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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
schlitzgekoppelten mikrobearbeiteten Wellenleiterantenne.
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Stand der Technik
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Mikrowellenantennen
dienen in der Regel dem Aussenden von Strahlung in einem Medium
wie zum Beispiel Luft usw. mit einer ausreichenden Richtungspräzision und
sollen hinreichend klein sein. Zum Stand der Technik gehörende Millimeterwellenantennen
sind dank den Antennenskalierungsgesetzen von sich aus klein genug,
um in hoch-richtfähigen
Anordnungen angeordnet werden zu können. Je größer die Zahl der strahlenden
Elemente in der Anordnung, desto gerichteter kann die Antenne sein.
Wenn das Richtvermögen eines
einzelnen Elements bereits hoch ist, so ist die Anzahl der Elemente,
die für
das Erreichen eines Soll-Richtvermögens benötigt werden, kleiner, und darum
kann die Antenne selbst kleiner sein.
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Die
Richtantennen des Standes der Technik im Millimeterwellenbereich
sind planare Antennen, wobei Patch-Antennen am häufigsten verwendet werden.
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Diese
planaren Antennen sind dank ihrer einfachen Integration in Ansteuerelektronik
und Mikrowellenschaltungen sehr interessant für die Verwendung in kompakten
Kommunikationssystemen (Telekommunikation, WLAN). Allerdings sind
sie mit zwei schwerwiegenden Nachteilen behaftet: einer begrenzten
Bandbreite und Substratverlusten.
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Millimeterwellenantennen
finden darüber
hinaus Anwendung im Automobilmarkt als ein FLAR (Forward Looking
Automobile Radar – Vorausschauendes
Automobilradar) oder als Automobilsensoren.
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Darum
wird der Millimeterwellenabschnitt des Spektrums für mindestens
zwei wichtige Anwendungen verwendet, die kleine Richtantennen verbreiten:
- – Drahtlose
Datenübertragung
(38 GHz)
- – Automobil-Kollisionsverhinderungsradare
(77 GHz)
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Automobile
Anwendungen gelten als eine der zwei wichtigsten Anwendungen [H.
H. Meinel, "Commercial
Applications of Millimetre Waves. History, Present Status, and Future
Trends", IEEE Transactions
an Microwave Theory and Techniques. Band 43, Nr. 7, Juli 1995, Seiten
1639–1653]
im Millimeterwellenkommunikationsbereich, wobei die zweite Anwendung
Kurzstreckenübertragungsverbindungen
für PCN-Installationen sind.
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Ein
FLAR ist ein Radar zum Messen der Relativgeschwindigkeit zwischen
zwei Fahrzeugen in einer Fahrspur und der Entfernung zwischen diese
Fahrzeugen, um Warnmeldungen an den Fahrzeuglenker auszugeben. Das
FLAR besteht aus verschiedenen Teilen:
- – einem
Satz Antennen (Tx und Rx) zum Aussenden eines Millimeterwellensignals
und Empfangen des entsprechenden Signals, das von einem Hindernis
auf der Fahrspur zurückgeworfen
wird, wobei sich beide Signale durch die Luft ausbreiten.
- – MMICs
(Monolithic Microwave Integrated Circuit – Monolithischer Integrierter
Mikrowellenschaltkreis), die als "Transceiver" bezeichnet werden, die Mischer, rauscharme
Verstärker,
Leistungsverstärker
und einen Oszillator umfassen. Der Transceiver gewährleistet
die Erzeugung einer Millimeterwellenoszillation, deren Mischen mit
einem Signal von niederer Frequenz (Zwischenfrequenz – ZF) und
die Verstärkung
vor dem Abstrahlen. Der Transceiver gewährleistet auch die Rückgewinnung
des zurückgeworfenen
Millimeterwellensignals und seine Abwärtskonvertierung in den ZF-Frequenzbereich.
- – Analoge
und digitale Verarbeitungseinheiten.
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Die
FLARs sollen je nach geografischem Gebiet für einen Betrieb mit verschiedenen
Frequenzen ausgelegt werden:
- – in Europe
mit 76,5 GHz
- – in
Japan mit 60 GHz
- – in
den Vereinigten Staaten gibt es mehrere Frequenzbänder, die
durch die US-amerikanische Federal Communications Commission (F.
