DE102004022177A1

DE102004022177A1 - Verfahren zur Herstellung eines Koplanarleitungssystem auf einem Substrat und nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen

Info

Publication number: DE102004022177A1
Application number: DE102004022177A
Authority: DE
Inventors: Mojtaba Joodaki
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-06
Also published as: US7307497B2; US20050248421A1; DE102004022177B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelementes, mit welchem die Leiter (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems in einer Membran (3) derart eingebettet sind, dass sie über einem vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 19, 20) des Substrates (1) für eine Entkopplung der Leiter von dem Substrat (1) frei hängen. Ein weiteres Substrat (13) wird mit der Unterseite des zurückgeätzten Bereiches (18; 19, 20) des prozessierten Substrats (1) derart verbunden, dass ein Hohlbereich für eine Entkopplung des Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) von dem Substrat (1) entsteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Koplanarleitungssystems auf einem Substrat zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen.
Die Bauelemente-Modellierung von auf einem Halbleitersubstrat integrierten Bauelementen nimmt mit steigender Betriebsfrequenz eine immer größere Rolle ein, da dann die Leitungseigenschaften, die Reflektionen an Diskontinuitäten, das Überlappen und die Verlustleistungen zunehmen. Somit ist eine Berücksichtigung dieser Effekte in der Modellierung, insbesondere im Hochfrequenzbereich, im allgemeinen unerlässlich. Insbesondere bei einem niederohmigen Substrat, wie beispielsweise einem Silizium-Substrat, ist der parasitäre Einfluss der Substratleitfähigkeit und zusätzlicher Kapazitäten nicht zu vernachlässigen.
Obwohl allgemein auf beliebige Leitungen oder beliebige passive Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Koplanarleitung (coplanar waveguide; CPW) näher erläutert.
Da sich die Technologie im Radiofrequenz-Bereich von großen Systemen mit einer großen Reichweite hin zu kleineren Systemen mit einer geringeren Reichweite verlagert und immer mehr neuere Systeme mobil ausgestaltet werden, geht der Trend in dem RF-Bereich dahin, radiofrequenztaugliche Geräte zu schaffen, welche günstiger und handlicher ausgebildet sind. In den letzten Jahren wurden daher zunehmend sogenannte Koplanarleitungen untersucht, welche gegenüber den herkömmlichen Mikrostreifen-Ausgestaltungen erhebliche Vorteile aufweisen. Beispielsweise ist die Dispersion aufgrund der Leistungsübertragung durch Luft bei einem Koplanarleitungssystem niedriger und die parasitären Störungen, beispielsweise Diskontinuitäten, sind geringer als bei herkömmlichen Mikrostreifen-Ausgestaltungen. Zudem werden keine Durchgangslöcher benötigt, so dass die mechanisch nicht stabilen Halbleiter nicht so extrem dünn ausgebildet werden müssen.
Die Koplanarleitung ist ein planares Drei-Leiter-System, bestehend im allgemeinen aus einem Signalleiter und zwei symmetrisch dazu angeordneten Masseleitern. Die Koplanarleitung weist entsprechend der drei Leiter zwei Grundwellen auf, welche allgemein als Koplanarleitungswelle (coplanar mode) und Schlitzleitungswelle (slot line mode) bezeichnet werden. Technisch gewünscht ist jedoch lediglich die Koplanarleitungswelle, weshalb durch Massebrücken immer sichergestellt sein muss, dass sich die zweite Mode nicht ausbreiten kann.
Gemäß dem Stand der Technik besteht eine derartige Koplanarleitung daher im allgemeinen aus drei Metallstreifen, welche parallel zueinander verlaufend in beispielsweise einer Siliziumoxid-Schicht eingebettet sind. Dabei muss die Oxid-Schicht zwischen der Metallisierung und dem niederohmigen Trägersubstrat möglichst dick sein, um die Substratverluste so gering wie möglich halten zu können.
An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass durch die direkte Kopplung des koplanaren Leitungs-systems bzw. der einzelnen Leiter der Koplanarleitung mit der dielektrischen Schicht bzw. dem Substrat hohe Leitungsverluste, hohe Substratverluste und geringe Dämpfung der Wechselwirkungen der einzelnen Moden untereinander auftreten. Somit treten insbesondere im Hochfrequenzbereich ungewollte Effekte, wie Abstrahlung, Überkopplung von Signalen oder Schwingungen von Verstärkerschaltungen, etc. auf.
Somit ist es allgemein wünschenswert, die Leiterverluste eines Koplanarleitungssystems möglichst gering zu halten. Ein Ansatz gemäß dem Stand der Technik besteht darin, ein mikroabgeschirmtes Leitungssystem zu schaffen, in welchem der mittige Signalleiter und die parallel dazu angeordneten Masselaiter zumindest teilweise mit Luft umgeben sind, wobei die einzelnen Leiter auf beispielsweise einer 1,5 μm dicken dielektrischen Membran getragen werden, wobei unter der Membran eine luftaufweisende Ausnehmung vorgesehen ist. Somit kann eine einzige Mode, d.h. eine Wellenausbreitung über einen sehr breiten Bandbereich mit einer verringerten Dispersion und einem verringerten dielektrischen Verlust erreicht werden. Durch eine metallisierte Abschirmungsausnehmung unterhalb des Leitungssystems werden Kopplungen zwischen benachbarten Leitungen und Störmoden in dem Substrat verringert.
An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die bisherige Herstellung einer mikroabgeschirmten Koplanarleitung abhängig von der Technologie zur Herstellung der dünnen dielektrischen Membran und abhängig von dem anisotro pen Ätzvorgang des Trägersubstrates ist. Die bisher verwendete Membran besteht aus einem Drei-Schicht-Aufbau aus SiO₂-Si₃N₄-SiO₂. Das Herstellungsverfahren eines derartigen Drei-Schicht-Aufbaus ist aufwendig und kompliziert und muss in mindestens zwei Schritten durchgeführt werden. Zunächst wird eine Öffnung in der Siliziumnitrid-Schicht auf der Rückseite des Substrates definiert und anschließend wird das Substrat so lange zurückgeätzt, bis eine durchsichtige Membran entsteht. Danach werden verschiedene für die Mikroabschirmung günstige Geometrien mittels Photolithographie erzeugt. Dieses Herstellungsverfahren ist somit aufwendig und kostenintensiv, wobei die Metallisierungen lediglich relativ dünn ausgebildet werden können, was in hohen Leitungsverlusten und hohen elektrischen Widerstandswerten resultiert.
Ferner besteht der Nachteil dieses Ansatzes gemäß dem Stand der Technik darin, dass die oberen Massestellen und die unteren Masseleiter nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern durch eine dielektrische Schicht voneinander getrennt sind. Somit müssen die einzelnen Massestellen getrennt voneinander geerdet werden, was einen zusätzlichen Arbeitsaufwand bedarf.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für mikroabgeschirmte Koplanarleitungen und ein durch ein derartiges Herstellungsverfahren erzeugtes Bauelement zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile beseitigen und insbesondere ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren sowie ein Bauelement mit geringeren elektrischen Verlusten und einfacherer Erdung gewährleisten.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass eine verbesserte Integration der einzelnen Leiter des koplanaren Leitungssystems und eine direkte Verbindung der oberen und unteren Massestellen sowie eine auf einfache Weise hergestellte Verdickung der einzelnen Leiter der Koplanarleitung durch folgende Schritte gewährleistet wird: Bilden mindestens eines koplanaren Leitungssystems, bestehend aus vorzugsweise einem Signalleiter und zwei Masseleitern, auf einem vorbestimmten Bereich des Substrates (1); Bilden einer dielektrischen Isolationsschicht über den einzelnen Leitern des koplanaren Leitungssystems; vollständig Zurückätzen eines Bereiches des Substrates unterhalb des koplanaren Leitungssystems von der Unterseite des Substrates her derart, dass der Signalleiter des koplanaren Leitungssystems vollständig und jeder Masseleiter zumindest teilweise durch Einbettung in die zweite dielektrische Isolationsschicht frei hängend über dem vollständig zurückgeätzten Bereich des Substrates getragen werden; und strukturiert Metallisieren der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches des Substrates und der sich über dem vollständig zurückgeätzten Bereich befindlichen Abschnitte der einzelnen Leiter des koplanaren Leitungssystems von der Unterseite des Substrates her zum Bilden eines verdickten Signalleiters und zumindest teilweise verdickter Masseleiter.

