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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
passiven Bauelementen auf einem Substrat. Beschrieben ist auch ein
Bauteil, welches mittels eines derartigen Verfahrens hergestellt ist.
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Die
US 5,614,743 A beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen von MMIC Elementen auf einer Oberfläche eines
GaAs Halbleitersubstrats. Die Kondensatoren und Spulen werden auch
auf Seitenwänden und
Gräben
einer rückseitigen
Oberfläche
des Substrats angeordnet, um Kondensatoren mit großen Kapazitäten und
Spulen mit großer
Induktivität
bei geringer Chipfläche
zu erreichen. Die
US
5,652,557 A beschreibt ein Nassätzen oder reaktives Ionen-Ätzen zur Bildung von Gräben in einer
Oberfläche
von Halbleitersubstraten. In diesen Gräben werden Metallfilme abgeschieden
und strukturiert.
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Die
US 2004/0041653 A1 beschreibt
eine Hochfrequenzvorrichtung mit einem koplanaren Wellenleiter,
der ein Paar von Masseleitern und eine Signalleitung zwischen dem
Paar von Masseleitern aufweist. „Integrated Silicon Micromachined
Waveguide Circuits for Submillimeter Wave Applications" von John A. Wright
et al., erschienen in Symposium Proceedings: Sixth International
Symposium an Space Terahertz Technology, S. 387–396, März 1995, ist ein Verfahren
zur Herstellung von Wellenleitern mit nickelbeschichteten Seitenflächen von
Gräben
beschrieben.
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Obwohl
auf beliebige passive Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf sich
auf einem Trägersubstrat
befindliche Spulen und Koplanarleitungen näher erläutert.
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In
den letzten Jahren gewann die Mobil-Technologie sowie die drahtlose Übertragungstechnologie
an immer größerer Bedeutung.
Daher ist eine größere Integration
von Bauteilen im Radiofrequenz- und Mikrowellenbereich erwünscht, wobei
die Kosten und die Bauteilgröße reduziert
werden sollen. Bekannt sind silizium-basierte integrierte Schaltungen
auf beispielsweise einem Silizium-Substrat. Die Größen der
Mikroprozessoren sind gegenwärtig
im Wesentlichen durch die Größe der passiven
Bauelemente und weniger durch die Größe der aktiven Bauelemente
bestimmt. Die Anforderungen an die Größe der Mikroprozessoren bzw.
der integrierten Schaltungen und der darauf vorgesehenen Bauelemente
nehmen fortlaufend zu, so dass nach neuen Herstellungsverfahren
für eine
Optimierung der Abmessungen geforscht wird.
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Allgemein
liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung von passiven Bauelementen auf einem Substrat
und ein Bauteil, welches mittels eines derartigen Verfahrens hergestellt
ist, zu liefern, wobei auf einfache Weise der Flächenwirkungsgrad bzw. die Integrationsdichte
eines passiven Bauelements erhöht, d.
h. ein Bauelement derart auf dem Substrat hergestellt werden kann,
dass es bei gleicher Leistungsfähigkeit
einen geringeren Oberflächenbereich
des Trägersubstrats
benötigt
oder dass auf einer Flächeneinheit
die Anzahl der darauf vorgesehenen Bauelemente erhöht werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensseitig durch das Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass die Oberfläche
des Trägersubstrates
mittels eines anisotropen Ätzverfahrens
durch Bildung von Vertiefungen vergrößert wird, und passive Bauelemente
mit einer derartigen Struktur und Geometrie auf der Oberfläche des
Substrates und in den gebildeten Vertiefungen zumindest teilweise
hergestellt werden. Dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte
auf:
Bilden mehrerer Vertiefungen auf der Oberfläche des Substrates
mittels eines anisotropen Ätzverfahrens für eine Vergrößerung der
Oberfläche
des Substrates; Bilden einer Isolationsschicht wenigstens in den mehreren
Vertiefungen zum Bilden des Bauelements oberhalb der Isolationsschicht
derart, dass das passive Bauelement für eine möglichst hohe Integrationsdichte
im Wesentlichen durch die mehreren Vertiefungen verlaufend ausgebildet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil auf, dass auf einfache Weise mittels eines Standard-Ätzverfahrens die
Oberfläche
des Substrates durch Bilden von Vertiefungen erreicht wird, so dass
die Anzahl bzw. die Integrationsdichte der passiven Bauelemente
auf einem Substrat vorbestimmter Größe erhöht wird. Mit anderen Worten
kann die durch das passive Bauelement effektive beanspruchte Oberfläche des
Substrates bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit verringert werden,
so dass mehrere Bauelemente auf einem vorbestimmten Substrat angeordnet
werden können.
