EP1346433A1 - Arrangement with adjustable capacitance and method for production thereof - Google Patents

Arrangement with adjustable capacitance and method for production thereof

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Publication number
EP1346433A1
EP1346433A1 EP01270921A EP01270921A EP1346433A1 EP 1346433 A1 EP1346433 A1 EP 1346433A1 EP 01270921 A EP01270921 A EP 01270921A EP 01270921 A EP01270921 A EP 01270921A EP 1346433 A1 EP1346433 A1 EP 1346433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
ferroelectric material
ferroelectric
layer
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01270921A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roger WÖRDENWEBER
Roland Ott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1346433A1 publication Critical patent/EP1346433A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08Strip line resonators
    • H01P7/082Microstripline resonators

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with tunable capacitance with an electrical conductor and a ferroelectric material having a changeable dielectric constant ⁇ , the capacitance being tunable by changing the dielectric constant ⁇ .
  • the invention further relates to a method for producing an arrangement with a tunable capacitance with an electrical conductor and a ferroelectric material having a changeable dielectric constant ⁇ , the capacitance being tunable by changing the dielectric constant ⁇ .
  • RF components high-frequency components
  • penetrable filters come as HF components and resonators, phase shifters and super-directional antennas in question.
  • base stations for wireless communication are currently based on the principle of frequency division into several frequency ranges (channels) in multiplex mode.
  • tunable filters which are designed as miniaturized HF components.
  • interference signals for example intermodulation products
  • Changes in the frequency ranges can also be made without replacing filters.
  • Another disadvantage is that all suitable ferroelectrics are associated with high RF losses.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantages mentioned and in particular to provide an arrangement with tunable capacity and with a layer structure,
  • the invention is based on the generic arrangement in that the electrical conductor is an electrically conductive layer that is supported by a substrate, that the electrically conductive layer has an interruption - also called a gap - and that only ferroelectric material is arranged in the gap of the capacitance.
  • a buffer layer can be arranged between the electrically conductive layer and the substrate.
  • Such a buffer layer can bring advantages with regard to special deposition processes as well as with regard to the structuring of the layers. In principle, however, the advantage of the invention is retained, namely that an opposite side degradation of the layers during the manufacturing process is avoided.
  • the ferroelectric material is SrTi0 3 . It is a ferroelectric which can be arranged according to the invention.
  • the ferroelectric material preferably has a greater layer thickness than the electrically conductive layer.
  • the electrically conductive material is thus reliably divided into two areas that are electrically insulated from one another, so that a capacitance is achieved.
  • the dielectric constant ⁇ can be changed by changing an electric field strength.
  • the adjustment can thus be achieved by a physical quantity which can be handled in a simple manner.
  • a further electrode is arranged on the electrically conductive material arranged on the ferroelectric material.
  • an electrical field can be generated in an advantageous manner, which is concentrated in the ferroelectric and can be used to adjust the capacitance.
  • the invention builds on methods of the prior art in that a ferroelectric layer is applied to a substrate structure, that a region is structured out of the ferroelectric layer and that an electrically conductive layer is applied to the substrate structure with an interruption.
  • a ferroelectric layer is applied to a substrate structure, that a region is structured out of the ferroelectric layer and that an electrically conductive layer is applied to the substrate structure with an interruption.
  • the method is particularly advantageous if a uniform substrate is used as the substrate structure. This is a particularly simple solution, which leads to an equally simple arrangement.
  • SrTi0 3 is preferably used as the ferroelectric material in the method. This material is suitable in terms of both application and structuring.
  • Ba j .Sri_ j .TiO 3 or other ferroelectrics can be used as the ferroelectric material.
  • the ferroelectric material has a layer thickness in the range of about 0.3
  • a region is structured out of the ferroelectric material that has a lateral extent in the region of approximately 0.5 - 10 ⁇ m. This ensures a high capacity with simultaneous insulation between the electrodes.
  • the method is also advantageous in that the electrically conductive layer is applied in a smaller layer thickness than the ferroelectric layer.
  • an “interruption” and thus a capacitor effect is provided “automatically” when the electrically conductive layer is applied by the ferroelectric layer.
  • the method is particularly advantageous in that electrically conductive material is arranged on the ferroelectric material and in that a third electrode is arranged on the electrically conductive material arranged on the ferroelectric material.
  • three electrodes can be provided in one method step, which electrodes can be used to apply a voltage.
  • the structuring is carried out by lithography and dry etching. These are proven methods with which a ferroelectric can also be used
  • the layer can be structured, with particularly precise structures with clearly defined edges being able to be produced, particularly in ion beam etching (IBE).
  • the interruption of the electrically conductive layer is generated either by etching or by lift-off methods.
  • the invention is based on the surprising finding that RF losses can be greatly reduced due to the structure specified. This is due in particular to the fact that the ferroelectric, which is subject to high losses, is arranged only in the gap in the capacitance. Likewise, the possibility of a degradation of the layers becomes less likely since both the ferroelectric and the electrodes of the capacitance are deposited directly on the substrate or on the substrate provided with the buffer layer. This is particularly important with regard to a combination of a ferroelectric with a high-temperature superconductor. Overall, improved tunability, lower losses and higher puncture resistance are achieved.
  • the invention will now be explained by way of example with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments.
  • Figure 1 schematically shows a circuit diagram of a receiving system for the mobile radio area
  • FIG. 2 schematically shows a circuit diagram of a further reception system for the mobile radio area
  • FIG. 3a shows a first embodiment of a high-frequency band stop resonator
  • FIG. 3b shows a second embodiment of a high-frequency band stop resonator
  • Figure 4 is a diagram for explaining the invention.
  • FIG. 5a shows a first layer structure for realizing a capacitance with a ferroelectric
  • FIG. 5b shows a second layer structure for realizing a capacitance with a ferroelectric
  • FIG. 6a shows a layer arrangement after a first method step
  • FIG. 6b shows a layer arrangement after a second method step
  • FIG. 6c shows a layer arrangement after a third method step
  • Figure 7 is a diagram for explaining the advantages of the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement in which high-frequency components (HF components) are used. It is a reception system that can be used, for example, in the mobile radio area.
  • the arrangement consists of an antenna 120, which is connected to the input of a bandpass filter 122.
  • the output signal of this bandpass filter is passed on to an amplifier 124, which is preferably designed as an LNA ("low noise a plifier").
  • the output signal of this amplifier 124 becomes a multiplexer 126 entered, with the multiplexer 126 providing several channels on the output side.
  • Each of these channels has a mixer 128, a further band-pass filter 130 following the mixer, a further amplifier 132 following the band-pass filter 130, which in turn is preferably designed as an LNA, and an analog-to-digital converter (ADC), which is used by converted analog signals output to amplifiers 132.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the arrangement according to FIG. 1 works on the principle of frequency division into many frequency ranges (channels) in multiplex mode.
  • the filter 136 can be tuned, the multiplexer 126 according to FIG. 1, which is disadvantageous in terms of hardware expenditure, is unnecessary; A variable frequency range can be covered by the tunable bandpass filter 136. Furthermore, the arrangement according to FIG. 2 the advantage that interference signals can be filtered out.
  • FIG. 3a and FIG. 3b show two basic sketches of high-frequency band stop resonators.
  • FIG. 3a shows a band stop resonator with a single capacitance.
