EP1474841A1 - Mikromechanischer resonator - Google Patents

Mikromechanischer resonator

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EP1474841A1
EP1474841A1 EP02754528A EP02754528A EP1474841A1 EP 1474841 A1 EP1474841 A1 EP 1474841A1 EP 02754528 A EP02754528 A EP 02754528A EP 02754528 A EP02754528 A EP 02754528A EP 1474841 A1 EP1474841 A1 EP 1474841A1
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EP
European Patent Office
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layer
micromechanical resonator
cylinder
resonator according
resonator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02754528A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ewald Schmidt
Heinz Pfizenmaier
Juergen Hasch
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical resonator with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • miniaturization not only enables improved control and regulation technology for the engine-specific functions, but also opens the way for new safety systems, such as parking aids, pre-crash and side-crash functions and distance measurements.
  • new safety systems such as parking aids, pre-crash and side-crash functions and distance measurements.
  • a miniaturized sensor system must be available in the motor vehicle.
  • Non-contact sensors are often used, which imitate a measuring beam of a certain frequency, which is reflected on the object to be measured and is detected and evaluated again by means of a receiver unit.
  • dielectric resonators for frequency stabilization of microwave oscillators or in combination of several dielectric resonators in microwave filters up to a frequency of about 40 GHz.
  • the microwave oscillators are built using hybrid technology, in which a so-called dielectric resonator pill is mounted at a suitable location on a conductor substrate. The resonator pill is attached via coupling lines to the surrounding microstrip circuits of the conductor substrate.
  • the dielectric resonators must additionally be adjusted by means of a stamp arranged above them in order to achieve the closely tolerated target resonance frequency. Due to the geometry becoming smaller and smaller with increasing frequency and the problems then occurring during the adjustment, dielectric resonator oscillators according to the current state of the art are not suitable for frequencies above 40 GHz.
  • the resonator according to the invention offers the advantage that precise dielectric resonator oscillators can also be achieved for frequencies above 40 GHz.
  • the micromechanical high-frequency resonator according to the invention consists of one after the other (a) a first layer made of silicon, which is used for coupling the resonator in terms of circuitry,
  • the present resonator is thus already an integral part of a semiconductor component.
  • the manufacturing method according to the invention provides that in a via an insulation layer of silicon dioxide of a first layer of silicon separated basic (second) layer of p ⁇ -doped silicon (SOI wafer) cylindrical structural elements (cylinders) are etched (trench Etching process), which are then completely metallized.
  • the positioning of the resonator on the semiconductor component, in particular in relation to a microstrip circuit, is ensured by the high accuracy of photolithographic methods.
  • the very high precision during trench etching of the resonator cylinder ensures a closely tolerated target resonance frequency, so that frequency adjustment is no longer necessary.
  • the metal layer on the cylindrical base layer is formed by an aluminum layer. This can be separated out easily in terms of process technology.
  • the metal layer is provided with a further metal layer, in particular a nickel layer. This enables the resonator or an oscillator circuit (chip) having the resonator to be soldered into a housing or the like in a simple manner.
  • micromechanical high-frequency resonators with a radius of 600 to 1000 ⁇ m, in particular 750 to 850 ⁇ m, and a resonator height of 550 to 900 ⁇ m, in particular 700 to 750 ⁇ m, by photolithography.
  • Such metallized cylinders can be selectively excited in TMoio mode and cover resonance frequencies in the high GHz range. The metallization prevents the high-frequency field from escaping from the resonator.
  • the first layer serves as a carrier substrate for a microstrip line circuit arranged thereon or integrated therein.
  • a region of the first layer above the cylinder is covered by a coupling disk.
  • the coupling disk has a recess in the center through which a microwave conductor contacts Microstrip circuit enables.
  • the coupling disc is dimensioned so that no microwave energy can escape at its edge.
  • a diameter of the coupling disk is larger than a diameter of the cylinder.
  • Figures show a schematic cross section through a 1 to 3 SOI wafer for micromechanical structures in the region of the resonator in various stages of manufacture
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a micromechanical resonator
  • Figure 5 shows the course of the electrical and magnetic field line in TM 0 ⁇ o mode
  • FIG. 6 shows the coupling of the micromechanical resonator to the surrounding active microstrip circuit. Description of the embodiment
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a section of a commercially available SOI (Silicon on Insulator) wafer 10, which can be used to produce the micromechanical structures according to the invention.