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Eine
photoresistive Maske kann vorzugsweise als positiver oder negativer
Photolack hergestellt werden und mittels eines Standard-Abscheidungsverfahrens über der
dielektrischen Isolationsschicht gebildet werden. Erfindungsgemäß werden
vor dem Bilden der photoresistiven Maske über dem Substrat bzw. der dielektrischen
Isolationsschicht und in den Vertiefungen die konvexen Eckbereiche
der Vertiefungen mittels beispielsweise einer TMAH-Lösung geglättet, so
dass eine stabilere Aufbringung der photoresistiven Maske gewährleistet
wird.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des Verfahrens
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung werden durch ein anisotropes nasschemisches Ätzverfahren
mehrere Vertiefungen auf der Oberfläche des Substrates gebildet,
wobei die Vertiefungen vorzugsweise aufgrund des anisotropen Charakters
des Ätzvorgangs
eine grabenförmige
Struktur aufweisen und ihre Längsachsen
vorzugsweise in etwa parallel zueinander ausgebildet sind.
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Beispielsweise
werden drei Leiter, zwei Masseleiter und ein Signalleiter, zum Bilden
einer Koplanarleitung parallel zueinander und senkrecht zu der Längsrichtung
der grabenförmigen
Vertiefungen durch das strukturierte Me tallisieren auf dem Substrat
und zumindest teilweise in den Vertiefungen gebildet, wobei die
dielektrische Schicht als Trenn- bzw. Zwischenschicht zwischen dem
Substrat und der Metallisierung dient. Alternativ oder zusätzlich kann
eine Spule, beispielsweise eine spiralförmige Spule, durch die strukturierte
Metallisierung auf dem Substrat gebildet werden, wobei insbesondere
mindestens ein Abschnitt der Spule parallel und mindestens ein Abschnitt
der Spule senkrecht zu der Längsrichtung der
grabenförmigen
Vertiefungen verlaufend ausgebildet werden. In einem zusätzlichen
Verfahrensschritt kann vorteilhaft eine Brückenverbindung für einen
geeigneten Anschluss der beispielsweise spiralförmigen Spule hergestellt werden.
Somit schafft die vorliegende Erfindung auf einfache Weise passive Bauelemente,
wie beispielsweise eine Koplanarleitung, eine Spule, einen MIM-Kondensator,
eine T-Verbindung, Kontaktstellen, oder dergleichen auf dem Substrat
und zumindest teilweise in den Vertiefungen, wobei die effektive
Vergrößerung der
Substratoberfläche
bzw. eine Erhöhung
der Integrationsdichte durch einen einfachen anisotropen nasschemischen Ätzvorgang
ausgenutzt wird.
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Insbesondere
wird für
das anisotrope nasschemische Ätzverfahren
ein KOH-Ätzmittel
unter Zuhilfenahme beispielsweise einer Silizium-Nitrid-Maske zum
Bilden der Vertiefungsgräben
verwendet.
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Die
Isolationsschicht besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen
organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Polyimid, einem SU-8-Material,
SiLK, einem organischen Polymer-Material, wie beispielsweise Benzozyclobuten (BCB),
oder dergleichen.
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Das
Substrat kann vorteilhaft als Silizium-Halbleitersubstrat, Germanium-Silizium-Substrat,
oder dergleichen ausgebildet sein. Die Metallisierungen werden vorzugsweise
aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen hergestellt.
