EP1665315B1 - Bauteil zur impedanzänderung bei einem koplanaren wellenleiter sowie verfahren zur herstellung eines bauelements - Google Patents

Bauteil zur impedanzänderung bei einem koplanaren wellenleiter sowie verfahren zur herstellung eines bauelements Download PDF

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EP1665315B1
EP1665315B1 EP04762505A EP04762505A EP1665315B1 EP 1665315 B1 EP1665315 B1 EP 1665315B1 EP 04762505 A EP04762505 A EP 04762505A EP 04762505 A EP04762505 A EP 04762505A EP 1665315 B1 EP1665315 B1 EP 1665315B1
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EP
European Patent Office
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connecting element
bridge
signal line
component
capacitance
Prior art date
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Application number
EP04762505A
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English (en)
French (fr)
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EP1665315A1 (de
Inventor
Roland Mueller-Fiedler
Markus Ulm
Mathias Reimann
Thomas Buck
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49105—Switch making

Definitions

  • the invention relates to a component for impedance change in a coplanar waveguide according to the preamble of claim 1.
  • a thin metal bridge is stretched between ground lines of a coplanar waveguide. Electrostatically, the bridge is pulled onto a thin dielectric deposited on a signal line between the masses, thereby increasing the capacitance of a "plate capacitor” formed of bridge and signal line. This capacitance change affects the propagation characteristics of the electromagnetic waves carried on the waveguide.
  • the metal bridge In the “off” state (the metal bridge is pulled down to the signal line) is a major part of Services are reflected. In the "on” state, on the other hand (the metal bridge is on top), a large part of the power is to be transmitted.
  • a novel grounded coplanar waveguide with cavity structure Mitsubishi Electric Corporation, IEEE 2003, page 140 , a waveguide with a hollow structure is known, in which on the side facing away from a signal line of an insulator, a cavity is formed by a ground cover, which in turn is electrically connected to two ground plates in communication adjacent to the signal line on the signal line side facing the insulator layer are arranged.
  • a disadvantage of the two embodiments listed first is that the electrostatic actuation of the respective bridge, the ground lines or the signal line must be supplied with a DC control voltage.
  • Impedance changing component 101 of a section of waveguide 102 comprises two external ground lines 103, 104 and an intermediate signal line 105.
  • a bridge arrangement 106 with a cantilevered bridge 107 is constructed via ground lines 103, 104 and signal line 105.
  • a section along the section line VV with undeflected bridge 107 and deflected bridge 107 (shown in dashed lines) is in Fig. 5b displayed.
  • the Bridge 107 is stretched between end-to-end galvanized post members 108.
  • the respective ground line 103 and 104 in the region of the bridge 107 has a recess 103a or 104a.
  • the bridge can be acted upon via a terminal 109 with a drive DC voltage with respect to the lines 103, 104, 105 in order to pull the bridge against the lines 103, 104, 105 via electrostatic forces.
  • an insulating layer 110 is laid in the area below the bridge via the lines 103, 104, 105 (see in particular the sectional arrangement).
  • the component 101 can be replaced by an equivalent circuit diagram Fig. 6 in terms of high frequency characteristics. Symmetrically to two line segments 111, 112 with the wave impedance 113 shown symbolically, a grounded branch 114 is derived which has the following components: A first coupling capacitance 115, an inductance 116 and an ohmic resistance 117 followed by a second coupling capacitance 118 Coupling capacity is symbolically connected to a voltage source 119.
  • the first coupling capacitance 115 is defined by the intersection of the signal line 105 with the bridge 107 and can be used according to the in Fig. 5b Two positions of the bridge shown in particular assume two capacitance values.
  • the inductance 116 results from the bridge sections between the signal line 105 and the respective ground line 103, 104. The same sections define the ohmic resistance 117.
  • the coupling capacitance 118 is defined by the sectional area of the bridge 107 with the respective narrow area of the bridge the first coupling capacity 114 according to the in Fig. 5b shown positions of the bridge 107 in particular assume two values.
  • a capacitance change can be realized by about a factor of 100, whereby the component 101 can be used as a high-frequency switch in a predetermined frequency range.
  • the invention has for its object to provide a component described above with decoupled in terms of the control signal coupling capacitances, which has improved switching parameters.
  • the invention proceeds from a component for impedance change in a coplanar waveguide comprising two ground lines and a signal line lying between the ground lines and a conductive connecting element, which leads to the two ground lines and the Signal line has a cover surface and is insulated, so that in each case a capacitor is formed.
  • the essence of the invention lies in the fact that the connecting element and the lines are arranged or configured such that the respective capacitor between the ground lines and the connecting element has a fixed capacitance, but the capacitor between the connecting element and signal line has a variable capacitance. This approach is based on the finding that it is very difficult in the embodiment last mentioned above, the switchable bridge outside, ie in Fig.
