KR20130002728A - 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법 - Google Patents

실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법이 개시된다. 실리콘 트렌치는 실리콘 기판의 식각에 의해 형성되고, 복수의 실리콘 비아는 실리콘 기판의 식각에 의해 실리콘 트렌치 내부에 서로 이격되도록 형성되며, 상부 도체면은 실리콘 트렌치의 상부를 커버하며, 커플링 슬롯이 형성되어 있고, 유전체는 상부 도체면과 실리콘 트렌치 사이에서 복수의 실리콘 비아를 제외한 공간을 채운다. 본 발명에 따르면, 실리콘 공정과 완전히 호환되면서도 도파관의 우수한 RF 특성을 가지는 기판 집적형 도파관을 구현할 수 있다. 또한 공정 호환성에 의해 실리콘 회로 및 RF MEMS 등을 일괄 공정으로 집적시킬 수 있으므로 제조 단가가 낮아지며, 동작 주파수, 주파수 대역폭과 같은 RF 특성 변조가 가능한 가변형 기판 집적형 도파관을 구현할 수 있다.

Description

실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법{Substrate Integrated Waveguide with embedded silicon vias and fabricating method thereof}
본 발명은 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로머시닝 공정 기술에 기반한 실리콘 비아와 BCB 유전체를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
장방형 도파관(Waveguide)은 밀리미터파 대역에서 고전력을 다룰 수 있으며, 저 손실 특성을 갖고 있어 무선통신 분야에서 지배적인 기술로서 이용되고 있다. 실제로 대부분의 밀리미터파용 안테나, 필터, 전력 분배기, 공진기 등은 도파관을 기반으로 한다.
그러나 큰 부피를 차지하는 장방형 도파관의 3차원 기하학적 구조는 높은 비용, 제조공정의 복잡성, 및 RF 소자와의 낮은 집적성 등의 문제가 있다.
상술한 장방형 도파관의 단점을 극복하고 이를 대체할 수 있는 구조로 기판 집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide : SIW)이 제안되었다. 기판 집적형 도파관은 평면 혹은 비평면 구조를 조합하여 제작될 수 있다. 또한 장방형 도파관의 장점을 희생하지 않고 일괄 공정을 통해서 시스템 통합을 이룰 수 있다.
그러나 기판 집적형 도파관 역시 실리콘 기반 회로나 RF MEMS 튜닝 컴포넌트에서는 통합되기 어려운 문제가 있었다. 기판 집적형 도파관은 전통적으로 비아(via)형성에 유리하지만 실리콘 공정에는 호환되기 힘든 PCB 기판이나 저온동시소결세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic : LTCC)/고온동시소결세라믹(High Temperature Co-fired Ceramic : HTCC) 기판으로 제조되기 때문이다.
따라서 기존의 기판 집적형 도파관과 달리 실리콘 기반의 회로나 RF MEMS 등에서 가변 소자와 일괄 공정으로 집적이 용이한 새로운 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실리콘 기반의 회로나 RF MEMS 등의 가변 소자와 일괄 공정으로 집적이 용이한 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관은, 실리콘 기판의 식각에 의해 형성된 실리콘 트렌치; 상기 실리콘 기판의 식각에 의해 상기 실리콘 트렌치 내부에 서로 이격되도록 형성된 복수의 실리콘 비아; 상기 실리콘 트렌치의 상부를 커버하며, 커플링 슬롯이 형성된 상부 도체면; 및 상기 상부 도체면과 상기 실리콘 트렌치 사이에서 상기 복수의 실리콘 비아를 제외한 공간에 채워지는 유전체;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법은, 실리콘 기판을 식각하여 실리콘 트렌치와 복수의 실리콘 비아를 동시에 형성하는 식각 단계; 상기 트렌치의 내부와 상기 실리콘 비아를 도체로 코팅하는 금속 박막증착 단계; 상기 트렌치 내부에서 상기 실리콘 비아를 제외한 공간을 폴리머 유전체로 채우는 양생 단계; 상기 유전체의 표면을 평탄하게 하는 연마 단계; 및 상기 연마된 유전체의 표면에 상부 도체면을 형성하기 위해 도체로 전기도금하는 전기도금 단계;를 가진다.
본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법에 의하면, 실리콘 공정과 완전히 호환되면서도 도파관의 우수한 RF 특성을 가지는 기판 집적형 도파관을 구현할 수 있다. 또한 공정 호환성에 의해 실리콘 회로 및 RF MEMS 등을 일괄 공정으로 집적시킬 수 있으므로 제조 단가가 낮아지며, 동작 주파수, 주파수 대역폭과 같은 RF 특성 변조가 가능한 가변형 기판 집적형 도파관을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관의 구성에 대한 바람직한 실시예를 도식화한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관의 상부 표면을 나타낸 이미지,
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관의 단면도를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지,
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도식화한 도면, 그리고,
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관의 특성을 시뮬레이션하여 S-파라미터를 측정한 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관의 구성에 대한 바람직한 실시 예를 도식화한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관은 실리콘 트렌치(110), 복수의 실리콘 비아(120-1,120-2,...,이하 '120'), 상부 도체면(130), 유전체(140)로 구성된다.
실리콘 트렌치(110)는 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각(etching)하여 형성된다. 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 바람직한 실시 예에서는 500um의 두께의 4인치 저 저항 실리콘 기판에 DRIE 방법을 이용하여 400um 깊이의 실리콘 트렌치(110)를 실리콘 비아(120)와 함께 형성할 수 있다.
이때 복수의 실리콘 비아(120)도 실리콘 트렌치(110)를 식각함과 동시에 일정한 간격으로 형성되는데, 실리콘 트렌치(110)와 실리콘 비아(120)를 동시에 식각함으로써 전체 제작 공정이 단순화되고 전체적인 공정 비용이 감소된다.
실리콘 트렌치(110)와 실리콘 비아(120)를 식각하는 방법은 여러 가지가 있으며, 일 실시 예로서 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관에 대하여는 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching : DRIE) 기법이 사용될 수 있다. DRIE 기법은 실리콘 에칭 방법 중 하나로 고밀도의 유도결합(inductively coupled) 플라즈마 소스를 사용하고 실리콘 식각과 고분자 보호층 증착을 번갈아 하면서 고종횡비(high aspect ratio)의 마이크로 구조물을 형성할 수 있는 방법이다.
