{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:1067"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:1067","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Micromachined transmission lines for microwave applications","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 micromachinable material and as the dielectric in the strip line. Additionally, electrodeposition is applied to reinforce conductive structures to a thickness of 3µm and to fill out 15 µm 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 performed 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 (48 GHz). 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 frequency 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 30 µm. The conductors in the strip line consist of a sputtered TiW-Ni seed layer followed by a electrodeposited 3 µm thick Cu-layer. The structuring of SU-8 is performed by using the simplest method of IC-technology: spin-on and photolithography. 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 cracking. 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 copper and nickel layers is improved. The total dielectric thickness was achieved by deposition and structuring of two 15 µm thick SU-8 layers.
Strip lines with strip lengths ranging between 0.5 mm and 3 mm and with strip width values between 4 µm and 30 µm are designed in order to completely characterize 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 configuration and 50 * characteristic impedance, are indispensable for on-wafer characterization of the strip lines.
The Finite Element (FE) code was programmed in order to calculate the characteristic 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 frequencies of up to 48 GHz. 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 48 GHz, the relative dielectric constant of SU-8 is 3.2 and the loss tangent is 0.043. The strip line with 48.2 * characteristic impedance shows an attenuation constant of 0.58 dB/mm at 48 GHz. From full-wave simulations, an amount of 0.2 dB/mm is assigned to the skin-effect in the copper conductive layers, whereas 0.38 dB/mm corresponds to the loss tangent of the SU-8 dielectric.","abstract_html":"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 micromachinable material and as the dielectric in the strip line. Additionally, electrodeposition is applied to reinforce conductive structures to a thickness of 3µm and to fill out 15 µm 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 performed 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 (48 GHz). 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 frequency region. <br>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 30 µm. The conductors in the strip line consist of a sputtered TiW-Ni seed layer followed by a electrodeposited 3 µm thick Cu-layer. The structuring of SU-8 is performed by using the simplest method of IC-technology: spin-on and photolithography. 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 cracking. 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 copper and nickel layers is improved. The total dielectric thickness was achieved by deposition and structuring of two 15 µm thick SU-8 layers. <br>Strip lines with strip lengths ranging between 0.5 mm and 3 mm and with strip width values between 4 µm and 30 µm are designed in order to completely characterize 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 configuration and 50 * characteristic impedance, are indispensable for on-wafer characterization of the strip lines. <br>The Finite Element (FE) code was programmed in order to calculate the characteristic 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. <br>The S-parameters of the fabricated strip lines are measured on-wafer with frequencies of up to 48 GHz. 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 48 GHz, the relative dielectric constant of SU-8 is 3.2 and the loss tangent is 0.043. The strip line with 48.2 * characteristic impedance shows an attenuation constant of 0.58 dB/mm at 48 GHz. 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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 30 µm. The conductors in the strip line consist of a sputtered TiW-Ni seed layer followed by a electrodeposited 3 µm thick Cu-layer. The structuring of SU-8 is performed by using the simplest method of IC-technology: spin-on and photolithography. 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 cracking. 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 copper and nickel layers is improved. The total dielectric thickness was achieved by deposition and structuring of two 15 µm thick SU-8 layers.
Strip lines with strip lengths ranging between 0.5 mm and 3 mm and with strip width values between 4 µm and 30 µm are designed in order to completely characterize 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 configuration and 50 * characteristic impedance, are indispensable for on-wafer characterization of the strip lines.
The Finite Element (FE) code was programmed in order to calculate the characteristic 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 frequencies of up to 48 GHz. 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 48 GHz, the relative dielectric constant of SU-8 is 3.2 and the loss tangent is 0.043. The strip line with 48.2 * characteristic impedance shows an attenuation constant of 0.58 dB/mm at 48 GHz. From full-wave simulations, an amount of 0.2 dB/mm is assigned to the skin-effect in the copper conductive layers, whereas 0.38 dB/mm corresponds to the loss tangent of the SU-8 dielectric.","Diese Dissertation befaßt sich mit dem Entwurf, der Herstellung, der Charakterisierung und der Modellierung von Strip-Leitungen. Dabei werden Techniken aus der Mikrosystemtechnik eingesetzt, um der Herausforderung der dreidimensionalen Strukturierung der Strip-Leitungen besser zu begegnen. Einerseits wurde Galvanik zur Verstärkung von metallischen Strukturen auf 3 µm und zum Auffüllen von 15 µm 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-Leitungen, welche substratunabhängig ist, wird detailliert eingegangen. Die Charakterisierung der Strip-Leitungen erfolgt direkt auf dem Substrat (on-wafer) mit koplanaren, mikrowellentauglichen Testspitzen, mit denen die S-Parametern der Strip-Leitung bei Frequenzen bis zum millimeterwellen Bereich (48 GHz) 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 Dielektrizitätszahl und der Verlustwinkel von SU-8 im millimeterwellen Bereich gemessen.