  • a microstrip line 138 transports an RF signal in the direction indicated by arrow 140 as an example.
  • An LC resonator 142 is arranged in the area of the microstrip line 138 and provides a capacitance C and an inductance L.
  • the frequency to which the arrangement according to FIG. 3a is tuned depends on the inductance and the capacitance of the resonators via the relationship
  • FIG. 3b shows an arrangement similar to that in FIG. 3a, the same reference numerals indicating comparable components.
  • a band stop resonator with double capacity and additional feed lines 144 is provided here for the application of an electrical direct voltage.
  • direct voltages for example, the dielectric constant ⁇ of a ferroelectric can be influenced, which is introduced into the gap of the capacitance and thus has an influence on the capacitance and thus the frequency of the band stop resonator.
  • efforts are made to tune to high frequencies, with mobile radio frequencies in the GHz range, so that it is necessary to set high capacities.
  • 5a and 5b show two possibilities for realizing a capacitance with a ferroelectric.
  • a ferroelectric 112 is arranged on a substrate 114 in FIG. 5a.
  • An electrically conductive layer 110 which has an interruption 116, is applied to the ferroelectric 112.
  • This interruption 116 provides a capacitance which can be changed by changing the dielectric constant of the ferroelectric 112.
  • FIG. 5b Another arrangement is shown in FIG. 5b.
  • An electrically conductive layer 110 with an interruption is located on the substrate 114.
  • a ferroelectric is now applied to the overall arrangement of substrate 114 and electrically conductive layer 110.
  • the capacitance which is realized by the elements of the electrically conductive layer 110 can be influenced by changing the dielectric constant of the ferroelectric 112. 6 shows method steps for producing an arrangement according to the invention.
  • FIG. 6a shows the result of a first method step in which a ferroelectric material 12 is applied as a layer to a substrate 14.
  • This ferroelectric material can be, for example, SrTi0 3 or Ba x Sr-_ x Ti0 3 in a layer thickness of 0.3-5 ⁇ m.
  • the described manufacturing process provides a structure which has an electrical conductor 10 with an interruption. A capacity is made available by this interruption 16.
  • Ferro-electrical material 12, which influences the capacitance, is located in the interruption 16.
  • the conductive layer can consist of normal conductive material or high-temperature superconductor material.
  • the flatter curves show the tunability of a conventional planar thin-film component made of SrTi0 3 and Cu, with the interruption in the electrically conductive layer being 6 ⁇ m.
  • the two upper curves show the tunability of an inventive

Abstract

The invention relates to an arrangement with adjustable capacitance, comprising an electrical conductor (10) and a ferro-electrical material (12) with a variable dielectric constant ε, whereby the capacitance may be adjusted by means of a change in the dielectric constant ε. The electrical conductor is embodied as an electrically conducting layer (10), supported on a substrate (14). The electrically conducting layer (10) comprises a recess (16) and the ferro-electric material (12) is arranged in the recess (16). The invention further relates to a method for the production of an arrangement with adjustable capacitance.

Description

Anordnung mit abstimmbarer Kapazität und Verfahren zu deren HerstellungTunable capacity arrangement and method of making the same
Beschreibung:Description:
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit abstimmbarer Kapazität mit einem elektrischen Leiter und einem eine veränderbare Dielektrizitätskonstante ε aufweisenden fer- roelektrischen Material, wobei die Kapazität durch Veränderung der Dielektrizitätskonstante ε abstimmbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit abstimmbarer Kapazität mit einem elektrischen Leiter und einem eine veränderbare Dielektrizitätskonstante ε aufweisenden ferroelektrischen Material, wobei die Kapazität durch Veränderung der Dielektrizitätskonstante ε abstimmbar ist.The invention relates to an arrangement with tunable capacitance with an electrical conductor and a ferroelectric material having a changeable dielectric constant ε, the capacitance being tunable by changing the dielectric constant ε. The invention further relates to a method for producing an arrangement with a tunable capacitance with an electrical conductor and a ferroelectric material having a changeable dielectric constant ε, the capacitance being tunable by changing the dielectric constant ε.
Die Entwicklung von miniaturisierten Hochfrequenzbauelementen (HF-Bauelementen) ist für unterschiedlichste Anwendungen von hohem Interesse. Beispielsweise können derartige Bauelemente in idealer Weise im Bereich der drahtlosen Kommunikationstechnik, der Radartechnik und vergleichbaren Anwendungen eingesetzt werden. Als HF- Bauelemente kommen beispielsweise durchsti mbare Filter und Resonatoren, Phasenschieber und superdirektive Antennen in Frage.The development of miniaturized high-frequency components (RF components) is of great interest for a wide variety of applications. For example, such components can be used ideally in the field of wireless communication technology, radar technology and comparable applications. For example, penetrable filters come as HF components and resonators, phase shifters and super-directional antennas in question.
Beispielsweise basieren Basisstationen für eine drahtlose Kommunikation derzeit auf dem Prinzip der Frequenzaufteilung in mehrere Frequenzbereiche (Kanäle) im Multiplexbetrieb. Es ist möglich, anstelle des Multiplexbetriebs durchstimmbare Filter zu verwenden, welche als miniaturisiertes HF-Bauelement ausgelegt sind. Auf diese Weise kann eine flexiblere Aufteilung der unterschiedlichen Frequenzbereiche gewährleistet werden, und es können Störsignale, beispielsweise Intermodulationsprodukte, ausgeblendet werden. Ebenso können Veränderungen der Frequenzbereiche ohne Austausch von Filtern erfolgen.For example, base stations for wireless communication are currently based on the principle of frequency division into several frequency ranges (channels) in multiplex mode. Instead of multiplexing, it is possible to use tunable filters, which are designed as miniaturized HF components. In this way, a more flexible division of the different frequency ranges can be ensured and interference signals, for example intermodulation products, can be masked out. Changes in the frequency ranges can also be made without replacing filters.
Zur Herstellung von abstimmbaren Filtern, welche beispielsweise in Basisstationen für die drahtlose Kommunikation verwendet werden können, existieren unterschiedliche Konzepte. Für die Miniaturisierung derartiger Bauelemente bietet sich die Dünnschichttechnologie an. Ein bekanntes Verfahren, mit dem eine Frequenzabstimmung von Resonatoren erreicht werden kann, beruht auf der Verwendung von Ferroelektrika, deren dielektrische Eigenschaften vom angelegten elektrischen Feld abhängen. Verwendet man ein Ferroelektrikum daher als Dielektrikum in einem Kondensator, so lässt sich ein solcher Kondensator durch das Anlegen unterschiedlicher elektrischen Feldstärken abstimmen, wodurch eine Frequenzanpassung erreicht werden kann. Problematisch bei Anordnungen des Standes der Technik ist jedoch, dass bei einem Betrieb mit hohen Frequenzen sehr hohe Kapazitäten erreicht werden müssen. Folglich müssen größere Bereiche einer Anordnung mit kapazitiven Strukturen versehen werden. Um dies zu erreichen kennt man beispielsweise eine Mäanderlösung.Different concepts exist for the production of tunable filters, which can be used for example in wireless communication base stations. Thin-film technology is ideal for miniaturizing such components. A known method with which a frequency tuning of resonators can be achieved is based on the use of ferroelectrics, the dielectric properties of which depend on the applied electric field. If a ferroelectric is therefore used as a dielectric in a capacitor, such a capacitor can be tuned by applying different electrical field strengths, as a result of which frequency adaptation can be achieved. However, the problem with arrangements of the prior art is that very high capacities have to be achieved when operating at high frequencies. As a result, larger areas of an arrangement must be provided with capacitive structures. To achieve this, for example, a meander solution is known.
