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SOPS-SOI technology and its application to the monolithic silicon schottky diode mixer = 선택적 산화 다공성 실리콘 기술을 이용한 국부적 유전체 상 실리콘 형성 기술과 단일칩 쇼트키 다이오드 주파수 혼합기 제작 응용
서명 / 저자 SOPS-SOI technology and its application to the monolithic silicon schottky diode mixer = 선택적 산화 다공성 실리콘 기술을 이용한 국부적 유전체 상 실리콘 형성 기술과 단일칩 쇼트키 다이오드 주파수 혼합기 제작 응용 / Man-Lyun Ha.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2005].
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In the first chapter, the fundamental research results on the porous silicon and its thermal oxidation was introduced. The role of ethanol in the anodization reaction was explained in the area of surface physics as a surface-active agency. The variation of the components' volume fraction in the OPS layer oxidized at variable oxidation temperature was studied and the silicon fraction was zero when the porous silicon was oxidized at 800℃ regardless of its resistivity. Using the calculation of components fraction, equivalent dielectric constant and effective dielectric constant of OPS layer in the case of CPWs on it was induced and its minimum value was shown at the samples oxidized at 800℃, too. In addition, the signal insertion loss of CPWs on the OPS that was oxidized at variable temperature was also measured. The insertion loss was ameliorated with its oxidation temperature regardless of its resistivity. In the $2^{nd}$ chapter, the oxidized porous silicon membrane was first introduced. The RF passive elements implemented on this membrane showed excellent performance due to the removal of lossy silicon substrate under the OPS layer. This membrane is also more rigid than conventional NON membrane. Using the selectively oxidized porous silicon technology, the OPS micro-lens was implemented on the OPS membrane. Besides, silicon based OE-MCM configuration using this OPS membrane was also proposed. As another application of the OPS membrane, the vertical nano-channel was first introduced using the n-diff. layer SOPS technology. When the SOPS technology was applied, the dual directional anodization under the mask layer was stopped due to the depletion of hole. Therefore, the silicon stem was formed under the center of mask layer and this was connected with the silicon substrate. When this silicon stem was dipped in anisotropic silicon etchant, vertical nano-channel was formed on the OPS membrane. In chapter 3, the chip scale package method for an SAW filter was proposed on the OPS substrate using the thick ground metal wall formation. Using this proposed CSP method, the SAW filter and dual mode semiconductor MMIC were CSP packaged altogether with the low cost epoxy molding method and the normal operation was demonstrated. In chapter 4, Q-band MEMS floating-patch antenna was implemented on the high resistivity silicon substrate using the surface micromachining technology of thick photoresist and metal plating. Electromagnetic coupled feeding method was applied to implement wide band matching and broad beam-width. 2×2 array antenna based on this technology was also demonstrated using the corporate feeding network. For integration the MMIC-LNA on this antenna module, the flip-chip bumps were formed concurrently with the antenna metal post supporting the patch parts. In addition, reconfigurable antenna was proposed using the Schottky contact characteristic of the metal post in the radiation edge with the HRS substrate. Using the dc-bias input, Schottky capacitance variation made it possible that the center frequency of matching band was controlled. Using this antenna process, Ku-band stop filter was first implemented on the HRS substrate with inverted microstrip line photonic bandgap configuration. Because this configuration doesn't need the air-vacancy layer that was presented in normal microstrip line photonic bandgap configuration, the package area was decreased and the measurement stability was insured. In $5^{th}$ chapter, the single-balanced Schottky diode mixer was first implemented on the SOPS-SOI substrate based on the n-diffusion well. This n-diffusion well was used as an n-Schottky contact with Pt/Ti/Au. Implemented Schottky contact diode showed good isolation with the substrate and this was ensured using the equivalent pi-model. Because none of buried n+layer under the Schottky contact region, which made the lateral contact property, not vertical contact, parasitic series resistance was relatively large and so the quality factor of the Schottky diode showed low value. For upgrading the cutoff frequency of the Schottky diode, smart AL-Pt Schottky contact was formed and therefore the cutoff frequency became twice the same Pt-only Schottky contact. For small chip size, lumped type quadrature coupler was proposed and its peculiarity was the mergence of inter-stage matching block and the bypass capacitor to input the dc-bias. From the RF measurement, the LO-IF, RF-IF, LO-RF isolation was showed acceptable performance. $P_{1dB}^{RF}$ and conversion loss were 1.5dBm and -14dB, respectively, and these should result from the poor ideality factor and high parasitic series resistance. Anyway, this was the first demonstration of the monolithic RFIC on the SOPS-SOI substrate, not MCM configuration.

