KR20150035688A - 서파 무선주파수 전달선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 스트립의 면에 평행한 도전면(37)에 연결된 전도성 스트립(31)을 포함하는 무선주파수 전달선으로서, 도전면은 전도성 스트립의 면에 직각으로 상기 전도성 스트립 방향으로 연장되는 도전성 및 비자성 재료의 나노와이어(36)의 망을 포함하는 무선주파수 전달선에 관한 것이다.

Description

서파 무선주파수 전달선{slow-wave radiofrequency propagation line}

본 발명은 무선주파수(RF) 전달선에 관한 것이다. 여기서 무선주파수는 10 내지 500 GHz의 주파수 범위의 밀리미터파(millimetric wave) 또는 서브밀리미터파 (submillimetric wave) 영역을 의미한다.

집적회로의 계속적인 발전으로 무선주파수 영역에서 매우 높은 주파수에서의 동작에 맞추어질 것 같다. 사용되는 수동 소자(passive element)로는 어댑터, 감쇠기, 출력분배기, 필터, 안테나, 위상조정기(phase-shifter), 발룬(balun) 등이 포함된다. 이들 소자들을 연결하는 전달선은 무선주파수 회로에서 기본 요소를 형성한다. 이를 위해서는 높은 선질계수를 갖는 전달선이 필요하다. 선질계수(quality factor)는 주어진 위상 이동에 대한 전달선의 삽입 손실을 나타내기 때문에 필수적인 파라미터이다.

일반적으로 이런 전달선은 10 μm 미만 내지 대략 50 μm 범위의 횡치수와 1 마이크로미터(사용하는 기술에 따라서 0.5 내지 3 μm) 크기의 두께를 갖는 전도성 스트립을 포함한다. 이런 전도성 스트립은 이 전도성 스트립으로 도파관형 구조를 형성하려고 하는 도전면을 구성하는 하나 또는 다수의 상부 및/또는 하부 횡방향 도체로 둘러싸여 있다. (예를 들어 실리콘 상에) 전자 집적회로를 형성하는데 사용 가능한 기술에서 전도성 스트립과 도전면은 반도체 기판 위에 형성된 금속 레벨의 요소들로 형성된다.

가장 단순한 고주파수 전달선은 도 1에 도시된 것이다. 이 전달선은 기판(7)에 지지된 전도성 도전면(5) 위에 형성된 박형 절연층(3) 위에 배치된 단위 길이당 표면적(S)을 갖는 전도성 마이크로스트립(1)을 포함한다.

이런 전달선의 선질계수를 높이고 동일한 전기 위상 이동을 유지하면서 물리적 길이를 줄이기 위해서는 이 전달선에서 파동 전달속도를 감소시키는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 이런 전달 속도는 전달선의 단위 길이당 인덕턴스(L)를 단위 길이당 커패시턴스에 곱한 값의 제곱근의 역수에 비례한다. 이 전달선의 단위 길이당 커패시턴스는 대략 εS/h가 될 수 있는데, 여기서 ε는 절연층(3)의 절연재의 유전률을 나타내고 h는 절연층(3)의 두께를 나타낸다. 따라서 유전률(ε)은 아주 크게 변화시킬 수 없다. 실제로 이런 유전률은 절연층(3)을 구성하는 재료에 따라서 다르며, 고유전률의 재료들은 대체로 증착되기 어렵고 집적 회로와 관련한 실시형태와 함께 거의 사용할 수 없는 재료다. 따라서 전달선의 단위 길이당 표면적(S)을 증가시키거나 절연체의 두께(h)를 감소시키도록 시도할 수 있다. 그러나 불행하게도 이런 해결책들은 커패시턴스(C)를 효과적으로 증가시키면 이와 관계되어 인덕턴스(L)가 감소되는 경향이 있다. 이때 곱의 값(C.L)이 실질적으로 일정하게 유지된다. 높은 선질계수를 갖는 소형 전달선을 얻기 위한 다른 방법들이 탐구되어 왔다.

특히 고성능형의 전달선은 미국특허 제6,950,590호에 설명되어 있는데, 그 특허의 도 4a는 첨부 도면의 도 2에 도시되어 있다. 절연체(127)에 의해 분리된 금속 레벨로 피복된 실리콘 기판(128) 상에는 작은 폭, 예를 들어 대략 0.1 내지 3 μm 범위의 평행한 스트립으로 분할된 하측 도전면(136)이 형성되어 있다. 그보다 높은 금속화 레벨에는 횡방향으로 동일면의 도전 스트립(124, 126)으로 둘러싸인 실제 전달선을 구성하는 중앙 전도성 스트립(122)이 형성되어 있다.