Weiterhin ist nachteilig, dass alle geeigneten Ferroelektrika mit hohen HF-Verlusten behaftet sind.Another disadvantage is that all suitable ferroelectrics are associated with high RF losses.
Ebenfalls ist zu beachten, dass die Herstellung von mehrschichtigen Anordnungen, welche aus einem Ferroelektrikum und einem verlustarmen keramischen Hochtemperatur- Supraleiter bestehen, bislang üblicherweise zur Schädigung entweder des Supraleiters oder des Ferroelektrikums führen.It should also be noted that the production of multilayer arrangements which consist of a ferroelectric and a low-loss ceramic high-temperature superconductor has hitherto usually led to damage to either the superconductor or the ferroelectric.
Es ist weiterhin zu beachten, dass das Anlegen einer Gleichspannung zum Verändern der Feldstärke und entsprechenden Verändern der Dielektrizitätskonstante des Ferroelektrikums eine spezielle Auslegung der Bauelemente verlangt, da beide Kontakte galvanisch getrennt sein müssen. Dies führt zu ernsthaften Designbeschränkungen.It should also be noted that the application of a DC voltage to change the field strength and correspondingly change the dielectric constant of the ferroelectric requires a special design of the components, since both contacts must be electrically isolated. This leads to serious design restrictions.
Des weiteren ist für eine ausreichende Frequenzabstimmung eine ausreichende Variation der dielektrischen Konstante nötig. Bei den bestehenden Designs der Kapazität sind hierzu meist sehr hohe Spannungen notwendig, die eine Anwendung unmöglich machen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine Anordnung mit abstimmbarer Kapazität und mit einem Schichtaufbau zur Verfügung zu stellen,Furthermore, a sufficient variation of the dielectric constant is necessary for a sufficient frequency tuning. With the existing designs of the capacitance, very high voltages are usually necessary for this, which make an application impossible. The invention has for its object to eliminate the disadvantages mentioned and in particular to provide an arrangement with tunable capacity and with a layer structure,
(i) bei der sich die Schichten gegenseitig nicht schädigen, wobei HF-Verluste im Ferroelektrikum vermindert werden,(i) in which the layers do not damage one another, reducing HF losses in the ferroelectric,
(ii) mit der sich kleine Spaltbreiten zum Erreichen hoher Kapazitäten realisieren lassen, und(ii) with which small gap widths can be achieved to achieve high capacities, and
(iii) bei der kleine Spaltbreiten in Kombination mit hohen Füllfaktoren, die den elektrischen Feldanteil in Dielektroden beschreiben, zu realistischen Spannungen zur Kapazitätsabstimmung der Bauelemente führen.(iii) in the case of the small gap widths in combination with high fill factors, which describe the electrical field component in the electrodes, lead to realistic voltages for the capacitance matching of the components.
Des weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung angegeben werden.Furthermore, a method for producing such an arrangement is to be specified.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with the features of independent claims 1 and 15. Advantageous refinements are specified in the dependent claims.
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Anordnung dadurch auf, dass der elektrische Leiter eine elektrisch leitende Schicht ist, die von einem Substrat getragen wird, dass die elektrisch leitende Schicht eine Unterbrechung - auch Spalt genannt - aufweist und dass lediglich im Spalt der Kapazität ferroelektrisches Material angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung wirdThe invention is based on the generic arrangement in that the electrical conductor is an electrically conductive layer that is supported by a substrate, that the electrically conductive layer has an interruption - also called a gap - and that only ferroelectric material is arranged in the gap of the capacitance. With such an arrangement
(i) die Materialmenge von ferroelektrischem Material verringert, wodurch HF-Verluste begrenzt werden,(i) reduces the amount of ferroelectric material, thereby limiting RF losses,
(ii) der Füllfaktor des elektrischen Feldes im Dielektrikum gegenüber üblichen Ausführungen erhöht, und(ii) the fill factor of the electric field in the dielectric increases compared to conventional designs, and
(iii) die Gefahr von Überschlägen zwischen den Elektroden minimiert.(iii) minimizes the risk of arcing between the electrodes.
Ebenfalls ist vorteilhaft, dass durch die Anordnung von ferroelektrischem Material in der Unterbrechung der elektrischen Schicht, eine gegenseitige Degradation der Materialien verhindert wird.It is also advantageous that the arrangement of ferroelectric material in the interruption of the electrical layer prevents mutual degradation of the materials.
Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Schicht direkt auf dem Substrat angeordnet. Die elektrisch leitende Schicht wird daher insbesondere nicht auf einem Ferroelektrikum angeordnet, so dass keine Verschlechterung der Schichten beim Herstellungsprozess bewirkt wird.The electrically conductive layer is preferably arranged directly on the substrate. The electrically conductive layer is therefore in particular not arranged on a ferroelectric, so that the layers are not deteriorated during the production process.
Es kann auch vorteilhaft sein, dass zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Substrat eine Pufferschicht angeordnet ist. Eine solche Pufferschicht kann Vorteile im Hinblick auf spezielle Abscheidungsprozesse als auch im Hinblick auf die Strukturierung der Schichten mit sich bringen. Grundsätzlich bleibt dabei jedoch der Vorteil der Erfindung erhalten, dass nämlich eine gegen- seitige Degradation der Schichten während des Herstellungsprozesses vermieden wird.It can also be advantageous for a buffer layer to be arranged between the electrically conductive layer and the substrate. Such a buffer layer can bring advantages with regard to special deposition processes as well as with regard to the structuring of the layers. In principle, however, the advantage of the invention is retained, namely that an opposite side degradation of the layers during the manufacturing process is avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das ferroelektrische Material SrTi03. Dabei handelt es sich um ein Ferroelektrikum, welches sich erfindungsgemäß anordnen lässt.In a preferred embodiment, the ferroelectric material is SrTi0 3 . It is a ferroelectric which can be arranged according to the invention.
Aus demselben Grund kann es vorteilhaft sein, dass das ferroelektrische Material Ba^r^TiC^ ist. Generell sind nahezu alle Ferroelektrika zu verwenden, wobei sich optimale Konditionen durch hohe Abstimmbarkeit und niedrige Verluste auszeichnen.For the same reason it can be advantageous that the ferroelectric material is Ba ^ r ^ TiC ^. In general, almost all ferroelectrics can be used, whereby optimal conditions are characterized by high tunability and low losses.
Von besonderem Vorteil ist es, dass das ferroelektrische Material eine größere Schichtdicke als die Elektrode aufweist und somit typischerweise im Bereich von etwa 0,3 -It is particularly advantageous that the ferroelectric material has a greater layer thickness than the electrode and thus typically in the range of about 0.3 -
5 μm liegt. Mit derartigen Schichtdicken lassen sich Dielektrizitätskonstanten realisieren, welche in einem geeigneten Bereich zur Abstimmung des Kondensators liegen. Des weiteren ist es dann möglich, die Elektroden im Liftoff-Verfahren zu deponieren.5 μm. With such layer thicknesses, dielectric constants can be realized which are in a suitable range for tuning the capacitor. Furthermore, it is then possible to deposit the electrodes using the liftoff method.