본 논문은 산화막 다공성 실리콘의 고주파에의 활용을 위한 기초 연구와 또한 이를 이용한 고주파 신호 혼합기에 대한 연구 결과를 언급하였다. 1 장에서는 산화막 다공성 실리콘의 기초 연구에 관련한 내용들로서, 다공성 실리콘의 전기화학적 식각 반응에 대한 화학적, 물리적, 전기적 해석을 시도하였으며, 반응의 중간 중간에 측정된 무게를 이용하여 다공도(porosity)를 측정하였으며 에탄올의 양극화 반응에서의 역할에 대해 화학적, 계면 역학적 관점에서 설명하였다. 에탄올은 양극화 반응시에 불산 전해액의 표면 장력을 낮추고 실리콘 계면을 적셔줌으로써 수소 거품이 매우 빠르고 작은 크기로도 방출되게 해줌으로써 보다 균일한 다공성 실리콘의 형성을 가능케 하였다. 다공성 실리콘의 열적 산화에 대해 서술하였다. 다공성 산화막 실리콘의 형성은 다단계의 온도 조절이 필요하며 그 이유는 다공성 실리콘이 그 아래의 실리콘 기판에 비해 열팽창 계수가 다르기 때문에 그로 인해 발생하는 스트레스를 최소화하기 위한 전략이다. 산화막 다공성 실리콘이 열적 산화될 때 산화 온도에 따른 다공성 실리콘 내부의 실리콘, 산화규소, 공기 등의 내포 비율을 계산할 수 있는 수식을 무게와 밀도, 분자량등을 이용하여 유도하였다. 또한 이렇게 계산된 값을 이용하여 등가매질근사 식을 이용하여 다공성 실리콘 층의 등가유전체 상수 값과 유효 유전체 상수 값을 계산하였다. 이를 이용하여 계산된 값과 실제로 다공성 산화막 실리콘 층위에 형성된 Coplanar 전송선의 고주파 측정을 통하여 구해진 유효 유전체 상수 값을 비교함으로써 그 유사성을 보였으며 또한 그 결과로써, 온도가 800℃일 때 유효유전체 상수값이 최소가 되었으며 그때의 실리콘의 내포 비율은 0에 가까웠다. 또한 전송선의 특성은 산화온도가 증가할수록 신호손실이 감소하는 특성을 보였다. 2장에서는 실리콘 체적 미소구조체 가공기술의 하나인 방향성 식각 기술을 이용하여 OPS membrane을 형성하는 기술과 이 위에 형성된 초고주파용 수동 소자들의 형성에 대해 서술하였다. 다공성 산화막 실리콘 밑의 실리콘 층이 고주파 신호손실의 주요 원인이기 때문에 이를 제거해 줌으로써 OPS membrane 위의 수동 소자들은 매우 개선된 득성을 보였다. 또한 선택적 다공성 실리콘 형성 기술을 적절히 이용하여 OPS microlens를 OPS membrane 위에 형성하였다. 선택적 다공성 실리콘 형성 시에 수직-수평 형성비가 약 1정도의 값을 가지면서 둥글게 형성되는 특성을 이용하여 렌즈를 형성하였으며 이를 이용한 광전 집적 다중칩 모듈에의 응용에 관하여 언급하였다. 선택적 산화막 다공성 실리콘 형성기술 중 n-diff. 측을 선택적으로 형성할 경우 사방에서 형성되어 들어온 다공서 실리콘은 중간 층에서 고저항의, hole이 고갈된 실리콘 줄기를 형성하게 된다. 이때의 실리콘 줄기는 그 지름이 약 10㎛에서 100nm정도의 매우 좁은 것을 알 수 있다. 이를 OPS membrane 형성 기술을 이용하여 실리콘 부분만을 제거함으로써 높은 aspect ratio를 가지고 nano-channel을 형성할 수 있음을 보였다. OPS는 혈액 등의 DNA검출 시에 사용될 수 있기 때문에 이러한 nano-channel은 생화학 연구에서도 그 활용 가능성이 있음을 알 수 있다. 3장에서는 다공성 산화막 실리콘 층위에 표면 탄성파 필터를 칩스케일 패키지 하는 부분에 대해 언급하였다. 표면 탄성파 필터는 그 기판이 압전 기판이기 때문에 일반적인 반도체 소자와 함께 패키지 되지 못한다. 이러한 이유로 인해 패키지 단가가 올라가게 되는데 이를 해결하기 위하여 표면 탄성파 필터를 OPS 기판 위에 플립칩 본딩하고 이때 후막 금속 접지벽을 표면 탄성파 필터 주위에 형성해 줌으로써 표면탄성파 필터와 반도체 주파수 혼합기 소자를 함께 패키지 하였다. 