 공진기는 종래에는 금속 도파관 구조나 유전체 퍽(puck)으로 만들어졌으나, 무게가 무겁고 제조 비용이 높으며 패키지 기판에 집적하기가 곤란한 문제점이 있었다.
이를 대체하기 위해 실리콘의 벌크 미세가공 기술을 이용한 저비용 미세가공 공동 공진기가 개발되어 유전체 손실없이 밀리미터파 주파수까지 우수한 성능을 제공하고 있다. 그러나, 이러한 미세가공 공동 공진기의 경우 전형적인 도파관 입출력 인터페이스를 사용하기 때문에 집적화된 수동소자들과 함께 패키지 기판에 집적하기가 곤란하다.
도파관 입출력 인터페이스 문제를 해결하기 위해 금속화된 기둥(metalized pillar)을 이용한 결합 프로브가 제안되어 미세가공된 사각 도파관을 패키지 기판에 집적할 수 있게 되었으나(Y. Li, B. Pan, C. Lugo, M. Tentzeris, and J. Papapolymerou, "Design and characterization of a W-band micromachined cavity filter including a novel integrated transition from CPW feeding lines," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, pp. 2902-2910, Dec. 2007), 실리콘 건식 식각, 적층 및 금속화된 공중합체 기둥 형성과 같은 복잡한 공정을 요구하는 단점이 있었다.
최근, 공동 공진기를 저비용으로 패키지 기판에 집적하기 위한 간단한 표면 미세가공 중합체-코어-전도체 방식이 개발되었는데, 여기서는 전류 프로브를 이용하여 공진기와 외부 회로를 결합하였다(B. Pan, Y. Li, M. M. Tentzeris, and J. Papapolymerou, "Surface micromachining polymer-core-conductor approach for high-performance millimeter-wave air-cavity filters integration," IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 56 pp. 959-970, Apr. 2008). 그러나 이 방법은 두꺼운 사진현상형 중합체(thick photo-definable polymer) SU-8을 이용한 중합체-코어 전도체가 고온 고압에 견딜 수 없는 단점이 있었다. 즉, 전류 프로브 및 공동 공진기의 벽면을 패키지 기판에서 형성하여 공동 공진기를 패키지 기판에 집적화하였으나, 포토레지스트(PR)를 프로브와 벽면의 중심에 사용하기 때문에 열과 압력에 구조적으로 약하며, 또한 패키지 기판에서 공정을 수행해야 하는 불편함이 있었다.
상기한 종래기술 상의 문제점을 해소하고 공동 공진기를 저비용으로 패키지 기판에 집적하기 위해서, 본 발명은 실리콘 기판이나 GaAs 기판과 같은 반도체 기판 내지 글래스 기판 등의 가공 공정을 이용하여 쉽게 제조할 수 있으며, 패키지 기판과의 플립칩 본딩, 메탈 본딩, 에폭시 본딩 등을 통해 쉽게 집적화할 수 있는 미세가공 공동 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 패키지 기판의 외부 회로와 전류 프로브의 연결 시에 간섭효과를 제거해 줄 수 있는 홈 구조(Groove structure)와 공동 공진기 구조 제작 시에 동시 형성되는 전류 프로브(Current probe)를 구비하도록 형성된 미세가공 공동 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전류 프로브 형성을 위한 추가 공정 없이, 공동 구조를 형성하기 위한 깊은 반응성 이온 식각(deep RIE) 공정을 통해 공동 구조의 형성과 동시에 형성된 실리콘 기둥이 공동과 외부 회로를 결합하기 위한 전류 프로브로 이용가능한 미세가공 공동 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 금속화 실리콘 기둥(metalized silicon pillars)을 구비한 공동 공진기의 신규한 구조를 형성하기 위한 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 공동 공진기를 밀리미터파 응용한 예로서, 저 삽입손을 가진 공동 필터와 저 위상잡음 발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 상기 공동 공진기를 이용한 저비용 고효율의 밀리미터파 무선 프론트엔드 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 미세가공 공동 공진기는, 가공 공정을 통해 동시에 형성되는 전류 프로브와 홈 구조를 구비한 공동 구조; 및 상기 공동 구조가 집적된 패키지 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홈구조는 외부 회로와 상기 전류 프로브의 연결 시에 간섭 효과를 제거해 주기 위해 적어도 하나 제공되며, 상기 전류 프로브는 적어도 하나의 기둥 또는 월 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류 프로브와 상기 홈 구조를 포함하는 상기 공동 구조의 내면은 금속 