  • the coupling capacitance to the signal line is unchangeable with the same advantages, but the coupling capacitances to the respective ground lines are variable.
  • the coupling capacitances are in series with an inductance and form a resonant circuit whose resonant frequency can reflect two operating points due to the variable capacitance or capacitance, for example transmission and reflection of a signal with a predetermined frequency.
  • the resonant circuit is thus sufficient if a coupling capacitance is switchable.
  • the connecting element is mechanically deformable, preferably elastically, such that a distance between the connecting element and the line, which forms the variable capacitance together with the connecting element, in the region of the covering surface, e.g. about electrostatic forces, is changeable.
  • the signal line or the ground lines in a partial area in which it covers or cover the connecting element is mechanically deformable or at a distance such that the distance in the area of the respective covering area can be adjusted.
  • the ground lines are not connected by a bridge, but it is e.g. provided in the signal line, a bridge under which the connecting element runs, wherein the connecting element is capacitively coupled by overlapping surfaces with the ground lines and at least one interposed therebetween insulation layer to the ground lines.
  • the connecting element is preferably acted upon by a voltage.
  • electrostatic forces can be used, for example, on the capacitor between the connecting element and the signal line in order to switch its capacity, for example, between two values.
  • an insulating layer is first produced on the substrate prior to the structure of the structure. This can be done for example by thermal oxidation or the application of a PECVD layer (PECVD stands for plasma enhanced chemical vapor deposition). Thermal oxide is advantageous in terms of low attenuation of a high frequency signal.
  • the insulation layer deposited on the connecting element is structured. In this way, not only a connection for the connection of the connecting element can be exposed, but possibly also areas on connection bars, which are used for a subsequent electroplating for electrical connection of sections on which structures are to be "galvanized".
  • the ground lines and at least part of the signal lines are preferably generated via a galvanic step.
  • a starting layer is deposited.
  • This starting layer is conveniently structured via a lift-off process. This prevents damage to the dielectric already applied to the connecting element.
  • each exposed region of the sacrificial layer if there is additionally a start layer in this region, can be galvanically reinforced.
  • the galvanic layer is allowed to grow to such an extent that it overlaps over the sacrificial layer and, as it were, creates a mushroom structure.
  • a further metallization is now laid over the sacrificial layer with galvanic reinforcements and structured.
  • the bridge of the signal line is provided in the first place, wherein the remaining areas are preferably formed in plan view according to the contour of the signal line and the ground lines.
  • the sacrificial layer is then preferably anisotropically removed to the area under the bridge.
  • the sacrificial layer is also removed under the bridge metallization, thus providing a device consisting essentially of a coplanar waveguide in which the ground lines are each capacitively coupled across a continuous connector and the signal line is connected via a flexible bridge, i. a switchable bridge is also capacitively coupled to the connection element.
  • a switchable bridge is also capacitively coupled to the connection element.
  • a high-frequency switch 1 which comprises a piece of a coplanar waveguide 2.
  • the waveguide 2 has two ground lines 3, 4 and a signal line 5.
  • the signal line 5 is embodied in a region above a connection element 6 in the form of a bridge 7 (see in particular sectional view according to FIG Fig. 1b ).
  • the high-frequency switch 1 is constructed on a substrate 8, on which an insulating layer 9 was first deposited. This is followed by the connecting element 6 with a connection pad 10. Except for a contact point to the connection pad 10, the connecting element 6 is covered by a further insulating layer 11.
  • connection pad 10 If a voltage is now applied to the connecting element 6 via the connection pad 10, electrostatic forces acting on the bridge 7, which is DC-connected to ground potential, pull the bridge 7 as far as the connecting element 6 until the bridge 7 on the insulating layer 11 in the area above the connecting element 6 rests.
  • the associated electrical equivalent circuit diagram is based on Fig. 3 explained.
  • the second coupling capacity is provided with the reference numeral 15.
  • the second coupling capacity 15 is fixed in its capacity.
  • Fig. 1a and 1b This corresponds to the sectional area of the connecting element 6 with the ground lines 3, 4.
  • the inductance 116 and the ohmic resistance 115 stand for the region of the connecting element between the signal line 5 and the respective ground line 3, 4.
  • the variable coupling capacity is defined by the sectional area of the bridge determined with the connecting element 6. It can be controlled by the pad 10 in Fig. 1a and 1b eg set two values, a maximum value and a minimum value of the capacity.
  • the voltage source 119 is responsible for the electrostatic activation of the bridge 7.
  • the corresponding equivalent circuit as in Fig. 3 also results for a high-frequency switch according to Fig. 2a and 2b .