또한 이러한 가능성을 설명하기 위해 듀얼모드 수신기를 표면 탄성과 필터와 집적하여 정상 동작을 데모하였다. 4장에서는 초고주파 소자 중 하나인 안테나를 표면 미소구조체 가공기술을 이용하여 고저항 실리콘 층위에 형성하는 부분에 대해 언급하였다. 구리 후막 도금 기술과 후막 감광제 패터닝 기술을 이용하여 Q-band대역의 패치 안테나를 형성하였다. 또한 이를 이용하여 2X2 배열 안테나를 형성하였으며 이를 이용하여 방사패턴을 측정하였다. 또한 MMIC와의 집적을 위하여 안테나의 금속 기둥형성과정과 MMIC-LNA의 플립칩용 범퍼의 형성을 동시에 유도하였다. 또한 패치 안테나의 방사 edge부분에 형성되어 있는 금속 기둥이 고저항 실리콘 기판과 Schottky 접촉을 이루는 특성을 이용하여 재구성 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나는 약 5%의 중심주파수 조정률을 보였다. 5장에서는 n-diff. 층을 선택적으로 형성함으로써 n-well SOPS -SOI 구조를 형성하고 이곳에 Schottky diode를 형성함으로써 Schottky diode RF Mixer를 제작하였다. Schottky diode의 형성은 Pt/Ti/Au를 이용하였으며 Single-balanced 구성을 위하여 Lumped type Quadrature coupler를 제안하였다. Coupler는 중간위치에서의 diode특성저항과의 정합을 유도하는 부분이 필요한데 이를 coupler가 그 역할을 하도록 유도하였으며 또한 dc-bias부분을 위한 bypass capacitor를 Q-coupler에 내장되도록 함으로써 칩 면적을 최소화 하도록 유도하였다. 1.9GHz의 single-balanced diode mixer가 형성되었으며 각 포트가 격리도는 매우 좋은 특성을 보였지만 buried n+layer가 Schottky contact area 밑에 형성되지 못함으로써 직렬 기생저항이 크고 이로 인해 신호 전환 손실이 큰 값을 보이는 것을 알 수 있다. 이상에서 OPS의 기초적 연구와 이를 이용한 RF 및 광학적인 면에서의 활용등에 대해 서술하였다. 또한 표면 미소구조체 가공기술을 이용하여 고저항 실리콘 위에 형성되는 초고주파 안테나의 제작에 대해 서술하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 05037
형태사항 xiii, 193 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 하만륜
지도교수의 영문표기 : Young-Se Kwon
지도교수의 한글표기 : 권영세
수록잡지명 : "An oxidized porous silicon (OPS) microlens implemented on thick OPS membrane for a silicon-based optoelectronic-multichip module (OE-MCM)". IEEE photonics technology letters, v.16, Issue 6, pp. 1519-1521(2004)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 Includes reference
주제 SOPS-SOI
Schottky Diode Mixer
Micromachined antenna
Oxidized Porous Silicon
OPS membrane
OPS microlensng
선택적 산화 다공성 실리콘-유전체 상 국부 실리콘
쇼트키 다이오드 믹서
미소구조체 안테나
산화 다공성 실리콘v 산화다공성 실리콘 박막
산화다공성 실리콘 렌즈
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