DE60004425T2 - Hohlraumresonator zur Verminderung des Phasenrauschen eines spannungsgesteuerten Oszillators und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Hohlraumresonator zur Verminderung des Phasenrauschen eines spannungsgesteuerten Oszillators und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hohlraumresonator zur Reduzierung des Phasenrauschens von Mikrowellen oder Millimeterwellen, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) eines monolithischen, integrierten Mikrowellenschaltkreises (MMIC) unter Verwendung von Silicium (Si) oder eines Verbindungshalbleiters und eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) abgegeben werden, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Hohlraumresonators.
  • Herkömmliche MMICs oder Hybrid-VCOs verwenden häufig dielektrische Scheiben oder Übertragungsleitungen als Resonatoren. Dielektrische Resonatoren für Mikro-/Millimeterwellen sind jedoch sehr teuer und schwierig in Massenfertigung herzustellen, da die Frequenz, bei der die Resonanz auftritt, von den Orten dielektrischer Resonatoren abhängig ist, und somit ist es schwierig, die Orte von dielektrischen Resonatoren in einem MMIC-Substrat oder einem Hybrid-VCO-Substrat zu bestimmen. Außerdem ist der Q-Faktor von Übertragungsleitungsresonatoren zur Reduzierung von Phasenrauschen zu gering.
  • US-A-5 821 836 offenbart eine mikrogefertigte Miniatur-Siliciumresonanzkammer, die mit einer Mikrostreifenleitung und einem Schlitz in der Grundschicht versehen ist.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Hohlraumresonator zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators bereitgestellt. Der Hohlraumresonator beinhaltet einen Hohlraum, der durch Formen eines Halbleiters in ein rechteckiges Parallelepiped und Plattieren der Oberflächen des rechteckigen Parallelepipeds mit einem leitfähigen dünnen Film gebildet ist. Eine Mikrostreifenleitung dient als Wellenleiter in einem vorgegebenen Abstand von dem oberen dünnen Film des Hohlraums. Ein Pol koppelt das Ende der Mikrostreifenleitung mit einer vorgegebenen Stelle des unteren dünnen Films des Hohlraums. Ein Kopplungsschlitz ist durch Entfernen eines Abschnitts vorgegebener Breite eines Teils des oberen dünnen Films des Hohlraums gebildet. Der Teil des oberen dünnen Films kommt mit dem Pol in Kontakt. Ein dünner Widerstandsfilm ist zur Impedanzanpassung um den Teil des unteren dünnen Films gebildet, der in Kontakt mit dem Pol kommt.
  • Der Hohlraumresonator der Erfindung reduziert das Phasenrauschen eines spannungsgesteuerten Oszillators. Anstelle eines herkömmlichen MetallHohlraums ist ein Hohlraum, der durch feines Bearbeiten von Silicium oder eines Verbindungshalbleiters erhalten wird, mit einer Mikrostreifenleitung kombiniert, um zu ermöglichen, dass der Hohlraumresonator in einem spannungsgesteuerten Oszillator vom Reflektionstyp verwendet wird.
  • Der leitfähige dünne Film, die Mikrostreifenleitung und der Metallpol sind vorzugsweise aus Gold (Au) gebildet.
  • Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumresonators zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators bereitgestellt, bei dem ein erster, zweiter und dritter Wafer gefertigt werden und ein metallischer Hohlraum über einen Leiterpol an eine Mikrostreifenleitung gekoppelt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erzeugen einer Mikrostreifenleitungsstruktur durch Aufbringen von Chrom (Cr) auf eine Oberfläche des ersten Wafers und Strukturieren des Chroms und Erzeugen der Mikrostreifenleitung durch Plattieren der Mikrostreifenleitungsstruktur mit Gold. Ein oberer metallischer Pol und ein oberer dünner Film des Hohlraums werden auf einer Durchkontaktöffnung bzw. der anderen Oberfläche des ersten Wafers durch Plattieren der anderen Oberfläche des ersten Wafers mit Gold nach Erzeugung der Durchkontaktöffnung auf der anderen Oberfläche des ersten Wafers gebildet. Ein unterer dünner Film des Hohlraums wird durch Aufbringen einer Goldplattierung und eines dünnen Widerstandsfilms auf die Oberfläche des dritten Wafers nach Erzeugung einer Struktur auf einer Oberfläche des dritten Wafers mittels Aufbringen von Chrom (Cr) auf die Oberfläche des dritten Wafers und Entfernen des Chroms von einem Teil des dritten Wafers, der mit dem Leiterpol in Kontakt kommen soll, und von einem Teil für einen Anpassungswiderstand in dem dritten Wafer gebildet. Der zweite Wafer wird an den dritten Wafer gebondet. Ein Hohlraum wird durch Ätzen des an den dritten Wafer gebondeten zweiten Wafers gebildet, bis der auf dem dritten Wafer gebildete, untere dünne Hohlraumfilm freiliegt, während der Teil des zweiten Wafers für den unteren Teil des Leiterpols belassen wird. Der metallische Hohlraum und ein unterer metallischer Pol werden durch Plattieren des Hohlraums und des Teils für den unteren Teil des Leiterpols mit Chrom (Cr) und Gold (Au) gebildet. Der erste Wafer wird an die freiliegende Oberfläche des zweiten Wafers gebondet, der an den dritten Wafer gebondet ist, so dass der in der Durchkontaktöffnung des ersten Wafers ausgebildete, metallische Pol an den unteren metallischen Pol gekoppelt wird, der auf dem zweiten Wafer ausgebildet ist.