C. C) für
Verkehrsradare zugewiesen wurden, einschließlich die 10,5 GHz- und 24,1
GHz-Frequenzen und der 33,4- bis 36 GHz-Bereich. Radare, die mit
94 GHz arbeiten, werden derzeit ebenfalls entwickelt.
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Radarsysteme
für das
Automobil werden seit mehr als 20 Jahren durch namhafte Fahrzeughersteller in
Zusammenarbeit mit RF-Firmen und Chipherstellern untersucht.
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Es
gibt im Grunde zwei dominierende Faktoren, welche die Technologie
für Millimeterwellen-Automobilradare
vorantreiben: Kosten und Hardware-Größe. Niedrige Kosten sind der
ausschlaggebende Faktor für den
Verbraucher, das Radar als eine bezahlbare Sicherheitskomponente
in seinem Fahrzeug zu akzeptieren. Die Größenbeschränkung ist wesentlich für eine einfache
Integration des Radars im Fahrzeug ohne größere Auswirkung auf das Fahrzeugdesign
und die Fahrzeugleistung.
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Eine
Antenne für
ein Automobil-Kollisionsverhinderungsradarsystem (mit 77 GHz) muss
die Anforderungen des Abtastens der Straße vor dem Fahrzeug erfüllen. Darum
werden Radartechniken verwendet, die Antennen benötigen, sich
durch Folgendes auszeichnen:
- – Richtfähigkeit:
es darf keine Verwechslung zwischen der eigenen Fahrspur und benachbarten
Fahrspuren geben.
- – Kompaktheit:
Die Antennengröße darf
nicht das äußere Erscheinungsbild
des Fahrzeugs stören.
Des Weiteren muss eine einfache und direkte Verbindung zwischen
der Steuerelektronik und der Antenne möglich sein.
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Die
meisten Radarentwicklungen sind bisher um GaAs (oder andere III-V)-MMICs
herum erfolgt, aber es haben auch andere Entwicklungen stattgefunden.
Daimler Benz ist aktiv mit der Entwicklung von SIMMWIC befasst und
hat Mitte des Jahres 1995 über
die erfolgreiche Fertigung von Folgendem berichtet:
- – Schottky-Dioden
für Mischer
- – PJN-Dioden
für Schalter
- – rauscharme
Oszillatoren, die SiGe-HBTs verwenden
- – IMPATT-Dioden
zur Millimeterwellenleistungserzeugung mit Si mit hohem spezifischem
Widerstand (> 10 k·cm). [J.
F. Luy et al, "Si/SiGe
MMIC's". IEEE Transactions
an Microwave Theory and Techniques. Band 43, Nr. 4, April 1995,
Seiten 706–719,
und A. Stiller et al, "A
Monolithic Integrated Millimetre Wave Transmitter for Automotive
Applications. IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques.
Band 43, Nr. 7, Juli 1995, Seiten 1654–1657.]
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Ein
anderer Lösungsansatz,
dem sich Hughes Research Labs widmet, ist die Flipchip-Montage von GaAs-MMIC-Chips
auf preiswerten Duroid-Substraten. Über eine erfolgreiche Realisierung
eines Mischers für die
77 GHz mittels Flipchip-Montage von GaAs-Schottky-Dioden ist berichtet
worden [R. S. Virk et al, "A
Low Cost W-Band MIC Mixer Using Flip-Chip Technology", IEEE Microwave and Guided Wave Letters.
Band 7, Nr. 9, September 1997, Seiten 294–296.]
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Darum
bleiben die Kosten von Bauelementen, die mittels einer III-V-Verfahrenstechnik
hergestellt werden, höher
als die Kosten von Bauelementen auf Siliziumbasis.
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Des
Weiteren ist bekannt, dass die Radargröße durch die folgenden Maßnahmen
verringert werden kann:
- – durch höhere Integrationsdichten, d.
h. Umgruppieren der verschiedenen Funktionsblöcke des Kommunikationssystems.