  • the high-frequency switch according to Fig. 2a and 2b differs from the high frequency switch, however Fig. 1a and 1b essentially by the fact that instead of a longitudinal bridge along the signal line 5 in Fig. 2 a transverse bridge 21 between the ground lines 3, 4 is realized.
  • the high-frequency switch 20 has the following structure: On the substrate 8 with insulating layer 9 is not arranged first a connecting element, but the line structures of the coplanar waveguide 22 with the ground lines 3, 4 and the signal line 5. In the region of the bridge 21st is on the lines 3, 4, 5 each have an insulating layer 23, 24, 25 are provided. This is followed by a post member 26 respectively the outer ground line 3, 4.
  • the post elements 26 have seen in section three layers. First, a starting layer 27, followed by a galvanically grown layer 28 and covered with a cover layer 29, which electrically corresponds to the connecting element 6, and from which the bridge 21 is formed. With a drive voltage, the post structure 26 can be acted upon with bridge 21 via a connection pad 30.
  • the coupling capacitance 15 (formed from the respective coupling capacitances of the connecting element 6 and the post elements 26) in series with the actual switching capacitance 115, the inductance 117 and the ohmic resistance 116 and thus form a resonant circuit. If one chooses the coupling capacitance 15 large, compared with the switching capacitance 115 in the driven, ie down state of the respective bridge 7, 21, the switch behaves with respect to a resonant frequency of the resonant circuit as a corresponding switch without integrated drive DC decoupling.
  • the coupling capacitance 15 is reduced, an additional degree of freedom is obtained in order to shift the resonant frequency of the resonant circuit to higher frequencies. Furthermore, this makes it possible to reduce the effective capacitance for the high frequency and thus in particular the insertion loss in the non-driven state, without this being accompanied by an increase in the switching voltage.
  • the attractive force for the bridge results from the derivation of the energy stored in the capacitance, whereby the constant coupling capacitances 15 play no role in this regard.
  • the starting point is a high-resistance p-doped silicon substrate 8 having a thickness of 300 ⁇ m.
  • the substrate 8 is thermally oxidized to produce an insulation layer 9.
  • a PECVD layer has so far a higher attenuation.
  • a layer of molybdenum-tantalum (MoTa) is applied in a thickness of preferably 100 to 400 nm in a sputtering process.
  • MoTa molybdenum-tantalum
  • Other metallizations are possible, but preferably a refractory metal such as molybdenum tantalum should be used.
  • molybdenum-tantalum is relatively non-noble and can be wet-chemically etched at the end of the process sequence with respect to all other metals used. This is particularly important for connection bars 40 for performing the electroplating.
  • the applied layer is patterned to produce therefrom the connecting element 6. This consists in the region of the later ground lines 3, 4 from a surface 41 of a predetermined size to define the fixed coupling capacitance 15, narrow connecting webs 42 to a central electrode surface 42, with which the coupling is fixed to the subsequent signal line.
  • an insulating layer eg PECVD SiOx, for example, deposited at 300 °.
  • PECVD SiOx silicon oxynitrite (SiON), silicon nitrite (Si 3 N 4 ) or another insulator.
  • the insulating layer is also structured, in particular in the region of the connection bars and at a connection point 43 for a later connection pad 10 for applying a control voltage to the high-frequency component (see FIG. Fig. 4d ).
  • a starting metallization layer 12 preferably sputtered, eg in a thickness of 300 nm (metals being titanium-tungsten, gold or chromium-copper, for example) and in the form of the intended waveguide structure with respect to the ground line and the signal line, preferably a lift-off process, structured. Due to the lift-off process, the previously applied insulation layer 11 is not affected. With regard to the structure of the signal line, it should be noted that this is interrupted in the region of the electrode 43 (here, the connection is made later by the bridge 7 arranged above it).
  • the supply line 44 is generated to the connection pad 10 with the start metallization.
  • a sacrificial layer 45 for example, photoresist in a thickness of 3.5 to 4 microns ( Fig. 4f ).
  • the layer 13 is generated in a galvanic process.
  • a material for the electroplating process for example, copper is suitable. This process step is over Fig. 4g seen.
  • the cover layer 14 is produced together with the bridge 7.
  • the bridge 7 For this example, aluminum or aluminum-silicon-copper is applied in a thickness of 300 to 800 nm and structured according to the structures of the ground lines 3, 4 and the signal line 5. That is, the bridge 7 is continued in the galvanized area of the signal line 5 as a cover layer on.
  • Fig. 4i illustrates that now the sacrificial layer 45 is removed in an anisotropic etching step, for example by RIE O 2 plasma etching, to the area below the bridge 7.
  • Fig. 4k already shows the process stage, after selectively to all other metals, for example in hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), the molybdenum tantalum of the connecting bars 40 has been removed.
  • the still existing sacrificial layer 45 under the bridge 7 prevents the bridge 7 from being affected during this process step.