  • Nunmehr wird ein Beispiel der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1A die Form eines Hohlraums zeigt, wie er in einem Hohlraumresonator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 1B und 1 C eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht zur Darstellung der schematischen Struktur eines Hohlraumresonators gemäß der vorliegenden Erfindung sind,
  • 2A bis 2G Schnittansichten zur Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Hohlraumresonators gemäß der vorliegenden Erfindung sind und
  • 3 ein simulierter S-Parameter des in den 1B und 1C dargestellten Hohlraumresonators ist.
  • Die gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben in verschiedenen Zeichnungen stellen das gleiche Element dar, und somit wird deren Beschreibung nicht wiederholt.
  • Das Phasenrauschen von Oszillatoren ist einer der wichtigsten Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit von Sende- und Empfangssystemen beeinflussen. Die Resonanzfrequenz eines metallischen Hohlraums in Form eines rechteckigen Parallelepipeds, wie in 1A gezeigt, wird durch die folgende Formel ausgedrückt. Die Bezugszeichen a, b und c bezeichnen die Breite, Tiefe beziehungsweise Länge des rechteckigen metallischen Parallelepiped-Hohlraums.
  • Figure 00040001
  • Hierbei ist Vph eine Phasengeschwindigkeit innerhalb des Hohlraums und l, m und n sind ganze Zahlen, welche Resonanzmoden anzeigen. Es gibt drei Arten von Q-Faktoren, die zum Messen der Leistungsfähigkeit eines Hohlraums verwendet werden. Die drei Q-Faktoren sind wie folgt definiert:
    Q ohne Last (QU): QU = f0/Δf = (2πf0)W/Ploss
    Q mit Last (QL): Q ohne Last hinsichtlich der Eingangs- und Ausgangslast.
    Externes Q (QE): 1/QE = 1/QE – 1/QU.
  • Hierbei ist fo eine Resonanzfrequenz, W ist die gespeicherte Energie, und Ploss ist die Verlustenergie. Phasenrauschen ist umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Q-Werts eines Resonators, so dass ein Resonator mit einem hohen Q-Wert zur Reduzierung des Phasenrauschens verwendet werden muss. Um den Resonator anzuregen, wird die Energie einer elektromagnetischen Welle mit dem Hohlraum des Resonators unter Verwendung eines Koaxialkabels, eines Wellenleiters oder einer Mikrostreifenleitung oder durch eine Öffnung gekoppelt. Wie in den 1B und 1 C gezeigt, wird ein Hohlraumresonator der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer feinen Halbleiterprozesstechnologie derart gefertigt, dass die Energie der elektromagnetischen Welle über eine Mikrostreifenleitung mit einem elektrischen oder einem magnetischen Feld innerhalb eines Resonators gekoppelt wird. Mit anderen Worten wird ein Hohlraumresonator der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) derart hergestellt, dass elektromagnetische Wellen einer Resonanzfrequenz vollständig reflektiert werden und elektromagnetische Wellen der anderen Frequenzen durch einen Anpassungswiderstand in dem Hohlraumresonator gedämpft werden.
  • 1B ist eine Draufsicht zur Darstellung der schematischen Struktur des Hohlraumresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. 1C ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von 1B . In dem Hohlraumresonator gemäß der vorliegenden Erfindung wird anstelle eines herkömmlichen metallischen Hohlraums ein Hohlraum, der durch feines Bearbeiten von Silicium oder einem Verbindungshalbleiter erhalten wird, mit einer Mikrostreifenleitung kombiniert, um zu ermöglichen, dass der Hohlraumresonator in einem spannungsgesteuerten Oszillator vom Reflexionstyp verwendet werden kann.
