A novel fabrication process for thick metal formation was developed to improve performance of RF passive devices. The developed process is called the substrate-buried thick-metal (SBTM) process since the thick metal is buried in an anodized aluminum substrate, which is one of the promising System-on-Package (SOP) substrates. The key processes in the SBTM formation are vertical wet-etching of the anodized aluminum, re-anodizing, and copper damascene process; they are cost-effective. Since the SBTM is completely buried in the substrate, it is mechanically stable and highly compatible to a conventional thin-film process. By using the SBTM process, a $38-\mum-thick$ copper was formed in the anodized aluminum substrate. To demonstrate the values of SBTM, spiral inductors were fabricated by using the SBTM process. The inductors consist of a $40-\mum-thick$ copper spiral buried in an anodized aluminum substrate and an overpass supported by a benzocyclobutene (BCB) layer on top of the substrate. Due to their low ohmic loss, significantly high Q factors were obtained at 2 GHz: a Q factor of over 100 with 4.2-nH inductance (2.5-turn spiral) and a Q of 60 with 7.8-nH inductance (3.5-turn). Also, stacked-coil 1:1 transformers were fabricated by using the SBTM process. The transformers have two 30-μm-thick metal coils that are vertically stacked with a gap distance defined by a BCB layer; the lower coil is the SBTM and the upper coil was formed by electroplating with a photoresist mold. Since the stacked coils have a tight coupling and extremely low ohmic loss, excellent performance was achieved: a coupling coefficient of 0.97 and a maximum available gain of 0.96. The results demonstrate that the SBTM process can be a viable technique to meet the demands on cost-effective high-performance passive devices compatible with conventional thin-film processes for RF integrated circuits. A new integrated passive device (IPD) process was proposed to fabricate high-performance passive devices consist of both SBTM-based elements and conventional thin-film IPDs. It was shown that the SBTM process can be readily combined with the conventional thin-film process due to the compatibility of the SBTM, and the SBTM-compatible IPD process can improve the performance of RF integrated circuits such as IPDs and power amplifiers.
본 연구는 RF/Microwave 회로의 고집적 패키징을 위한 절연 기판의 하나인 양극산화 알루미늄 기판 (anodized aluminum substrate)을 기반으로 두께 $30 \mum$ 이상의 후막 금속 (thick metal)을 형성하는 공정 기술 개발과 그 응용에 관한 것이다. 양극산화 알루미늄 기판은 값싼 공업용 알루미늄 기판을 원재료로 이용하여 그 표면을 연마하고, 선택적인 영역에 두께 $80 \mum$ 이상의 산화막 (기판 절연층)을 양극산화 방식으로 형성한 것으로, RF 회로의 패키징에 응용할 경우 우수한 방열 특성 등의 여러 가지 장점을 가진다.
RF 수동 소자에서 metal line의 두께가 증가하는 것은 많은 장점을 가진다. 우선 ohmic loss의 감소로 인해 신호 손실이 감소하고, metal의 단면적과 표면적이 증가하여 가용 전류 수준의 향상과 우수한 열 방출 특성을 기대할 수 있다. 따라서 thick metal을 inductor, microstrip line 등 핵심 요소에 적용할 경우 회로 성능의 향상을 기대할 수 있다.
일반적으로 RF 회로의 고집적을 위한 박막 공정 (thin-film process)에서는 thick metal을 형성하는 것이 용이하지 않고, 기판 위에 thick metal을 형성하더라도 표면의 요철이 심해 다른 박막 공정이 매우 까다로워지는 등의 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 thick metal을 기판에 묻힌 구조로 형성함으로써 그러한 어려움을 해소하고, thick metal의 호환성 및 응용성을 향상시키는 새로운 기판 내장형 thick metal (substrate-buried thick metal) 공정을 개발하였다.
