DE1591677A1

DE1591677A1 - Mechanische Resonatoren in integrierten Halbleiterschaltungen und Verfahren zu ihrerHerstellung

Info

Publication number: DE1591677A1
Application number: DE19671591677
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Rer Nat M Boerner
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-05-31
Filing date: 1967-05-31
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3566166A; GB1232115A

Description

Die Erfindung befasst sich mit mechanischen Resonatoren in integrierten Halbleitersohaltungen und mit einem Verfahren zu ihrer Herstellung.

Das Problem der Miniaturisierung von Selektionsmitteln bietet für die Technik von integrierten Halbleiterschaltungen noch immer ganz erhebliche Schwierigkeiten. Insbesondere gelingt es bisher nicht, Resonanzkreise sehr hoher Güte herzustellen, die sich der Technik der integrierten Halbleitersohaltungen in Abmessungen und Herstellungswelse anpassen.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie man In integrierten Halbleiterschaltkreisen mit Hilfe von mechanischen Resonanzelementen elektromechanisch« Schwingkreise und Filter verwirklichen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäs» dadurch gelöst, dass die Resonatoren aus über die Schaltungeblöcke hinausragenden Teile von mit den Schaltungsblöoken fest verbundenen Elementen bestehen.

Die Erfindung geht dabei von der sogenannten "beam-lead"-Technik aus, nach der integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden. Bei dieser Technik sind die einzelnen aktiven und passiven Schaltelemente zunächst auf einem gemeinsamen Halbleiterkristall aufgebracht. Nach Anbringen der Verbindungsleitungen, das vorzugsweise in einem Aufdampfprozess erfolgt, aber auch in einem elektrolytischen Verfahren erfolgen kann, wird dann die Grundplatte in einem Photo-Ätzverfahren in einzelne Schaltungsblöcke aufgeteilt, die miteinander dann nur durch die genannten metallischen Verbindungsleitungen verbunden sind.

Ausgehend von dieser Technik wird erfindungsgemäss zur Herstellung mechanischer Resonatoren in integrierten Halbleiterschaltungen vorgeschlagen, dass die als Resonatoren und/oder als Verbindungsleitungen für die Halbleiterschaltungen dienenden Elemente vorzugsweise in einem Aufdampfprozess gleichzeitig

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hergestellt werden und dass zumindest das mit den «la Resonatoren dienenden Elementen bedampfte Halbleitermaterial anschllessend teilweise entfernt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. I zeigt einen Querschnitt durch benachbarte Schaltblöcke 1, die Integrierte Halbleiterschaltungen enthalten. In das ursprunglich vorhandene Halbleitermaterial werden in mehreren nacheinander folgenden Masklerungs-, Ätz- und Aufdampfprozessen Zonen unterschiedlicher Dotierung eingebracht, die später die aktiven Elemente der integrierten Sehaltungen bilden. In weiteren Verfahrensschritten werden Widerstandsmaterialien oder metallische Niederschläge auf dem Halbleitermaterial aufgebracht, wodurch z. B. passive Schaltelemente entstehen. Nachdem die einzelnen Schaltelemente in oder auf dem Grundmaterial erzeugt sind« werden üblicherweise wiederum in einem Aufdampfprozess als Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Bauelementen bzw. als Anschlussleitungen für die spätere Kontaktierung dienende Elemente 2 aufgebracht. Erst nach diesen Herstellungsschritten werden die bis dahin auf einer zusammenhängenden Grundplatte befindlichen Schaltungsblöcke 1 in einem Ätzverfahren

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voneinander getrennt. Bel diesem Herstellungsschritt entstehen frei über die Sohaltungsblöcke hinausragende metallische Elemente 2, die einseitig fest mit dem Halbleitermaterial verbunden sind oder, was in vielen Fällen noch günstiger sein dürfte, Elemente, die mit benachbarten Sohaltungsblöoken verbunden und zwischen diesen frei sehwingungsfählg sind. Die schwingungsfähigen Elemente 2 können dabei eigens als Resonatoren hergestellt sein oder, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, gleichzeitig als Verbindungsleitungen dienen. Erzeugt man auf diese Welse eine Struktur, wie sie in Flg. 2 dargestellt 1st, nämlich einen beidseitig fest eingespannten Biegebalken, so ergibt sich für diesen eine Eigenfrequenz

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wobei mit m. die Eigenwerte der aufeinanderfolgenden Biegeschwingungs-Moden, mit a die Dicke des Balkens und mit yo die frei schwingende Länge des Balkens zwischen den benachbarten Schaltungsblöcken bezeichnet ist. E bezeichnet den Elastizitätsmodul für das Material des Balkens, f bezeichnet die Dichte des Materials. Für Gold glitt \A γ *"*» 5 · 10 mra/seo sowie In₁ · *,736; 7*853; usw. Beträgt die Länge^£ungefähr 0,5 mm, so wird die Dicke a bei einer Frequenz von 500 kHz für den niedrigsten Eigenwert etwa 25 /U und entspricht damit in