Insbesondere hat sich Aluminium aufgrund einer hohen mechanischen
Festigkeit und eines niedrigen elektrischen Widerstandes als vorteilhaft
herausgestellt.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung
vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Von den Figuren zeigen:
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1a eine
Draufsicht auf eine Koplanarleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einem Substrat hergestellt ist;
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1b eine
Querschnittsansicht der auf dem Substrat hergestellten Koplanarleitung
entlang der Schnittlinie A-A in 1a;
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2a eine
Draufsicht auf eine spiralförmige Spule
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einem Substrat hergestellt ist; und
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2b eine
Querschnittsansicht der auf dem Substrat hergestellten spiralförmigen Spule
entlang der Schnittlinie B-B in 2a.
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Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1a illustriert
eine Draufsicht und 1b eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie A-A aus 1a eines
beispielhaften Koplanarleiters, welcher durch ein Herstellungsverfahren
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 1 hergestellt
ist.
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Ausgehend
von einem Trägersubstrat 1,
beispielsweise einem Silizium-Substrat,
einem Silizium-Germanium-Substrat, oder dergleichen wird die Oberfläche des
Substrats 1 mittels eines anisotropen, nasschemischen Ätzverfahrens
oberflächenbehandelt.
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Beispielsweise
werden mittels einer KOH-Ätzlösung unter
Zuhilfenahme einer Silizium-Nitrid-Maske aufgrund des anisotropen
Charakters des Ätzvorgangs
Vertiefungen 2 mit schräg
zulaufenden Wandbereichen auf vorbestimmten Bereichen und mit geeigneten
Strukturen und Positionierungen zueinander auf der Oberfläche des
Substrates 1 gebildet, wie insbesondere in 1b ersichtlich ist.
Beispielsweise werden mehrere Vertiefungen 2 auf der Oberfläche des
Substrates 1 gebildet, welche grabenförmig ausgebildet und deren
Längsachsen parallel
zueinander angeordnet sind, wie in den 1a und 1b illustriert
ist. Dadurch entsteht mittels eines einfachen anisotropen, nasschemischen Ätzverfahrens
eine gezielte Oberflächenvergrößerung des
Substrates 1.
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Um über den
konvexen Eckbereichen der Vertiefungen 2 eine bessere Einheitlichkeit
einer anschließenden
Beschichtung zu erreichen, werden die konvexen Bereiche beispielsweise über einen
vorbestimmten Zeitraum mittels einer TMAH-Lösung oder dergleichen geglättet.
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Anschließend werden
vorzugsweise die Oberfläche
des Substrates 1 und die Oberfläche der Vertiefungen 2 mit
einer dielektrischen Isolationsschicht 3 beschichtet. Die
dielektrische Isolationsschicht 3 wird beispielsweise mittels
eines Schleuderverfahrens auf der gesamten Oberfläche des Substrates 1 und
der Vertiefungen 2 gleichmäßig abgeschieden und beispielsweise
mittels einer Wärmebehandlung
ausgehärtet.
Die dielektrische Isolationsschicht 3 besteht beispielsweise
aus einem organischen Isolationsmaterial. Besonders vorteilhaft
hat sich Polyimid und SU-8 herausgestellt. Allerdings sei an dieser
Stelle darauf hingewiesen, dass auch andere Materialien, wie beispielsweise
ein organisches Polymer, insbesondere Benzozyclobuten (BCB), ein SiLK-Material,
oder dergleichen verwendet werden können.
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Die
dielektrische Isolationsschicht 3 dient vorzugsweise als
Zwischenschicht zwischen der später
aufgebrachten Koplanarleitungs-Metallisierung 4, 5, 6 und
dem Substrat 1, so dass Kopplungs- und Substratverluste
verringert werden können.