도금되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류 프로브와 플립칩 본딩되도록 형성되며 상기 공동 구조와 외부 회로 사이의 입출력 포트로 동작하는 박막 마이크로스트립 또는 CPW을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공동 구조는 사각형 구조 또는 원통형 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가공 공정은 실리콘 기판, GaAs 기판 또는 글래스 기판의 식각 공정인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공동 구조는 상기 패키지 기판 상에 플립칩 본딩, 메탈 본딩 또는 에폭시 본딩을 통해 집적되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 대역통과 필터는, 상기 특징 중 어느 하나에 따른 미세가공 공동 공진기를 적어도 하나 포함하도록 집적화된 미세가공 공동 공진기의 결합체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 발진기는, 상기 특징 중 어느 하나에 따른 미세가공 공동 공진기; 이득 블록; 및 방향성 결합기를 포함하도록 구성되며, 이때 상기 미세가공 공동 공진기가 병렬 피드백 소자로 이용되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 미세가공 공동 공진기 제조 방법은, 실리콘 기판에 산화막을 패턴 형성하는 단계; 상기 산화막을 마스크로 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 공동 구조를 형성하는 단계; 상기 식각된 실리콘 기판 표면을 금속 도금하는 단계; 및 상기 금속 도금된 공동 구조를 패키지 기판에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘 기판을 식각하여 공동 구조를 형성하는 단계는 측벽에 적어도 하나의 홈 구조를 가지며 공동 내부에 적어도 하나의 실리콘 기둥 전류 프로브를 구비하도록 상기 공동 구조를 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공동 구조를 상기 패키지 기판에 장착하는 단계는 상기 공동 구조와 상기 패키지 기판의 플립칩 본딩 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 식각은 깊은 RIE 공정 또는 습식 식각 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화막은 2㎛의 두께로 증착되며, 상기 실리콘 기판의 식각은 230㎛ 깊이까지 보쉬 공정을 통한 깊은 RIE 공정으로 건식 식각되며, 상기 금속 도 금은 Ti/Au 씨드 금속을 스퍼터링하고 5㎛ 두께로 Au를 전기 도금하는 공정으로 수행되며, 상기 금속 도금된 공동 구조를 패키지 기판에 장착하는 단계는 Au/Sn 플립칩 범프를 이용하는 플립칩 본딩 단계인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 대역통과 필터는 상기 특징 중 어느 하나에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 미세가공 공동 공진기를 집적화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 발진기는 상기 특징 중 어느 하나에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 미세가공 공동 공진기를 피드백 소자로 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판이나 GaAs 기판과 같은 반도체 기판 내지 글래스 기판 등의 가공 공정을 이용하여 쉽게 제조할 수 있으며, 패키지 기판과의 플립칩 본딩, 메탈 본딩, 에폭시 본딩 등을 통해 쉽게 집적화할 수 있는 미세가공 공동 공진기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 패키지 기판의 외부 회로와 전류 프로브의 연결 시에 간섭효과를 제거해 줄 수 있는 홈 구조(Groove structure)와 공동 공진기 구조 제작 시에 동시 형성되는 전류 프로브(Current probe)를 구비하도록 형성된 미세가공 공동 공진기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 전류 프로브 형성을 위한 추가 공정 없이, 공동 구조를 형성하기 위한 깊은 반응성 이온 식각(deep RIE) 공정을 통해 공동 구조의 형 성과 동시에 형성된 실리콘 기둥이 공동과 외부 회로를 결합하기 위한 전류 프로브로 이용가능한 미세가공 공동 공진기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 금속화 실리콘 기둥(metalized silicon pillars)을 구비한 공동 공진기의 신규한 구조를 형성하기 위한 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 공동 공진기를 밀리미터파 응용한 예로서, 저 삽입손을 가진 공동 필터와 저 위상잡음 발진기가 제공된다.