Somit wird durch ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren ein Bauelement zum Übertragen von elektromagnetischen Wellen hergestellt, bei welchem die Leiter gegen äußere Einflüsse ohne zusätzlicher Abdeckung vollständig abgeschirmt sind und der Signalleiter vollständig von dem Substrat derart entkoppelt ist, dass keine elektromagnetische Kopplung mit dem Substrat und somit zu anderen Leitern bzw. anderen Bauelementen auftreten kann. Somit können Störungen und elektromagnetische Verluste vermindert oder gänzlich beseitigt werden.

Ferner sind die oberen Masseleiter der Koplanarleitung direkt mit der unteren Massemetallisierung verbunden, so dass lediglich ein einheitlicher Masseanschluss vorzusehen ist.

Zudem ist der Signalleiter auf einfache Weise dicker ausgebildet als bei einem Bauelement, welches nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt ist. Dies reduziert vorteilhaft die elektromagnetischen Verluste und den elektrischen Widerstand der Signalleitung.

Zusätzlich ist das vorliegende Bauelement im Radiofrequenz- bzw. im Hochfrequenzbereich für siliziumbasierende Technologien für eine monolithische Integration des koplanaren Leitungssystems geeignet. Somit wird insgesamt die Leistungsfähigkeit des Bauelementes erhöht, wobei dieses durch ein einfacheres Herstellungsverfahren kostengünstiger herstellbar ist.

In den Unteransprüchen finden sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens und des im Anspruch 25 angegebenen Bauelementes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine zusätzliche Schicht, insbesondere eine erste dielektrische Isolationsschicht auf der Oberseite des Substrates vor dem Bilden der Leiter gebildet. Diese zusätzliche Schicht kann vorteilhaft einem Schutz der Leitermetallisierungen vor etwaigen Ätzmitteln dienen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden durch die strukturierte Metallisierung der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches des Substrates und der sich über dem vollständig zurückgeätzten Bereich befindlichen Abschnitte der einzelnen Leiter des koplanaren Leitungssystems von der Unterseite des Substrates her untere Masseleiter gebildet, welche jeweils mit den sich über dem vollständig zurückgeätzten Bereich des Substrates befindlichen Abschnitten der entsprechenden Masseleiter verbunden werden. Somit erfolgt eine direkte Verbindung der oberen und unteren Masseleiter ohne einer nachteiligen dielektrischen Zwischenschicht. Dadurch kann insgesamt ein einheitlicher Masseanschluss erfolgen, was kostengünstig bewerkstelligt werden kann. Zusätzlich wird der Signalleiter durch diese Metallisierung verdickt, so dass der elektrische Widerstand des Signalleiters vorteilhaft verringert wird.

Vorteilhaft wird das vollständige Zurückätzen eines Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahn mittels eines einzigen nasschemischen Ätzverfahrens, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer dritten Isolationsschicht, ausgeführt. Alternativ kann es vorteilhaft sein, das vollständige Zurückätzen des Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Koplanarleitung durch zwei aufeinanderfolgende Ätzschritte auszuführen. Dabei besteht der erste Ätzschritt vorzugsweise darin, einen Bereich des Substrates unterhalb der jeweiligen Koplanarleitung derart teilweise zurückzuätzen, dass eine dünne Substratschicht unterhalb der jeweiligen Koplanarleitung zurückbleibt. In einem anschließenden zweiten Ätzschritt wird zum Bilden einer Stufenstruktur des zurückgeätzten Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Koplanarleitung ein Abschnitt der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht mittels beispielsweise eines weiteren nasschemischen Ätzverfahrens vollständig zurückgeätzt. Somit können auf einer geringen Oberfläche mehrere Koplanarleitungssysteme benachbart zueinander gleichzeitig durch Ausführen der beiden vorgenannten Ätzschritte hergestellt werden, wobei die nicht vollständig zurückgeätzten Abschnitte der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht eine größere Stabilität der Substratoberfläche gewährleisten. Insbesondere kann der erste und der zweite Ätzschritt als nasschemisches Ätzverfahren ausgeführt werden. Bei dem zweiten Ätzschritt wird beispielsweise eine weitere Isolationsschicht auf der Unterseite des Substrates und der Oberfläche des teilweise zurückgeätzten Abschnitts abgeschieden, wobei die vierte Isolationsschicht durch Entwickeln eines beispielsweise aufgedampften photoresistiven Materials strukturiert wird, um die gewünschte anisotropische vollständige Zurückätzung eines Abschnitts der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht zu gewährleisten. Als abschließende Behandlungen können beispielsweise die photoresistive Schicht mittels einer geeigneten Lösung, beispielsweise Azeton, abgewa schen und die auf der Unterseite des Substrates verbliebenen Isolationsschichten mittels beispielsweise eines nasschemischen Ätzverfahrens oder eines Trockenätzverfahrens beseitigt werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein weiteres Substrat mit geeigneter Geometrie zum Bilden eines Luftbereiches auf der Unterseite des prozessierten Substrates aufgebracht. Aufgrund der günstigen Dielektrizitätskonstanten von Luft erfolgt somit eine gute Abschirmung des Signalleiters zum Substrat und zu weiteren benachbarten Leitern. Dadurch können Substratverluste und elektromagnetische Verluste verringert werden. Vorzugsweise ist das weitere Substrat mit einer Metallisierung an der Oberfläche ausgebildet, welche zumindest teilweise mit den unteren Masseleitern verbunden werden kann. Somit kann auch der Widerstand der unteren Masseleiter verringert werden und zusätzlich eine mechanisch stabile Verbindung hergestellt werden.

