Micromachined transmission lines for microwave applications [Elektronische Ressource] / Ricardo Osorio

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• Publié par: albert-ludwigs-universitat_freiburg
• Publié le: 01 janvier 2003
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• Langue: English
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Extrait

Micromachined Transmission Lines
for Microwave Applications
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
der Fakultät für Angewandte Wissenschaften
der Albert-Ludwigs Universität Freiburg im Breisgau
Ricardo Osorio
2003
Dekan: Prof. Dr. T. Ottmann
Referenten: Prof. Dr. J. G. Korvink, Prof. Dr. J. Wilde
Datum: 28. Oktober 2003
CONTENTS
Contents 3
Abstract 5
Zusammenfassung 7
1Introduction 9
1.1 High frequency requirements of modern electronic systems 10
1.2 State-of-the-art MEMS micromachining 12
1.3 State-of-the-art transmission lines and waveguides 15
1.4 Organization of the thesis 21
1.5 Major Results 21
2Simulation 23
2.1 Maxwell’ s Equations 23
2.2 Telegrapher equation in circuit theory 33
2.3 Quasi-static Simulation and Modeling 38
2.4 Full-Wave Simulation 46
3 Technology and Fabrication 59
3.1 SU-8 as dielectric and micromachined material 59
3.2 SU-8 process recipe 64
3.3 Technology considerations 65
3.4 Technology of metallization 69
3.5 Fabrication sequence of the strip line 74
3.6 Layout 77
3.7 Fabrication results 86
4 Characterization and modeling 91
4.1 On-wafer microwave measurements 91
4.2 Line parameters from S-parameters 93
4.3 Line parameters of strip lines 94
4.4 Equivalent circuit model for the strip line 100
4.5 Strip line filters 109
5 Final remarks 111
5.1 Summary 111
5.2 Conclusion 112
5.3 Outlook 113
Appendix 115
A.1 Scattering (S)-parameter 115
References 123
Acknowledgments 129
Curriculum Vitae 131
Abbreviations and Symbols 133