Das ist in der Praxis nicht unkompliziert: Es sind Kompromisse bei
der Leistung der verschiedenen zusammengebrachten Elemente erforderlich;
- – durch
Stapeln mehrerer Chips [M. Stotz et al, "Planar Millimetre Wave Antennas Using
SiNx Membranes an GaAs",
IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 44. Nr.
9, September 1996, Seiten 1593–1595];
- – Durch
eine zweckmäßige Antennenkonstruktion.
Die Radargröße kann
jedoch nicht kleiner sein als die Fläche, die von der Antenne in
Anspruch genommen wird. In der Praxis wird die Antennengröße durch
das vorgegebene Richtvermögen
des Radars bestimmt.
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Es
besteht also Bedarf an der Entwicklung einer Millimeterwellenkommunikationsvorrichtung,
die eine Antenne enthält:
- – die
zu geringen Kosten, aber gleichzeitig mit ausreichender Präzision hergestellt
werden kann;
- – die
ein ausreichendes Richtvermögen
besitzt;
- – die
kompakt ist und mit anderen elektronischen Komponenten des Bauelements
integriert werden kann;
- – die
eine ausreichend große
Bandbreite aufweist und ausreichend effizient ist.
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Verschiedene
Dokumente, darunter
WO96/27913 ,
US-5,724,049 und
EP-0939451 (am Prioritätstag der
vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht), beschreiben Mikrostreifen-zu-Wellenleiter-Antennen. Das
Hauptproblem bei der Verwendung dieser Technologie ist, dass die
Dicke der dielektrischen und der leitfähigen Schicht recht wichtig
sind. Ein weiterer Nachteil dieser Mikrostreifentechnologie ist,
dass eine zusätzliche
Impedanzabstimmung zwischen dem Schlitz und dem äußeren Raum erforderlich ist.
Zum Beispiel wird in den Dokumenten
US-5,724,049 und
EP-0939451 beschrieben,
dass eigens eine dielektrische Schicht hinzugefügt wird, um die gewünschte Impedanz
zu erreichen, was eine unerwünschte
Reflexion von Signalen vermeidet. Des Weiteren ist das Richtvermögen der
Bauelemente nicht hoch genug, um in verschiedenen Anwendungen, und
insbesondere für
Automobil-Kollisionsverhinderungsradare, verwendet zu werden.
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Aufgaben der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung einer schlitzgekoppelten mikrobearbeiteten
Wellenleiterantenne für
Millimeterwellenkommunikationsvorrichtungs-Anwendungen. Diese Antennen
sind Millimeterwellenantennen, die Strahlung aussenden und ein hohes Richtvermögen und
eine hohe Effizienz besitzen. Die Antennen können zum Beispiel in der Telekommunikation und
für Automobilradare
verwendet werden.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1.
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Dieses
Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Ausfüllens des Hohlraums mit einem
Polymer, vorzugsweise BCB, umfassen, wobei das Substrat ein MCM-D-Wafer
ist.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung kann das Substrat Si umfassen, und
die erste Isolationsschicht kann eine Si-Oxidschicht und eine Polymerschicht
umfassen, wobei das Polymer vorzugsweise BCB umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1a bis 1d stellen
zwei eigenständige
Ausführungsformen
des Hohlraums der Antenne dar. Parameterwerte sind in Tabelle 1
und Tabelle 2 angegeben.
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Die 2a bis 2f veranschaulichen
ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Radarvorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung
verschiedener Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird ausführlich
anhand einer Vorrichtung beschrieben, die folgende Merkmale aufweist:
- – Hochentwickelte
Mikrobearbeitungstechniken (tiefe Trockenätzung), mikroelektronische
Techniken (SiGe/Si-HBTs)
und Montagetechniken (Flipchip) werden mit einer CMOS-Verarbeitung
kombiniert, um eine selbstverkapselte, kostengünstige und kleine Sender/Empfänger-Vorrichtung
herzustellen. Die hohe Präzision
von Siliziumfertigungstechniken gestattet die Herstellung einer
Vorrichtung mit hoher Präzision.