  • the sacrificial layer 45 is also removed under the bridge 7, whereby a structure according to Fig. 4l remains that of the structure according to the Fig. 1a and 1b equivalent.
  • the removal of the sacrificial layer under the bridge 7 requires an isotropic etching step, which can be carried out, for example, in a plasma barrel etcher in the O 2 plasma.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Impedanzänderung bei einem koplanaren Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Zum Stand der Technik
  • Bauteile und Herstellungsverfahren zu Bauteilen zur Impedanzenänderung bei koplanaren Wellenleitern sind in verschiedenen Ausführungsformen bereits bekannt geworden.
  • Bei einer Ausführungsform eines mikromechanisch gefertigten Hochfrequenz-Kurzschlussschalters ist eine dünne Metallbrücke, zwischen Masseleitungen eines koplanaren Wellenleiters gespannt. Elektrostatisch wird die Brücke auf ein dünnes Dielektrikum, welches auf einer zwischen den Massen liegenden Signalleitung aufgebracht ist, gezogen, wodurch die Kapazität eines aus Brücke und Signalleitung gebildeten "Plattenkondensators" vergrößert wird. Diese Kapazitätsänderung beeinflusst die Ausbreitungseigenschaften der auf dem Wellenleiter geführten elektromagnetischen Wellen. Im "Off"-Zustand (die Metallbrücke ist zur Signalleitung nach unten gezogen) soll ein Großteil der Leistungen reflektiert werden. Im "On"-Zustand hingegen (die Metallbrücke ist oben) soll ein Großteil der Leistung transmittiert werden.
  • Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 100 37 385 A1 ist eine Vorrichtung zur Impedanzänderung an einem koplanaren Wellenleiter beschrieben, bei welcher die Masseleitungen durch ein Verbindungsstück verbunden sind und die Signalleitung an der Stelle des Verbindungsstücks eine Brücke aufweist, die sich wiederum elektrostatisch bestätigen lässt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Länge der Metallbrücke, d.h. die Länge der Brücke über das die Masseleitungen verbindende Element nicht vom Abstand der Masseleitungen des koplanaren Wellenleiters abhängt. Damit kann der Abstand der Masseleitungen des Wellenleiters unabhängig von der Länge der Brücke und umgekehrt gewählt werden.
  • Aus dem Artikel "A novel grounded coplanar waveguide with cavity structure", Mitsubishi Electric Corporation, IEEE 2003, Seite 140, ist ein Wellenleiter mit einer Hohlstruktur bekannt, bei dem auf der einer Signalleitung abgewandten Seite eines Isolators ein Hohlraum durch eine Masseabdeckung gebildet wird, die wiederum elektrisch mit zwei Masseplatten in Verbindung steht, die benachbart zu der Signalleitung auf der der Signalleitung zugewandten Seite der Isolatorschicht angeordnet sind.
  • Ein Nachteil der beiden zuerst aufgeführten Ausführungsformen besteht darin, dass zum elektrostatischen Betätigen der jeweiligen Brücke die Masseleitungen bzw. die Signalleitung mit einer Steuergleichspannung beaufschlagt werden müssen.
  • Eine aus dem Stand der Technik bekannte Struktur, die diesen Nachteil nicht aufweist, ist in den Fig. 5a und 5b der beigefügten Zeichnungen dargestellt. In Fig. 6 ist außerdem ein stark schematisiertes Ersatzschaltbild zu dieser Struktur gezeigt. Das in Fig. 5a und 5b abgebildete Bauteil 101 zur Impedanzänderung eines Teilstücks eines Wellenleiters 102 umfasst zwei außenliegende Masseleitungen 103, 104 und eine dazwischenliegende Signalleitung 105. Über die Masseleitungen 103 und 104 sowie die Signalleitung 105 ist eine Brückenanordnung 106 mit einer freitragenden Brücke 107 aufgebaut. Ein Schnitt entlang der Schnittlinie V-V mit nicht ausgelenkter Brücke 107 und ausgelenkter Brücke 107 (gestrichelt eingezeichnet) ist in Fig. 5b abgebildet. Die Brücke 107 ist zwischen endseitig angeordneten aufgalvanisierten Pfostenelementen 108 aufgespannt.
  • Um einen kompakten Aufbau zu erhalten, weist die jeweilige Masseleitung 103 und 104 im Bereich der Brücke 107 eine Ausnehmung 103a bzw. 104a auf.
  • Die Brücke kann über einen Anschluss 109 mit einer Ansteuergleichspannung im Bezug auf die Leitungen 103, 104, 105 beaufschlagt werden, um über elektrostatische Kräfte die Brücke gegen die Leitungen 103, 104, 105 zu ziehen. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses ist im Bereich unterhalb der Brücke über die Leitungen 103, 104, 105 eine Isolationsschicht 110 gelegt (siehe hierzu insbesondere die Schnittanordnung).