  • Speziell beinhaltet der Hohlraumresonator zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung einen Hohlraum in Form eines rechteckigen Parallelepipeds, der durch dünne Gold(Au)-Filme definiert ist, sowie eine Mikrostreifenleitung 30, die aus einem dünnen Goldfilm gebildet ist, um als Wellenleiter in einem vorgegebenen Abstand von einem oberen dünnen Film 20 des Hohlraums zu dienen. Der Hohlraumresonator beinhaltet außerdem einen Pol 40 zur Verbindung des Endes der Mikrostreifenleitung 30 mit einer vorgegebenen Stelle eines unteren dünnen Films 10 des Hohlraums. Ein Kopplungsschlitz 50 ist durch Entfernung eines Bereichs mit einer vorgegebenen Breite des oberen dünnen Films 20 des Hohlraums benachbart zu dem Pol 40 ausgebildet, der auch mit dem oberen dünnen Film 20 des Hohlraums in Kontakt kommt. Ein dünner Widerstandsfilm 60 ist um den unteren dünnen Film 10 des Hohlraums herum ausgebildet, der mit dem Pol 40 in Kontakt kommt.
  • Bei der Herstellung des Hohlraumresonators zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators, wie in 2A gezeigt, wird Chrom (Cr) auf der Oberseite eines ersten Wafers 100 aufgebracht und dann strukturiert, um eine Mikrostreifenleitungsstruktur 30b zu bilden. Die Mikrostreifenleitungsstruktur 30b wird mit Gold 30a plattiert, wodurch die Mikrostreifenleitung 30 gebildet wird.
  • Als nächstes werden, wie in 2B gezeigt, eine Durchkontaktöffnung 100a und ein Kopplungsschlitz 50 auf der Unterseite des ersten Wafers 100 gebildet. Dann wird die Seitenwand der Durchkontaktöffnung 100a mit Gold plattiert, wodurch ein oberer metallischer Pol 40' in der Durchkontaktöffnung 100a gebildet wird.
  • Dann wird, wie in 2C gezeigt, Chrom (Cr) auf der Oberseite eines dritten Wafers 300 aufgebracht und strukturiert, um Strukturen zu erzeugen, die zur Bildung eines Teils 10, der mit einem Leiterpol in Kontakt kommen soll, und eines Anpassungswiderstands 60 verwendet werden. Dann werden eine Goldplattierung und ein dünner Widerstandsfilm auf einer resultierenden Struktur aufgebracht.
  • Danach wird, wie in 2D gezeigt, ein zweiter Wafer 200 an den dritten Wafer 300 gebondet. Dann wird, wie in 2E gezeigt, ein Nassoder Trockenätzvorgang auf der Oberfläche des zweiten Wafers 200 durchgeführt, bis die Strukturen des dritten Wafers freigelegt sind, während ein Teil 40a des zweiten Wafers 200 belassen wird, der als Leiterpol fungieren soll, wodurch ein Hohlraum gebildet wird.
  • Als nächstes werden, wie in 2F gezeigt, der Hohlraum und der Pol 40a mit Chrom (Cr) und Gold (Au) plattiert, wodurch ein metallischer Hohlraum und ein unterer metallischer Pol 40" gebildet werden.
  • Schließlich wird, wie in 2G gezeigt, der erste Wafer 100 an die Oberseite des zweiten Wafers 200 gebondet, der an den dritten Wafer 300 gebondet worden war, so dass der obere metallische Pol 40', der in der Durchkontaktöffnung 100a ausgebildet ist, mit dem unteren metallischen Pol 40" in Kontakt kommt.
  • 3 zeigt die Charakteristik eines simulierten Parameters S11 des Hohlraumresonators, der durch die vorstehenden Prozesse hergestellt wurde. Die simulierte Resonanzfrequenz beträgt 31,4GHz, und der simulierte Parameter S11 ist bei der simulierten Resonanzfrequenz ungefähr gleich 1.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird in einem Hohlraumresonator zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung anstelle eines existierenden metallischen Hohlraums ein Hohlraum, der durch feine Bearbeitung von Silicium oder eines Verbindungshalbleiters erhalten wird, mit einer Mikrostreifenleitung gekoppelt, um zu ermöglichen, dass der Hohlraumresonator in einem spannungsgesteuerten Oszillator vom Reflexionstyp verwendet werden kann. Ein Pol ist vorgesehen, um die Kante der Mikrostreifenleitung mit einer vorgegebenen Stelle eines unteren dünnen Films des Hohlraums zu verbinden. Ein Kopplungsschlitz wird durch Entfernen einer vorgegebenen Breite eines oberen dünnen Films des Hohlraums benachbart zu dem Pol gebildet, der mit dem oberen dünnen Film des Hohlraums in Kontakt kommt. Ein dünner Widerstandsfilm zur Impedanzanpassung wird um den unteren dünnen Film des Hohlraums herum gebildet, der mit dem Pol in Kontakt kommt. Demzufolge reduziert der Hohlraumresonator der vorliegenden Erfindung das Phasenrauschen von Mikrowellen oder Millimeterwellen, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator abgegeben werden.

