전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동 공진기 및 그 제작 방법{Cavity resonator for reducing the phase noise of a MMIC VCO}

본 발명은 Si 혹은 화합물 반도체와 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용하여 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) VCO(Voltage Controlled Oscillator)에서 출력되는 마이크로/밀리미터파의 위상잡음을 감소시킬 수 있는 새로운 공동 공진기(cavity resonator) 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

종래의 MMIC나 하이브리드(hybrid) VCO는 공진기로 유전체 디스크(dielectric disk)나 전송선(transmission line)을 주로 사용하고 있다. 그러나 마이크로/밀리미터파용 유전체 공진기는 고가이며, 공진기의 위치에 따라 공진이 일어나는 주파수가 결정되므로 위치를 잡는 것이 용이하지 않아 대량 생산에는 적합하지 않다. 또한, 전송선(transmission line) 공진기는 Q-factor가 작아 위상 잡음을 줄이는 것이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 종래의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체를 미세가공한 공동(cavity)을 이용하고, 반사형(reflection type)의 전압 제어 발진기에 이용할 수 있도록 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 공동(cavity)을 결합하여 형성한 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 공동공진기에 적용된 공동의 모양을 보여주는 도면,

도 1b 및 도 1c는 각각 본 발명에 따른 공동(空洞) 공진기(Cavity resonator)의 개략적 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이고,

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 공동 공진기(Cavity resonator)의 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들이며,

그리고 도 3은 도 1b 및 도 1c의 공동 공진기의 시뮬레이션된 S-파라미터(Simulated S-parameter)이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10. 공동(空洞)(cavity)의 하부 박막 20. 공동의 상부 박막

30. 마이크로스트립 라인 40. 금속 폴(pole)

40'. 상부 금속 폴 40". 하부 금속 폴

50. 슬랏(isolation slot) 60. 저항 박막

100. 제1웨이퍼 100a. 관통홀(via-hole)

200. 제2웨이퍼 300. 제3웨이퍼

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기는, 반도체를 직육면체 구조로 가공한 다음 도전성 박막을 입혀 만든 공동(空洞); 상기 공동의 상부 박막과 소정의 간격을 유지하여 도파로를 형성하는 마이크로스트립 라인; 상기 마이크로스트립 라인의 가장자리 부분과 공동의 하부 박막의 소정 위치를 연결하는 폴; 상기 공동의 상부 박막의 상기 폴과 만나는 부분을 소정폭 제거한 격리용 슬랏; 및 상기 폴과 만나는 상기 공동 하부 박막의 주위에 임피던스 매칭을 위하여 형성된 저항 박막;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 도전성 박막, 마이크로스트립 라인 및 금속 폴은 Au으로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기의 제작 방법은, 제1,2 및 3의 반도체 웨이퍼를 가공하여 금속 공동과 마이크로스트립 라인이 도체 폴로서 연결되는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기를 제작하는 방법에 있어서, (가) 상기 제1웨이퍼의 일측면에 Cr을 증착하고 패터닝하여 마이크로스트립 라인의 패턴을 형성하고, 그 위에 금을 도금하여 마이크로스트립 라인을 형성하는 단계; (나)`상기 제1웨이퍼의 타측면에 관통홀을 형성하고 금을 도금하여 상기 관통홀 및 상기 타측면에 각각 상부 금속 폴 및 공동의 상부 박막을 형성하며, 이 상부 박막과 상기 상부 금속 폭을 이격시키는 슬랏을 형성하는 단계; (다) 상기 제3웨이퍼의 일측에 Cr을 증착하고, 상기 도체 폴이 접촉할 부분과 매칭 저항이 형성될 부분의 Cr만을 제거한 패턴을 형성한 후, 금도금과 저항박막을 증착하여 상기 공동의 하부 박막을 형성하는 단계; (라) 상기 제2웨이퍼와 제3웨이퍼를 접합하는 단계; (마) 접합된 상기 제2웨이퍼의 노출면에 상기 도체 폴의 하부가 될 부분을 남기고 상기 제3웨이퍼에 형성된 상기 금속 공동의 하부 박막이 보일 때 까지 식각하여 공동을 형성하는 단계; (바) 상기 공동과 폴 부분을 Cr/Au로 도금하여 상기 금속 공동과 하부 금속 폴을 형성하는 단계; 및 (사) 상기 제1웨이퍼를 상기 제3웨이퍼에 접합된 상기 제2웨이퍼 노출면에 상기 관통홀에 형성된 상부 금속 폴과 상기 제2기판에 형성된 하부 금속 폴이 연결되도록 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기 및 그 제작 방법을 상세하게 설명한다.

발진기의 위상 잡음은 송수신 시스템의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소중의 하나이다. 도 1a에 도시된 바와 같이은 직육면체 금속 공동(metal cavity)의 경우 공진이 일어나는 공진주파수는 다음 수학식 1과 같다.