그 결과 본 발명에서 제안한 기판 집적형 도파관 구조는 특히 실리콘 비아(120) 형성에 있어 상대적으로 간단한 공정에 의해 제작됨으로써, 실리콘 회로나 RF MEMS 소자와 쉽게 집적될 수 있고 용이하게 고성능 가변 RF 회로를 개발할 수 있다.
또한 실리콘 기반 회로나 RF MEMS에서의 집적화된 간편한 제조 공정으로 인해 본 발명에 따른 실리콘 기판 집적형 도파관은 밀리미터파 기반 장치에서 중요한 플랫폼으로 사용될 수 있다.
실리콘 트렌치(110)의 깊이, 즉 실리콘 비아(120)의 길이는 DRIE의 깊이에 따라 결정되므로, 식각하는 과정에서 DRIE 공정 시간을 조절하여 실리콘 트렌치(110)의 깊이와 실리콘 비아(120)의 길이를 용이하게 조절할 수 있다. 실리콘 트렌치(110)의 깊이와 실리콘 비아(120)의 길이는 도파관의 동작 주파수에 영향을 주는바, 본 발명에 따르는 기판 집적형 도파관의 동작 주파수 역시 쉽게 조절이 가능하다.
실리콘 비아(120)의 지름과 실리콘 비아(120) 사이의 간격(pitch)은 방사 손실과 도체 손실 특성에 영향을 미친다. 실리콘 비아(120)의 지름이 작아질수록 도체 손실은 줄어들지만 방사 손실이 높아진다. 또한 실리콘 비아(120) 사이의 간격이 짧아질수록 방사 손실은 낮아지지만 도체 손실이 증가한다. 이러한 특성에 따라 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 바람직한 실시 예에서는, 400um 깊이의 실리콘 트렌치(110)에서 상용 전자기 시뮬레이션 프로그램에 의해 실리콘 비아(120)의 지름을 0.5mm로, 실리콘 비아(120) 사이의 간격을 1.0mm로 최적화하였다. 여기서 실리콘 비아(120) 사이의 간격(pitch)은 비아(120) 사이의 이격을 포함하여 비아(120)가 반복되어 형성되는 거리를 말한다.
도 2는 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 상부 표면을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 트렌치(110)의 상부를 커버하는 상부 도체면(130)은 커플링 슬롯(150)이 형성되어 있다.
커플링 슬롯(150)은 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 TEM 모드에서 TE 모드로의 전이를 돕는다. 상부 도체면(130)에 형성된 1/4 파장 삼각 커플링 슬롯(150)은 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관이 광대역 주파수 특성을 가질 수 있도록 디자인되었다. 삼각 커플링 슬롯(150)은 전기장과 실리콘 비아(120)가 언제나 서로 수직하도록 함으로서 부드러운 전환을 유도하고, 임피던스 변환기의 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 바람직한 실시 예에서는 삼각 커플링 슬롯(150)의 길이는 2mm로 형성될 수 있다.
유전체(140)는 다양한 종류의 유전물질 중에서 벤조사이클로부테인(benzocyclobutene : BCB) 중합체가 사용될 수 있다. BCB 중합체는 고주파 대역에서의 우수한 마이크로파 특성을 갖고 있어 유전체 물질로 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 단면도를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 3을 참조하면, 복수의 실리콘 비아(120)를 제외한 실리콘 트렌치(110) 내부에 BCB 유전체(140)가 충전되어 있으며, 실리콘 트렌치(110)의 상부에는 상부 도체면(130)이 전기도금되어 있다. 또한 화학기계적 연마(CMP) 공정 중에 BCB 유전체(140) 표면에 작은 양의 디싱(dishing) 이 형성되었다. 하지만 이러한 문제에 불구하고 RF 특성은 거의 영향을 받지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관 제조 방법에 대한 바람직한 실시 예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.
또한 도 5는 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관 제조 방법에 대한 바람직한 실시 예의 수행과정을 도식화한 도면이다.
도 4와 도 5을 참조하여 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관 제조 방법에 대하여 설명한다.
첫째, 500um의 두께의 4인치 저 저항 실리콘 기판에 DRIE 프로세스를 이용하여 복수의 실리콘 비아(120)를 내부에 포함하는 400um 깊이의 실리콘 트렌치(110)를 형성한다. 저 저항 실리콘 기판은 실리콘 물질의 도체 손실을 최소화하기 위해 사용된다. 또한 복수의 실리콘 비아(120)는 실리콘 트렌치(110)를 식각함과 동시에 형성된다.
둘째, 크롬/금(10/50nm) 층은 복수의 실리콘 비아(120)와 실리콘 트렌치(110)의 바닥면을 코팅하기 위해 스퍼터링(sputtering) 공정으로 박막 증착된다.
셋째, 액체 상태의 BCB 유전체(140)를 실리콘 트렌치(110)에 채우고, 최종 온도 130℃에서 10분간 양생한다. BCB 유전체(140)에 솔벤트 증발에 따른 기포가 형성되거나, 높은 응력(stress)에 의해 디바이스가 휘어지는 현상을 방지하기 위해서 양생 과정 중에 온도를 점차적으로 서서히 증가시킨다.
넷째, 과도포된 BCB 유전체(140) 표면은 화학기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing : CMP) 방식으로 가공하여 실리콘 표면과 같은 높이로 평탄화시킨다. 그리고 크롬/금(25nm/100nm) 층은 BCB 유전체(140) 표면 위에 도금 기반층(seed layer)으로 박막증착된다.
다섯째, 마지막으로 3um 두께로 금 전기 도금을 시행하여 상부 도체면(130)과 커플링 슬롯(150)을 형성한다. 실리콘 기판 집적형 도파관을 제작하는 동안 BCB 유전체(140)를 떠받치는 실리콘 층의 바닥면은 구조적 변형을 거치지 않고 남아있다.
도 6은 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 특성을 시물레이션하여 S-파라미터를 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실리콘 기판 집적형 도파관의 RF 특성은 HP 8510C 벡터 네트워크 분석기로 측정하였다. 본 발명에 따른 기판 집적형 도파관의 주요 전파 모드는 20GHz 이상에서 형성되었다. 차단 주파수는 18GHz에서의 실험결과 보다 조금 치우친 17.3GHz로 측정되었다. 삽입 손실(insertion loss)은 25~40GHz에서 1.4dB보다 좋은 것으로 측정되었다. 최소 삽입 손실은 36GHz에서 0.8dB 이다. 반사 손실(return loss)은 25~40GHz에서 10dB 이하인 것으로 측정되었다. 실리콘 기판 집적형 도파관은 25GHz 이상의 주파수 영역에서 1.4dB 이하의 전송손실을 보여주었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110 - 실리콘 트렌치
120 - 복수의 실리콘 비아
130 - 상부 도체면
140 - 유전체
150 - 커플링 슬롯