Claims (5)

  1. Hohlraumresonator zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators, mit – einem Hohlraum, der durch Formen eines Halbleiters in ein rechteckiges Parallelepiped und Plattieren der Oberflächen des rechteckigen Parallelepipeds mit einem leitfähigen dünnen Film gebildet ist, – einer Mikrostreifenleitung (30), die als Wellenleiter in einem vorgegebenen Abstand von dem oberen dünnen Film (20) des Hohlraums dient, und – einem Kopplungsschlitz (50), der durch Entfernen eines Abschnitts vorgegebener Breite eines Teils des oberen dünnen Films (20) des Hohlraums gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Pol (40) zur Kopplung des Endes der Mikrostreifenleitung (30) mit einer vorgegebenen Stelle des unteren dünnen Films (10) des Hohlraums vorgesehen ist, – der Teil des oberen dünnen Films (20) in Kontakt mit dem Pol (40) kommt und – ein dünner Widerstandsfilm (60) zur Impedanzanpassung um den Teil des unteren dünnen Films (10) herum gebildet ist, der in Kontakt mit dem Pol (40) kommt.
  2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, wobei der leitfähige dünne Film aus einem Leitermaterial gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) besteht.
  3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrostreifenleitung (30) aus einem Leitermaterial gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) besteht.
  4. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Pol (40) aus Gold (Au) gebildet ist oder die Oberfläche des Pols mit Gold (Au) plattiert ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumresonators zur Reduzierung des Phasenrauschens eines spannungsgesteuerten Oszillators, bei dem ein erster, zweiter und dritter Wafer gefertigt werden und ein metallischer Hohlraum über einen Leiterpol an eine Mikrostreifenleitung gekoppelt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erzeugen einer Mikrostreifenleitungsstruktur durch Aufbringen von Chrom (Cr) auf eine Oberfläche des ersten Wafers und Strukturieren des Chroms und Erzeugen der Mikrostreifenleitung durch Plattieren der Mikrostreifenleitungsstruktur mit Gold, – Bilden eines oberen metallischen Pols und eines oberen dünnen Films des Hohlraums auf einer Durchkontaktöffnung bzw. der anderen Oberfläche des ersten Wafers durch Plattieren der anderen Oberfläche des ersten Wafers mit Gold nach Erzeugung der Durchkontaktöffnung auf der anderen Oberfläche des ersten Wafers, – Bilden eines unteren dünnen Films des Hohlraums durch Aufbringen einer Goldplattierung und eines dünnen Widerstandsfilms auf die Oberfläche des dritten Wafers nach Erzeugung einer Struktur auf einer Oberfläche des dritten Wafers mittels Aufbringen von Chrom (Cr) auf die Oberfläche des dritten Wafers und Entfernen des Chroms von einem Teil des dritten Wafers, der mit dem Leiterpol in Kontakt kommen soll, und von einem Teil für einen Anpassungswiderstand in dem dritten Wafer, – Bonden des zweiten Wafers an den dritten Wafer, – Bilden eines Hohlraums durch Ätzen des an den dritten Wafer gebondeten zweiten Wafers, bis der auf dem dritten Wafer gebildete, untere dünne Hohlraumfilm freiliegt, während der Teil des zweiten Wafers für den unteren Teil des Leiterpols belassen wird, – Bilden des metallischen Hohlraums und eines unteren metallischen Pols durch Plattieren des Hohlraums und des Teils für den unteren Teil des Leiterpols mit Chrom (Cr) und Gold (Au) und – Bonden des ersten Wafers an die freiliegende Oberfläche des zweiten Wafers, der an den dritten Wafer gebondet ist, so dass der in der Durchkontaktöffnung des ersten Wafers gebildete, metallische Pol an den unteren metallischen Pol gekoppelt wird, der auf dem zweiten Wafer gebildet ist.
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