여기서, Vph는 공동 내에서의 위상 속도(phase velocity)이고, l,m,n은 공진 모드를 나타내는 정수이다. 공동의 성능을 측정하는 Q factor는 다음 세가지가 있고 아래와 같이 각각 정의된다.

unloaded Q(QU): QU = f0/Δf = (2πf0)W/Ploss

loaded Q(QL): unloaded Q considering the input and output load

external Q(QE): 1/QE = 1/QL- 1/QU

여기서, f ₀ 는 공진주파수, W는 저장된 에너지, Ploss는 손실 에너지로 정의된다. 위상 잡음은 공진기의 Q 값의 제곱에 반비례하기 때문에 위상잡음을 줄이기 위하여 Q값이 큰 공진기를 사용하여야 한다. 이러한 공진기를 여기(excite)시키기 위하여 전자기파 에너지를 공동(cavity)에 결합(coupling)시키는 방법에는 동축 케이블 (coaxial cable), 도파관, 혹은 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 구멍(aperture)를 이용하는 방법이 있다. 본 발명에 따른 공동공진기는, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 반도체 미세가공기술을 사용하여 전자기파 에너지를 공진기 내의 전기장이나 자기장과 결합(coupling)시켜 공진주파수에서 전반사가 일어나고 그 외의 주파수에서는 매칭저항에 의해서 소비되어지는 특성을 가지는 새로운 공동(cavity)공진기를 MEMS 기술을 이용하여 제작한 것이다. 이러한 공동공진기의 구조를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1b 및 도 1c는 각각 공동공진기(Cavity resonator)의 개략적 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공동공진기(Cavity resonator)는 기존의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체를 미세가공한 공동(空洞)을 반사형의 전압제어발진기에 채용할 수 있도록 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 결합시킨 것이다.

즉, 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기는 기본적으로 금(Au)의 박막으로 형성된 직육면체 구조의 공동(空洞)(cavity)(10, 20)과 공동(cavity)을 이루는 상부 박막(20)에 일정한 간격으로 이격되어 도파로를 이루는 Au의 박막으로 형성된 마이크로스트립 라인(30)을 구비한다. 마이크로 스트립 라인의 가장자리 부분과 공동의 하부 박막(10)의 소정 위치를 연결하는 폴(pole)(40)이 구비되며, 이 폴(40) 주변의 공동 상부 박막(20) 즉 이 폴(40)과 만나는 공동의 상부 박막(20)을 소정폭 제거한 격리용 슬랏(isolation slot)(50)이 형성된다. 그리고, 이 폴(40)과 만나는 공동 하부 박막(10)의 주변에는 임피던스 매칭을 위한 저항 박막(60)이 형성된다.

이와 같이 형성된 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기는 도 2a 내지 도 2g에 도시된 바와 같이 제작된다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1웨이퍼(100)의 앞면에 Cr을 증착하고 패터닝(patterning)하여 마이크로스트립 라인(microstrip line)(30a)을 형성하고 금(30b)을 도금한다.

다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1웨이퍼(100)의 뒷면에 관통홀(via-hole)(100a)과 격리용 슬랏(isolation slot)(50)를 만들고 금을 도금하여 관통홀에 상부 금속 폴(40')을 형성한다.

다음에, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제3웨이퍼(300)의 앞면에 Cr을 증착하고 패터닝하여, 도체(conductor) 폴(pole)이 접촉할 부분(10)과 매칭(matching) 저항(60)이 형성될 부분의 패턴을 형성한 후, 금도금과 저항박막을 증착한다.

다음에, 도 2d에 도시된 바와 같이, 제2웨이퍼(200)와 제3웨이퍼(300)를 접합(bonding) 한다.

다음에, 도 2e에 도시된 바와 같이, 접합(Bonding)후 제2웨이퍼(200)의 앞면에 도체 폴이 될부분을 남기고 제3웨이퍼의 패턴이 보일 때 까지 습식이나 건식으로 식각하여 공동(cavity)을 형성한다.

다음에, 도 2f에 도시된 바와 같이, 공동(cavity)과 폴 부분을 Cr/Au로 도금하여 금속 공동(10)과 하부 금속 폴(40")을 형성한다.

다음에, 도 2g에 도시된 바와 같이, 제1웨이퍼(100)를 제3웨이퍼(300)에 접합(bonding)된 제2웨이퍼(200) 앞면에 접합한다. 이 때, 관통홀(100a)에 형성된 상부 금속 폴(40')과 하부 금속 폴(40")이 연결되도록 접합한다.

도 3은 이와 같이 제작된 공동공진기의 시뮬레이션 파라미터 S11의 특성을 보여준다. Simulated 공진주파수는 31.4GHz이며 공진주파수에서의 S11값은 거의 1에 가깝다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기는 기존의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체를 미세가공한 공동(空洞)을 반사형의 전압제어발진기에 채용할 수 있도록 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 결합시키되, 마이크로 스트립 라인의 가장자리 부분과 공동의 하부 박막의 소정 위치를 연결하는 폴(pole)을 구비하고, 이 폴과 만나는 공동의 상부 박막을 소정폭 제거한 격리용 슬랏(isolation slot)을 형성하며, 이 폴과 만나는 공동 하부 박막의 주변에는 임피던스 매칭을 위한 저항 박막을 형성함으로써, 전압제어발진기에서 출력되는 마이크로/밀리미터파의 위상 잡음을 감소시킬 수 있다.