이런 전달선의 특징 및 이점들은 전술한 미국 특허에 상세하게 설명되어 있다. 중앙 스트립(122)과 도전선(124, 126)의 조립체는 동일면상에 있으며, 이런 구조는 현재 동일면 도파관(coplanar waveguide, CPW)이라고 부른다. 또한 이 특허에 기재된 바와 같이 이 구조는 현재 S-CPW라고 부르는 서파(slow wave) 동일면 도파관을 구성한다. 그 결과, 이 전달선은 동일 위상 이동에 대하여 종래의 전달선보다 짧은 길이를 가질 수 있다.

상기 미국 특허의 [0046] 단락에서 "이 S-CPW 전송선 구조는 전기장을 차폐하고 자기장이 보다 큰 용적을 채우게 하여 실제로 전송선에 의해 저장되는 에너지를 증가시킨다. 이는 선질계수의 대단한 증가를 야기한다"라는 점이 주목된다.

상기 미국 특허의 전달선은 그 작은 손실과 관련하여 많은 이점들을 갖지만, 전달 스트립의 각 측면상에 두 개의 도전면을 제공할 필요가 있기 때문에 비교적 큰 표면적을 차지하는 결점들을 갖는다. 60GHz에서 두 개의 횡방향 도전면을 포함한 전달선의 폭은 50 내지 125 μm의 범위에 있어야 하는데, 그 최대치는 최대 선질계수에 해당한다. 또한 사용 주파수는 60 내지 100 GHz의 범위의 값에 제한된다. 실제로 아주 진보되고 고비용의 기술을 사용하지 않는 한 하측 도전면(136)의 분할체를 구성하는 평행 스트립들의 폭은 실제로는 0.2 μm보다 작은 값까지 감소될 수 없으며, 따라서 주파수가 증가함에 따라서 와류가 이들 스트립내에서 순환하기 시작하여 상당한 손실을 야기한다.

2007년에 IEEE antennas and wireless propagation letters, Vol. 6에서 발행된 M. Colombe 등의 문헌은 도 3에 도시된 바와 같은 마이크로스트립 회로용 유전 구조를 설명한다. 이 구조는 제 1 절연 기판(22)의 제 1 면상에 형성된 라인(21)을 포함하는데, 제 1 절연 기판(22)은 전도성 비아(24)와 교차되는 제 2 절연 기판(23)의 제 1 면에 의해 지지되는 제 2 면을 갖는다. 제 2 절연 기판(23)의 제 2 면상에는 비아(24)와 전기적으로 접촉된 도전성 기판(25)이 형성되어 있다. 기판(22, 24)은 "Duroid 6002" 재료로 만들어져 있고 동일 두께(0.508 mm)를 갖는 것으로 적시되어 있다. 상기 문헌은 1-5 GHz의 주파수에서 동작하는 장치를 대상으로 한다. 상기 문헌은 이 구조가 "파장 압축(wavelength compression)"을 가능하게 하는데 이는 단위 길이당 표면적 감소를 야기하는 파동 위상 속도의 감소에 해당한다는 것을 의미한다. 그러나 이러한 감소는 불충분한 것으로 생각되며 이 구조는 10 GHz보다 큰 주파수에는 맞지 않는다.

따라서 선질계수의 관점에서 높은 성능을 갖고 단위 길이당 최소의 표면적을 점유하는 전달선이 필요하다.

선질계수의 관점에서 높은 성능을 갖고 100 GHz보다 큰 주파수, 예를 들어 500 GHz 까지의 주파수에서 동작할 수 있는 전달선이 필요하다.

따라서 본 발명의 실시형태는 단위 길이당 최소의 표면적을 갖고 낮은 손실을 가지며 500 GHz 크기의 값에 도달할 수 있는 주파수에서 동작할 수 있는 전달선인 마이크로스트립 라인을 형성하는 것을 목적으로 한다.

