DE10156257A1

DE10156257A1 - Mikromechanischer Resonator

Info

Publication number: DE10156257A1
Application number: DE10156257A
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Heinz Pfizenmaier; Juergen Hasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-28
Also published as: EP1474841A1; JP3999200B2; US20040031999A1; US7091801B2; KR20040053285A; WO2003041215A1; JP2005509344A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Resonator mit einem kontaktierbaren Resonanzkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Resonators für Halbleiterbauelemente. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Resonator (26) aufeinander folgend aus einer ersten Schicht (16) aus Silizium, zur schaltungstechnischen Ankopplung des Resonators (26), einer Isolationsschicht (14) aus Siliziumoxid, einer zylinderförmigen Basisschicht (Zylinder 18) und einer den Zylinder (18) vollständig umschließenden Metallschicht (20) besteht. DOLLAR A Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass in eine über eine Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid von einer Schicht (16) aus Silizium getrennte Basisschicht (12) aus p·-·-dotiertem Silizium (SOI-Wafer) eine zylinderförmige Struktur (18) (Zylinder) geätzt wird (Trench-Ätzverfahren) und die zylinderförmige Struktur (18) mit einer Metallschicht (20) beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Resonator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Die Halbleitertechnologie findet in zunehmendem Maße Einzug in die Kraftfahrzeugtechnik. Die Miniaturisierung ermöglicht nicht nur eine verbesserte Steuerungs- und Regelungstechnik der motorspezifischen Funktionen, sondern öffnet auch den Weg für neue Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Einparkhilfen, Pre-crash- und Side-crash-Funktionen und Abstandsmessungen. Für alle steuerungs- und regelungstechnischen Vorgänge muss eine - nach Möglichkeit miniaturisierte - Sensorik im Kraftfahrzeug vorhanden sein.

Häufig werden berührungslose Sensoren verwendet, die einen Messstrahl bestimmter Frequenz imitieren, der an dem zu messenden Objekt reflektiert und mittels einer Empfängereinheit wieder erfasst und ausgewertet wird. In der Halbleitertechnologie ist es dabei bekannt, so genannte dielektrische Resonatoren zur Frequenzstabilisierung von Mikrowellen-Oszillatoren oder in Kombination mehrerer dielektrischer Resonatoren in Mikrowellenfiltern bis zu einer Frequenz von zirka 40 GHz einzusetzen. Der Aufbau der Mikrowellen-Oszillatoren erfolgt dabei in Hybridtechnik, bei der eine so genannte dielektrische Resonatorpille an geeigneter Stelle auf einem Leitersubstrat montiert wird. Die Befestigung der Resonatorpille erfolgt über Koppelleitungen zu den umgebenden Mikrostreifenleiter- Schaltungen des Leitersubstrates. Schon die positioniergenaue Montage der Resonatorpille auf dem Leitersubstrat ist technisch aufwendig und damit kostenintensiv und kann zu einer kleinen Ausbeuterate führen. Nach der Montage müssen die dielektrischen Resonatoren zusätzlich mittels eines räumlich oberhalb von ihnen angeordneten Stempels abgeglichen werden, um die eng tolerierte Soll-Resonanzfrequenz zu erreichen. Aufgrund der mit steigender Frequenz immer kleiner werdenden Geometrie und den dann bei der Justage auftretenden Problemen sind dielektrische Resonator-Oszillatoren nach dem derzeitigen Stand der Technik für Frequenzen oberhalb von 40 GHz nicht fertigbar.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Resonator mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass präzise dielektrische Resonator-Oszillatoren auch für Frequenzen oberhalb 40 GHz erzielbar sind. Der erfindungsgemäße mikromechanische Hochfrequenz- Resonator besteht aufeinander folgend aus

a) einer ersten Schicht aus Silizium, die einer schaltungstechnischen Ankopplung des Resonators dient,
b) einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid,
c) einer zylinderförmigen Basisschicht (zweite Schicht) aus p dotiertem Silizium und
d) einer die zylinderförmige Basisschicht vollständig umschließenden Metallschicht.

