[논문 리뷰] Corrugated Silicon Platelet Feed Horn Array for CMB Polarimetry at 150 GHz

J. Britton, J. P. Nibarger외 8명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 06.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 2인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 150 GHz 우주 마이크파배경(CMB) 편광 측정을 위한 웨이퍼 스케일로 제작된 파랑진형 실리콘 플레이트릿 피드 호른 어레이를 제시한다. 깊은 반응 이온 에칭(DRIE)과 금속 도금을 통해 높은 비대칭성, 낮은 교차 편광(< -23 dB), 낮은 측면 lobes(< -25 dB)를 달성하였다. 프로토타입 84원소 어레이는 ~-0.2 dB의 삽입 손실과 120–170 GHz 범위에서 < -20 dB의 반사 손실을 보이며 전기 도금 피드와 동등한 성능을 나타냈다.

ABSTRACT

Next generation cosmic microwave background (CMB) polarization anisotropy measurements will feature focal plane arrays with more than 600 millimeter-wave detectors. We make use of high-resolution photolithography and wafer-scale etch tools to build planar arrays of corrugated platelet feeds in silicon with highly symmetric beams, low cross-polarization and low side lobes. A compact Au-plated corrugated Si feed designed for 150 GHz operation exhibited performance equivalent to that of electroformed feeds: ~-0.2 dB insertion loss,

연구 동기 및 목표

• 차세대 CMB 편광 측정을 위한 초전도 탐지기 어레이와 호환 가능한 단일 웨이퍼 스케일 피드 호른 어레이 개발.
• 전기 도금 기술의 한계를 극복하기 위해 실리콘 마이크로머신 기반 기술로 고정밀, 열적 일치, 고밀도 피드 어레이를 실현.
• 삽입 손실, 반사 손실, 교차 편광, 측면 lobes 등 전기 도금 피드 수준의 성능 지표 확보.
• 향후 SPTpol 및 ACTpol과 같은 CMB 실험을 위해 최대 150 mm 지름의 확장 가능한 어레이 제작 가능화.

제안 방법

• 광리소그래피로 정의된 구멍을 가진 76.2 mm 및 100 mm 지름 웨이퍼에 깊은 반응 이온 에칭(DRIE)을 이용해 개별 Si 플레이트릿 제작.
• 중첩된 에칭 마스크와 이중 단계 DRIE 공정을 통해 최대 약 50:1의 높이 대 지름 비율을 가지며 ±5 µm의 수평 해상도를 확보.
• 에칭된 Si 플레이트릿에 Au 도금을 적용해 고표면 도전성의 도전성, 파랑진형 웨이브가이드 구조 형성.
• 정렬 도우얼과 에폭시를 사용해 플레이트릿을 스택형 어레이라이즈하고, 실리콘 기반 단일 웨이퍼 TES 편광계 어레이와 통합.
• 130, 150, 170 GHz에서 S-파arameter 측정(S11) 및 원거리 필드 비등방성 패턴 시뮬레이션과 측정을 통해 성능 특성 분석.
• 주파수 독립적 위상 중심 확보를 위해 모드 매칭 시뮬레이션(Microwave Wizard)을 통해 사인 제곱형 확산 프로파일 설계 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 150 GHz CMB 편광 측정을 위한 단일 웨이퍼 스케일 실리콘 플레이트릿 피드 호른 어레이는 전기 도금 피드 수준의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 DRIE 기반 실리콘 마이크로머신 공정은 냉각 탐지기 시스템을 위한 정밀, 고밀도, 열적 일치 피드 호른 어레이를 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ3 150 GHz에서 실리콘 플레이트릿 피드 호른 어레이는 삽입 손실, 반사 손실, 교차 편광, 측면 lobes 수준을 어느 정도 확보할 수 있는가?
• RQ4 비대칭성과 주파수 안정성 측면에서 실리콘 기반 피드 호른 어레이는 전기 도금 대비어와 비교해 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• Au 도금 파랑진형 실리콘 피드는 130–170 GHz 범위에서 약 ~-0.2 dB의 삽입 손실을 기록하며 전기 도금 피드와 동등한 성능 확보.
• 120–170 GHz 대역에서 반사 손실이 < -20 dB 이하로 유지되어 우수한 임피던스 일치와 낮은 신호 반사 특성 입증.
• 130, 150, 170 GHz에서 교차 편광 수준이 < -23 dB 이하로 유지되어 높은 편광 순도 확인.
• 동일 주파수 범위에서 측면 lobes 수준이 < -25 dB 이하로 유지되어 잡음성 간섭과 비정상 빔 오염 최소화.
• 비대칭성은 뛰어나, 시뮬레이션 및 측정 결과 모두 동일한 대칭성의 주요 빔 특성 유지.
• 제작 공정은 최대 150 mm 지름 어레이까지 지원하며, 현재 50 mm 지름의 84원소 어레이(33개의 Si 플레이트릿) 프로토타입 제작 중.