Ebenfalls ist vorteilhaft, dass das ferroelektrische Material eine möglichst kleine aber ausreichende lateraleIt is also advantageous that the ferroelectric material has the smallest possible but sufficient lateral
Ausdehnung im Bereich von etwa 0,5 - 10 μm aufweist. Mit derartigen lateralen Ausdehnungen, welche mit der Unterbrechung (dem Spalt) in der elektrisch leitenden Schicht korrespondieren, sind Kapazitäts- und Fre'quenzabgleiche möglich, welche für viele Anwendungen von Vorteil sind. Vorzugsweise hat das ferroelektrische Material eine größere Schichtdicke als die elektrisch leitende Schicht. Somit ist das elektrisch leitende Material zuverlässig in zwei elektrisch voneinander isolierte Bereiche unterteilt, so dass eine Kapazität zustande kommt.Has expansion in the range of about 0.5 - 10 microns. With such lateral expansions, which correspond to the interruption (the gap) in the electrically conductive layer, capacitance and frequency comparisons are possible, which are advantageous for many applications. The ferroelectric material preferably has a greater layer thickness than the electrically conductive layer. The electrically conductive material is thus reliably divided into two areas that are electrically insulated from one another, so that a capacitance is achieved.
Bevorzugt ist die elektrisch leitende Schicht ein Hochtemperatur-Supraleiter . Hochtemperatur-Supraleiter werden immer häufiger aufgrund sehr niedriger HF-Verluste im Rahmen von Dünnschichtanordnungen verwendet. Die Erfindung ist in diesem Zusammenhang von besonderem Vorteil, da die geringen Verluste des Hochtemperatur- Supraleiters nun nicht von Verlusten einer großen Menge an ferroelektrischem Material wieder zunichte gemacht werden.The electrically conductive layer is preferably a high-temperature superconductor. High-temperature superconductors are being used more and more frequently due to very low RF losses in thin-film arrangements. The invention is of particular advantage in this connection, since the low losses of the high-temperature superconductor are now not canceled out by losses of a large amount of ferroelectric material.
Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, dass die elektrisch leitende Schicht ein konventioneller elektrischer Leiter ist. Je nach Anwendung kann die Anordnung auch auf diese Weise ihre vorteilhaften Eigenschaften entfalten.However, it can also be advantageous for the electrically conductive layer to be a conventional electrical conductor. Depending on the application, the arrangement can also develop its advantageous properties in this way.
Es ist bevorzugt, dass die Dielektrizitätskonstante ε durch Veränderung einer elektrischen Feldstärke veränderbar ist. Somit lässt sich die Abstimmung durch eine physikalische Größe erreichen, welche in einfacher Weise gehandhabt werden kann.It is preferred that the dielectric constant ε can be changed by changing an electric field strength. The adjustment can thus be achieved by a physical quantity which can be handled in a simple manner.
Es ist vorteilhaft, dass an der elektrisch leitenden Schicht Elektroden angeordnet sind, über Elektroden lässt sich eine Spannung zuführen, so dass die elektrischeIt is advantageous that electrodes are arranged on the electrically conductive layer via electrodes to apply a voltage so that the electrical
Feldstärke und somit die Dielektrizitätskonstante ε veränderbar sind.Field strength and thus the dielectric constant ε can be changed.
Es kann vorteilhaft sein, wenn auf dem ferroelektrischen Material elektrisch leitendes Material angeordnet ist. Das elektrisch leitende Material kann somit in einem einstufigen Prozess auf das Substrat und das strukturierte Ferroelektrikum aufgebracht werden.It can be advantageous if electrically conductive material is arranged on the ferroelectric material. The electrically conductive material can thus be applied to the substrate and the structured ferroelectric in a one-step process.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn an dem auf dem ferroelektrischen Material angeordneten elektrisch leitenden Material eine weitere Elektrode angeordnet ist. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise ein elektrisches Feld erzeugen, welches in dem Ferroelektrikum konzentriert ist und zur Abstimmung der Kapazität eingesetzt werden kann.In this context, it is also advantageous if a further electrode is arranged on the electrically conductive material arranged on the ferroelectric material. In this way, an electrical field can be generated in an advantageous manner, which is concentrated in the ferroelectric and can be used to adjust the capacitance.
Die Erfindung baut auf Verfahren des Standes der Technik dadurch auf, dass eine ferroelektrische Schicht auf eine Substratstruktur aufgebracht wird, dass ein Bereich aus der ferroelektrischen Schicht herausstrukturiert wird und dass auf die Substratstruktur eine elektrisch leitende Schicht mit einer Unterbrechung aufgebracht wird. Im Zusammenhang mit dem Verfahren ist als besonders vorteilhaft hervorzuheben, dass keine Degradation der ferroelektrischen Schicht und der elektrisch leitenden Schicht stattfindet, da beide Schichten auf lateral getrennten Bereichen einer Substratstruktur aufgebracht werden. Das Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Substratstruktur ein einheitliches Substrat verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache Lösung, welche zu einer gleichermaßen einfachen Anordnung führt.The invention builds on methods of the prior art in that a ferroelectric layer is applied to a substrate structure, that a region is structured out of the ferroelectric layer and that an electrically conductive layer is applied to the substrate structure with an interruption. In connection with the method, it should be emphasized as particularly advantageous that there is no degradation of the ferroelectric layer and the electrically conductive layer, since both layers are applied to laterally separated areas of a substrate structure. The method is particularly advantageous if a uniform substrate is used as the substrate structure. This is a particularly simple solution, which leads to an equally simple arrangement.
Es kann aber auch im Sinne des Herstellungsverfahrens als auch im Sinne der Funktionstüchtigkeit der Anordnung sein, dass als Substratstruktur ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Pufferschicht verwendet wird.However, it can also be in the sense of the production process and also in terms of the functionality of the arrangement that a substrate with a buffer layer arranged on the substrate is used as the substrate structure.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren als ferroelektrisches Material SrTi03 verwendet. Dieses Material ist sowohl im Hinblick auf das Aufbringen als auch auf das Strukturieren geeignet.SrTi0 3 is preferably used as the ferroelectric material in the method. This material is suitable in terms of both application and structuring.
Gleichermaßen kann als ferroelektrisches Material Baj.Sri_j.TiO3 oder andere Ferroelektrika verwendet werden.Likewise, Ba j .Sri_ j .TiO 3 or other ferroelectrics can be used as the ferroelectric material.
Besonders bevorzugt ist es, dass das ferroelektrische Material in einer Schichtdicke im Bereich von etwa 0,3 -It is particularly preferred that the ferroelectric material has a layer thickness in the range of about 0.3
5 μm aufgebracht wird. Eine solche Schichtdicke ist im Hinblick auf die endgültige Dicke der Elektroden nützlich. Ferner bietet sie gute Voraussetzungen für eine Weiterverarbeitung z.B. im Lift-off-Verfahren.5 μm is applied. Such a layer thickness is useful in view of the final thickness of the electrodes. Furthermore, it offers good conditions for further processing e.g. in the lift-off procedure.