나아가, 본 발명에 따르면, 상기 공동 공진기를 이용한 저비용 고효율의 밀리미터파 무선 프론트엔드 모듈이 제공된다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예들을 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 전류 프로브를 구비한 공동 공진기의 기하학적 구조를 도시한 것이며, 도 2는 공동 구조의 전류 프로브(120)와 측벽을 자세하게 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이며, 도 3은 도 1의 공동 공진기의 공동 구조의 SEM 사진이며, 도 4는 도 1의 공동 공진기의 패키지 기판을 구성하는 박막 기판의 마이크로사진이다.
이하에서는 이상의 도면을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공동 공진기의 구조와 동작에 대해 설명하기로 한다.
공동 공진기는 실리콘 식각 공정을 통해 형성되는 실리콘 공동 구조(100)가 패키지 기판(200) 상에 플립칩 장착된 형태로 구성된다. 실리콘 공동 구조(100)의 내부에는 전류 프로브(120)로 기능하는 실리콘 기둥들이 구비되며, 그 측벽에는 홈 구조(110)가 형성된다. 홈 구조(110)와 전류 프로브(120)를 포함하는 공동 구조(100)는 패키지 기판(200)으로 이용되는 박막 기판(210)의 금속면으로 둘러싸여 있다.
종래기술에 따라 패키지 기판 상에 형성된 중합체 기둥들과 달리, 전류 프로브(120)를 가진 도 1의 공동 구조(100)는 깊은 RIE 기술을 이용한 실리콘 식각 공정 및 금속 도금 공정을 통해 전류 프로브(120)와 공동 구조(100)가 동시에 형성된다.
이러한 미세가공 공동 구조(100)는 패키지 기판(200) 상에 다수의 플립칩 범프들(220)을 이용하여 플립칩 장착되므로 미세가공 공동 구조(100)의 기계적 안정성이 보장된다. 이때 플립칩 범프(220)의 높이와 피치가 작기 때문에 공동과 패키지 기판 사이의 갭(gap)으로 인한 방사손실은 무시될 수 있다.
이와 같은 구조에서, 공동 구조(100)를 구비한 공동 공진기와 패키지 기판(200) 상의 외부 회로(230)의 결합은 전류 프로브(120)를 통해 얻어지며, 이는 최소한의 패키지 기판 효과를 가지면서도 강하게 결합된 공진기 조건을 제공해 준다.
전류 프로브(120)와 패키지 기판(200)의 연결을 위해 플립칩 범프들(220)을 통한 플립칩 연결구조를 가진 박막 기판(210)이 패키지 기판(200)으로 이용되며, 이때 공동 구조(100)와 외부 회로(230) 사이의 I/O(입출력) 급전선으로 박막 마이 크로스트립 선 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 전송선 등이 이용된다.
홈 구조(110)는 공동 구조(100)와 박막 마이크로스트립으로 연결되는 외부 회로(230) 사이의 I/O 연결시 발생가능한 원치않는 간섭효과(detuning effect)를 제거하기 위해 제공되며, 박막 마이크로스트립 선에 연결된 전류 프로브(120)는 자기 결합(magnetic coupling)을 이용하여 공동을 여기시킨다.