Vorzugsweise wird das weitere Substrat mit einer derartigen Geonmetrie ausgebildet, dass es zumindest teilweise in den teilweise zurückgeätzten Bereich formschlüssig eingesetzt werden kann. Somit entsteht wiederum ein gut abgeschirmter Hohlbereich und eine ausgezeichnete Entkopplung des Signalleiters von dem Substrat und von benachbarten Leitern. Zudem kann die Oberfläche des weiteren Substrates wiederum eine Metallisierung aufweisen, welche mit der unteren Massemetallisierung des prozessierten Substrates verbunden werden kann. Dadurch kann der elektrische Widerstand der Masseleitungen erheblich verringert und die Stabilität des gesamten Bauelementes vergrößert werden.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vor der strukturierten Metallisierung eine photoresistive Schicht bzw. ein Photolack auf der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches des Substrates gebildet und ent sprechend beleuchtet bzw. entwickelt. Der Photolack stellt eine einfache Variante einer Maske für eine strukturierte Metallisierung des Substrates dar.

Vorzugsweise wird sowohl der Signalleiter an den den Masseleitern zugewandten Bereichen als auch die Masseleiter jeweils an dem dem Signalleiter zugewandten Bereich für eine Verdickung zusätzlich metallisiert. Diese Bereiche der Leiter weisen die höchsten Stromdichten auf, so dass an diesen Bereichen dickere Leitungen als an den übrigen Bereichen vorteilhaft sind.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Abdeckmetallisierung über dem koplanaren Leitungssystem ausgebildet, welche deckelförmig von einem Masseleiter zu dem gegenüberliegenden Masseleiter verläuft und diese elektrisch miteinander verbindet. Dadurch entsteht ein vollständig abgeschirmtes Koplanarleitungssystem und eine einheitliche Masseleitung für das gesamte System. Ferner wird die Signalleitung durch äußere Störeinflüsse und Verunreinigungen abgeschirmt.

Beispielsweise können mehrere Koplanarleitungssysteme nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat vorgesehen werden, wobei das Substrat zum Bilden der jeweiligen Hohlbereiche und Metallisierungen gemeinsamen Verfahrensschritten unterzogen wird. Somit muss nicht jedes einzelne Koplanarleitungssystem gesondert hergestellt werden, sondern es können alle Koplanarleitungssysteme zusammen kostengünstig mittels gemeinsamer Verfahrensschritte erzeugt werden. Beispielsweise werden die jeweils zugewandten Masseleiter benachbarter Koplanarleitungssysteme über den durch das strukturierte Metallisieren gebildeten unteren Masseleiter elektrisch miteinander verbunden. Somit genügt wiederum lediglich eine einheitliche Massestelle.

Insbesondere ist das Substrat als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet. Vorzugsweise bestehen die einzelnen Leiter aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen und sind als für den Hochfrequenzbereich geeignete Leiter ausgebildet.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die dielektrischen Isolationsschichten mit Ausnahme der Membran aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, Silizium mit eingeschlossenen Luftbereichen, Siliziumnitrid, oder dergleichen gebildet.