  • the wafer consists of a 675 ⁇ m thick semi-insulating, p ⁇ -doped base layer 12 made of silicon. It has a specific resistance in the range from 500 to 1000 ⁇ cm, in particular 750 ⁇ cm.
  • the base layer 12 is covered by an approximately 300 nm thick insulating layer 14 of silicon dioxide, thickness of 50 microns, p ⁇ - doped layer 16 is deposited from silicon.
  • the insulation layer 14 made of silicon dioxide serves as an etch stop when trench-etching the micromechanical structures in the base layer 12.
  • the trench etching process exposes a membrane consisting of the precise 50 ⁇ m thick layer 16 and the 300 nm thick insulation layer 14, which spans a free space 19.
  • a mask 18 is formed in the layer 12 in the free space 19 during masking during the trench etching (FIG. 2). This is virtually surrounded by the free space 19.
  • the resulting cylindrical structure 18 is approximately 1 ⁇ m thick by vapor deposition or sputtering
  • the cylinder 18 thus metallized serves as a semi-insulated the silicon-filled microwave resonator 26 of high quality (Q ⁇ 200), which can be selectively excited in TM 0 ⁇ o mode. There is no need for an additional copper layer in the region of the resonator 26 which is necessary for conventional heat dissipation.
  • a further metal layer in particular nickel layer 22, is applied, which can serve as a soldering base for later soldering of a chip having the resonator into a housing or the like.
  • a region of the layer 16 above the cylinder 18 is vapor-deposited with a coupling disk 24, which extends beyond the cylinder resonator underneath (FIG. 4).
  • the coupling disk 24 is dimensioned such that no microwave energy can escape at its edge.
  • a diameter of the coupling disk 24 is in particular chosen to be larger than a diameter of the cylinder 18.
  • a recess 30, which is preferably designed as a slot, for holding a microwave conductor 28 is structured.
  • the resonator 26 has a height of approximately 725 ⁇ m, a radius of approximately 800 ⁇ m and is suitable for resonance frequencies in the range of 40 GHz.
  • FIGS. 5a and 5b show a course of the electrical (FIG. 5a) and magnetic (FIG. 5b) field lines when the TM 0 ⁇ o _ mode is excited.
  • FIGS. 5a and 5b each show the cylinder 18, once in a sectional view and once in top view. It is advantageous with the excitation described that the resonance frequency does not depend on the height of the resonator 26, since a thickness tolerance of the base layer 12 has no influence on the oscillation frequency.
  • Figure 6 shows schematically how a coupling to the resonator 26 on an active microstrip circuit '32 mounted flip-chip gallium arsenic MMIC 34 can take place via the microwave guide 28 in the slot 30 of the coupling disk 24 with.
  • the structure is easily reproducible and therefore suitable for mass production.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Resonator mit einem kontaktierbaren Resonanzkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Resonators fur Halbleiterbauelemente. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Resonator (26) aufeinander folgend aus einer ersten Schicht (16) aus Silizium, zur schaltungstechnischen Ankopplung des Resonators (26), einer Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid, einer zylinderförmigen Basisschicht (Zylinder 18) und einer den Zylinder (18) vollständig umschliessenden Metallschicht (20) besteht. Verfahrensgemäss ist vorgsehen, dass in eine über eine Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid von einer Schicht (16) aus Silizium getrennte Basisschicht (12) aus p-dotiertem Silizium (SOI-Wafer) eine zylinderförmige Struktur (18) (Zylinder) geätzt wird (Trench-Ätzverfahren) und die zylinderförmige Struktur (18) mit einer Metallschicht (20) beschichtet ist.

Description

Mikromechanischer Resonator
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Resonator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Die Halbleitertechnologie findet in zunehmendem Maße Einzug in die Kraftfahrzeugtechnik. Die Miniaturisierung ermöglicht nicht nur eine verbesserte Steue- rungs- und Regelungstechnik der motorspezifischen Funktionen, sondern öffnet auch den Weg für neue Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Einparkhilfen, Pre-crash- und Side-crash-Funktionen und Abstandsmessungen. Für alle steuerungs- und regelungstechnischen Vorgänge muss eine - nach Möglichkeit miniatu- risierte - Sensorik im Kraftf hrzeug vorhanden sein.