여기서, 박막 기판(210)은 기판 상에 교차 적층된 벤조시클로부텐(BCB, benzocylobutene) 유전체와 Au 금속 박막층으로 구성되며, 상면에 전류 프로브(120)와의 연결을 위한 Si-범프와 접지범프를 구비하도록 구성된다. 이때, 예컨대 20Ω/square 의 시트저항을 가진 NiCr 저항(즉, 내재성 저항)이나 밀리미터파 광대역 결합기(broadside couplers)와 같은 내장된 수동소자은 박막 기판의 BCB 층들 사이에 형성된다.
한편, 다른 실시예의 경우에는 실리콘 기판 대신 GaAs 기판과 같은 다른 종류의 반도체 기판 내지 글래스 기판 등을 이용하여 공동 구조(100)를 형성할 수도 있으며, 패키지 기판(200) 상에 공동 구조(100)를 집적하는 것 또한 메탈 본딩 내지 에폭시 본딩 등의 다양한 방법을 적용할 수 있다.
상기 실시예에서는 RIE를 이용한 건식 식각 방법을 적용하였으나 이와 달리 KOH 또는 TMAH 용액을 이용한 습식 식각 방법을 이용하여 전류 프로브(120)와 공동 구조(100)를 동시에 형성하는 것도 가능하다.
이상의 방법을 통해 형성된 전류 프로브(120)는 다양한 형태의 기둥 모양 외에도 직사각형 기둥이 벽처럼 형성되는 월(wall) 형태로도 제조될 수 있으며, 공동 구조(100) 또한 사각형 외에도 원통형과 같은 형태를 가질 수 있다. 이때 전류 프로브(120)는 사각형 또는 원통형 공동 구조(100) 내에 하나 이상 형성되며, 홈 구조(110) 또한 사각형 또는 원통형 공동 구조(100)의 측벽에 하나 이상 형성된다.
한편, 공동 공진기의 설계와 관련하여, 공동 구조(100)의 측벽의 음의 경사면(negative-sloped profike)이 공동 공진기의 공진 주파수에 영향을 미칠 수 있기 때문에 공동 공진기 설계 시에 이를 고려해야 한다.
특히, 전류 프로브(120)의 모양와 위치가 외부 결합 수준에 영향을 미치기 때문에 이 또한 설계 시에 고려해야 한다. 이와 관련하여, 도 5(a) 내지 도 5(f)는 전류 프로브의 크기와 위치에 따른 외부 Q값의 변화를 도시하고 있다. 도 5(a)에는 패키지 기판 내에서의 전류 프로브 위치(X 및 Y)와 도 5(b)에는 전류프로브의 크기, 즉 직경(D) 및 높이(H)를 도시한다. 이를 참조하여, 도 5(c) 내지 도 5(f)를 보면, 전류 프로브가 공동의 중심에서 구석과 가장자리로 이동함에 따라 외부 결합이 감소되며, 전류 프로브의 높이(H)가 증가하거나 전류 프로브의 직경(D)이 감소할 수록 외부 결합이 감소된다.
또한, 전류 프로브의 위치와 크기에 의해 공진 주파수도 변화된다. 따라서, 이러한 주파수 시프트를 보상하도록 공동의 크기가 조정되어야 한다.
도 6은 도 3, 4에 따른 94Hz 공동 공진기의 S-파라미터를 도시한 그래프로서, 전류 프로브 팁을 기준면으로 하여 측정한 것이다.
19.45dB의 결합도를 가진 약결합 공진 조건에서, 부하 Q(QL)은 624였고, 이때 공진 주파수는 93.7GHz였다. 중심 주파수로부터 0.32% 정도 약간 주파수 시프트가 이루어진 것은 측벽과 평면 사이의 도금 금속 두께의 불균일에 기한 것이다. 박막 마이크로스트립 급전선에서의 손실 0.15dB를 고려하면, 공진기의 무부하 Q(QU)는 700으로 계산되었다. 27의 외부 결합(QEXT)을 가진 강결합 공진 조건에서, 공동 공진기는 0.6dB의 결합도를 보여준다.