Die als Membran dienende dielektrische Isolationsschicht besteht vorteilhaft aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie beispielsweise Benzozyclobuten (BCB), SiLK, SU-8, Polyimid, oder dergleichen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
1a bis 1i Querschnittsansichten eines erfindungsgemäßen Bauelementes in verschiedenen Verfahrenszuständen zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a bis 2k Querschnittsansichten eines erfindungsgemäßen Bauelementes in verschiedenen Verfahrenszuständen zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a eine schematische Darstellung einer Stromdichte-Verteilung in einem Koplanarleitungssystem;
3b eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1a bis 1i illustrieren Querschnittsansichten eines Bauelementes in einzelnen Verfahrenszuständen, wobei anhand der 1a bis 1i ein Herstellungsverfahren eines Bauelementes zur Übertragung elektromagnetischer Wellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert wird.
Wie in 1a ersichtlich ist, wird beispielsweise in einem bereits für die Herstellung eines FGCPW (finite ground coplanar waveguide)-Koplanarleiters bekannten Verfahrensschritt ein Substrat 1 auf seiner Oberseite und seiner Unterseite mit einer ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 bzw. mit einer weiteren dielektrischen Isolationsschicht 4 (im folgenden als dritte Isolationsschicht 4 bezeichnet) versehen, welche unter bestimmten Umständen auch weggelassen werden können. Das Substrat 1 ist beispielsweise ein niederohmiges Silizium-Halbleitersubstrat oder dergleichen. Die erste und dritte dielektrische Isolationsschicht 2 bzw. 4 kann jeweils beispielsweise als in etwa 1-2 μm dicke Siliziumnitrid- oder Siliziumdioxid-Schicht ausgebildet werden. Anschließend wird zur Bildung des koplanaren Leitungssystems eine Signalleitung 5 und zwei Masseleiter 6 und 7 auf der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 metallisiert. Die Masseleiter 6 und 7 sind jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Signalleitung 5 vorgesehen und verlaufen in etwa parallel zur Signalleitung 5. Als besonders geeignetes Material für die Leiter 5, 6 und 7 des Koplanarleitungssystems hat sich Aluminium herausgestellt. Jedoch können auch andere Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Gold, Silber, Titan, oder dergleichen verwendet werden.
Nachfolgend, wie in 1b dargestellt ist, wird eine zweite dielektrische Isolationsschicht 3 über der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 und über den Leitern 5, 6 und 7 des Koplanarleitungssystems derart gebildet, dass die einzelnen Leiter 5, 6 und 7 vollständig in der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 3 eingebettet sind.
Die zweite dielektrische Isolationsschicht 3 dient als Trägermembran und ist vorzugsweise aus dem Material SU-8 hergestellt, welches beispielsweise auf die Oberseite des Substrates 1 geschleudert und anschließend zur Aushärtung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. SU-8 ist ein negativer Photolack bzw. negativer Photoresist, welcher ausgezeichnete Charakteristika für Mikrowellenanwendungen aufweist. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es nach einer Bildung der SU-8-Schicht 3 auf der Oberfläche des Substrates 1 sehr schwierig ist, diese nach der Aushärtung zu entfernen. Daher sollte die SU-8-Schicht 3 bereits an geeigneten Stellen für eventuell weitere Metallisierungen strukturiert und geätzt werden. Ein weiterer Vorteil des SU-8-Materials besteht darin, dass es stabil gegen anisotrope Ätzlösungen, wie beispielsweise KOH, ist. Die zweite dielektrische als Membran dienende Isolationsschicht 3 kann beispielsweise auch aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymermaterial, insbesondere Benzozyclobuten (BCB), einem SiLK-Material, einem Polyimid, oder dergleichen hergestellt werden.
Zusätzlich kann auf der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 4 eine Schutzschicht aufgebracht werden, welche vorzugsweise gegenüber in weiteren Verfahrensschritten zu verwendenden Mitteln, insbesondere Ätzmitteln, resistent ist und somit die SU-8-Schicht schützt.
Wie in 1c illustriert ist, wird anschließend die Unterseite des Substrates 1 mittels beispielsweise eines bekannten nasschemischen Ätzverfahrens unter Verwendung einer KOH-Lösung von der Unterseite des Substrates 1 her vollständig bis zur ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 derart zurückgeätzt, dass das Substrat 1 unterhalb des gesamten Signalleiters 5 und unterhalb der beiden Masseleiter 6 und 7 zumindest über einen bestimmten Abschnitt der Masseleiter 6 und 7 vollständig zurückgeätzt ist.
Für diesen definierten Ätzvorgang wird vorab die dritte dielektrische Isolationsschicht 4 entsprechend mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels eines Trocken-Ätzverfahrens, geeignet strukturiert.
Wie in 1c ferner ersichtlich ist, entsteht durch den anisotropen Ätzvorgang ein vollständig zurückgeätzter Bereich 18 des Substrates 1, welcher aufgrund der anisotropen Eigenschaft eine geneigte Umfangsfläche aufweist.
Das vorzugsweise verwendete SU-8-Material ist stabil gegenüber eines anisotropen Ätzmittels, wie beispielsweise KOH. Somit kann das Silizium-Substrat 1 unterhalb des koplanaren Leitungssystems auf einfache Weise mittels eines standardmäßigen KOH-Nassätzverfahrens zurückgeätzt werden, ohne die SU-8-Membran 3 zu beschädigen. Ferner dient die erste dielektrische Isolationsschicht 2 zudem als dielektrische Schutzschicht der Metallisierungen 5, 6 und 7 vor dem KOH-Ätzmittel.
Anschließend werden die verbliebenen Abschnitte der dritten dielektrischen Isolationsschicht 4 auf der Unterseite des Substrats 1 und der Bereich der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2, welcher den vollständig zurückgeätzten Bereich 18 bedeckt, mittels beispielsweise eines Trocken-Ätzverfahrens entfernt. Dieser Schritt ist in 1d schematisch dargestellt.
Als nächstes wird, wie in 1e illustriert ist, ein Photolack 10, beispielsweise ein negativer Photolack 10, auf der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches 18 und der Unterseite des den zurückgeätzten Bereich 18 bedeckenden Abschnitt der SU-8-Schicht 3 von der Unterseite des Substrates 1 her mittels beispielsweise eines Schleuderverfahrens gebildet. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass anstelle eines negativen Photolacks auch ein positiver Photolack mit geeigneten Verfahrensschritten vice versa verwendet werden kann.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in sämtlichen Figuren eine einheitliche Orientierung des Bauelementes bzw. des Substrates 1 derart beibehalten wird, dass sich die Leiter des koplanaren Leitungssystems auf der Oberseite des Substrates 1 befinden. In der Praxis ist es allerdings vorteilhaft, das Substrat für die einzelnen Verfahrensschritte entsprechend günstig auszurichten, so dass mittels einer geeigneten Substrat-Trägereinrichtung ein Drehen des Substrates für die unterschiedlichen Verfahrensschritte bewerkstelligt werden kann.