Häufig werden berührungslose Sensoren verwendet, die einen Messstrahl bestimmter Frequenz imitieren, der an dem zu messenden Objekt reflektiert und mittels einer Empfängereinheit wieder erfasst und ausgewertet wird. In der Halbleitertechnologie ist es dabei bekannt, so genannte dielektrische Resonatoren zur Fre- quenzstabilisierung von Mikrowellen-Oszillatoren oder in Kombination mehrerer dielektrischer Resonatoren in Mikrowellenfiltern bis zu einer Frequenz von zirka 40 GHz einzusetzen. Der Aufbau der ikrowellen-Oszilla- toren erfolgt dabei in Hybridtechnik, bei der eine so genannte dielektrische Resonatorpille an geeigneter Stelle auf einem Leitersubstrat montiert wird. Die Befestigung der Resonatorpille erfolgt über Koppelleitungen zu den umgebenden Mikrostreifenleiter- Schaltungen des Leitersubstrates. Schon die positioniergenaue Montage der Resonatorpille auf dem Leitersubstrat .ist technisch aufwendig und damit kostenintensiv und kann zu einer kleinen Ausbeuterate führen. Nach der Montage müssen die dielektrischen Resonatoren zusätzlich mittels eines räumlich oberhalb von ihnen , angeordneten Stempels abgeglichen werden, um die eng tolerierte Soll-Resonanzfrequenz zu erreichen. Aufgrund der mit steigender Frequenz immer kleiner werdenden Geometrie und den dann bei der Justage auftretenden Problemen sind dielektrische Resonator-Oszillatoren nach dem derzeitigen Stand der Technik für Frequenzen oberhalb von 40 GHz nicht fe tigbar .
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Resonator mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass präzise dielektrische Resonator-Oszillatoren auch für Frequenzen oberhalb 40 GHz erzielbar sind. Der erfindungsgemäße mikromechanische Hochfrequenz- Resonator besteht aufeinander folgend aus (a) einer ersten Schicht aus Silizium, die einer schaltungstechnischen Ankopplung des Resonators dient,
(b) einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid,
(c) einer zylinderförmigen Basisschicht (zweite Schicht) aus p~dotiertem Silizium und
(d) einer die zylinderförmige Basisschicht vollständig umschließenden Metallschicht.
Anstelle der dielektrischen Resonatorpille-, die auf dem Trägersubstrat montiert und genau justiert werden muss, ist der vorliegende Resonator somit bereits integraler Bestandteil eines Halbleiterbauelementes.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht vor, dass in eine über eine Isolationsschicht aus Sili- ziumdioxid von einer ersten Schicht aus Silizium getrennte Basis- (zweite) -Schicht aus p~-dotiertem Silizium (SOI-Wafer) zylinderfÖrmige Strukturelemente (Zylinder) geätzt werden (Trench-Ätzverfahren) , die anschließend vollständig metallisiert werden. Die Positionierung des Resonators auf dem Halbleiterbauelement, insbesondere zu einer Mikrostreifen- leiter-Schaltung, ist durch die hohe Genauigkeit fotolithografischer Methoden gewährleistet. Die sehr hohe Präzision beim Trench-Ätzen des Resonator- Zylinders gewährleistet eine eng tolerierte Soll- Resonanzfrequenz, so dass ein Frequenzabgleich nicht mehr notwendig ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Resonators ist vorgesehen, dass die Metallschicht auf der zylinder- förmigen Basisschicht von einer Aluminiumschicht ge- bildet ist. Diese lässt sich prozesstechnisch in einfacher Weise abscheiden. Ferner ist bevorzugt, wenn die Metallschicht mit einer weiteren Metallschicht, insbesondere einer Nickelschicht, versehen ist. Hierdurch wird ein Einlöten des Resonators beziehungsweise einer den Resonator aufweisenden Oszillatorschaltung (Chip) in ein Gehäuse oder dergleichen in einfacher Weise möglich.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mikro- mechanische Hochfrequenz-Resonatoren mit einem Radius von 600 bis 1000 μm, insbesondere 750 bis 850 μm, und eine Resonatorhöhe von 550 bis 900 μm, insbesondere 700 bis 750 μm, auf fotolithografischem Wege herzustellen. Derartige metallisierte Zylinder lassen sich gezielt im TMoio-Mode anregen und decken Resonanzfrequenzen im hohen GHz-Bereich ab. Die Metallisierung verhindert ein .Austreten des Hochfrequenz- Feldes aus dem Resonator.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des mikromechanischen Resonators dient die erste Schicht als Trägersubstrat für eine darauf angeordnete oder in diese integrierte Mikrostreifenleiter-Schaltung. Ein Bereich der ersten Schicht oberhalb des Zylinders wird durch eine Ankopplungsscheibe bedeckt. Die Ankopplungsscheibe weist mittig eine Ausnehmung auf, durch die ein Mikrowellenleiter den Kontakt zur Mikrostreifenleiter-Schaltung ermöglicht. Die Ankopplungsscheibe ist so dimensioniert, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann. Insbesondere ist ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe größer als ein Durchmesser des Zylinders.