Anstelle der dielektrischen Resonatorpille, die auf dem Trägersubstrat montiert und genau justiert werden muss, ist der vorliegende Resonator somit bereits integraler Bestandteil eines Halbleiterbauelementes.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht vor, dass in eine über eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid von einer ersten Schicht aus Silizium getrennte Basis-(zweite)-Schicht aus p^--dotiertem Silizium (SOI-Wafer) zylinderförmige Strukturelemente (Zylinder) geätzt werden (Trench-Ätzverfahren), die anschließend vollständig metallisiert werden. Die Positionierung des Resonators auf dem Halbleiterbauelement, insbesondere zu einer Mikrostreifenleiter-Schaltung, ist durch die hohe Genauigkeit fotolithografischer Methoden gewährleistet. Die sehr hohe Präzision beim Trench-Ätzen des Resonatorzylinders gewährleistet eine eng tolerierte Soll- Resonanzfrequenz, so dass ein Frequenzabgleich nicht mehr notwendig ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Resonators ist vorgesehen, dass die Metallschicht auf der zylinderförmigen Basisschicht von einer Aluminiumschicht gebildet ist. Diese lässt sich prozesstechnisch in einfacher Weise abscheiden. Ferner ist bevorzugt, wenn die Metallschicht mit einer weiteren Metallschicht, insbesondere einer Nickelschicht, versehen ist. Hierdurch wird ein Einlöten des Resonators beziehungsweise einer den Resonator aufweisenden Oszillatorschaltung (Chip) in ein Gehäuse oder dergleichen in einfacher Weise möglich.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mikromechanische Hochfrequenz-Resonatoren mit einem Radius von 600 bis 1000 µm, insbesondere 750 bis 850 µm, und eine Resonatorhöhe von 550 bis 900 µm, insbesondere 700 bis 750 µm, auf fotolithografischem Wege herzustellen. Derartige metallisierte Zylinder lassen sich gezielt im TM₀₁₀-Mode anregen und decken Resonanzfrequenzen im hohen GHz-Bereich ab. Die Metallisierung verhindert ein Austreten des Hochfrequenz- Feldes aus dem Resonator.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des mikromechanischen Resonators dient die erste Schicht als Trägersubstrat für eine darauf angeordnete oder in diese integrierte Mikrostreifenleiter-Schaltung. Ein Bereich der ersten Schicht oberhalb des Zylinders wird durch eine Ankopplungsscheibe bedeckt. Die Ankopplungsscheibe weist mittig eine Ausnehmung auf, durch die ein Mikrowellenleiter den Kontakt zur Mikrostreifenleiter-Schaltung ermöglicht. Die Ankopplungsscheibe ist so dimensioniert, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann. Insbesondere ist ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe größer als ein Durchmesser des Zylinders.

Weitere vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figuren einen schematischen Querschnitt durch einen 1 bis 3 SOI-Wafer für mikromechanische Strukturen im Bereich des Resonators in verschiedenen Herstellungsstadien;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen mikromechanischen Resonator;
Fig. 5 den Verlauf der elektrischen und magnetischen Feldlinie im TM₀₁0-Mode und
Fig. 6 die Ankopplung des mikromechanischen Resonators an die umgebende aktive Mikrostreifenleiter-Schaltung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem handelsüblichen SOI(Silicon an Insulator)-Wafer 10, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Strukturen Einsatz finden kann. Der Wafer besteht aus einer 675 µm dicken semiisolierenden, p^--dotierten Basisschicht 12 aus Silizium. Sie weist einen spezifischen Widerstand im Bereich von 500 bis 1000 Ωcm, insbesondere 750 Ωcm, auf. Die Basisschicht 12 wird von einer etwa 300 nm dicken Isolationsschicht 14 aus Siliziumdioxid bedeckt, auf der eine 50 µm dicke, p^-- dotierten Schicht 16 aus Silizium aufgebracht ist.
Die Isolationsschicht 14 aus Siliziumdioxid dient als Ätzstopp beim Trench-Ätzen der mikromechanischen Strukturen in die Basisschicht 12. Dabei kann auf bekannte Verfahren, die hier nicht weiter erläutert werden sollen, zurückgegriffen werden. Der Trench- Ätzprozess legt eine Membran, bestehend aus der präzisen 50 µm dicken Schicht 16 und der 300 nm dicken Isolationsschicht 14, frei, die einen Freiraum 19 überspannt. In dem Freiraum 19 kommt es durch Maskierungen während des Trench-Ätzens zur Ausbildung eines Zylinders 18 in der Schicht 12 (Fig. 2). Dieser wird quasi von dem Freiraum 19 umgeben.
Die entstandene zylinderförmige Struktur 18 wird durch Bedampfung oder Sputtern mit einer zirka 1 µm dicken Aluminiumschicht 20 überzogen (Fig. 3). Der somit metallisierte Zylinder 18 dient als mit semiisolierendem Silizium gefüllter Mikrowellenresonator 26 hoher Güte (Q ≍ 200), der gezielt im TM₀₁₀-Mode angeregt werden kann. Auf eine nach herkömmlicher Technik zur Wärmeabfuhr notwendige zusätzliche Kupferschicht im Bereich des Resonators 26 kann verzichtet werden.
Gegebenenfalls wird eine weitere Metallschicht, insbesondere Nickelschicht 22, aufgebracht, die als Lötbasis zum späteren Einlöten eines den Resonator aufweisenden Chips in ein Gehäuse oder dergleichen dienen kann.
Ein Bereich der Schicht 16 oberhalb des Zylinders 18 wird mit einer Ankopplungsscheibe 24, die über den darunter liegenden Zylinderresonator hinausreicht, bedampft (Fig. 4). Die Ankopplungsscheibe 24 ist so dimensioniert, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann. Ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe 24 ist insbesondere größer gewählt als ein Durchmesser des Zylinders 18. In der Ankopplungsscheibe 24 ist eine vorzugsweise als Schlitz ausgebildete Ausnehmung 30 zur Aufnahme eines Mikrowellenleiters 28 strukturiert. Der Resonator 26 hat eine Höhe von zirka 725 µm, einen Radius von zirka 800 µm und eignet sich für Resonanzfrequenzen im Bereich von 40 GHz.
In den Fig. 5a und 5b ist ein Verlauf der elektrischen (Fig. 5a) und magnetischen (Fig. 5b) Feldlinien im Anregungsfall des TM₀₁₀-Modes dargestellt. Die Fig. 5a und 5b zeigen jeweils den Zylinder 18, einmal in Schnittdarstellung und einmal in Draufsicht. Vorteilhaft bei der beschriebenen Anregung ist, dass die Resonanzfrequenz nicht von der Höhe des Resonators 26 abhängt, da eine Dickentoleranz der Basisschicht 12 keinen Einfluss auf die Schwingfrequenz hat.
Fig. 6 zeigt schematisch, wie eine Ankopplung des Resonators 26 an eine aktive Mikrostreifenleiter- Schaltung 32 mit Flip-Chip-montiertem Gallium-Arsen- MMIC 34 über den Mikrowellenleiter 28 im Schlitz 30 der Ankopplungsscheibe 24 erfolgen kann. Der Aufbau ist einfach reproduzierbar und somit für eine Massenfertigung geeignet.