Wie ferner in 1e ersichtlich ist, wird die photoresistive Schicht 10, wie bei einem Photolithographie-Verfahren üblich, bestrahlt und entwickelt. Beispielsweise kann das Bauelement von der Oberseite her mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Selbstverständlich können bei geeigneten Materialien auch Elektronen-, Röntgen- oder Ionen-Strahlungen als Belichtungsmedium verwendet werden. Durch eine derartige Belichtung werden bei einem negativen Photolack Bindungen von Makromolekülen aufgebrochen oder kleinere Moleküle polymerisiert, wodurch sie bei einer anschließenden Behandlung als Rückstand strukturiert zurückbleiben und nicht von dem Bauelement entfernt werden.
Anschließend erfolgt eine Entwicklung des negativen Photolacks 10 derart, dass die belichteten Bereiche weiterhin an der Unterseite der Membran 3 unterhalb der Zwischenbereiche zwischen den einzelnen Leitern 5, 6 und 7 anhaften, während die nicht belichteten Bereiche entfernt werden, wie in 1f illustriert ist. Die nicht belichteten Abschnitte des negativen Photolacks 10 werden beispielsweise mittels einer KOH-Lösung entfernt.
In einem anschließenden Verfahrensschritt gemäß 1g wird die Unterseite des Substrates 1 bzw. des zurückgeätzten Bereiches 18 einer Rückmetallisierung unterzogen. Dadurch entsteht die in 1g dargestellte Struktur, wobei die untere Metallisierung jeweils direkt mit den oberen Masseleitern 6 und 7 ohne einer dielektrischen Zwischenschicht vorteilhaft verbunden ist. Ferner ist aus 1g ersichtlich, dass die Signalleitung 5 durch die zusätzliche Metallisierung 12 mittels eines Standard-Metallisierungsverfahren verdickt ausgebildet werden kann, wodurch der elektrische Widerstand der Signalleitung 5 verringert wird.
Nachfolgend werden mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels eines Trocken-Ätzverfahrens, die verbliebenen Abschnitte des negativen Photolacks 10 und der darauf abgeschiedenen Metallabschnitte 12 mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise eines Ätzverfahrens, unter Verwendung einer Azeton-Lösung entfernt, wodurch die in 1h dargestellte Struktur erhalten wird.
Schließlich wird vorzugsweise ein weiteres Substrat 13 auf die Unterseite des prozessierten Substrates 1 derart aufgebracht, dass ein vollständig abgeschlossener Hohlbereich bzw. Abschirmungsbereich 18 entsteht. Wie in
1i dargestellt ist, wird das zusätzliche Substrat 13, welches beispielsweise ebenfalls aus dem gleichen Material wie das Substrat 1 hergestellt ist, auf der Oberseite mit einer Metallisierung 14 versehen, wodurch die untere Masseleitung 12 zumindest teilweise verdickt ausgebildet wird. Das weitere Substrat 13 kann beispielsweise durch diesen zusätzlich vorgesehenen elektrischen Leiter mit dem prozessierten Substrat 1 bzw. der an der Unterseite dieses Substrates 1 vorgesehenen Masseleitung 12 verbunden werden. Alternativ kann eine Verbindung auch durch Tempern bzw. Wärmebehandlung oder durch eine Mikrowellenbehandlung erfolgen.
Aufgrund der anisotropen Zurückätzung des Substrates 1 entsteht, wie oben bereits erläutert, die schräg ausgebildete Begrenzungsfläche des zurückgeätzten Bereiches 18. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2a bis 2k ein Herstellungsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert, mit welchem die geometrischen Einschränkungen aufgrund der schräg zurückgeätzten Bereiche 18 reduziert werden und benachbarte Koplanarleitungssysteme näher benachbart zueinander angeordnet werden können, ohne die mechanische Stabilität des Bauelementes zu verringern. Es können durch das nachfolgend näher erläuterte Verfahren abschirmende Hohlbereiche unterhalb des koplanaren Leitungssystems mit einer höheren Integrationsdichte geschaffen werden, ohne die Oberfläche des Bauelementes mechanisch instabiler zu gestalten.
Wie in 2a ersichtlich ist, wird beispielsweise in Analogie zum ersten Ausführungsbeispiel in einem bereits für die Herstellung eines FGCPW (finite ground coplanar waveguide)-Koplanarleiters bekannten Verfahrensschritt ein Substrat 1 auf seiner Oberseite und seiner Unterseite mit einer ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 bzw. mit einer weiteren dielektrischen Isolationsschicht 4 (im folgenden als dritte Isolationsschicht 4 bezeichnet) versehen, welche auch weggelassen werden können. Das Substrat 1 ist beispielsweise ein niederohmiges Silizium-Halbleitersubstrat oder dergleichen. Die erste und dritte dielektrische Isolationsschicht 2 bzw. 4 kann jeweils beispielsweise als in etwa 1-2 μm dicke Siliziumnitrid- oder Siliziumdioxid-Schicht ausgebildet werden. Anschließend wird zur Bildung des koplanaren Leitungssystems eine Signalleitung 5 und zwei Masseleiter 6 und 7 auf der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 metallisiert. Die Masseleiter 6 und 7 sind jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Signalleitung 5 vorgesehen und verlaufen in etwa parallel zur Signalleitung 5. Als besonders geeignetes Material für die Leiter 5, 6 und 7 des Koplanarleitungssystems hat sich Aluminium herausgestellt. Jedcch können auch andere Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Gold, Silber, Titan, oder dergleichen verwendet werden.
Nachfolgend, wie in 2b dargestellt ist, wird analog zum ersten Ausführungsbeispiel eine zweite dielektrische Isolationsschicht 3 über der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 und über den Leitern 5, 6 und 7 des Koplanarleitungssystems derart gebildet, dass die einzelnen Leiter 5, 6 und 7 vollständig in der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 3 eingebettet sind.
Die zweite dielektrische Isolationsschicht 3 dient, wie oben bereits erläutert, als Trägermembran und ist vorzugsweise aus dem Material SU-8 hergestellt, welches beispielsweise auf die Oberseite des Substrates 1 geschleudert und anschließend zur Aushärtung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. SU-8 ist ein negativer Photolack bzw. negativer Photoresist, welcher ausgezeichnete Charakteristika für Mikrowellenanwendungen aufweist. Es sei bereits an dieser Steile darauf hingewiesen, dass es nach einer Bildung der SU-8-Schicht 3 auf der Oberfläche des Substrates 1 sehr schwierig ist, diese nach der Aushärtung zu entfernen. Daher sollte die SU-8-Schicht 3 bereits an geeigneten Stellen für eventuell weitere Metallisierungen strukturiert und geätzt werden. Ein weiterer Vorteil des SU-8-Materials besteht darin, dass es stabil gegen anisotrope Ätzlösungen, wie beispielsweise KOH, ist. Die zweite dielektrische als Membran dienende Isolationsschicht 3 kann beispielsweise auch aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymermaterial, insbesondere Benzozyclobuten (BCB), einem SiLK-Material, einem Polyimid, oder dergleichen hergestellt werden.