이상의 결과는 공동 공진기가 대역통과 필터나 기본 발진기와 같은 밀리미터파 응용에 적합하다는 것을 나타내는 것이다.
이제, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공동 공진기의 제조 방법을 설명하기로 한다.
공동 구조를 제조하기 위해서는, 먼저 산화막 마스크 패턴 형성 단계로서, 실리콘 기판 상에 이산화실리콘 산화막을 2㎛ 두께로 증착하고 패터닝하여 식각 마스크로 이용한다(S100)
이어서 실리콘 기판의 식각 단계로서, 실리콘 기판을 230㎛의 깊이까지 보쉬(Bosch) 공정을 통한 깊은 RIE 기술을 이용하여 건식 식각한다(S110). 이때 상기한 바와 같이 KOH 또는 TMAH 용액을 이용하는 습식 식각을 적용할 수도 있다.
이어서 금속 도금 단계로서, Ti/Au 씨드 금속층을 스퍼터링하고 5㎛ 두께로 Au를 전기도금한다(S120).
식각 면적이 넓은 경우 깊은 RIE 기술을 이용한 실리콘 식각 공정으로 음의 경사면(negative-sloped profile)이 생길 수 있는데 이러한 현상은 식각 속도를 낮추도록 식각 조건을 조절함에 의해 보정될 수 있다.
마지막으로, 패키지 기판 장착 단계로서, 상기와 같이 제조된 공동 구조를 Au/Sn 플립칩 범프를 이용하여 박막 기판에 플립칩 장착한다(S130). Au/Sn 범프의 높이는 플립칩 본딩 후에 약 20㎛이다.
한편, 본 발명에 따른 공동 공진기를 이용하여 대역통과 필터를 제조할 수 있다. 도 8은 패키지 기판에 집적화된 대역통과 필터를 도시하고 있으며, 도 9는 실리콘 기판을 이용해서 제작된 대역통과 필터 공동 공진기 구조의 SEM 사진이다.
신호의 필터링, 디플렉싱 및 멀티플렉싱을 위해 저 삽입손과 고도의 선택도를 가진 고성능 밀리미터파 필터가 되구되는데, 본 발명에 따른 공동 공진기를 이용하여 제작된 도 8과 도 9의 대역통과 필터는 이러한 요구를 만족한다.
유한 주파수에 전송 제로점(transmission zeros)을 가진 한쌍의 필터는 훨씬 개선된 스커트 선택성(skirt selectivity)을 가져서 작은 크기임에도 필터 선택도를 개선할 수 있다.
일반적으로 양의 결합과 음의 결합을 이용한 비인접 공진기들의 교차결합은 전송 제로점을 무한 위치에서 유한 위치로 이동시키며, 이는 다중 경로를 제공하여 입력과 출력 포트들 사이의 신호 소거를 발생시킨다. 비인접 공진기들 사이의 양의 결합은 공통 공진기 벽에 유도성 아이리스(inductive iris)를 이용한 자기 결합 구 조를 통해 쉽게 얻어진다.
그런데, 비인접 공진기들 사이의 음의 결합을 위해서는 공동 공진기에서의 공정 상의 제한 때문에 특별한 주의가 필요하다. 전류 프로브를 이용한 음의 결합을 이용하여 도시된 바와 같은 V-밴드 준-타원 대역통과 필터를 구현할 수 있다. 이와 같은 4극 준-타원 대역통과 필터는 최저의 삽입손과 고 스커트 선택도를 가진 W-대역 대역통과 필터 중의 하나라 할 수 있다.
한편, 본 발명의 공동 공진기 구조를 이용한 다른 응용예로 V-밴드 CMOS 발진기를 들 수 있다. 도 10은 이러한 공동 공진기를 적용한 CMOS 발진기 회로도를 도시하고 있으며, 도 11은 이러한 발진기 구조에 이용가능한 공동 공진기 구조를 도시하고 있다.