Beispielsweise kann als dielektrische Isolationsschicht 3 das
Polyimid DuPont PI2734-PolyimidTM verwendet werden,
welches ein negatives photosensitives Material darstellt. Dieses
photosensitive Material kann mittels einer Belichtung aufgrund einer
Strukturänderung
stabil auf der Oberfläche
des Substrates 1 und auf der Oberfläche der Vertiefungen 2 gebildet
werden. Es ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass auf analoge Weise positive photosensitive
Materialien verwendet werden können,
wobei vice versa die nicht beleuchteten Abschnitte eine feste Verbindung mit
der Oberfläche
des Substrates 1 und der Oberfläche der Vertiefungen 2 eingehen.
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Nachfolgend
wird eine photoresistive Schicht (nicht dargestellt) über der
dielektrischen Isolationsschicht 3 aufgebracht, welche
als Maske für
die anschließende
strukturierte Koplanarleitungs-Metallisierung dient. Die photoresistive
Schicht kann als positiver oder negativer Photolack ausgebildet
werden und mittels insbesondere zwei unterschiedlichen Verfahren über der
dielektrischen Isolationsschicht 3 aufgebracht werden.
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Ein
mögliches
Verfahren besteht darin, dass das Substrat 1 elektrisch
angeschlossen wird, so dass aus einer wässrigen Lösung, bestehend aus dem photoresistiven
Material, eine Abscheidung stattfindet. Die sogenannte Elektro-Abscheidung
erfolgt selbstbestimmend, d. h. der Strom auf der Substratoberfläche verringert
sich mit zunehmender Dicke der bereits abgeschiedenen photoresistiven Schicht,
wodurch die Abscheidung selbständig
bis auf Null heruntergesetzt wird. Dadurch erhält man eine äußerst einheitliche
photoresistive Schicht über der
gesamten Oberfläche
des Substrates 1 und über der
gesamten Oberfläche
der Vertiefungen 2.
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Alternativ
kann ein Standard-Verfahren zum Aufbringen der photoresistiven Schicht
auf der Oberfläche
des Substrates 1 und der Oberfläche der Vertiefungen 2 verwendet
werden. Dabei wird die Oberfläche
durch Drehen des Substrates 1 in einer gesättigten
Lösung
gleichmäßig mit
dem photoresistiven Material beschichtet. Um diese Beschichtung
ferner zu verbessern, sind vorab die konvexen Eckbereiche mittels
einer TMAH-Lösung
geglättet
werden, wie oben bereits erläutert
wurde. Da die konkaven Eckbereiche am Boden der Vertiefungen 2 einheitlich
mit dem photoresistiven Material beschichtet werden, wurde vorab,
wie in 1b ersichtlich ist, die dielektrische
Isolationsschicht 3 auch über den konkaven Eckbereichen
aufgebracht. Dadurch erfolgt durch die dielektrische Isolationsschicht 3 in
den Vertiefungen 2 zusätzlich
eine Glättung
der konkaven Eckbereiche der jeweiligen Vertiefungen 2.
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Beispielsweise
kann als photoresistives Material AZ 4562 verwendet werden, welches
zur Bildung der Maske für
die anschließende
Metallisierung dient.
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Wie
in den 1a und 1b ferner
illustriert ist, werden anschließend unter Zuhilfenahme der
als Maske dienenden photoresistiven Schicht eine geeignete strukturierte
Koplanarleitungs-Metallisierung auf bestimmten Bereichen der Oberfläche des
Substrates 1 und zumindest teilweise auf der O berfläche in den
Vertiefungen 2 mittels eines gängigen Metallisierungsverfahrens
hergestellt.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
in den 1a und 1b werden
ein Signalleiter 6 und zwei Masseleiter 4 und 5 auf
der Oberfläche der
Struktur gebildet, wobei die einzelnen Leiter 4, 5 und 6 vorzugsweise
parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet werden.
Vorzugsweise verlaufen die Leiter 4, 5 und 6 senkrecht
zur Längsachse
der Vertiefungen 2, wie in 1a dargestellt
ist. Dadurch wird die Oberflächenvergrößerung des
Substrates 1 durch die Vertiefungen 2 am geeignetsten
ausgenutzt bzw. die Integrationsdicht der Struktur am meisten vergrößert.