Zusätzlich kann auf der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 4 eine Schutzschicht aufgebracht werden, welche vorzugsweise gegenüber in weiteren Verfahrensschritten zu verwendenden Mitteln, insbesondere Ätzmitteln, resistent ist und somit die SU-8-Schicht schützt.
Nachfolgend erfolgt im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1a bis 1i das Zurückätzen des Substrates unterhalb des Koplanarleitungssystems stufenförmig durch zwei aufeinanderfolgende Substrat-Ätzvorgänge derart, dass unterhalb der Leiter 5, 6 und 7 des koplanaren Leitungssystems vorteilhaft ein stufenförmig zurückgeätzter Bereich gebildet wird. Dies wird im folgenden unter Beugnahme auf die 2c bis 2k näher erläutert.
Zunächst wird, wie in 2c dargestellt ist, in einem ersten Substrat-Ätzschritt ein erster Bereich 19 des Substrates 1 derart zurückgeätzt, dass eine dünne Substratschicht 21 von etwa 20-30 μm unterhalb des Koplanarleitungssystems verbleibt. Dabei wird beispielsweise analog zum ersten Ausführungsbeispiel die dritte dielektrische Isolationsschicht 4 als geeignete Maske für diesen Ätzvorgang verwendet.
Anschließend wird eine vierte dielektrische Isolationsschicht 8, wiederum beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehend, auf der Oberfläche des ersten zurückgeätzten Bereiches 19 unter Verwendung eines gängigen Abscheideverfahrens abgeschieden. Dies ist schematisch in 2d illustriert.
In einem anschließenden Verfahrensschritt gemäß 2e wird eine erste photoresistive Schicht 9, beispielsweise ein Photolack 9, als Maske aufgebracht und entwickelt.
Wie in 2f ersichtlich ist, wird die vorher auf die Oberfläche des ersten zurückgeätzten Bereichs 19 aufgebrachte vierte dielektrische Isolationsschicht 8 (siehe 2d) bzw. die dünne Substratschicht 21 unter Zuhilfenahme der Photomaske 9 unterhalb der Leiter 5, 6 und 7 lediglich in einem Bereich 20 vollständig zurückgeätzt, welcher in etwa der Breitenausdehnung des Koplanarleitungssystems, bestehend aus den Leitern 5, 6 und 7, entspricht, wodurch die in 2f dargestellte Struktur erhalten wird. Die erste dielektrische Isolationsschicht 2 dient bei dem Ätzvorgang als Schutz der Leiter 5, 6, 7 vor der Ätzlösung, beispielsweise einer KOH-Lösung.
Anschließend werden die verbliebenen Abschnitte der dritten dielektrischen Isolationsschicht 4 auf der Unterseite des Substrats 1 und der Bereich der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2, welcher den vollständig zurückgeätzten Bereich 20 bedeckt, mittels beispielsweise eines Trocken-Ätzverfahrens entfernt. Dieser Schritt ist in 2g schematisch dargestellt.
Als nächstes wird, wie in 2h illustriert ist, ein Photolack 10, beispielsweise ein negativer Photolack 10, auf der Oberfläche der zurückgeätzten Bereiche 19 und 20 und der Unterseite des den vollständig zurückgeätzten Bereich 20 bedeckenden Abschnitt der SU-8-Schicht 3 von der Unterseite des Substrates 1 her mittels beispielsweise eines Schleuderverfahrens gebildet. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass anstelle eines negativen Photolacks auch ein positiver Photolack mit geeigneten Verfahrensschritten vice versa verwendet werden kann.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass wiederum in sämtlichen Figuren eine einheitliche Orientierung des Bauelementes bzw. des Substrates 1 derart beibehalten wird, dass sich die Leiter des koplanaren Leitungssystems auf der Oberseite des Substrates 1 befinden. In der Praxis ist es allerdings vorteilhaft, das Substrat für die einzelnen Verfahrensschritte entsprechend günstig auszurichten, so dass mittels einer geeigneten Substrat-Trägereinrichtung ein Drehen des Substrates für die unterschiedlichen Verfahrensschritte bewerkstelligt werden kann.
Wie ferner in 2h ersichtlich ist, wird die photoresistive Schicht 10, wie bei einem Photolithographie-Verfahren üblich, bestrahlt bzw. als Maske entwickelt. Beispielsweise kann das Bauelement von der Oberseite her mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Selbstverständlich können bei geeigneten Materialien auch Elektronen-, Röntgen- oder Ionen-Strahlungen als Belichtungsmedium verwendet werden. Durch eine derartige Belichtung werden bei einem negativen Photolack Bindungen von Makromolekülen aufgebrochen oder kleinere Moleküle polymerisiert, wodurch sie bei einer anschließenden Behandlung als Rückstand strukturiert zurückbleiben und nicht von dem Bauelement entfernt werden.
Anschließend erfolgt gemäß 2i eine Entwicklung des negativen Photolacks 10 derart, dass die belichteten Bereiche weiterhin an der Unterseite der Membran 3 unterhalb der Zwischenbereiche zwischen den einzelnen Leitern 5, 6 und 7 anhaften, während die nicht belichteten Bereiche entfernt werden. Die nicht belichteten Abschnitte des negativen Photolacks 10 werden beispielsweise mittels einer KOH-Lösung entfernt.
In einem anschließenden Verfahrensschritt gemäß 2j wird die Unterseite des Substrates 1 bzw. der zurückgeätzten Bereiche 19 und 20 einer Rückmetallisierung unterzogen. Dadurch entsteht die in 2j dargestellte Struktur, wobei die untere Metallisierung jeweils direkt mit den oberen Masseleitern 6 und 7 ohne einer dielektrischen Zwischenschicht vorteilhaft verbunden ist. Ferner ist aus 2j ersichtlich, dass die Signalleitung 5 durch die zusätzliche Metallisierung 12 mittels eines Standard-Metallisierungsverfahren verdickt ausgebildet werden kann, wodurch der elektrische Widerstand der Signalleitung 5 verringert wird.
Nachfolgend werden mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels einer Azeton-Lösung, die verbliebenen Abschnitte des negativen Photolacks 10 und der darauf abgeschiedenen Metallabschnitte 12 geeignet entfernt, wie in 2k ersichtlich ist.
Schließlich wird vorzugsweise ein weiteres Substrat 13 auf die Unterseite des prozessierten Substrates 1 derart aufgebracht, dass ein vollständig abgeschlossener Hohlbereich bzw. Abschirmungsbereich 19, 20 entsteht. Wie in 2k dargestellt ist, wird das zusätzliche Substrat 13, welches beispielsweise ebenfalls aus dem gleichen Material wie das Substrat 1 hergestellt ist, auf der Oberseite mit einer Metallisierung 14 versehen, wodurch die untere Masseleitung 12 zumindest teilweise verdickt ausgebildet wird. Das weitere Substrat 13 kann beispielsweise durch diesen zusätzlich vorgesehenen elektrischen Leiter mit dem prozessierten Substrat 1 bzw. der an der Unterseite dieses Substrates 1 vorgesehenen Masseleitung 12 verbunden werden. Alternativ kann eine Verbindung auch durch Tempern bzw. eine Wärmebehandlung oder durch eine Mikrowellenbehandlung bewerkstelligt werden.