  • Das Bauteil 101 lässt sich durch ein Ersatzschaltbild gemäß Fig. 6 im Hinblick auf die Hochfrequenzeigenschaften beschreiben. Symmetrisch zu zwei Leitungsstücken 111, 112 mit dem symbolisch dargestellten Wellenwiderstand 113 geht ein an Masse liegender Zweig 114 ab, der folgende Bauteile aufweist: Eine erste Koppelkapazität 115, eine Induktivität 116 und ein ohmscher Widerstand 117 gefolgt von einer zweiten Koppelkapazität 118. Vor der zweiten Koppelkapazität ist symbolisch eine Spannungsquelle 119 angeschlossen.
  • Die erste Koppelkapazität 115 wird durch die Schnittfläche der Signalleitung 105 mit der Brücke 107 definiert und kann gemäß den in Fig. 5b dargestellten zwei Stellungen der Brücke insbesondere zwei Kapazitätswerte annehmen. Die Induktivität 116 ergibt sich aus den Brückenabschnitten zwischen der Signalleitung 105 und der jeweiligen Masseleitung 103, 104. Die gleichen Abschnitte definieren den ohmschen Widerstand 117. Die Koppelkapazität 118 wird durch die Schnittfläche der Brücke 107 mit dem jeweiligen schmalen Bereich der die erste Koppelkapazität 114 entsprechend den in Fig. 5b dargestellten Positionen der Brücke 107 insbesondere zwei Werte annehmen. Durch einen solchen Aufbau lässt sich z.B. eine Kapazitätsänderung um ca. den Faktor 100 realisieren, wodurch das Bauteil 101 in einem vorgegebenen Frequenzbereich als Hochfrequenzschalter einsetzbar ist.
  • Prinzipiell ist durch diesen Aufbau eine Entkoppelung des Steuersignals der schaltbaren Kapazitäten von den Leitungen 103, 104 und 105 verwirklicht, weshalb die Möglichkeit gegeben ist, solche Schaltelemente in Umschaltern, Verteilnetzwerken oder Phasenschiebern einzusetzen.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine derartige Brücke mit gleichmäßigen reproduzierbaren Schalteigenschaften nicht einfach, wenn überhaupt, zu realisieren ist.
    • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein oben beschriebenes Bauteil mit im Hinblick auf das Steuersignal entkoppelten Koppelkapazitäten bereitzustellen, das verbesserte Schaltparameter besitzt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • In dem Unteranspruch ist eine vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung angegeben.
  • Zunächst geht die Erfindung von einem Bauteil zur Impedanzänderung bei einem koplanaren Wellenleiter aus, der zwei Masseleitungen und eine zwischen den Masseleitungen liegende Signalleitung sowie ein leitendes Verbindungselement umfasst, das zu den beiden Masseleitungen und der Signalleitung eine Überdeckungsfläche aufweist und isoliert ist, so dass jeweils ein Kondensator ausgebildet wird. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass das Verbindungselement und die Leitungen derart angeordnet bzw. ausgestaltet sind, dass der jeweilige Kondensator zwischen den Masseleitungen und dem Verbindungselement eine unveränderbare Kapazität, jedoch der Kondensator zwischen dem Verbindungselement und Signalleitung eine veränderbare Kapazität aufweist. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es sehr schwierig ist, bei dem oben zuletzt aufgeführten Ausführungsbeispiel die schaltbare Brücke außen, d.h. in Fig. 5b im Bereich der Pfostenelemente 108 im angesteuertem Zustand flächig auf den Masseleitungen 103, 104 reproduzierbar zum Aufliegen zu bringen. Dieser Nachteil kann in einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform dadurch vermieden werden, dass die Koppelkapazität zu den Masseleitungen als unveränderbarer Kondensator ausgeführt wird. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass die in Fig. 5b dargestellten Pfostenelemente 108 in einen Bereich über die isolierten Masseleitungen 103, 104 verschoben werden. Durch diese Vorgehensweise muss lediglich sichergestellt werden, dass die Brücke 107 reproduzierbar planar auf der Isolationsschicht über der Signalleitung 105 aufliegt.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mit gleichen Vorteilen die Koppelkapazität zur Signalleitung unveränderbar, jedoch die Koppelkapazitäten zu den jeweiligen Masseleitungen veränderbar ausgeführt.
  • In beiden Fällen liegen die Koppelkapazitäten in Serie mit einer Induktivität und bilden einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch die veränderbare Kapazität bzw. Kapazitäten zwei Arbeitspunkte wiederspiegeln kann, z.B. Transmission und Reflexion eines Signals mit vorgegebener Frequenz. Für die gewünschte Funktion des Schwingkreises ist somit ausreichend, wenn eine Koppelkapazität schaltbar ist.