Weitere vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er- läutert. Es zeigen:
Figuren einen schematischen Querschnitt durch einen 1 bis 3 SOI-Wafer für mikromechanische Strukturen im Bereich des Resonators in verschiedenen Herstellungsstadien;
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf einen mikromechanischen Resonator;
Figur 5 den Verlauf der elektrischen und magnetischen Feldlinie im TM0ιo-Mode und
Figur 6 die Ankopplung des mikromechanischen Resonators an die umgebende aktive Mikrostrei- fenleiter-Schaltung. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem handelsüblichen SOI (Silicon on Insulator ) -Wafer 10, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Strukturen Einsatz finden kann. Der Wafer besteht aus einer 675 μm dicken semiisolierenden, p~-dotierten Basisschicht 12 aus Silizium. Sie weist einen spezifischen Widerstand im Bereich von 500 bis 1000 Ωcm, insbesondere 750 Ωcm, auf. Die Basisschicht 12 wird von einer etwa 300 nm dicken Isolationsschicht 14 aus Siliziumdioxid bedeckt, auf der eine 50 μm dicke, p~- dotierten Schicht 16 aus Silizium aufgebracht ist.
Die Isolationsschicht 14 aus Siliziumdioxid dient als Atzstopp beim Trench-Ätzen der mikromechanischen Strukturen in die Basisschicht 12. Dabei kann auf bekannte Verfahren, die hier nicht weiter erläutert werden sollen, zurückgegriffen werden. Der Trench- Ätzprozess legt eine Membran, bestehend aus der präzisen 50 μm dicken Schicht 16 und der 300 nm dicken Isolationsschicht 14, frei, die einen Freiraum 19 überspannt. In dem Freiraum 19 kommt es durch Maskie- rungen während des Trench-Ätzens zur Ausbildung eines Zylinders 18 in der Schicht 12 (Figur 2) . Dieser wird quasi von dem Freiraum 19 umgeben.
Die entstandene zylinderförmige Struktur 18 wird durch Bedampfung oder Sputtern mit einer zirka 1 μm dicken
Aluminiumschicht 20 überzogen (Figur 3) . Der somit metallisierte Zylinder 18 dient als mit semiisolieren- dem Silizium gefüllter Mikrowellenresonator 26 hoher Güte (Q~200) , der gezielt im TM0ιo-Mode angeregt werden kann. Auf eine nach herkömmlicher Technik zur Wärmeabfuhr notwendige zusätzliche Kupferschicht im Bereich des Resonators 26 kann verzichtet werden.
Gegebenenfalls wird eine weitere Metallschicht, insbesondere Nickelschicht 22, aufgebracht, die als Lötbasis zum späteren Einlöten eines den Resonator aufweisenden Chips in ein Gehäuse oder dergleichen dienen kann.