- – Die
Sender/Empfänger-Antenne
kann für
eine minimierte Größe und maximales
Richtvermögen
ausgelegt werden.
- – Die
Vorrichtung kann auf dem Automobilmarkt (FLAR) verwendet werden,
aber sie lässt
sich auch auf einfache Weise an andere Automobilsensoren (Dopplerradar)
und an andere Anwendungsgebiete (und zwar Millimeterwellenkommunikation,
wie zum Beispiel in WLANs) anpassen.
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Es
ist ein MCM-D-Wafer, auf dem mehrere Schaltkreise für eine Systemintegration
mit der Antenne montiert werden.
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In
dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt:
- – Si mit
hohem spezifischem Widerstand als das Substrat der Antenne zu verwenden.
Die RF-Funktionen können
in das Si-Substrat integriert werden oder können in anderen Komponenten,
zum Beispiel in CMOS-Technologie, CMOS-SiGe, bipolarer Technologie
oder III-V-Technologie, die auf der ersten Metallschicht montiert
werden, definiert werden. Dieser Montageschritt kann zum Beispiel
durch Flipchip-Montage, Kugelgitteranordnungs- Technologie und andere dem Fachmann
bekannte Techniken bewerkstelligt werden. Es ist heutzutage machbar,
die Hochfrequenz-RF-Funktion (> 5
GHz) auch in anderem Substratmaterial als Si zu definieren.
- – ein
Richtantennenelement-Design für
die Antenne zu verwenden und dieses Element (allein oder gruppiert)
in das Volumen der einen Widerstand aufweisenden Siliziumrückseite
hineinzuarbeiten.
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Weil
die Aktivelement-Chips in einer Millimeterwellen-Transceiver-Vorrichtung
in einer Vielzahl verschiedener Technologien hergestellt werden,
ist eine interessante Richtung für
ihre Herstellung das Bonden dieser mehreren Chips auf eine einzelne
Plattform, die auch passive Elemente tragen könnte. Eine solche Plattform
ist in der Mehrschicht-Dünnfilmtechnologie
verfügbar,
wie sie in der MCM-D-Technologie verwendet wird, die dem Fachmann
bestens vertraut ist.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben, die Millimeterwellenantennen
sind, die auf einer MCM-D-Siliziumplattform mikrogearbeitet sind.
Sie ist zum Abstrahlen oberhalb 20 GHz ausgelegt. Die Abstrahlapertur
dieser Antenne ist ein mikrobearbeiteter Wellenleiter. Die Apertur
wird in das Volumen des Siliziumsubstrats geätzt. Der Querschnitt des mikrobearbeiteten
Wellenleiters kann eine rechteckige (1a und 1b)
oder eine kreisrunde (1c und 1d) Form
oder Form von beliebiger Geometrie annehmen. Der Hohlraum kann mit
einem verlustarmen dielektrischen Material, wie zum Beispiel einem
Polymermaterial (BCB), ausgefüllt
werden, um die Antennenabmessungen zu verkleinern.
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Die
vorgeschlagenen Antennen werden durch einen koplanaren Wellenleiter
(KWL) gespeist, der auf der Seite des Substrats der Antenne realisiert
ist, die dem MCM-D-Substrat
zugewandt ist, aber von dieser durch ein dielektrisches Material
getrennt ist. Die elektromagnetische Kopplung von dem speisenden
KWL zu der Antenne wird durch einen Schlitz hindurch erreicht, der
in die metallische Basis des Aperturwellenleiters geätzt ist.
Der Kopplungsschlitz hat die gleiche Form wie der Wellenleiterquerschnitt.
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Die 1a und 1b zeigen
eine rechteckige Öffnung
(Schlitz) (37a) in der Basis eines mikrobearbeiteten rechteckigen
Wellenleiters (33a), während
die 1c und 1b eine
kreisrunde Öffnung
(Schlitz) (37b) in der Basis eines mikrobearbeiteten kreisrunden
Wellenleiters (33b) zeigen.
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Der
speisende KWL (23) ist ebenfalls in diesen Figuren gezeigt.
Es werden mehrere abstrahlende Enden des speisenden KWL verwendet,
wie zum Beispiel offene, kurze, kapazitive und induktive Enden.