  • In einer beispeilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement mechanisch derart, vorzugsweise elastisch, verformbar, dass ein Abstand zwischen dem Verbindungselement und der Leitung, die zusammen mit dem Verbindungselement die veränderbare Kapazität bildet, im Bereich der Überdeckungsfläche, z.B. über elektrostatische Kräfte, veränderbar ist.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass die Signalleitung oder die Masseleitungen in einem Teilbereich, in dem sie das verbindungselement überdeckt bzw. überdecken mechanisch derart mit Abstand verformbar ist bzw. sind, dass sich der Abstand im Bereich der jeweiligen Überdeckungsfläche einstellen lässt. Bei dieser Ausführungsform werden somit nicht die Masseleitungen durch eine Brücke verbunden, sondern es ist z.B. in der Signalleitung eine Brücke vorgesehen, unter der das Verbindungselement läuft, wobei das Verbindungselement durch Überdeckungsflächen mit den Masseleitungen und zumindest einer dazwischen eingelagerten Isolationsschicht kapazitiv fest an die Masseleitungen angekoppelt wird. Diese Variante hat somit den Vorteil, dass die Brücke unabhängig vom Abstand der Masseleitungen ausgeführt werden kann und zugleich die kapazitive Koppelung zwischen Masseleitungen und Signalleitungen mit vergleichsweise höherer Reproduzierbarkeit geschaltet werden kann.
  • Zum Schalten des veränderbaren Kondensators ist das Verbindungselement vorzugsweise mit einer Spannung beaufschlagbar. Damit können elektrostatische Kräfte beispielsweise auf den Kondensator zwischen Verbindungselement und Signalleitung genutzt werden, um dessen Kapazität z.B. zwischen zwei Werten umschalten zu können.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung der soeben beschriebenen Bauelemente zur Impedanzänderung bei einem koplanaren Wellenleiter, der zwei Masseleitungen und eine zwischen den Masseleitungen liegende Signalleitung sowie ein leitendes Verbindungselement umfasst, das zu den beiden Masseleitungen und der Signalleitung eine Überlappungsfläche aufweist und elektrisch isoliert ist, so dass jeweils ein Kondensator ausgebildet wird, liegt der wesentliche Aspekt in den folgenden Verfahrensschritten:
    • Auf ein Substrat werden eine oder mehrere leitende Schichten zur Ausbildung des Verbindungselements abgeschieden und anschließend, vorzugsweise fotolithographisch strukturiert. Darauf wird eine Isolationsschicht abgeschieden und auf die Isolationsschicht die Masseleitungen sowie die Signalleitung mit einer Brücke über das Verbindungselement aufgebaut. Durch dieses Verfahren erhält man ein Bauteil, bei welchem das Verbindungselement über Kondensatoren mit fester Kapazität an die Masseleitungen und an die Signalleitung über einen in seiner Kapazität veränderbaren Kondensator, der sich jedoch mit vergleichsweise guter Reproduzierbarkeit schalten lässt, angekoppelt ist.
  • Kommt ein nicht hoch isolierendes Substrat zur Anwendung, ist es außerdem vorteilhaft, wenn vor dem Aufbau der Struktur auf dem Substrat zunächst eine Isolationsschicht erzeugt wird. Dies kann beispielsweise durch thermische Oxidation oder das Aufbringen einer PECVD-Schicht (PECVD steht für Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) erfolgen. Thermisches Oxid ist im Hinblick auf eine niedrige Dämpfung eines Hochfrequenzsignals vorteilhaft.
  • Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn die auf das Verbindungselement deponierte Isolationsschicht strukturiert wird. Auf diese Weise kann nicht nur ein Anschluss für den Anschluss des Verbindungselements freigelegt werden, sondern gegebenenfalls auch Bereiche auf Anschlussbalken, die für eine spätere Galvanik zur elektrischen Verbindung von Abschnitten, auf denen Strukturen "aufgalvanisiert" werden sollen, genutzt werden.
  • Vorzugsweise werden nämlich die Masseleitungen und zumindest ein Teil der Signalleitungen über einen Galvanikschritt erzeugt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn zunächst eine Startschicht abgeschieden wird. Diese Startschicht wird günstigerweise über einen Lift-Off-Prozess strukturiert. Damit wird vermieden, dass eine Schädigung des bereits auf das Verbindungselement aufgebrachten Dielektrikums eintritt. Zudem braucht nicht darauf geachtet zu werden, ob die Startschicht selektiv zum Material, aus dem das Verbindungselement besteht, strukturiert werden kann.