Aus ähnlichen Gründen ist es von Vorteil, dass aus dem ferroelektrischen Material ein Bereich herausstrukturiert wird, der eine laterale Ausdehnung im Bereich von etwa 0,5 - 10 μm aufweist. So ist eine hohe Kapazität bei gleichzeitiger Isolation zwischen den Elektroden gewährleistet.For similar reasons, it is advantageous that a region is structured out of the ferroelectric material that has a lateral extent in the region of approximately 0.5 - 10 μm. This ensures a high capacity with simultaneous insulation between the electrodes.
Das Verfahren ist ebenfalls dadurch vorteilhaft, dass die elektrisch leitende Schicht in einer geringeren Schichtdicke aufgebracht wird als die ferroelektrische Schicht. Somit wird "automatisch" beim Aufbringen der elektrisch leitenden Schicht durch die ferroelektrische Schicht eine Unterbrechung und somit eine Kondensatorwirkung zur Verfügung gestellt.The method is also advantageous in that the electrically conductive layer is applied in a smaller layer thickness than the ferroelectric layer. Thus, an “interruption” and thus a capacitor effect is provided “automatically” when the electrically conductive layer is applied by the ferroelectric layer.
Das Verfahren ist besonders dadurch vorteilhaft, dass auf dem ferroelektrischen Material elektrisch leitendes Material angeordnet wird und dass an dem auf dem ferroelektrischen Material angeordneten elektrisch leitenden Material eine dritte Elektrode angeordnet wird. Somit können in einem Verfahrensschritt drei Elektroden bereitgestellt werden, welche zum Anlegen einer Spannung verwendet werden können.The method is particularly advantageous in that electrically conductive material is arranged on the ferroelectric material and in that a third electrode is arranged on the electrically conductive material arranged on the ferroelectric material. Thus, three electrodes can be provided in one method step, which electrodes can be used to apply a voltage.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass auf dem ferroelektrischen Material angeordnetes elektrisch leitendes Material entfernt wird. Somit lässt sich eine Anordnung herstellen, welche nur auf der Substratstruktur elektrisch leitendes Material aufweist.However, it can also be advantageous for electrically conductive material arranged on the ferroelectric material to be removed. An arrangement can thus be produced which has electrically conductive material only on the substrate structure.
Es ist vorteilhaft, dass das Herausstrukturieren durch Lithographie und Trockenätzen erfolgt. Dies sind bewährte Verfahren, mit welchen sich auch eine ferroelektrische Schicht strukturieren lässt, wobei sich insbesondere beim Ionenstrahlätzen (IBE) besonders genaue Strukturen mit klar definierten Kanten fertigen lassen.It is advantageous that the structuring is carried out by lithography and dry etching. These are proven methods with which a ferroelectric can also be used The layer can be structured, with particularly precise structures with clearly defined edges being able to be produced, particularly in ion beam etching (IBE).
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, dass die Unterbrechung der elektrisch leitenden Schicht entweder durch Ätzen oder durch Lift-off-Verfahren erzeugt wird.In this context, it is also advantageous that the interruption of the electrically conductive layer is generated either by etching or by lift-off methods.
Weitere Verbesserungen der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreichen, dass eine Grenzschicht zwischen dem ferroelektrischen Material und dem elektrisch leitenden Material nachbehandelt wird. Eine solche Nachbehandlung kann beispielsweise mit Sauerstoff erfolgen, insbesondere da die Grenzfläche normal zum Substrat ausgerichtet ist.Further improvements of the arrangement according to the invention can be achieved within the scope of the method according to the invention by post-treating an interface between the ferroelectric material and the electrically conductive material. Such an aftertreatment can be carried out, for example, with oxygen, especially since the interface is oriented normal to the substrate.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der angegebenen Struktur HF-Verluste stark vermindert werden können. Dies liegt insbesondere daran, dass nur im Spalt der Kapazität das mit starken Verlusten behaftete Ferroelektrikum angeordnet ist. Ebenfalls wird die Möglichkeit einer Degradation der Schichten unwahrscheinlicher, da sowohl das Ferroelektrikum als auch die Elektroden der Kapazität direkt auf das Substrat beziehungsweise auf das mit der Pufferschicht versehene Substrat abgeschieden werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Kombination eines Ferroelektrikums mit einem Hochtemperatur-Supraleiter zu beachten. Insgesamt erreicht man eine verbesserte Abstimmbarkeit, geringere Verluste und eine höhere Durchschlagsicherheit. Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is based on the surprising finding that RF losses can be greatly reduced due to the structure specified. This is due in particular to the fact that the ferroelectric, which is subject to high losses, is arranged only in the gap in the capacitance. Likewise, the possibility of a degradation of the layers becomes less likely since both the ferroelectric and the electrodes of the capacitance are deposited directly on the substrate or on the substrate provided with the buffer layer. This is particularly important with regard to a combination of a ferroelectric with a high-temperature superconductor. Overall, improved tunability, lower losses and higher puncture resistance are achieved. The invention will now be explained by way of example with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments.
Dabei zeigt:It shows:
Figur 1 schematisch ein Schaltbild eines Empfangssystems für den Mobilfunkbereich;Figure 1 schematically shows a circuit diagram of a receiving system for the mobile radio area;
Figur 2 schematisch ein Schaltbild eines weiteren Empfangssystems für den Mobilfunkbereich;FIG. 2 schematically shows a circuit diagram of a further reception system for the mobile radio area;
Figur 3a eine erste Ausführungsform eines Hochfrequenz-Bandstoppresonators;FIG. 3a shows a first embodiment of a high-frequency band stop resonator;
Figur 3b eine zweite Ausführungsform eines Hochfrequenz-Bandstoppresonators ; FIG. 3b shows a second embodiment of a high-frequency band stop resonator;
Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung;Figure 4 is a diagram for explaining the invention;
Figur 5a eine erste Schichtstruktur zur Realisierung einer Kapazität mit einem Ferroelektrikum;FIG. 5a shows a first layer structure for realizing a capacitance with a ferroelectric;
Figur 5b eine zweite Schichtstruktur zur Realisierung einer Kapazität mit einem Ferroelektrikum;FIG. 5b shows a second layer structure for realizing a capacitance with a ferroelectric;
Figur 6a eine Schichtanordnung nach einem ersten Verfahrensschritt;FIG. 6a shows a layer arrangement after a first method step;
Figur 6b eine Schichtanordnung nach einem zweiten Verfahrensschritt;FIG. 6b shows a layer arrangement after a second method step;
Figur 6c eine Schichtanordnung nach einem dritten Verfahrensschritt;FIG. 6c shows a layer arrangement after a third method step;
Figur 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung.Figure 7 is a diagram for explaining the advantages of the invention.