최근, CMOS 기술이 밀리미터파 응용에 있어서 강력한 후보 기술로 대두되었다. 그러나, 밀리미터파 응용의 경우 신뢰성있는 고품질 데이터 전송을 위해서는 저 위상잡음과 고 안정성을 가진 주파수원이 필요하기 때문에 CMOS 기술에 고유한 높은 위상잡음과 낮은 Q값은 문제로 남게 된다. CMOS 주파수원의 위상잡음 성능을 개선하기 위해서 높은 Q값의 공진기가 CMOS 발진기 회로에 적용될 수 있는데, 이는 발진기의 안정성과 위상잡음 성능이 부하 회로의 Q값이 강하게 의존하기 때문이다.
도 10은 이러한 발진기 구조의 회로도로서, 미세가공 공동(1100)이 발진기의 병렬 피드백 소자로 사용되고, 0.13㎛ IBM CMOS 기술을 이용한 저잡음증폭기(LNA)가 병렬 피드백 발진기의 CMOS 이득 블록(1240)으로 사용되어 일측은 급전선(1230) 을 통해 미세가공 공동(1100)에 연결되며 타측은 지향성 결합기(1250)를 통해 출력단에 연결된 구조가 도시되어 있다.
이러한 구조에서는 입력과 출력 사이의 고선택도 양의 피드백이 안정된 발진을 일으키며, 이는 출력 신호의 일부를 미세가공 공동 공진기를 통해 입력으로 피드백함에 따라 얻어지는 것이다. 이러한 구조는 스퓨리어스 발진이 없는 직관적인 설계를 가능하게 하는데, 이는 공동을 이용한 직렬 피드백 구조를 통해 달성될 수 있다.
도 11은 전류 프로브(1020)와 홈 구조(1010)로 특징지어지는 I/O포트를 모두 공동 구조(1100)의 동일면에 구비하여 공동 공진기에 결합된 급전선(1230) 길이를 단축시킨 형태의 미세가공 공동으로서, 도 10에 도시된 병렬 피드백 소자로 사용되기에 적합한 구조의 미세가공 공동 공진기의 구조를 도시하고 있다.
이러한 발진기는 실리콘 기술을 이용한 밀리미터파 발진기로서 최저의 위상잡음 성능과 대출력전력을 제공한다.
이상에서는 실리콘 기둥을 이용한 전류 프로브와 함께 제공되는 미세가공 공동의 집적화 방법을 설명하였다. 공동 구조 형성을 위한 깊은 RIE 공정으로 공동 구조와 함께 형성되는 실리콘 기둥은 공동 공진기와 외부 회로 사이에 최소 패키지 기판 효과를 가진 결합을 제공한다. 따라서 이러한 미세가공 공동은 플립칩 연결을 통해 패키지 기판에 쉽게 집적될 수 있다.
또한, 이러한 미세가공 공동을 이용하여 W-밴드 준-타원형 4극 공동 필터와 V-밴드 병렬 피드백 CMOS 발진기가 플립칩 연결을 통해 박막 기판 상에 성공적으로 구현될 수 있으며, 이는 저비용 고효율의 밀리미터파 무선 프론트엔드 송수신기의 구현을 가능하게 한다.
이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 위주로 하여 본 발명에 대해 설명하였지만 본 발명이 상기한 예시 사항에 한정되는 것은 아니며, 따라서 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 당업자에 의해 본 발명의 수정과 변경 및 다양한 응용예들이 도출될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 실리콘 전류 프로브를 구비한 공동 공진기의 기하학적 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동 공진기의 전류 프로브(120)와 측벽을 자세하게 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 도 1의 공동 공진기의 공동 구조의 SEM 사진이다.