  • Für den weiteren Aufbau der Leitungen mit Brücke über das Verbindungselement im Bereich der Signalleitung ist es vorteilhaft, wenn eine Opferschicht aufgebracht und strukturiert wird. Dabei ist der Bereich der späteren Brücke ebenfalls mit der Opferschicht abgedeckt. Nun kann in einem Galvanikschritt jeder freigelegte Bereich der Opferschicht, wenn zusätzlich eine Startschicht in diesem Bereich vorhanden ist, galvanisch verstärkt werden. Vorzugsweise lässt man die galvanische Schicht so weit aufwachsen, dass sie über die Opferschicht überlappt und im Schnitt sozusagen eine Pilzstruktur entsteht.
  • In einem weiteren Schritt wird nun über die Opferschicht mit galvanischen Verstärkungen eine weitere Metallisierung gelegt und strukturiert. Hierdurch wird in erster Linie die Brücke der Signalleitung geschaffen, wobei die verbleibenden Bereiche vorzugsweise in der Draufsicht entsprechend der Kontur der Signalleitung und der Masseleitungen geformt werden. Die Opferschicht wird daraufhin vorzugsweise anisotrop bis auf den Bereich unter der Brücke entfernt.
  • Auf diese Maßnahmen lassen sich in einem anschließenden Schritt, ohne Gefahr zu laufen, die Brücke zu beschädigen, beispielsweise Verbindungsstege für den Galvanikschritt entfernen. Derartige Verbindungsstege sind notwendig, um beim Galvanikschritt alle Bereiche, in welchen auf einer Startschicht eine galvanische Struktur aufwachsen soll, elektrisch miteinander zu verbinden.
  • Schließlich wird die Opferschicht auch unter der Brückenmetallisierung entfernt, womit ein Bauteil geschaffen ist, das im Wesentlichen aus einem koplanaren Wellenleiter besteht, bei welchem die Masseleitungen jeweils über einem durchgehenden Verbindungselement kapazitiv gekoppelt sind und die Signalleitung über eine flexible Brücke, d.h. eine schaltbare Brücke, ebenfalls mit dem Verbindungselement kapazitiv gekoppelt ist. Damit lässt sich an dieser Stelle die Impedanz durch beaufschlagen des isolierten Verbindungselements mit einer Steuerspannung, was elektrostatische Kräfte auf die Brücke mit entsprechender Positionsverschiebung der Brücke zur Folge hat, ändern.
  • Die Auswirkung ist eine Kapazitätsänderung, die in Bezug auf ein Ersatzschaltbild einer solchen Struktur weiter unten im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen noch ausführlich erläutert wird.
    • Zeichnungen
  • Nähere Ausführungsbeispiele eines koplanaren Wellenleiters sind in den nachfolgenden Zeichnungen unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten dargestellt.
  • Es zeigen
    • Fig. 1a und 1b
    in schematischer Darstellung ein erstes HF-Schaltelement mit integrierter Steuerspannungs- Entkoppelung in einer Draufsicht (Fig. 1a) und einem Schnitt entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 1a (Fig. 1b),
    Fig. 2a und 2b
    ein weiterer Hochfrequenzschalter in entsprechenden Ansichten,
    Fig. 3
    ein Ersatzschaltbild, das für beide Hochfrequenzschalter nach Fig. 1a und 1b, bzw. Fig. 2a und 2b zutrifft,
    Fig. 4a bis 41
    unterschiedliche Prozessstadien bei der Herstellung eines Hochfrequenzschalters gemäß der Fig. 1a und 1b jeweils in perspektivischer schematischer Darstellung,
    Fig. 5a und 5b
    ein Hochfrequenzschalter in der Draufsicht (Fig. 5a und einem Schnitt entlang der Schnittlinie V-V (Fig. 5b), der aus dem Stand der Technik bekannt ist und
    Fig. 6
    ein elektrisches Ersatzschaltbild für den Hochfrequenzschalter gemäß der Fig. 5a und 5b.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Fig. 1a und 1b ist ein Hochfrequenzschalter 1 dargestellt, der ein Stück eines koplanaren Wellenleiters 2 umfasst. Der Wellenleiter 2 weist zwei Masseleitungen 3, 4 sowie eine Signalleitung 5 auf. Die Signalleitung 5 ist in einem Bereich über einem Verbindung-selement 6 in Form einer Brücke 7 ausgeführt (siehe insbesondere Schnittansicht gemäß Fig. 1b). Der Hochfrequenzschalter 1 ist auf einem Substrat 8, auf das zunächst eine Isolationsschicht 9 abgeschieden wurde, aufgebaut. Darauf folgt das Verbindungselement 6 mit einem Anschlusspad 10. Bis auf eine Kontaktstelle zum Anschlusspad 10 ist das Verbindungselement 6 durch eine weitere Isolationsschicht 11 überdeckt. Darauf folgt in der Struktur der koplanaren Wellenleitung 2 eine Startschicht 12 für die jeweilige Masseleitung 3, 4 und die Signalleitung 5 (im Schnitt von Fig. 1b nicht zu sehen), eine vergleichsweise dicke Schicht 13, die galvanisch verstärkt wurde und eine Deckschicht 14 aus der auch die Brücke 7 gebildet ist.