Somit müssen die einzelnen Koplanarleitungen nicht getrennt voneinander hergestellt und anschließend mittels beispielsweise einer "Flip-Chip-Technologie" miteinander verbunden werden, sondern können in einem einheitlichen und somit kostengünstigeren Verfahren gemeinsam auf einem Substrat hergestellt werden.
3a illustriert eine graphische Darstellung der Stromdichteverteilung einer standardgemäßen Koplanarleitung, bestehend aus einem Signalleiter 5 und zwei parallel dazu angeordneten Masseleitern 6 und 7. Wie aus 3a ersichtlich ist, weist der Signalleiter 5 an den den jeweiligen Masseleitern 6 und 7 zugewandten Bereichen und die Masseleiter 6 und 7 an dem dem Signalleiter 5 zugewandten Bereich jeweils die höchste Stromdichte J auf.
Diesem Umstand wird erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen, dass die Bereiche mit der höchsten Stromdichte J der Leiter 5, 6 und 7 des Koplanarleitungssystems mit einer zusätzlichen Metallisierung 15 versehen werden, wie in 3b dargestellt ist. Durch diese Verdickung wird die Leitfähigkeit in diesen Bereichen erhöht und der erhöhten Stromdichte J entsprochen.
Wie eingangs bereits erläutert, sollte vorzugsweise am Anfang des Herstellungsprozesses beim Erzeugen der zweiten dielektrischen Schicht bzw. der Membran 3 diese mit entsprechenden Strukturierungen für eine derartige zusätzliche Verdickungsmetallisierung 15 ausgebildet werden, da eine nachträgliche Bearbeitung der ausgehärteten Membran 3 schwer zu bewerkstelligen ist.
Derartige Verdickungen können selbstverständlich sowohl bei dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten als auch gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
4 illustriert eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Bauelement besteht beispielsweise aus zwei benachbart zueinander angeordneten Koplanarleitungen, welche durch gemeinsame Verfahrensschritte gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gleichzeitig auf dem Substrat 1 hergestellt werden.
Vorzugsweise ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das zweite Substrat 13 im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel mit einer derartigen Geometrie ausgebildet, dass es in etwa formschlüssig in den ersten zurückgeätzten Bereich 19 eingesetzt werden kann. Dadurch wird eine äußerst kompakte Bauform realisiert, in welcher nach wie vor Luftbereiche 20 unterhalb des jeweiligen Koplanarleitungssystems vorgesehen sind.
Vorzugsweise wird die Oberfläche des zweiten Substrats 13 ebenfalls mit einer Metallisierung 14 versehen, welche mit der unteren Metallisierung 12 des prozessierten Substrats 1 zumindest teilweise fest verbunden wird. Dadurch erhält man zusätzlich eine gemeinsam elektrische Verbindung sämtlicher Masseleiter, so dass lediglich ein gemeinsamer Masseanschluss vorgesehen werden muss.
Wie in 4 ersichtlich ist, sind die beiden benachbarten Koplanarleitungssysteme durch eine dünne Substratschicht 21 voneinander getrennt, wodurch ein mechanisch stabiler Aufbau erreicht wird. Ferner wird durch das formschlüssige Einsetzen des weiteren Substrates 13 in den ersten zurückgeätzten Bereich 19 die dünne Substratschicht 21 zwischen den beiden benachbarten Koplanarleitungssystemen zusätzlich abgestützt, so dass insgesamt die mechanische Stabilität des Bauelementes erheblich verbessert wird.
5 illustriert eine Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 ersichtlich ist, wird zusätzlich eine Abdeckmetallisierung 16 über dem Koplanarleitungssystem gebildet, wobei die Randbereiche der Abdeckmetallisierung 16 jeweils mit den äußeren Bereichen der beiden Masseleiter 6 und 7 verbunden sind. Somit entsteht ein abgeschlossenes System für einen Schutz der Signalleitung vor äußeren Störeinflüssen und Verunreinigungen. Ferner ist somit die Abdeckmetallisierung 16 für eine gemeinsam elektrische Verbindung sämtlicher Masseleiter angeordnet, so dass lediglich ein gemeinsamer Masseanschluss vorgesehen werden muss.
In 6 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Bauelementes in einer Querschnittsansicht dargestellt, wobei wiederum zwei mit einer Abdeckmetallisierung 16 vorgesehene Koplanarleitungssysteme benachbart zueinander auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die charakteristischen Merkmale der Bauteile der einzelnen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können, so dass ein dem jeweiligen Anwendungsfall spezifisch entwickeltes Bauelement geschaffen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Beispielsweise können andere Materialien für die einzelnen Leiter des Koplanarleitungssystems, für das Substrat und für die einzelnen dielektrischen Isolationsschichten verwendet werden. Ferner können andersartige gängige Verfahren zur Strukturierung, Rückätzung des Substrates, Entfernung rückständiger Beschichtungen, etc eingesetzt werden. Selbstverständlich können beliebig viele koplanare Leitungen entsprechend der zur Verfügung stehenden Substratfläche vorgesehen werden.
Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Bauelement und ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen, welches im Vergleich zu bekannten Herstellungsverfahren mit einem geringeren Aufwand ausführbar ist, da das bekannte Drei-Schicht-Verfahren aus SiO₂ Si₃N₄-SiO₂ durch eine einzige dielektrische Membran ersetzt werden kann, welche zusätzlich eine Abdeckung für die einzelnen Leiter bildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind für die Herstellung der Membranen keine Masken für Photolithographie-Prozesse notwendig. Somit ist das vorliegende Herstellungsverfahren einfacher, schneller und kostengünstiger.
Zudem kann auf einfache Weise durch das vorliegende Herstellungsverfahren ein Bauelement geschaffen werden, bei welchem sämtliche Masseleiter derart direkt miteinander verbunden sind, dass lediglich eine einzige Anschlussstelle für eine Erdung notwendig ist. Ferner wird die Signalleitung auf einfache Weise dicker ausgebildet, so dass der Widerstand der Signalleitung verringert wird.
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich zur Herstellung von mehreren Koplanarleitungssystemen auf einem gemeinsamen Substrat und in integrierten Schaltungen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, da das Substrat trotz Schaffung von Entkopplungs-Luftbereichen unterhalb der Koplanarleitungen eine stabile Struktur aufweist. Diese Struktur liefert den Vorteil, dass der Signalleiter 5 vollständig frei über dem Hohlbereich bzw. dem zurückgeätzten Bereich 18 durch Einbettung in die SU-8-Membran 3 hängt, so dass eine vollständige Entkopplung von dem Substrat gewährleistet wird. Die Masseleiter werden größtenteils ebenfalls durch Einbettung in die Membran über den zurückgeätzten Bereichen getragen und somit von benachbarten Bauteilen weitestgehend entkoppelt.