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etwa der üblichen Dicke der in integrierten Halbleiterschaltungen verwendeten Verbindungsleitungen. Die Breite λ> des Balkens kann in weiten Grenzen frei gewählt werden, sollte Jedoch kleiner als die Länge Js sein, also in dem gewählten Beispiel etwa 0,2 bis 0,3 mm betragen. In Fig. 3 ist ein erfindungsgemässer Wandler-Resonator dargestellt. Dieser entsteht durch Aufdampfen einer piezoelektrischen Sohioht 3 auf das als Resonator dienende Element 2. Auf diese Schicht 3 ist dann noch eine Anregungselektrode k aufzudampfen, während die zweite Anregungselektrode durch den Resonator selbst gebildet wird. Soll ein einziger Resonator bzw. ein einkreisiges Filter gebaut werden, so ist auch die Rückseite des Resonators mit einer Schicht 3 aus piezoelektrischem Material und mit einer Anregungselektrode 4 zu versehen. Der Wandler auf der einen Seite dient dann als Eingangswandler, der auf der anderen Seite als Ausgangswandler.

Selbstverständlich ist es auch möglich, neben einem als Eingangs- und einem als Ausgangswandler aufgebauten Resonator 5 bzw. 6 weitere Resonatoren 7 anzuordnen und die Resonatoren 7 und Wandler 5 bzw. 6 durch mechanische Koppelelemente miteinander zu verbinden und auf diese Weise ein mehrkreisiges elektromechanisches Frequenzfilter zu erzeugen. Eine derartige

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Anordnung ist in Pi&* * dargestellt.

Mit Rücksicht auf die Herstellungstechnik,, die bei integrierten Halbleiterschaltungen Anwendung findet, besteht ferner eine vorteilhafte Möglichkeit Eingangs- und Ausgangswandler auf einen einzigen Resonator zu erzeugen darin, dass sich beide Wandler auf der gleichen Hauptflache des Resonators befinden, wobei das Elektrodenmaterial an geeigneter Stelle entfernt und gegebenenfalls auch die Schicht aus piezoelektrischem Material unterbrochen oder In ihrer Stärke vermindert ist.

Obwohl In den bisherigen Ausführungen lediglich zu Biegeschwingungen erregte Resonatoren behandelt werden» die sich als besonders nebenwellenfrei erweisen, liegt es im Rahmen der Erfindung» auch andere Schwingungsformen für die Resonatoren zu wählen. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich in den Resonatoren Torsionsschwingungen zu erzeugen, indem symmetrisch zur Längsachse der Resonatoren auf einer Hauptfläche piezoelektrisches Material aufgebracht, mit Elektroden versehen und in Phasenopposition erregt wird· Als besonders geeignetes piezoelektrisches Material hat sich dabei Kadmiumsulfid erwiesen.

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Sehliesslich soll noch darauf hingewiesen werden, dass es selbstverständlich möglich ist« die erfindungsgemässen Resonatoren bzw. Pilterstrulcturen getrennt herzustellen, wenn es sich unter bestimmten Bedingungen als unzweckmässig erweist« die übrigen Schaltkreise einer elektrischen Anlage als Int·» grierte Halbleiterschaltungen auszubilden.

OC 9 8 S3·/ CL 3 8

Claims

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Patentansprüche

Ij Mechanische Resonatoren In Integrierten Halbleiter-"eohaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren aus Über die Sehaltungsblöcke (1) hinausragenden Teilen von mit den Schaltungsblöcken (1) fest verbundenen Elementen (2) bestehen.
2. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (2) im wesentlichen die gleiche Form aufweisen, wie die Verbindungs- bzw. Anschlussleitungen (2) für die Halbleiterschaltungen.
3. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (2) mit mehreren Schaltungsblöcken (1) verbunden sind.
4. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende, da· durch gekennzeichnet, dass die als Resonatoren dienenden Elemente (2) zu Biegeschwingungen erregt sind.

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5. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende« dadurch gekennzeichnet, dass die als Resonatoren dienenden Elemente (2) zu Torsionsschwingungen erregt sind·
6. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wandler dienenden Elemente (2) eine zwischen Elektroden (4) liegende Sohioht (3) aus piezoelektrischem Material aufweisen.
7· Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wandler dienenden Elemente (2) auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen zwischen Elektroden (4) liegende Schichten (3) aus elektrostriktivem Material aufweisen.
8. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elemente, von denen eines als Eingangs- und eines als Ausgangswandler (5 bzw» 6) dient und von denen die Übrigen als Resonatoren (7) dienen, über Koppelelemente (8) zu einem mehrkreisigen mechanischen Filter miteinander verbunden sind.
9. Mechanische Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende,

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dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (8) durchgehende mit den als Wandler bzw« Resonatoren dienenden Elementen fest verbundene dünne aufgedampfte drahtähnliche Gebilde sind.
10. Verfahren zur Herstellung mechanischer Resonatoren nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, dass die als Resonatoren und/oder als Verbindungsleitungen für die Halbleiterschaltungen dienenden Elemente (2) vorzugsweise in einem Aufdampfprozess gleichzeitig hergestellt werden und dass zumindest das mit den als Resonatoren dienenden Elementen (2) bedampfte Halbleitermaterial anschliessend teilweise entfernt wird.

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