ABSTRACT
This thesis reports on the design, fabrication, characterization, and modeling of
micromachined strip lines. The challenge of structuring this three-dimensional
transmission line is solved by using the photosensitive resin SU-8 as the microma-
chinable material and as the dielectric in the strip line. Additionally, electrodepo-
sition is applied to reinforce conductive structures to a thickness of 3µm and to
fill out 15µm deep vias. The fabrication of the strip line, which is independent of
the substrate, is described in detail. The characterization of the strip lines is per-
formed directly on-wafer with microwave coplanar probes. The S-parameters of
the strip lines are measured with frequencies of up to the millimeter-wave range
(48GHz). Based on these measurements the transmission line properties of the
strip line are analyzed and the corresponding equivalent circuit model is also
extracted. To the author’s best knowledge, this is the first time that the dielectric
constant and the loss tangent of SU-8 are measured in the millimeter-wave fre-
quency region.
Micromachining techniques applied to microwave transmission lines were limited
to planar ones, like microstrip or coplanar lines. In this work the property of
micromachining techniques to fabricate three-dimensional lines, such as the strip
line, is demonstrated. The value of the dielectric thickness in the strip line is
30µm . The conductors in the strip line consist of a sputtered TiW-Ni seed layer
followed by a electrodeposited 3µm thick Cu-layer. The structuring of SU-8 is
performed by using the simplest method of IC-technology: spin-on and photoli-
thography. In particular, with SU-8 excellent structures with large aspect ratios
can be fabricated. Moreover, SU-8 itself is photosensitive making an additional
process step superfluous. The feasibility of SU-8 as the micromachinable material
and as dielectric in strip lines is investigated. In spite of the simple processing of
SU–8, there were some problems, which are reported: poor adhesion and crack-
ing. These problems are systematically solved leading in the end to an improved
SU–8 process. In this process there is almost no cracking and adhesion of SU-8 to
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copper and nickel layers is improved. The total dielectric thickness was achieved
by deposition and structuring of two 15µm thick SU-8 layers.
Strip lines with strip lengths ranging between 0.5mm and 3mm and with strip
width values between 4µm and 30µm are designed in order to completely char-
acterize the strip lines. The transition from the strip line to the contact pads, also
placed on the wafer, is discussed. These contact pads, which have coplanar con-
figuration and 50Ω characteristic impedance, are indispensable for on-wafer
characterization of the strip lines.
The Finite Element (FE) code was programmed in order to calculate the charac-
teristic impedance of the strip line by solving the Laplace equation of the electrical
potential along the line’s cross section, which is a two-dimensional domain. This
program can be applied to sensitivity calculations of the characteristic impedance
on deviations related to the process and the geometrical dimensions.
The S-parameters of the fabricated strip lines are measured on-wafer with fre-
quencies of up to 48GHz. From the S-parameters the characteristic impedances
and the propagation constants for the strip lines are calculated and the elements
per unit length of the corresponding equivalent circuit model are extracted. For the
first time the relative dielectric constant and loss tangent of SU-8 are measured
with millimeter-wave frequencies. At 48GHz, the relative dielectric constant of
SU-8 is 3.2 and the loss tangent is 0.043 . The strip line with 48.2Ω characteristic
impedance shows an attenuation constant of 0.58dB ⁄ mm at 48GHz. From full-
wave simulations, an amount of 0.2dB ⁄ mm is assigned to the skin-effect in the
copper conductive layers, whereas 0.38dB ⁄ mm corresponds to the loss tangent
of the SU-8 dielectric.
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ZUSAMMENFASSUNG
Diese Dissertation befaßt sich mit dem Entwurf, der Herstellung, der Charakteri-
sierung und der Modellierung von Strip-Leitungen. Dabei werden Techniken aus
der Mikrosystemtechnik eingesetzt, um der Herausforderung der dreidimensiona-
len Strukturierung der Strip-Leitungen besser zu begegnen. Einerseits wurde Gal-
vanik zur Verstärkung von metallischen Strukturen auf 3µm und zum Auffüllen
von 15µm vias eingesetzt, und andererseits wurde der photoempfindliche SU-8
Lack, gleichzeitig, als das mikrostrukturierbares Material und als Dielektrikum
der Strip-Leitung verwendet. Auf die vollständige Herstellung der Strip-Leitun-
gen, welche substratunabhängig ist, wird detailliert eingegangen. Die Charakteri-
sierung der Strip-Leitungen erfolgt direkt auf dem Substrat (on-wafer) mit kopla-
naren, mikrowellentauglichen Testspitzen, mit denen die S-Parametern der Strip-
Leitung bei Frequenzen bis zum millimeterwellen Bereich (48GHz) gemessen
werden. Anhand der Messungen werden die Leitungseigenschaften analysiert und
schließlich ein Ersatzschaltbildmodell für die Strip-Leitung extrahiert. Laut der
bisherigen Recherche des Autors, werden, zum ersten Mal, die relative Dielektri-
zitätszahl und der Verlustwinkel von SU-8 im millimeterwellen Bereich gemes-
sen.
Der Einsatz der Mikrosystemtechnik im Bereich der Mikrowellenleitungen hat
sich bisher auf planare Leitungen, wie Microstrip- und Koplanarleitungen,
beschränkt. Diese Arbeit setzt Techniken der Mikrostrukturierung bei der Herstel-
lung von dreidimensionalen Mikrowellenleitungen ein, wie dies die Strip-Leitung
darstellt. Das Dielektrikum der Strip-Leitung erreicht eine nominelle Höhe von
30µm . Die leitenden Strukturen der Strip-Leitung bestehen aus einer gesputterten
TiW-Ni Startschicht und einer auf 3µm galvanisch verstärkten Kupferschicht.
Der SU-8 Lack läßt sich mit den einfachsten Mitteln der IC-Technologie struktu-
rieren: Aufschleudern und Photolithographie. Das besondere dabei ist allerdings,
daß damit Strukturen mit großen Aspektverhältnissen erreicht werden können.
Dazu kommt, daß SU-8 selbst photoempfindlich ist und dadurch ein zusätzlicher
Prozeßschritt gespart wird. Der Einsatz von SU-8 als mikrostrukturierbares Mate-
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rial und als Dielektrikum bei der Herstellung von Strip-Leitungen wird untersucht.
Trotz des einfachen technologischen Prozesses von SU-8, stößt man auf Schwie-
rigkeiten, wie Haftungsprobleme und Risse im Lack. Diese Schwierigkeiten
werden systematisch aufgehoben, mit dem Ergebnis, daß ein ausgereifter SU-8
Prozeß entsteht. Bei diesem Prozeß sind dann die Risse der SU-8 Strukturen
nahezu verschwunden und die Haftungseigenschaften zu galvanischer Nickel-
und Kupferschichten deutlich verbessert. Die Gesamthöhe des Dielektrikums
wurde durch zwei SU-8 Schichten von jeweils 15µm Dicke erreicht.
Strip-Leitungen mit Leitungslängen zwischen 0.5mm und 3mm, und Leitungs-
breiten zwischen 4µm und 30µm werden entworfen, um die Strip-Leitung voll-
ständig zu charakterisieren. Außerdem wird über den Übergang der Strip-Leitung
zu den Kontaktflächen auf dem Substrat diskutiert. Diese Kontaktflächen, die ein
koplanares Leitungsstück darstellt und 50Ω Leitungsimpedanz aufweisen sollen,
werden bei der on-wafer Messung der Strip-Leitungen benötigt. Das numerische
Verfahren der Finite Elemente (FE) wird einprogrammiert, um die Laplace-Glei-
chung des elektrischen Potentials im Leitungsquerschni