In Figur 1 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, in welcher Hochfrequenzbauelemente (HF-Bauelemente) zum Einsatz kommen. Es handelt sich um ein Empfangssystem, welches beispielsweise im Mobilfunkbereich verwendet werden kann. Die Anordnung besteht aus einer Antenne 120, welche mit dem Eingang eines Bandpassfilters 122 verbunden ist. Das Ausgangssignal dieses Bandpassfilters wird an einen Verstärker 124 weitergegeben, welcher vorzugsweise als LNA ("low noise a plifier" ) ausgelegt ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 124 wird einem Multiplexer 126 eingegeben, wobei ausgangsseitig von dem Multiplexer 126 mehrere Kanäle zur Verfügung gestellt werden. Jeder dieser Kanäle weist einen Mischer 128, einen auf den Mischer folgenden weiteren Bandpassfilter 130, einen auf den Bandpassfilter 130 folgenden weiteren Verstärker 132, welcher wiederum vorzugsweise als LNA ausgelegt ist, und einen Analog-Digital-Konverter (ADC) auf, welcher die von den Verstärkern 132 ausgegebenen analogen Signale konvertiert.FIG. 1 schematically shows an arrangement in which high-frequency components (HF components) are used. It is a reception system that can be used, for example, in the mobile radio area. The arrangement consists of an antenna 120, which is connected to the input of a bandpass filter 122. The output signal of this bandpass filter is passed on to an amplifier 124, which is preferably designed as an LNA ("low noise a plifier"). The output signal of this amplifier 124 becomes a multiplexer 126 entered, with the multiplexer 126 providing several channels on the output side. Each of these channels has a mixer 128, a further band-pass filter 130 following the mixer, a further amplifier 132 following the band-pass filter 130, which in turn is preferably designed as an LNA, and an analog-to-digital converter (ADC), which is used by converted analog signals output to amplifiers 132.
Die Anordnung nach Figur 1 arbeitet nach dem Prinzip der Frequenzaufteilung in viele Frequenzbereiche (Kanäle) im Multiplexbetrieb.The arrangement according to FIG. 1 works on the principle of frequency division into many frequency ranges (channels) in multiplex mode.
In Figur 2 ist ein alternatives Konzept dargestellt. Wiederum ist als erstes Glied in der Empfangskette eine Antenne 120 vorgesehen. Das Ausgangssignal dieser Antenne wird auf einen frequenzabstimmbaren Bandpassfilter 136 gegeben. Das frequenzabgestimmte Signal wird nun auf einen Verstärker 124, vorzugsweise einen LNA geführt und von dort aus an einen Mischer 128 weitergeleitet. Auf diesen Mischer folgen, ähnlich wie in jedem Kanal der Anordnung gemäß Figur 1, ein Bandpassfilter 130, ein Verstärker 132 und ein Analog-Digital-Konverter 134.An alternative concept is shown in FIG. Again, an antenna 120 is provided as the first link in the reception chain. The output signal from this antenna is fed to a frequency-tunable bandpass filter 136. The frequency-tuned signal is now passed to an amplifier 124, preferably an LNA, and from there to a mixer 128. This mixer is followed, similar to each channel in the arrangement according to FIG. 1, by a bandpass filter 130, an amplifier 132 and an analog-digital converter 134.
Aufgrund der Abstimmbarkeit des Filters 136 ist der bezüglich des Hardware-Aufwandes nachteilige Multiplexer 126 gemäß Figur 1 entbehrlich; durch den abstimmbaren Bandpassfilter 136 kann ein variabler Frequenzbereich abgedeckt werden. Weiterhin hat die Anordnung gemäß Figur 2 den Vorteil, dass Störsignale herausgefiltert werden können.Because the filter 136 can be tuned, the multiplexer 126 according to FIG. 1, which is disadvantageous in terms of hardware expenditure, is unnecessary; A variable frequency range can be covered by the tunable bandpass filter 136. Furthermore, the arrangement according to FIG. 2 the advantage that interference signals can be filtered out.
Zur Realisierung abstimmbarer Filter, die beispielsweise bei einer Anordnung gemäß Figur 2 als Bauelement 136 verwendet werden können, existieren unterschiedliche Konzepte. Will man derartige Bauelemente miniaturisiert herstellen, so bietet sich die Dünnschichttechnologie an, wobei eine Veränderung von dielektrischen Eigenschaften von Ferroelektrika zur Beeinflussung einer Kapazität verwendet werden, was wiederum Einfluss auf den eingestellten Frequenzbereich hat.Different concepts exist for realizing tunable filters that can be used as component 136 in an arrangement according to FIG. 2, for example. If you want to manufacture such components in miniaturized form, thin-film technology lends itself, whereby a change in the dielectric properties of ferroelectrics is used to influence a capacitance, which in turn has an influence on the set frequency range.
Figur 3a und Figur 3b zeigen zwei prinzipielle Skizzen von Hochfrequenz-Bandstoppresonatoren. In Figur 3a ist ein Bandstoppresonator mit einfacher Kapazität dargestellt. Eine Mikrostreifenleitung 138 transportiert ein HF-Signal in die beispielhaft durch den Pfeil 140 gekennzeichnete Richtung. Im Bereich der Mikrostreifenleitung 138 ist ein LC-Resonator 142 angeordnet, welcher eine Kapazität C und eine Induktivität L zur Verfügung stellt. Die Frequenz, auf welche die Anordnung gemäß Figur 3a abgestimmt ist, hängt von der Induktivität und der Kapazität der Resonatoren über die BeziehungFIG. 3a and FIG. 3b show two basic sketches of high-frequency band stop resonators. FIG. 3a shows a band stop resonator with a single capacitance. A microstrip line 138 transports an RF signal in the direction indicated by arrow 140 as an example. An LC resonator 142 is arranged in the area of the microstrip line 138 and provides a capacitance C and an inductance L. The frequency to which the arrangement according to FIG. 3a is tuned depends on the inductance and the capacitance of the resonators via the relationship
ab. In Figur 3b ist eine ähnliche Anordnung wie in Figur 3a dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen auf vergleichbare Komponenten deuten. Allerdings ist hier ein Bandstoppresonator mit doppelter Kapazität und zusätzlichen Zuleitungen 144 für das Anlegen einer elektrischen Gleichspannung vorgesehen. Durch das Anlegen von Gleichspannungen kann beispielsweise die Dielektrizitätskonstante ε eines Ferroelektrikums beeinflusst werden, das in den Spalt der Kapazität eingebracht wird und so einen Ein- fluss auf die Kapazität und somit die Frequenz des Bandstoppresonators hat. Grundsätzlich ist man bestrebt, eine Abstimmung auf hohe Frequenzen vorzunehmen, wobei beim Mobilfunk die Frequenzen im GHz-Bereich liegen, so dass es erforderlich ist, hohe Kapazitäten einzustellen. Hingegen ist es im Allgemeinen nicht erwünscht, die Induktivitäten zur Erhöhung der Frequenzen zu vergrößern, da große Induktivitäten große Flächen und Verluste zur Folge haben.from. FIG. 3b shows an arrangement similar to that in FIG. 3a, the same reference numerals indicating comparable components. However, a band stop resonator with double capacity and additional feed lines 144 is provided here for the application of an electrical direct voltage. By applying direct voltages, for example, the dielectric constant ε of a ferroelectric can be influenced, which is introduced into the gap of the capacitance and thus has an influence on the capacitance and thus the frequency of the band stop resonator. Basically, efforts are made to tune to high frequencies, with mobile radio frequencies in the GHz range, so that it is necessary to set high capacities. On the other hand, it is generally not desirable to increase the inductances to increase the frequencies, since large inductances result in large areas and losses.
In Figur 4 ist die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ε von SrTi03 vom angelegten elektrischen Feld und von der Temperatur dargestellt.FIG. 4 shows the dependence of the dielectric constant ε of SrTi0 3 on the applied electric field and on the temperature.