보다 일반적으로, 본 발명의 실시형태는 전달선과 관련된 전기장이 최소의 두께에 집중됨과 함께 자기장이 훨씬 넓게 확장될 수 있는, 고주파수에서 동작하는 시스템용 지지체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시형태는, 전도성 스트립의 면에 평행한 도전면과 관련된 제 1 두께(h1)를 갖는 제 1 절연층상에 형성된 전도성 스트립을 포함하는 무선주파수 전달선으로서, 도전면은 제 2 두께(h2)를 갖는 제 2 절연층에서 상기 스트립쪽으로 전도성 스트립의 면에 직각으로 제 1 절연층까지 연장되는 도전성 및 비자성 재료의 나노와이어의 망을 포함하며, 제 1 절연층의 두께와 제 2 절연층의 두께 사이의 h1/h2의 비율은 0.05보다 작은 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선을 제공한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 나노와이어는 도전면상에 형성된 세라믹층 속에 형성되며, 세라믹층 자체는 절연층으로 피복되어 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 세라믹층은 알루미나층이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 제 1 절연층은 0.5-2 μm 범위의 두께를 가지며, 나노와이어는 50 μm 내지 1 mm의 길이를 갖는다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 나노와이어는 30-200 nm의 직경과 60-450 nm의 간격을 갖는다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 제 1 절연층(33) 아래에 도전면(37)에 연결된 나노와이어(36)와 교차하는 제 2 절연층(35)을 포함하며, 제 1 절연층의 두께와 제 2 절연층의 두께 사이의 h1/h2의 비율은 0.05보다 작은 무선주파수 성분 지지체가 제공된다.

전술한 그리고 그외의 특징 및 이점들은 첨부된 도면과 관련하여 아래 특정 실시예에 국한되지 않는 설명에서 상세히 개시될 것이다.
도 1은 앞에서 설명한 것으로서 마이크로스트립형 전달선을 도시하는 사시도.
도 2는 앞에서 설명한 것으로서 미국 특허 제6,950,590호의 도 4a의 사본.
도 3은 앞에서 설명한 것으로서 앞에서 언급한 M. Colombe 등의 논문에서 설명한 구조를 도시한 단면도.
도 4는 서파 마이크로스트립형 라인의 실시형태의 단면도.
도 5는 도 4의 부분확대도.
도 6은 본 전달선의 물리적 특징에 따른 전달선의 위상 속도를 도시하는 곡선.
마이크로 전자 부품의 묘사에서 일반적인 것처럼 다양한 도면의 요소들은 일정한 축척으로 도시되어 있지 않다.

도 4는 마이크로스트립형 라인(microstrip-type line)의 실시형태를 보여준다. 기판(39) 위에 형성될 수 있는 도전면(37)상에 놓여진 제 2 절연층(35)상에 형성된 제 1 절연층(33)상에는 전도성 스트립(35)이 놓여진다. 절연층(33)은 산화규소층이나 현재 집적회로 제조에 사용되는 다른 절연재층일 수 있다. 층(37)은 예를 들어 0.5 내지 2 μm의 두께를 갖는다. 제 2 절연층(35)은 예를 들어 알루미나 같은 세라믹층이다. 층(35)은 실질적으로 수직한 캐비티(스트립 라인(31)에 직각인 면의 캐비티)를 구비한다. 캐비티들은 도전면(37)과 전기적으로 접촉되어 있는 비자성 도전재, 예를 들어 구리, 알루미늄, 은 또는 금으로 만들어진 나노와이어(36)로 채워져 있다. 가변적인 기공률을 갖는 알루미나막에 나노와이어망을 제조하는 다양한 방법들이 알려져 있고 사용될 수 있다. 유리하게는 나노와이어(36)는 소직경, 예를 들어 30-200 nm를 가질 수 있는데, 엣지 사이의 거리는 60-450 nm다. 절연층(35)의 두께(h2)에 해당하는 나노와이어의 길이는 50 μm 내지 1 mm의 범위에 있을 수 있는데, 즉 h1이 2.5 μm라면, h1/h2의 비는 0.0025 내지 0.05의 범위가 될 것이다.

도 5는 신호가 라인(31)에 인가될 때 전기장 라인(E) 및 자기장 라인(H)의 형상을 도시한다. 전기장(E)에 있어서, 층(33)과 층(35) 사이의 계면에서 나노와이어(36)의 단부가 현재 기면인 도전면(37)과 동일 전위에서 등전위선에 해당한다면 전기장이 퍼지는 절연층의 두께는 층(33)의 두께(h)에 한정된다. 따라서 전기장은 층(33)과 층(35) 사이의 계면 아래로 변하지 않는다. 그러나 자기장(H)의 관점에서 본다면 자기장 라인들은 비자성 재료로 만들어진 나노와이어에 의해 방해받지 않고 제 2 절연재(35) 속으로 자유롭게 침투한다.