1: Substrat
2: erste dielektrische Isolationsschicht
3: zweite dielektrische Isolationsschicht (SU-8-Membran)
4: dritte dielektrische Isolationsschicht
5: Signalleiter
6: erster Masseleiter
7: zweiter Masseleiter
8: vierte dielektrisch Isolationsschicht
9: erste photoresistive Schicht
10: zweite photoresistive Schicht
12: Massemetallisierung
13: weiteres Substrat
14: Metallisierung des weiteren Substrats
15: Verdickungsmetallisierung
16: Abdeckmetallisierung
18: zurückgeätzter Bereich
19: erster zurückgeätzter Bereich
20: zweiter zurückgeätzter Bereich
21: dünne Substratschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) auf einem Substrat (1) zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit folgenden Verfahrensschritten: – Bilden eines Koplanarleitungssystems, bestehend aus vorzugsweise einem Signalleiter (5) und zwei Masseleitern (6, 7), auf einem vorbestimmten Bereich des Substrates (1); – Bilden einer dielektrischen Isolationsschicht (3) über den einzelnen Leitern (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems; – vollständiges Zurückätzen eines Bereiches (18; 19, 20) des Substrates (1) unterhalb des Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) derart, dass der Signalleiter (5) des Koplanarleitungssystems vollständig und jeder Masseleiter (6; 7) zumindest teilweise durch Einbettung in die dielektrische Isolationsschicht (3) frei hängend über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 19, 20) des Substrats (1) getragen werden; und – strukturiertes Metallisieren der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches (18; 19, 20) des Substrates (1) und der sich über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 20) befindlichen Abschnitte der einzelnen Leiter (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems zum Bilden eines verdickten Signalleiters (5) und zumindest teilweise verdickter Masseleiter (6, 7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Schicht (2), insbesondere eine erste dielektrische Isolationsschicht (2), auf der Oberseite des Substrates (1) vor dem Bilden der Leiter (5, 6, 7) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die strukturierte Metallisierung untere Masseleiter (12) gebildet werden, welche jeweils mit einem sich über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 20) des Substrates (1) befindlichen Abschnitt eines entsprechenden Masseleiters (6, 7) des Koplanarleitungssystems verbunden werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Substrat (13) mit geeigneter Geometrie zum Bilden eines Hohlbereiches (18; 19, 20) auf der Unterseite des Substrates (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Substrat (13) mit einer Metallisierung (14) an der Oberfläche ausgebildet wird, welche zumindest teilweise mit den unteren Masseleitern (12) verbunden wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vollständige Zurückätzen eines Bereiches (18; 19, 20) des Substrates (1) unterhalb des Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) mittels eines einzigen anisotropen Substrat-Ätzschrittes ausgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vollständige Zurückätzen eines Bereiches (18; 19, 20) des Substrates (1) unterhalb des Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) durch zwei aufeinanderfolgende Substrat-Ätzschritte ausgeführt wird, wobei in einem ers ten Ätzschritt ein Bereich (19) des Substrates (1) unterhalb des Koplanarleitungssystems (5, 6, 7) teilweise zum Bilden einer dünnen Substratschicht unterhalb der Leiter (5, 6, 7) zurückgeätzt und in einem anschließenden zweiten Ätzschritt zum Bilden einer Stufenstruktur des zurückgeätzten Bereiches (19, 20) des Substrates (1) ein Abschnitt (20) der dünnen Substratschicht (21) unterhalb der Leiter (5, 6, 7) vollständig zurückgeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ätzschritt als nasschemisches Ätzverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ätzschritt ein Abscheiden einer weiteren Isolationsschicht (8) auf der Unterseite des Substrates (1) und der Oberfläche des teilweise zurückgeätzten Abschnitts (19) und ein Strukturieren der weiteren Isolationsschicht (8) mittels Entwickeln eines beispielsweise aufgedampften Photolacks (9) zum strukturierten anisotropen vollständigen Zurückätzen eines Abschnitts (20) der dünnen Substratschicht (21) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Photolack (9) anschließend entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verbliebene weitere Isolationsschicht (8) mittels beispielsweise eines Trockenätzverfahrens vor dem Aufbringen des Photolacks (9) zum strukturierten Metallisieren weggeätzt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Entfernens der ersten Isolationsschicht (2) im Abschnitt des zurückgeätzten Bereiches (18; 19) des Substrates (1) mittels beispielsweise eines Trockenätzverfahrens vor dem Aufbringen des Photolacks (9) zum strukturierten Metallisieren.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Substrat (13) mit einer derartigen Geometrie ausgebildet wird, dass es zumindest teilweise in den teilweise zurückgeätzten Bereich (19) formschlüssig eingesetzt werden kann.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der strukturierten Metallisierung eine photoresistive Schicht (10) auf der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches (19) des Substrates (1) gebildet und entsprechend beleuchtet bzw. entwickelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter an den den Masseleitern (6, 7) zugewandten Bereichen für eine Verdickung zusätzlich metallisiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseleiter (6, 7) jeweils an dem dem Signalleiter (5) zugewandeten Bereich für eine Verdickung zusätzlich metallisiert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckmetallisierung (16) über dem Koplanarleitungssystem (5, 6, 7) ausgebildet wird, welche deckelförmig von einem Masseleiter (6; 7) zu dem gegenüberliegenden Masseleiter (7; 6) verläuft und diese elektrisch miteinander verbindet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Koplanarleitungssysteme nebeneinander auf dem Substrat (1) vorgesehen werden, wobei das Substrat (1) zum Bilden der jeweils vollständig zurückgeätzten Bereiche (18; 19, 20) unterhalb der jeweiligen Koplanarleitungssysteme (5, 6, 7) einen gemeinsamen Substrat-Ätzschritt bzw. gemeinsamen Substrat-Ätzschritten unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zugewandten Masseleiter benachbarter Koplanarleitungssysteme elektrisch miteinander über den durch das strukturierte Metallisieren gebildeten unteren Masseleiter (12) verbunden werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Isolationsschichten (2, 4, 8) mit Ausnahme der zweiten Isolationsschicht (3) jeweils aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, Silizium mit Luftbereichen, Siliziumnitrid, oder dergleichen hergestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dielektrische Isolationsschicht (3) als Membran, bestehend aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie insbesondere Benzozyclobuten (BCB), SU-8, SiLK, einem Polyimid, oder dergleichen hergestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiter (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems als für den Hochfrequenzbereich geeignete koplanare Wellenleiter ausgebildet werden.
Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit: – einem Substrat (1), welches einen von der Unterseite her vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 19, 20) aufweist; – einer dielektrischen Isolationsschicht (3), welche oberhalb des Substrats (1) vorgesehen ist und den vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 20) überdeckt; – mindestens einem Koplanarleitungssystem, welches insbesondere aus einem Signalleiter (5) und zwei Masseleitern (6, 7) besteht, wobei der Signalleiter (5) vollständig und die zwei Masseleiter (6, 7) zumindest teilweise durch Einbettung in der dielektrischen Isolationsschicht (3) über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (18; 20) des Substrates (1) für eine Entkopplung von demselben frei hängen; und mit – einer von der Unterseite des Substrates (1) aufgebrachten Metallisierung (12) auf der Oberfläche des zurückgeätzten Bereiches (18; 19, 20) des Substrates (1) und auf den sich über den vollständig zurückgeätzten Bereichen (18; 20) befindlichen Abschnitte der einzelnen Leiter (5, 6, 7) des Koplanarleitungssystems zum Bilden eines verdickten Signalleiters (5) und zumindest teilweise verdickter Masseleiter (6, 7).
Bauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Substrat (13) mit geeigneter Geometrie zum Bilden eines Hohlbereiches (18; 19, 20) auf der Unterseite des Substrates (1) anbringbar ist.
Bauelement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Substrat (13) mit einer Metallisierung an der Oberfläche ausgebildet ist, welche zumindest teilweise mit den unteren Masseleitern (12) verbindbar ist.
Bauelement nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Substrat (13) mit einer derartigen Geometrie ausgebildet ist, dass es zumindest teilweise in den zurückgeätzten Bereichen (18; 19, 20) formschlüssig einsetzbar ist.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (5) an den den Masseleitern (6, 7) zugewandten Bereichen für eine Verdickung mit einer zusätzlichen Metallisierung (15) ausgebildet ist.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseleiter (6, 7) jeweils an dem dem Signalleiter (5) zugewandten Bereich für eine Verdickung mit einer zusätzlichen Metallisierung (15) ausgebildet sind.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckmetallisierung (16) über dem Koplanarleitungssystem (5, 6, 7) ausgebildet ist, welche deckelförmig von einem Masseleiter (6; 7) zu dem gegenüberliegenden Masseleiter (7; 6) verläuft und den Signalleiter (5) vollständig abdeckt.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Koplanarleitungssysteme nebeneinander auf dem Substrat (1) vorgesehen sind, wobei das Substrat (1) zum Bilden der jeweils vollständig zurückgeätzten Bereiche (18; 19, 20) unterhalb des jeweiligen Koplanarleitungssystems einem gemeinsamen Substrat-Ätzschritt bzw. gemeinsamen Substrat-Ätzschritten unterzogen wird.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zugewandten Masseleiter (6, 7) benachbarter Koplanarleitungssysteme elektrisch miteinander über den durch das strukturierte Metallisieren gebildeten unteren Masseleiter (12) verbindbar sind.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Isolationsschichten (2, 4, 8) mit Ausnahme der zweiten Isolationsschicht (3) jeweils aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise ein Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium mit Lufteinschlüssen, oder dergleichen hergestellt sind.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dielektrische Isolationsschicht (3) als Membran, bestehend aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie insbesondere Benzozyclobuten (BCB), SU-8, SiLK, einem Polyimid, oder dergleichen hergestellt ist.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (5, 6, 7) eines Koplanarleitungssystems aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet sind.
Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Koplanarleitungssystem als für den Hochfrequenzbereich geeigneter Koplanarleiter ausgebildet ist.