Die obere gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur ohne angelegtes elektrisches Feld. Die gepunktete Linie zeigt den Verlauf der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur mit einem elektrischen Feld von 10 kV/cm. Die Strich-Punkt-Linie zeigt den Verlauf der Dielektrizitätskonstante für ein elektrisches Feld von 30 kv/cm. Die untere Strich-Punkt-Punkt-Kurve zeigt das Verhalten der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur bei einem elektrischen Feld von 100 kv/cm. Bringt man eine derartige von einer angelegten Spannung abhängige Dielektrizitätskonstante in den Spalt der Kapazität, so lässt sich die Frequenz, auf welche der Filter abgestimmt ist, durch Veränderung des elektrischen Feldes beeinflussen.The upper dashed line shows the course of the dielectric constant as a function of the temperature without an applied electric field. The dotted line shows the course of the dielectric constant as a function of temperature with an electric field of 10 kV / cm. The dash-dot line shows the course of the dielectric constant for an electric field of 30 kv / cm. The lower dash-dot-dot curve shows the behavior of the dielectric constant as a function of temperature in an electric field of 100 kv / cm. If such a dielectric constant, which is dependent on an applied voltage, is brought into the gap of the capacitance, the frequency to which the filter is tuned can be influenced by changing the electric field.
In Figur 5a und Figur 5b sind zwei Möglichkeiten zur Realisierung einer Kapazität mit einem Ferroelektrikum dargestellt.5a and 5b show two possibilities for realizing a capacitance with a ferroelectric.
In Figur 5a ist auf einem Substrat 114 ein Ferroelektrikum 112 angeordnet. Auf das Ferroelektrikum 112 ist eine elektrisch leitende Schicht 110 aufgebracht, welche eine Unterbrechung 116 aufweist. Durch diese Unterbrechung 116 wird eine Kapazität zur Verfügung gestellt, welche sich durch Änderung der Dielektrizitätskonstante des Ferro- elektrikums 112 verändern lässt.A ferroelectric 112 is arranged on a substrate 114 in FIG. 5a. An electrically conductive layer 110, which has an interruption 116, is applied to the ferroelectric 112. This interruption 116 provides a capacitance which can be changed by changing the dielectric constant of the ferroelectric 112.
In Figur 5b ist eine andere Anordnung dargestellt. Auf dem Substrat 114 befindet sich eine elektrisch leitende Schicht 110 mit einer Unterbrechung. Auf die Gesamtanordnung aus Substrat 114 und elektrisch leitender Schicht 110 wird nun ein Ferroelektrikum aufgebracht. Wiederum lässt sich die Kapazität, welche durch die Elemente der elektrisch leitenden Schicht 110 realisiert wird, durch Verändern der Dielektrizitätskonstante des Ferroelektri- kums 112 beeinflussen. In Figur 6 sind Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.Another arrangement is shown in FIG. 5b. An electrically conductive layer 110 with an interruption is located on the substrate 114. A ferroelectric is now applied to the overall arrangement of substrate 114 and electrically conductive layer 110. Again, the capacitance which is realized by the elements of the electrically conductive layer 110 can be influenced by changing the dielectric constant of the ferroelectric 112. 6 shows method steps for producing an arrangement according to the invention.
In Figur 6a ist das Ergebnis eines ersten Verfahrensschrittes gezeigt, bei dem auf ein Substrat 14 ein ferroelektrisches Material 12 als Schicht aufgebracht wird. Dieses ferroelektrische Material kann beispielsweise SrTi03 oder BaxSr-_xTi03 in einer Schichtdicke von 0,3 - 5 μm sein.FIG. 6a shows the result of a first method step in which a ferroelectric material 12 is applied as a layer to a substrate 14. This ferroelectric material can be, for example, SrTi0 3 or Ba x Sr-_ x Ti0 3 in a layer thickness of 0.3-5 μm.
Figur 6b zeigt das Ergebnis einer Weiterverarbeitung, wobei aus der ferroelektrischen Schicht 12 durch Lithographie und Trockenätzen (Ionenstrahlätzen (IBE)) ein kleiner Bereich mit einer lateralen Abmessung von 0,5 - 10 μm herausstrukturiert wird. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass eine steile Flanke in der verbleibenden Struktur 12 realisiert wird, was beispielsweise durch Ionenstrahlätzen unter 45° entlang den Kanten erreicht werden kann.FIG. 6 b shows the result of further processing, a small area having a lateral dimension of 0.5-10 μm being structured out of the ferroelectric layer 12 by means of lithography and dry etching (ion beam etching (IBE)). It is particularly important to ensure that a steep flank is realized in the remaining structure 12, which can be achieved, for example, by ion beam etching at 45 ° along the edges.
Figur 6c zeigt das Ergebnis eines weiteren Verarbeitungsschrittes, in welchem auf die Struktur gemäß Figur 6b ein Leiter 10, 18 aufgebracht wurde. Dieser Leiter 10, 18 kann beim Aufbringen direkt an den Kanten abreißen, so dass auf diese Weise eine Kapazität zur Verfügung gestellt werden kann. Sollte ein direktes Abreißen nicht erfolgen, so kann die elektrische Isolierung durch zusätzliches Ätzen unter extrem flachem Winkel am Ferroelektrikum 12 erfolgen. Bei der in Figur 6c dargestellten Anordnung können durch die elektrisch leitenden Bereiche 10 und 18 zwei Elektroden zum Zuführen einer Gleichspannung und somit zum Bereitstellen und Verändern einer im Bereich des ferroelektrischen Materials 12 wirkenden Feldstärke vorgesehen sein.FIG. 6c shows the result of a further processing step in which a conductor 10, 18 was applied to the structure according to FIG. 6b. This conductor 10, 18 can tear off directly at the edges during application, so that a capacitance can be made available in this way. If direct tearing does not take place, the electrical insulation can be carried out by additional etching at an extremely flat angle on the ferroelectric 12. In the shown in Figure 6c Arrangement can be provided by the electrically conductive areas 10 and 18 two electrodes for supplying a DC voltage and thus for providing and changing a field strength acting in the area of the ferroelectric material 12.
Durch den geschilderten Herstellungsprozess wird eine Struktur zur Verfügung gestellt, welche einen elektrischen Leiter 10 mit einer Unterbrechung aufweist. Durch diese Unterbrechung 16 wird eine Kapazität zur Verfügung gestellt. In der Unterbrechung 16 befindet sich ferro elektrisches Material 12, welches die Kapazität beein- flusst. Die leitende Schicht kann dabei aus normal leitendem Material oder um Hochtemperatur-Supraleiter- Material bestehen.The described manufacturing process provides a structure which has an electrical conductor 10 with an interruption. A capacity is made available by this interruption 16. Ferro-electrical material 12, which influences the capacitance, is located in the interruption 16. The conductive layer can consist of normal conductive material or high-temperature superconductor material.