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Die
Frequenz des Signals, das durch die Antenne abgestrahlt wird, ist
die Frequenz des Signals, das sich in dem KWL-Wellenleiter ausbreitet
und durch elektromagnetische Kopplung durch den Schlitz hindurch in
die Antenne eingespeist wird. Oder anders ausgedrückt: Die
abgestrahlte Wellenlänge
wird im Grunde nicht durch die Wellenleiterabmessungen eingestellt.
Die Wellenleiterabmessungen definieren praktisch die Abscheidefrequenz
der jeweiligen Modi, die durch ein eingespeistes Signal einer bestimmten
Frequenz erregt werden könnten.
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Eine
Antenne mit zylindrischer Apertur ist in 1c beschrieben.
Die Wände
des Zylinders sind mit TiW/Au besputtert. Eine Öffnung ist in diesem Metall
im Boden des Zylinders ausgebildet, um die Antenne, die sich auf
der Rückseite
des Chips befindet, durch eine Mikrostreifen-Zacke zu speisen (zu erregen), die den Oszillator
verlässt
und auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist.
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Um
die Resonanzmodi hoher Ordnung der Antenne auszulöschen, wird
das Loch entweder:
- – mit einem verlustarmen Dielektrikum
befüllt
- – oder
ist eine halbe Wellenlänge
tief.
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Um
die Antenne zu einem Resonator zu machen, wird Folgendes unternommen:
- – Der
Zylinder wird mittels einer Tieftrockenätzformulierung von STS in Si
geätzt.
- – Eine
fotolithografische Resistschicht Shipley PEPR 2400 [S. Linder et
al, "Photolithography
in anisotropically etched grooves", Proc. IEEE MEMS Workshop San Diego,
Kalifornien, Seiten 38–43],
die auf einer kombinierten planaren und nicht-planaren Technologie
basieren (der Begriff "nicht-planare
Technologie" bezieht
sich in diesem Fall auf den metallischen Wellenleiter), wird auf
die Rückseite
des MMIC-Chips elektroplattiert. Es wird eine Öffnung im Resist aus gebildet,
und der Schlitz wird geätzt
(wobei die Vorderseite durch Resist geschützt ist).
- – BCB
kann in den Hohlraum hinein abgeschieden werden (oder wenn das nicht
möglich
ist, so misst die Tiefe dieses Hohlraums eine halbe Wellenlänge).
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Eine
Antenne mit rechteckiger Apertur kann in einer ähnlichen Weise hergestellt
werden.
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Das
Richtvermögen
der integrierten Antenne wurde analytisch beurteilt. Für diese
ersten Berechnungen wurde von einem leeren Wellenleiter ausgegangen
(keine BCB-Füllung).
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Anhand
der in den Tabellen 1 und 2 zusammengefassten Ergebnisse lässt sich
zeigen, dass:
- – die Antenne mit kreisrunder
Apertur größenmäßig mit
dem Mikropatch vergleichbar ist, aber stärker gerichtet ist (7,4 dB
im Vergleich zu 5,4 dB für
den Mikropatch) und offensichtlich robuster ist. Es wird davon ausgegangen,
dass die BCB-Füllung
das Richtvermögen
der Antenne mit kreisrunder Apertur weiter verbessert.
- – die
Antenne mit rechteckiger Apertur sogar noch stärker gerichtet ist (9,8 dB
im Vergleich zu 5,4 dB für den
Mikropatch). Es ist jedoch festzustellen, dass die Antenne mit rechteckiger
Apertur größer als
die Antenne mit kreisrunder Apertur ist (in eine rechteckige Apertur
passen zwei rechteckige Mikropatches, weshalb ein Faktor einer Anordnung
aus zwei Elementen zu berücksichtigen
ist).