도 4는 도 1의 공동 공진기의 패키지 기판을 구성하는 박막 기판의 마이크로사진이다.
도 5(a) 내지 도 5(f)는 전류 프로브의 크기와 위치에 따른 외부 Q값의 변화를 도시하고 있다.
도 6은 도 3, 4에 따른 94Hz 공동 공진기의 S-파라미터를 도시한 그래프로서, 전류 프로브 팁을 기준면으로 하여 측정한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동 공진기의 제조 방법의 공정 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동 공진기 구조를 이용하여 패키지 기판에 집적화된 대역통과 필터를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 대역통과 필터 공동 공진기 구조의 SEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공동 공진기 구조를 적용한 CMOS 발진기 회로도이다.
도 11은 도 10의 발진기 구조에 이용가능한 공동 공진기 구조를 도시하고 있다.

Claims (16)

  1. 가공 공정을 통해 동시에 형성되는 전류 프로브와 홈 구조를 구비한 공동 구조; 및
    상기 공동 구조가 집적된 패키지 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈구조는 외부 회로와 상기 전류 프로브의 연결 시에 간섭 효과를 제거해 주기 위해 적어도 하나 제공되며, 상기 전류 프로브는 적어도 하나의 기둥 또는 월 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 프로브와 상기 홈 구조를 포함하는 상기 공동 구조의 내면은 금속 도금되는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공동 구조와 상기 외부 회로 사이의 입출력 포트로 동작하는 박막 마이크로스트립 또는 CPW을 더 포함하는 것을 특징으로 미세가공 공동 공진기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 공동 구조는 사각형 구조 또는 원통형 구조인 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 가공 공정은 실리콘 기판, GaAs 기판 또는 글래스 기판의 식각 공정인 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 공동 구조는 상기 패키지 기판 상에 플립칩 본딩, 메탈 본딩 또는 에폭시 본딩을 통해 집적되는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 미세가공 공동 공진기를 적어도 하나 포함하도록 집적화된 미세가공 공동 공진기의 결합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 대역통과 필터.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 미세가공 공동 공진기;
    이득 블록; 및
    방향성 결합기를 포함하도록 구성되며,
    상기 미세가공 공동 공진기가 병렬 피드백 소자로 이용되는 것을 특징으로 하는 발진기.
  10. 실리콘 기판에 산화막을 패턴 형성하는 단계;
    상기 산화막을 마스크로 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 공동 구조를 형성하는 단계;
    상기 식각된 실리콘 기판 표면을 금속 도금하는 단계; 및
    상기 금속 도금된 공동 구조를 패키지 기판에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판을 식각하여 공동 구조를 형성하는 단계는 측벽에 적어도 하나의 홈 구조를 가지며 공동 내부에 적어도 하나의 실리콘 기둥 전류 프로브를 구비하도록 상기 공동 구조를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공동 구조를 상기 패키지 기판에 장착하는 단계는 상기 공동 구조와 상기 패키지 기판의 플립칩 본딩 단계인 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 식각은 깊은 RIE 공정 또는 습식 식각 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화막은 2㎛의 두께로 증착되며, 상기 실리콘 기판의 식각은 230㎛ 깊이까지 보쉬 공정을 통한 깊은 RIE 공정으로 건식 식각되며, 상기 금속 도금은 Ti/Au 씨드 금속을 스퍼터링하고 5㎛ 두께로 Au를 전기 도금하는 공정으로 수행되며, 상기 금속 도금된 공동 구조를 패키지 기판에 장착하는 단계는 Au/Sn 플립칩 범프를 이용하는 플립칩 본딩 단계인 것을 특징으로 하는 미세가공 공동 공진기 제조 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 미세가공 공동 공진기를 집적화하여 형성되는 것을 특징으로 대역통과 필터.
  16. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 미세가공 공동 공진기를 피드백 소자로 이용하는 것을 특징으로 하는 발진기.
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