In Figur 7 ist die Abstimmbarkeit n = C(0)/C(Udc) in Abhängigkeit der angelegten Gleichspannung Udc dargestellt. Die flacher verlaufenden Kurven zeigen die Abstimmbarkeit eines herkömmlichen planaren Dünnschichtbauelementes aus SrTi03 und Cu, wobei hier die Unterbrechung in der elektrisch leitenden Schicht 6 μm beträgt. Die beiden oberen Kurven zeigen die Abstimmbarkeit einer erfindungsgemäßenFIG. 7 shows the tunability n = C (0) / C (U dc ) as a function of the applied DC voltage U dc . The flatter curves show the tunability of a conventional planar thin-film component made of SrTi0 3 and Cu, with the interruption in the electrically conductive layer being 6 μm. The two upper curves show the tunability of an inventive
Anordnung, wobei Werte für eine Unterbrechung mit 2 μm und für eine Unterbrechung mit 6 μm dargestellt sind. Man erkennt, dass mit erfindungsgemäßen Strukturen eine Abstimmbarkeit über größere Bereiche und mit kleineren Spannungen realisiert werden kann. Die in Figur 7 darge- stellten Messpunkte sind bei einer Temperatur T = 70 K aufgenommen worden.Arrangement, with values for an interruption with 2 μm and for an interruption with 6 μm are shown. It can be seen that the structures according to the invention can be tuned over larger areas and with lower voltages. The shown in Figure 7 set measuring points were recorded at a temperature T = 70 K.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential for realizing the invention both individually and in any combination.

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Anordnung mit abstimmbarer Kapazität mit einem elektrischen Leiter (10) und einem eine veränderbare Dielektrizitätskonstante ε aufweisenden ferroelektrischen Material (12), wobei die Kapazität durch Veränderung der Dielektrizitätskonstante ε abstimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter eine elektrisch leitende Schicht (10) ist, die von einem Substrat (14) getragen wird, dass die elektrisch leitende Schicht (10) eine Unterbrechung (16) aufweist und dass in der Unterbrechung (16) ferroelektrisches Material (12) angeordnet ist.1. Arrangement with a tunable capacitance with an electrical conductor (10) and a ferroelectric material (12) having a changeable dielectric constant ε, the capacitance being tunable by changing the dielectric constant ε, characterized in that the electrical conductor has an electrically conductive layer (10 ) which is carried by a substrate (14), that the electrically conductive layer (10) has an interruption (16) and that ferroelectric material (12) is arranged in the interruption (16).
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (10) direkt auf dem Substrat (14) angeordnet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the electrically conductive layer (10) is arranged directly on the substrate (14).
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Schicht und dem Substrat eine Pufferschicht angeordnet ist.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that a buffer layer is arranged between the electrical layer and the substrate.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) SrTiθ3 ist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the ferroelectric material (12) is SrTiθ 3 .
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) Baj.Sri_-. iO3 ist.5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ferroelectric material (12) Ba j .Sri_-. OK 3 .
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) eine Schichtdicke im Bereich von etwa 0,3 - 5 μm aufweist.6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ferroelectric material (12) has a layer thickness in the range of about 0.3 - 5 microns.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) eine laterale7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ferroelectric material (12) is a lateral
Ausdehnung im Bereich von etwa 0,5 - 10 μm aufweist.Has expansion in the range of about 0.5 - 10 microns.
8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) eine größere Schichtdicke als die elektrisch leitende Schicht (10) hat.8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ferroelectric material (12) has a greater layer thickness than the electrically conductive layer (10).
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (10) ein Hochtemperatur-Supraleiter ist. 9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layer (10) is a high-temperature superconductor.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (10) ein konventioneller elektrischer Leiter ist.10. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrically conductive layer (10) is a conventional electrical conductor.
11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante ε durch Veränderung einer elektrischen Feldstärke veränderbar ist.11. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric constant ε can be changed by changing an electric field strength.
12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der elektrisch leitenden Schicht (10) Elektroden angeordnet sind.12. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that electrodes are arranged on the electrically conductive layer (10).
13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ferroelektrischen Material (12) elektrisch leitendes Material (18) angeordnet ist.13. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the ferroelectric material (12) electrically conductive material (18) is arranged.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem auf dem ferroelektrischen Material (12) angeordneten elektrisch leitenden Material (18) eine Elektrode angeordnet ist.14. Arrangement according to claim 13, characterized in that an electrode is arranged on the electrically conductive material (18) arranged on the ferroelectric material (12).
15. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit abstimmbarer Kapazität mit einem elektrischen Leiter (10) und einem eine veränderbare Dielektrizitätskonstante ε aufweisenden ferroelektrischen Material (12), wobei die Kapazität durch Veränderung der Dielektrizitätskonstante ε abstimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine ferroelektrische Schicht (12) auf eine Substratstruktur (14) aufgebracht wird, dass ein Bereich aus der ferroelektrischen Schicht (12) herausstrukturiert wird und dass auf die Substratstruktur (14) eine elektrisch leitende Schicht (10) mit einer Unterbrechung aufgebracht wird.15. A method for producing an arrangement with a tunable capacitance with an electrical conductor (10) and a variable dielectric constant ε-containing ferroelectric material (12), the capacitance being adjustable by changing the dielectric constant ε, characterized in that a ferroelectric layer (12) is applied to a substrate structure (14) such that a region is structured out of the ferroelectric layer (12) and that an electrically conductive layer (10) is applied to the substrate structure (14) with an interruption.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratstruktur ein einheitliches Substrat (14) verwendet wird.16. The method according to claim 15, characterized in that a uniform substrate (14) is used as the substrate structure.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratstruktur ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Pufferschicht verwendet wird.17. The method according to claim 15, characterized in that a substrate with a buffer layer arranged on the substrate is used as the substrate structure.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als ferroelektrisches Material (12) SrTi03 verwendet wird. 18. The method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that SrTi0 3 is used as the ferroelectric material (12).
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als ferroelektrisches Material (12) BaxSri_x i03 verwendet wird.19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in that Ba x Sri_ x i0 3 is used as the ferroelectric material (12).
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material (12) in einer20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized in that the ferroelectric material (12) in one
Schichtdicke im Bereich von etwa 0,3 - 5 μm aufgebracht wird.Layer thickness in the range of about 0.3 - 5 microns is applied.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ferroelektrischen Material (12) ein Bereich herausstrukturiert wird, der eine laterale Ausdehnung im Bereich von etwa 0,5 - 10 μm aufweist.21. The method according to any one of claims 15 to 20, characterized in that an area is structured out of the ferroelectric material (12), which has a lateral extent in the range of about 0.5 - 10 microns.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (10) in einer geringeren Schichtdicke aufgebracht wird als die ferroelektrische Schicht (12).22. The method according to any one of claims 15 to 21, characterized in that the electrically conductive layer (10) is applied in a smaller layer thickness than the ferroelectric layer (12).
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ferroelektrischen Material (12) elektrisch leitendes Material (18) angeordnet wird. 23. The method according to any one of claims 15 to 22, characterized in that electrically conductive material (18) is arranged on the ferroelectric material (12).
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ferroelektrischen Material (12) angeordnetes elektrisch leitendes Material (18) entfernt wird.24. The method according to any one of claims 15 to 23, characterized in that on the ferroelectric material (12) arranged electrically conductive material (18) is removed.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausstrukturieren durch Lithographie und Trockenätzen erfolgt.25. The method according to any one of claims 15 to 24, characterized in that the structuring is carried out by lithography and dry etching.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung (16) der elektrisch leitenden Schicht (10) durch Ätzen erzeugt wird.26. The method according to any one of claims 15 to 25, characterized in that the interruption (16) of the electrically conductive layer (10) is produced by etching.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzschicht zwischen dem ferroelektrischen Material (12) und dem elektrisch leitenden Material (10) nachbehandelt wird. 27. The method according to any one of claims 15 to 26, characterized in that an interface between the ferroelectric material (12) and the electrically conductive material (10) is post-treated.
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