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 Herstellung von dreidimensionalen Mikrowellenleitungen ein, wie dies die Strip-Leitung darstellt. Das Dielektrikum der Strip-Leitung erreicht eine nominelle Höhe von 30 µm. Die leitenden Strukturen der Strip-Leitung bestehen aus einer gesputterten TiW-Ni Startschicht und einer auf 3 µm galvanisch verstärkten Kupferschicht. Der SU-8 Lack läßt sich mit den einfachsten Mitteln der IC-Technologie strukturieren: 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 Material und als Dielektrikum bei der Herstellung von Strip-Leitungen wird untersucht. Trotz des einfachen technologischen Prozesses von SU-8, stößt man auf Schwierigkeiten, 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 15 µm Dicke erreicht.
Strip-Leitungen mit Leitungslängen zwischen 0.5 mm und 3 mm, und Leitungsbreiten zwischen 4 µm und 30 µm werden entworfen, um die Strip-Leitung vollständig 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 50 * 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-Gleichung des elektrischen Potentials im Leitungsquerschnitt zu lösen um daraus die Leitungsimpedanz der Strip-Leitung zu extrahieren. Das Programm kann auch bei der Empfindlichkeitsanalyse der Leitungsimpedanz auf geometrischen Abweichungen, die mit Technologietoleranzen verbunden sind, eingesetzt werden.
Die S-parametern der hergestellten Strip-Leitungen werden direkt auf dem Substrat mit Frequenzen bis 48 GHz gemessen. Aus den S-parametern werden die Leitunsgsimpedanzen und Ausbreitungskonstanten der Leitungen berechnet und daraus die Elemente des Ersatzschaltbildmodells extrahiert. Ebenfalls aus diesen Mikrowellenmessungen werden die elektrischen Eigenschaften von SU-8 zum ersten Mal bei Frequenzen im millimeterwellen Bereich extrahiert. Eine relative Dielektrizitätszahl von 3.2 und einen Verlustwinkel von 0.043 bei 48 GHz werden gemessen. Die Dämpfungskonstante für die Strip-Leitung mit 50 * Leitungsimpedanz beträgt 0.58 dB/mm bei 48 GHz. Aus full-wave Simulationen werden 0.2 dB/mm dem Skin-Effekt der Kupferleitung und etwa 0.38 dB/mm dem Verlustwinkel des SU-8 Dielektrikums zugeordnet."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Micromachined transmission lines for microwave applications","Mikrostrukturierte Signalleitungen für Mikrowellenanwendungen"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Korvink, Jan G."],"dc:creator":["Osorio, Ricardo"],"dc:description.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 micromachinable material and as the dielectric in the strip line. Additionally, electrodeposition is applied to reinforce conductive structures to a thickness of 3µm and to fill out 15 µm 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 performed 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 (48 GHz). 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 frequency 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 30 µm. The conductors in the strip line consist of a sputtered TiW-Ni seed layer followed by a electrodeposited 3 µm thick Cu-layer. The structuring of SU-8 is performed by using the simplest method of IC-technology: spin-on and photolithography. 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 cracking. 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 copper and nickel layers is improved. The total dielectric thickness was achieved by deposition and structuring of two 15 µm thick SU-8 layers.
Strip lines with strip lengths ranging between 0.5 mm and 3 mm and with strip width values between 4 µm and 30 µm are designed in order to completely characterize 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 configuration and 50 * characteristic impedance, are indispensable for on-wafer characterization of the strip lines.