Claims

1. Mikromechanischer Resonator (26) mit einem kontaktierbaren Resonanzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (26) aufeinander folgend aus

a) einer ersten Schicht (16) aus Silizium, zur schaltungstechnischen Ankopplung des Resonators (26),

b) einer Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid,

c) einer zylinderförmigen Basisschicht (Zylinder 18) und

d) einer den Zylinder (18) vollständig umschließenden Metallschicht (20)

besteht.

2. Mikromechanischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) aus Aluminium besteht.

3. Mikromechanischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) mit einer weiteren Metallschicht, insbesondere Nickelschicht (22), bedeckt ist.

4. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (18) eine Resonatorhöhe von 550 bis 900 µm, insbesondere 700 bis 750 µm, aufweist.

5. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (18) eine Resonanzfrequenz von 1 bis 500 GHz, insbesondere 20 bis 150 GHz, aufweist.

6. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (26) im TM₀₁₀-Mode betreibbar ist.

7. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (12) einen spezifischen Widerstand im Bereich von > 500 Ωcm.

8. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (12) 400 bis 900 µm, insbesondere 600 bis 700 µm, dick ist.

9. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) 100 bis 500 nm, insbesondere 250 bis 350 nm, dick ist.

10. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (16) als Trägersubstrat für eine Mikrostreifenleiter-Schaltung dient.

11. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Schicht (16) oberhalb des Zylinders (18) durch eine Ankopplungsscheibe (24) bedeckt ist.

12. Mikromechanischer Resonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsscheibe (24) so dimensioniert ist, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann, insbesondere ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe (24) größer ist als ein Durchmesser des Zylinders (18).

13. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsscheibe (24) eine Ausnehmung (30) zur Aufnahme eines Mikrowellenleiters aufweist.

14. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Resonators für Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, dass in eine über eine Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid von einer Schicht (16) aus Silizium getrennte Basisschicht (12) aus p^--dotiertem Silizium (SOI-Wafer) eine zylinderförmige Struktur (18) (Zylinder) geätzt wird (Trench-Ätzverfahren) und die zylinderförmige Struktur (18) mit einer Metallschicht (20) beschichtet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) aufgedampft oder gesputtert wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Metallschicht (20) eine weitere Metallschicht (22), insbesondere Nickelschicht, aufgebracht wird.