Claims (7)

  1. 실리콘 기판의 식각에 의해 형성된 실리콘 트렌치;
    상기 실리콘 기판의 식각에 의해 상기 실리콘 트렌치 내부에 서로 이격되도록 형성된 복수의 실리콘 비아;
    상기 실리콘 트렌치의 상부를 커버하며, 커플링 슬롯이 형성된 상부 도체면; 및
    상기 상부 도체면과 상기 실리콘 트렌치 사이에서 상기 복수의 실리콘 비아를 제외한 공간에 채워지는 유전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체는 벤조사이클로부테인(benzocyclobutene : BCB) 중합체인 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 커플링 슬롯은 높이가 1/4파장인 삼각형 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 트렌치와 상기 복수의 실리콘 비아는 실리콘 기판에서 한 번의 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching : DRIE) 방식으로 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관.
  5. 실리콘 기판을 식각하여 실리콘 트렌치와 복수의 실리콘 비아를 동시에 형성하는 식각 단계;
    상기 트렌치의 내부와 상기 실리콘 비아를 도체로 코팅하는 금속 박막 증착 단계;
    상기 트렌치 내부에서 상기 실리콘 비아를 제외한 공간을 폴리머 유전체로 채우는 양생 단계;
    상기 유전체의 표면을 평탄하게 하는 연마 단계; 및
    상기 연마된 유전체의 표면에 상부 도체면을 형성하기 위해 도체로 전기 도금하는 전기도금 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 식각 단계에서, 한 번의 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching : DRIE) 방식으로 상기 실리콘 기판을 식각하는 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 연마 단계에서, 화학기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing : CMP) 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 비아를 갖는 기판 집적형 도파관 제조 방법.
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