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Die
Koplanarleitungs-Metallisierungen 4, 5 und 6 können beispielsweise
aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich Aluminium herausgestellt, welches
eine hohe elektrische Leitfähigkeit,
eine hohe Robustheit aufweist und eine gute Verbindung mit beispielsweise
einem SU-8-Isolationsmaterial 3 eingeht.
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Somit
schafft die vorliegende Erfindung ein einfaches Herstellungsverfahren
für ein
stabiles Koplanarleitungssystem auf einem Substrat, welches eine
höhere
Integrationsdichte aufweist als Koplanarleitungssysteme gemäß dem Stand
der Technik.
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2a illustriert
eine Draufsicht und 2b eine Querschnittsansicht
entlang der Linie B-B in 2a einer
beispielhaften spiralförmigen
Spule, welche mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 1 hergestellt
ist.
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Bezüglich der
Herstellung der Vertiefungen 2, der dielektrischen Isolationsschicht 3 sowie
der Metallisierung unter Zuhilfenahme einer photoresistiven Schicht
wird auf das erste Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b verwiesen.
Auch bezüglich
der Ausführungen
im Hinblick auf die einzelnen Verfahrensschritte und auf die Materialwahl
kann auf obige Erläuterungen
verwiesen werden, so dass darauf im folgenden nicht näher eingegangen
wird.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a und 1b erfolgt
eine Metallisierung beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie in den 2a und 2b illustriert
ist, derart, dass eine spulenförmige
Struktur auf der Oberfläche des
Substrates 1 und zumindest teilweise in den Vertiefungen 2 erzeugt
wird. Wie in 2a ersichtlich ist, ist die
spiralförmige
Spule beispielsweise aus rechteckigen Windungen hergestellt, wobei
Kanten der rechteckigen Windungen senkrecht zu der Längsrichtung
der Vertiefungen 2 und die zugeordneten angrenzenden Kanten
der spiralförmigen
Spule parallel zu der Längsrichtung
der Vertiefungen 2 verlaufen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich,
dass andere Windungsstrukturen entsprechend der jeweiligen Anwendung
ebenfalls möglich
sind, solange die Windungen zumindest teilweise in den Vertiefungen 2 verlaufend
ausgebildet sind.
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Vorzugsweise
wird der Spulenleiter 7 mit einer in 2a dargestellten
Struktur auf dem Substrat und zumindest teilweise in den Vertiefungen 2 erzeugt,
wobei an beispielsweise zwei gegenüberliegenden Seiten der Spule
Kontaktflächen 9 auf
der Oberfläche
des Substrates 1 metallisiert werden.
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Zusätzlich wird
eine Brückenverbindung 8 vorgesehen,
welche eine Kontaktfläche 9 beispielsweise
mit dem inneren Ende der Spule für
einen elektrischen Anschluss verbindet.
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Somit
schafft die vorliegende Erfindung ein einfaches Herstellungsverfahren
für eine
leistungsfähige
Spule auf einem Substrat, welche eine höhere Integrationsdichte auf
einem Substrat aufweist als Spulen gemäß dem Stand der Technik.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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Beispielsweise
können
außer
Koplanarleitungen und Spulen sämtliche
passive Bauelemente mittels des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden, beispielsweise MIM-Kondensatoren, T-Verbindungen,
Anschlussstellen, oder dergleichen.
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Ferner
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Materialien für das Substrat,
die dielektrische Schicht, die photoresistive Maske sowie für die Metallisierungen
verwendet werden können. Entscheidend
ist lediglich, dass mittels eines einfachen anisotropen Ätzverfahrens
die Oberfläche
des Substrates vergrößert wird,
um ein passives Bauelement mit einer höheren Integrationsdichte zu
schaffen.
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- 1
- Substrat
- 2
- Vertiefung
- 3
- dielektrische
Isolationsschicht
- 4
- Masseleiter
- 5
- Masseleiter
- 6
- Signalleiter
- 7
- Spulenleiter
- 8
- Brückenverbindung
- 9
- Kontaktfläche