감광성 유리 기판을 이용한 RF 소자 제작에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, a SIW (Substrate Integrated Waveguide) operating in the Ka–band is fabricated using a photosensitive glass substrate and measured. There is a disadvantage in the existing TGSV (Through Glass Silicon Via) technology that the process is relatively complicated, and thus the manufacturing process cost could be increased. To compensate for this, the advantage of selective etching property that the photosensitive glass has was utilized for SIW production. In order to compare the transparent or translucent properties of the photosensitive glass substrate of the SIW, the dimensions of the SIW were designed based on those two properties. The L1 values, which are transition lengths optimized for transparent/translucent glass substrate characteristics, are 0.8 mm and 1 mm, respectively, and SIW was prepared to confirm both values. A via hole of the designed size was etched on the photosensitive glass substrate, and aluminum was deposited on the top/bottom metal layer and the sidewall of the via hole. There was a problem that aluminum was not well conformally deposited on the sidewall of the via hole, but it was solved by depositing copper with higher conductivity than aluminum using the sputtering technique. For the fabricated SIW with L1=0.8 mm, the measured 3-dB cut-off frequency is 20.5 GHz, insertion loss is 2.59 dB at 23.9 GHz, and 4.85 dB at 40 GHz, respectively. For the SIW with L1=1 mm, the measured 3-dB cut-off frequency is 20 GHz, insertion loss is 2.17 dB at 24.7 GHz and 5.28 dB at 40 GHz, respectively. Although the measurement results showed some similarities to the simulation results, it was confirmed that the overall insertion loss and return loss were worse than the simulation results. Since the simulation was performed using the substrate characteristics known at a low frequency of 1 MHz, it is believed that the losses became worse in the high frequency band due to the difference in dielectric constant and loss tangent. Therefore, it is expected that the loss can be improved by accurately measuring the dielectric constant and loss tangent in the high frequency band, optimizing the design of the SIW, and then depositing a thicker conductive metal.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 감광성 유리 기판을 이용하여 Ka 대역에서 동작하는 SIW(Substrate Integrated Waveguide)를 제작, 측정하였다. 기존에 알려진 TGSV(Through Glass Silicon Via) 기술의 제작 공정이 상대적으로 복잡하여 제조 공정 단가가 증가하는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 선택적으로 식각이 가능한 감광성 유리를 SIW 제작에 활용하였다. SIW의 감광성 유리 기판의 투명 또는 반투명 특성을 비교하기 위하여 2개의 특성을 각각 사용하여 SIW의 치수를 설계하였다. 투명/반투명 유리 기판 특성에 최적화된 transition 길이인 L1 값은 각각 0.8 mm, 1 mm이며 두 값을 모두 확인할 수 있도록 SIW를 제작하였다. 감광성 유리 기판에 설계한 크기의 hole을 식각하고 top/bottom metal layer와 hole벽면에 알루미늄을 증착하였다. 알루미늄이 hole 벽면에 잘 증착되지 않는 문제가 발생하였지만 알루미늄보다 전도성이 높은 구리를 스퍼터링 방식을 통해 증착하여 해결하였다. SIW의 S-parameter를 측정한 결과 L1=0.8 mm 샘플은 3-dB cut-off frequency는 20.5 GHz, 삽입 손실은 23.9 GHz에서 2.59 dB, 40 GHz에 서 4.85 dB, L1=1 mm 샘플은 3-dB cut-off frequency는 20 GHz, 삽입 손실은 24.7 GHz에서 2.17 dB, 40 GHz에서 5.28 dB가 측정되었다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 어느 정도 유사한 모습을 보여주었지만 전체적인 삽입 손실과 반사 손실이 시뮬레이션보다는 좋지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이는 1 MHz의 낮은 주파수에서 알려진 기판 특성을 사용하여 시뮬레이션을 진행했지만, 실제로는 고주파수 대역에서 유전율과 손실 탄젠트가 달라지므로 시뮬레이션에 비해 손실 특성이 저하된 것으로 추정된다. 따라서 고주파수 대역에서 감광성 유리의 유전율과 손실 탄젠트를 정확히 측정한 뒤 SIW의 설계를 최적화하고 전도성 금속을 더 두껍게 증착한다면 손실을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 유리 기판을 사용하는 RF MEMS 소자 연구 동향 3
• 1.2.1 밀리미터파 응용을 위한 유리 기판의 초저손실 기판집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide, SIW) 3
• 1.2.2 D-band에서 동작하는 유리 기판의 초저손실 SIW 5
• 1.2.3 V-band 평면 미세가공 헬리컬 안테나(Planar micromachined Helical Antenna, PHA) 8
• 1.2.4 20 GHz 대역에서 동작하는 SIW 11
• 1.2.5 28 GHz 대역 통과 필터(Band Pass Filter) 13
• 1.3 논문의 목적 15
• 2. 감광유리 17
• 2.1 감광유리(Photosensitive Glass) 17
• 2.2 감광유리 공정 19
• 2.3 감광유리 공정 조건 실험 20
• 3. 감광유리 공정을 이용한 SIW 제작 23
• 3.1 마이크로스트립 전송선로의 설계 및 해석 23
• 3.2 SIW 구조 설계 및 해석 28
• 3.2.1 SIW 구조 28
• 3.2.2 SIW 설계 및 해석 30
• 3.3 SIW 제작 공정 34
• 3.4 제작된 SIW의 문제점 40
• 3.5 SIW 측정 44
• 3.6 SIW 측정 결과 46
• 4. 감광유리를 이용한 SIW의 제작 공정 최적화 49
• 4.1 개선된 공정 설계 49
• 4.2 개선된 공정을 통한 SIW 제작 52
• 4.3 SIW 측정 55
• 4.4 SIW 측정 결과 57
• 5. 결론 60
• 참고문헌 62
• 국문초록 66
• Abstract 68