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1. Herstellung einer Antenne
gemäß der Erfindung
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Wie
in den 2 dargestellt, beginnt der
Prozess der Fertigung einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem doppelseitig polierten Siliziumwafer mit niedrigem spezifischem
Widerstand (Antennensubstrat) (31), wobei die folgenden
Schritte ausgeführt
werden:
- – Für eine DRIE-Trockenätzung durch
den Siliziumwafer (31) hindurch wird eine dicke Oxidschicht
(22) per CVD auf der Wafer-Rückseite abgeschieden und weiter
zu einer Oxid-Hartmaske (29) strukturiert (siehe 2a).
- – Der
MCM-D-Schaltkreis (100) kann auf der Vorderseite eines
Siliziumwafers entweder mittels eines Aufschleuder-Dielektrikums
(dickes BCB oder Polyimid) oder Metallabscheidung/-strukturierung
hergestellt werden, wie in J. F. Luy et al, "Si/SiGe MMIC's",
IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 43, Nr.
4, April 1995, Seiten 706–719,
beschrieben.
- – Die
Hartmaske wird auf die MCM-D-Strukturen auf der Wafer-Vorderseite
ausgerichtet, um die Spitze (23) des Kopplungs-KWL (25),
den geätzten
Schlitz (37) und den Wellenleiter aufeinander auszurichten.
Eine doppelseitige Ausrichtung wird in einer eigens dafür vorgesehenen
Vorrichtung zur elektronischen Bilddarstellung vorgenommen (siehe 2b).
- – An
diesem Punkt wird eine (nicht gezeigte) Resistschutzschicht auf
den MCM-D-Schaltkreis (100) aufbeschichtet.
- – Ein
Hohlraum (27) mit gewünschtem
Querschnitt wird vertikal durch das Volumen des Siliziumwafers (siehe 2c)
hindurch mittels einer STS-Formulierung, die auf die Wafer-Rückseite
aufgebracht wird, geätzt. Das Ätzen stoppt
dank der Ätzselektivität, sobald
die Grenzfläche
zwischen dem Silizium und der dielektrischen Schicht erreicht ist.
- – Das
restliche Maskierungsoxid wird mittels Trockenätzung entfernt. Die Rückseite
wird dann mit einer Deckschicht (33) aus gesputtertem Metal
metallisiert (siehe 2d).
- – Dann
wird Kupfer auf die Wafer-Rückseite
gesputtert. Kupfer wird als eine Keimschicht zum Aufbeschichten
eines elektroabscheidbaren Resists (33) vom Typ PEPR 2400
von Shipley verwendet.
- – Als
nächstes
wird der Resist durch eine fotolithografische Maske (35)
belichtet und anschließend
entwickelt. Das ungeschützte
Kupfer wird weggeätzt.
Dies komplettiert die Öffnung
des Speiseschlitzes im Boden des metallisierten Hohlraums (27).
Der Resist wird dann abgelöst.
- – Eine
Schicht aus elektrophoretischem fotolithografischem Resist PEPR
2400 von Shipley wird elektroplattiert und gebrannt. Der Resist
wird weiter belichtet (siehe 2d) und
entwickelt. Dabei bleibt eine Öff nung (37)
in dem Resist im Boden des metallisierten Hohlraums (27)
zurück.
Das belichtete Metall wird nassgeätzt (siehe 2e).
- – Der
Resist PEPR 2400 und die Schutzschicht werden in einem kompatiblen
Lösemittel
(zum Beispiel Aceton oder Heißresiststripper)
abgelöst.
- – Abschließend (optional)
kann BCB (41) in den Hohlraum (27) hineingegeben
werden (siehe 2f).
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2. Herstellung eines kostengünstigen,
zuverlässigen
und kleinen Radars
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Man
kann erwägen,
zwei Silizium-Chips separat zu verarbeiten: einen mit hohem spezifischem
Widerstand, der alle RF-Funktionen zuzüglich der Antenne trägt (wie
beispielsweise in Beispiel 1), während
der zweite alle CMOS- und
IF-Funktionen trägt.
Dann kann man die 2 Chips flipchip-montieren, wodurch die RF- und IF-Schaltkreise
auf einem MCM-D-Substrat verbunden werden wenn erforderlich.
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Das
Ergebnis ist ein kostengünstiges,
vollständig
integriertes, kompaktes, selbstverkapseltes und robustes Radar,
wie in 3 gezeigt.
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