The Finite Element (FE) code was programmed in order to calculate the characteristic 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 frequencies of up to 48 GHz. 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 48 GHz, the relative dielectric constant of SU-8 is 3.2 and the loss tangent is 0.043. The strip line with 48.2 * characteristic impedance shows an attenuation constant of 0.58 dB/mm at 48 GHz. From full-wave simulations, an amount of 0.2 dB/mm is assigned to the skin-effect in the copper conductive layers, whereas 0.38 dB/mm corresponds to the loss tangent of the SU-8 dielectric.","Diese Dissertation befaßt sich mit dem Entwurf, der Herstellung, der Charakterisierung und der Modellierung von Strip-Leitungen. Dabei werden Techniken aus der Mikrosystemtechnik eingesetzt, um der Herausforderung der dreidimensionalen Strukturierung der Strip-Leitungen besser zu begegnen. Einerseits wurde Galvanik zur Verstärkung von metallischen Strukturen auf 3 µm und zum Auffüllen von 15 µm 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-Leitungen, welche substratunabhängig ist, wird detailliert eingegangen. Die Charakterisierung der Strip-Leitungen erfolgt direkt auf dem Substrat (on-wafer) mit koplanaren, mikrowellentauglichen Testspitzen, mit denen die S-Parametern der Strip-Leitung bei Frequenzen bis zum millimeterwellen Bereich (48 GHz) 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 Dielektrizitätszahl und der Verlustwinkel von SU-8 im millimeterwellen Bereich gemessen.
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 Herstellung von dreidimensionalen Mikrowellenleitungen ein, wie dies die Strip-Leitung darstellt. Das Dielektrikum der Strip-Leitung erreicht eine nominelle Höhe von 30 µm. Die leitenden Strukturen der Strip-Leitung bestehen aus einer gesputterten TiW-Ni Startschicht und einer auf 3 µm galvanisch verstärkten Kupferschicht. Der SU-8 Lack läßt sich mit den einfachsten Mitteln der IC-Technologie strukturieren: 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 Material und als Dielektrikum bei der Herstellung von Strip-Leitungen wird untersucht. Trotz des einfachen technologischen Prozesses von SU-8, stößt man auf Schwierigkeiten, 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 15 µm Dicke erreicht.
Strip-Leitungen mit Leitungslängen zwischen 0.5 mm und 3 mm, und Leitungsbreiten zwischen 4 µm und 30 µm werden entworfen, um die Strip-Leitung vollständig 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 50 * 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-Gleichung des elektrischen Potentials im Leitungsquerschnitt zu lösen um daraus die Leitungsimpedanz der Strip-Leitung zu extrahieren. Das Programm kann auch bei der Empfindlichkeitsanalyse der Leitungsimpedanz auf geometrischen Abweichungen, die mit Technologietoleranzen verbunden sind, eingesetzt werden.
Die S-parametern der hergestellten Strip-Leitungen werden direkt auf dem Substrat mit Frequenzen bis 48 GHz gemessen. Aus den S-parametern werden die Leitunsgsimpedanzen und Ausbreitungskonstanten der Leitungen berechnet und daraus die Elemente des Ersatzschaltbildmodells extrahiert. Ebenfalls aus diesen Mikrowellenmessungen werden die elektrischen Eigenschaften von SU-8 zum ersten Mal bei Frequenzen im millimeterwellen Bereich extrahiert. Eine relative Dielektrizitätszahl von 3.2 und einen Verlustwinkel von 0.043 bei 48 GHz werden gemessen. Die Dämpfungskonstante für die Strip-Leitung mit 50 * Leitungsimpedanz beträgt 0.58 dB/mm bei 48 GHz. Aus full-wave Simulationen werden 0.2 dB/mm dem Skin-Effekt der Kupferleitung und etwa 0.38 dB/mm dem Verlustwinkel des SU-8 Dielektrikums zugeordnet."],"dc:format.medium":["application/pdf"],"dc:subject":["SU-8","Mikrowellenleitungen","MEMS","RF-MEMS","strip line","photoresist"],"dc:title":["Micromachined transmission lines for microwave applications","Mikrostrukturierte Signalleitungen für Mikrowellenanwendungen"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:21:58Z"}