이에 따라서 전술한 미국특허 제6,950,590호에서 언급한 라인의 선질계수(quality factor)가 증가하는 이점이 제공된다. 여기서 이런 이점은 마이크로스트립 및 도전면을 갖는 형태의 단순한 전달선에서 얻어지는데, 여기서 마이크로스트립은 단지 수 μm, 예를 들어 3-10 μm의 폭을 가질 수 있다.

도 6은 h1/h2의 비율에 대한 위상 속도(Vφ)의 변화를 보여준다. Vφ는 h1/h2의 비율이 0.4보다 크다면 실질적으로 일정하게 유지되지만 h1/h2의 비율이 0.2보다 작아지자마자 급속히 감소됨을 알 수 있다. 특히 h1/h2의 비율이 0.05보다 작아지자마자 Vφ는 절반으로 감소한다. 이런 h1/h2의 값, 그리고 Vφ의 값은 전술한 M. Colombe의 문헌에는 제시되지 않았으며, 상기 문헌에서 설명한 기판 형태에서는 이룰 수 없다는 것을 알 수 있다.

나노와이어의 직경은 주어진 사용 주파수에서 나노와이어를 구성하는 반도체 재료의 표피 깊이보다 작도록 선택될 수 있다. 예로서, 구리는 60 GHz에서의 표피 깊이가 250 nm의 크기다. 더 작은 직경의 나노와이어를 형성하는 것은 쉬울 것이다. 직경이 작을수록 나노와이어에서 더 적은 와류가 생길 것이며 자기장에 의한 손실이 작아진다.

본 발명은 당업자에 의해서 가능한 많은 변형예 및 수정예를 가질 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 스트립형 전달선과 관련된 특정 실시형태와 관련하여 설명하였다. 일반적으로 전기장 분포의 관점에서 제 1 절연 두께와 자기장 분포의 관점에서 제 1 절연 두께보다 큰 제 2 절연 두께를 갖는 재료를 가질 필요가 있는 경우에는 제 1 절연층 아래에서 도전면에 연결된 나노와이어에 의해 교차되는 제 2 절연층을 포함하는 무선주파수 성분 지지체가 제공될 수 있다. 나노와이어가 교차하는 제 2 절연층은 공기가 될 수 있다.

전술한 실시형태에서, 나노와이어는 도전면에서 연장되는 수직 나노와이어다. 나노와이어는 반드시 정확하게 수직일 필요는 없고 선택된 재료, 예를 들어 세라믹 층의 기공을 따라서 연장될 수 있는데, 중요한 점은 도전면과 접촉되어 있는 나노와이어의 단부와 절연층(35)의 상위에 위치하는 단부 사이에 전기적으로 연속성을 갖는 것이다.

Claims (6)

1. 전도성 스트립(31)의 면에 평행한 도전면(37)과 관련된 제 1 두께(h1)를 갖는 제 1 절연층(33)상에 형성된 전도성 스트립(31)을 포함하는 무선주파수 전달선으로서, 도전면은 제 2 두께(h2)를 갖는 제 2 절연층(35)에서 상기 스트립쪽으로 전도성 스트립의 면에 직각으로 제 1 절연층까지 연장되는 도전성 및 비자성 재료의 나노와이어(36)의 망을 포함하며, 제 1 절연층의 두께와 제 2 절연층의 두께 사이의 h1/h2의 비율은 0.05보다 작은 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 나노와이어(36)는 상기 도전면(37)상에 형성된 세라믹층(35) 속에 형성되며, 상기 세라믹층 자체는 절연층(33)으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹층은 알루미나층인 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 상기 제 1 절연층은 0.5-2 μm 범위의 두께를 가지며, 상기 나노와이어는 50 μm 내지 1 mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 한 항에 있어서, 상기 나노와이어는 30-200 nm의 직경과 60-450 nm의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 무선주파수 전달선.
6. 제 1 절연층(33) 아래에 도전면(37)에 연결된 나노와이어(36)와 교차하는 제 2 절연층(35)을 포함하며, 상기 제 1 절연층의 두께와 상기 제 2 절연층의 두께 사이의 h1/h2의 비율은 0.05보다 작은 것을 특징으로 하는 무선주파수 성분 지지체.

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