Ein Bereich der Schicht 16 oberhalb des Zylinders 18 wird mit einer Ankopplungsscheibe 24, die über den darunter liegenden Zylinderresonator hinausreicht, bedampft (Figur 4) . Die Ankopplungsscheibe 24 ist so dimensioniert, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann. Ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe 24 ist insbesondere größer gewählt als ein Durchmesser des Zylinders 18. In der Ankopplungsscheibe 24 ist eine vorzugsweise als Schlitz ausgebildete Ausnehmung 30 zur Aufnahme eines Mikrowel- lenleiters 28 strukturiert. Der Resonator 26 hat eine Höhe von zirka 725 μm, einen Radius von zirka 800 μm und eignet sich für Resonanzfrequenzen im Bereich von 40 GHz.
In den Figuren 5a und 5b ist ein Verlauf der elektrischen (Figur 5a) und magnetischen (Figur 5b) Feldlinien im Anregungsfall des TM0ιo_Modes dargestellt. Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils den Zylinder 18, einmal in Schnittdarstellung und einmal in Draufsicht. Vorteilhaft bei der beschriebenen Anregung ist, dass die Resonanzfrequenz nicht von der Höhe des Resonators 26 abhängt, da eine Dickentoleranz der Basisschicht 12 keinen Einfluss auf die Schwingfrequenz hat.
Figur 6 zeigt schematisch, wie eine Ankopplung des Resonators 26 an eine aktive Mikrostreifenleiter- Schaltung '32 mit Flip-Chip-montiertem Gallium-Arsen- MMIC 34 über den Mikrowellenleiter 28 im Schlitz 30 der Ankopplungsscheibe 24 erfolgen kann. Der Aufbau ist einfach reproduzierbar und somit für eine Massenfertigung geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanischer Resonator (26) mit einem kontaktierbaren Resonanzkörper, dadurch gekennseichnet, dass der Resonator (26) aufeinander folgend aus
(a) einer ersten Schicht (16) aus Silizium, zur schaltungstechnischen' Ankopplung des Resonators (26) ,
(b) einer Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid,
(c) einer zylinderförmigen Basisschicht (Zylinder 18) und
(d) einer den Zylinder (18) vollständig umschließenden Metallschicht (20)
besteht .
2. Mikromechanischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, dass die Metallschicht (20) aus Aluminium besteht.
3. Mikromechanischer Resonator nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) mit einer weiteren Metall- schicht, insbesondere Nickelschicht (22), bedeckt ist .
4. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprü- ehe 1 bis 3, dadurch gekennseichnet, dass der Zylinder (18) eine Resonatorhöhe von 550 bis 900 μm, insbesondere 700 bis 750 μm, aufweist.
5. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprü- ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (18) eine Resonanzfrequenz von 1 bis 500 GHz, insbesondere 20 bis 150 GHz, aufweist.
6. Mikromechanischer Resonator nach einem der An- Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (26) im TMoio-Mode betreibbar ist.
7. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (12) einen spezifischen Widerstand im Bereich von > 500 Ωcm.
8. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (12) 400 bis 900 μm, insbesondere 600 bis 700 μm, dick ist.
9. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) 100 bis 500 nm, insbesondere 250 bis 350 nm, dick ist.
10. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (16) als Trägersubstrat für eine Mikrostreifenleiter-Schaltung dient .
11. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Schicht (16) oberhalb des Zylinders (18) durch eine Ankopplungsscheibe (24) bedeckt ist.
12. Mikromechanischer Resonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsscheibe
(24) so dimensioniert ist, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann, insbesondere ein Durchmesser der Ankopplungsscheibe (24) größer ist als ein Durchmesser des Zylinders (18) .
13. Mikromechanischer Resonator nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsscheibe (24) eine Ausnehmung (30) zur Aufnahme eines Mikrowellenleiters aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Resonators für Halbleiterbauelemente, dadurch gekenn- zeichnet, dass in eine über eine Isolationsschicht (14) aus Siliziumdioxid von einer Schicht (16) aus Silizium getrennte Basisschicht (12) aus p~-dotiertem Silizium (SOI-Wafer) eine zylinderförmige Struktur (18) (Zylinder) geätzt wird (Trench-Ätzverfahren) und die zylinderförmige Struktur (18) mit einer Metallschicht (20) beschichtet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) aufgedampft oder ge- sputtert wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Metallschicht (20) eine weitere Metallschicht (22) , insbesondere Nickelschicht, aufgebracht wird.
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