Thick metal을 기판에 내장하는 방법은 다음과 같다. 우선 알루미늄 기판 표면에 성장된 양극산화 알루미늄 (anodized aluminum)층에 metal line 패턴을 형성하고 그 부분을 식각한다. 양극산화 알루미늄은 수십 nm 사이즈의 내경을 갖는 원통형 pore가 규칙적으로 배열된 구조를 갖기 때문에 저가의 습식 식각 (wet etching)으로 수직 식각 (vertical etching)이 가능하여, 형성한 패턴이 유지되면서 수직으로 깊은 홈이 파인 구조를 얻을 수 있다. 이후 전면에 다시 양극산화 공정을 가하면 홈의 모양이 그대로 유지되면서 기판 전체에 균일한 두께의 산화막이 추가적으로 형성되게 되는데, 이는 양극산화막의 형성 매커니즘에 의해 가능한 것이며, 그 결과 기판의 절연층 (양극산화막) 표면에 일정한 깊이를 가지는 홈이 원하는 패턴으로 형성된 구조를 얻을 수 있다. 이러한 요철을 가진 기판 표면 전체를 metal (copper)로 도금하여 홈을 모두 채우고 표면 연마 과정을 통해 패턴 이외 부분의 metal을 제거하면 기판에 두께 수십 $\mum$ 이상의 metal이 기판에 묻힌 구조를 얻을 수 있는 것이다.
기판 내장형 thick metal은 일반적인 thick metal이 가지는 장점 이외에도 thick metal을 형성하고 나서도 기판에 요철이 없기 때문에 후속 박막 공정이 용이하다는 장점을 가진다. 이러한 박막 공정과의 호환성으로 인해 다양한 RF 소자에 응용이 가능하다.
우선 기판 내장형 thick metal을 spiral inductor의 coil로 사용하면 ohmic loss 감소로 인해 inductor Q (quality factor)의 비약적인 향상을 기대할 수 있는데, 40 μm 두께의 기판 내장형 thick metal을 이용한 spiral inductor제작 결과 2 GHz 영역에서 4.2 nH inductance에 대해 100 이상의 Q와 7.8 nH inductance에 대해 60의 높은 Q를 얻었다. 이 결과는 기존에 개발되었던 integrated inductor들에 비해 S-band (2~4 GHz) 영역에서 상당히 높은 값으로, 이 영역에서의 RF 회로에 응용할 경우 성능의 향상이 기대된다.
또 다른 응용으로는 integrated transformer가 있다. transformer는 두 개의 inductor coil를 근접시켜 magnetic coupling에 의해 신호를 전달하는 것으로, 기본적으로 impedance transformation의 역할을 수행하며 두 개의 coil이 서로 떨어져있기 때문에 자연스럽게 DC decoupling의 효과도 가진다. Power amplifier, low noise amplifier 등 회로의 고집적 구현을 위한 integrated transformer에는 두 coil을 같은 층의 metal line으로 구현하는 bifilar 구조와 서로 다른 층의 두 개의 coil을 적층 형태로 구현하는 stacked coil 구조가 있다. 일반적으로 stacked coil 구조가 근접도가 우수하여 coupling이 크고, 면적도 작아 가장 우수한 성능을 보이나, 적층 구조이기 때문에 thick metal로 구현하기가 매우 까다롭다. 기판 내장형 thick metal로 coil을 형성하면 그 호환성으로 인해 또 다른 metal coil을 적층하기가 용이해지며, $40 \mum$ 두께의 두 coil이 적층된 transforemr 제작 결과 0.95 이상의 매우 우수한 coupling coefficient (이상적인 경우 1)와 0.95 이상의 높은 gain (이상적인 경우 1)을 얻었다.
기판 내장형 thick metal은 기존 박막 공정과의 호환성으로 인해 다양한 분야에 응용이 가능하다. Band pass filter, low pass filter, diplexer 등의 집적 수동 소자의 inductor에 응용될 경우 높은 Q로 인해 insertion loss의 감소를 기대할 수 있고, high power amplifier에서 큰 전류가 흐르는 RF choke inductor에 적용될 경우, 전류 가용 능력과 열 방출에 있어 성능의 향상을 기대할 수 있다. 저가의 원재료와 저가의 공정으로 thick metal을 형성하는 기판 내장형 thick metal 기술은 RF 고집적 패키징 분야에서 많은 응용이 기대된다.