  • Wird nun über den Anschlusspad 10 eine Spannung an das Verbindungselement 6 gelegt, wirken auf die Brücke 7, die gleichstrommäßig auf Massepotential liegt, elektrostatische Kräfte, die die Brücke 7 soweit zum Verbindungselement 6 ziehen, bis die Brücke 7 auf der Isolationsschicht 11 im Bereich über dem Verbindungselement 6 aufliegt.
  • Das dazugehörige elektrische Ersatzschaltbild wird anhand von Fig. 3 erläutert. Dabei wurden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 6 bis auf die zweite Koppelkapazität, die in Fig. 6 das Bezugszeichen 118 hat, verwendet, da sich insoweit das elektrische Ersatzschaltbild nicht unterscheidet. In Fig. 3 ist die zweite Koppelkapazität mit dem Bezugszeichen 15 versehen.
  • In Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 bzw. den Fig. 5a und 5b ist die zweite Koppelkapazität 15 in ihrer Kapazität fest. In Fig. 1a und 1b entspricht dies der Schnittfläche des Verbindungselements 6 mit den Masseleitungen 3, 4. Die Induktivität 116 und der ohmsche Widerstand 115 stehen für den Bereich des Verbindungselements zwischen der Signalleitung 5 und der jeweiligen Masseleitung 3, 4. Die veränderbare Koppelkapazität wird durch die Schnittfläche der Brücke 7 mit dem Verbindungselement 6 festgelegt. Man kann bei Ansteuerung über den Pad 10 in Fig. 1a und 1b z.B. zwei Werte, einen Maximalwert und einen Minimalwert der Kapazität einstellen. Im Ersatzschaltbild ist zur elektrostatischen Ansteuerung der Brücke 7 die Spannungsquelle 119 zuständig.
  • Das entsprechende Ersatzschaltbild wie in Fig. 3 ergibt sich auch für einen Hochfrequenzschalter gemäß Fig. 2a und 2b. Der Hochfrequenzschalter gemäß Fig. 2a und 2b unterscheidet sich aber vom Hochfrequenzschalter gemäß Fig. 1a und 1b ganz wesentlich dadurch, dass anstatt einer Längsbrücke entlang der Signalleitung 5 in Fig. 2 eine Querbrücke 21 zwischen den Masseleitungen 3, 4 realisiert ist.
  • Um dies zu ermöglichen, weist der Hochfrequenzschalter 20 folgenden Aufbau auf: Auf dem Substrat 8 mit Isolationsschicht 9 ist nicht zuerst ein Verbindungselement angeordnet, sondern die Leitungsstrukturen des koplanaren Wellenleiters 22 mit den Masseleitungen 3, 4 und der Signalleitung 5. Im Bereich der Brücke 21 ist über den Leitungen 3, 4, 5 jeweils eine Isolationsschicht 23, 24, 25 vorgesehen. Darauf folgt ein Pfostenelement 26 jeweils auf der außenliegenden Masseleitung 3, 4. Die Pfostenelemente 26 besitzen im Schnitt betrachtet drei Schichten. Zunächst eine Startschicht 27, gefolgt von einer galvanisch aufgewachsenen Schicht 28 und abgedeckt mit einer Deckschicht 29, die elektrisch betrachtet dem Verbindungselement 6 entspricht, und aus der die Brücke 21 gebildet ist. Mit einer Ansteuerspannung kann die Pfostenstruktur 26 mit Brücke 21 über einen Anschlusspad 30 beaufschlagt werden.
  • Für beide Prinzipien nach den Fig. 1 und Fig. 2 gilt, dass die Koppelkapazität 15 (gebildet aus den jeweiligen Koppelkapazitäten des Verbindungselements 6 bzw. der Pfostenelemente 26) in Serie mit der eigentlichen Schaltkapazität 115, der Induktivität 117 und dem ohmschen Widerstand 116 liegt und damit einen Schwingkreis bilden. Wählt man die Koppelkapazität 15 groß, verglichen mit der Schaltkapazität 115 im angesteuerten, d.h. Unten-Zustand der jeweiligen Brücke 7, 21, so verhält sich der Schalter bezüglich einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises wie ein entsprechender Schalter ohne integrierte Ansteuergleichspannungs-Entkopplung. Verkleinert man jedoch die Koppelkapazität 15, so erhält man einen zusätzlichen Freiheitsgrad, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu höheren Frequenzen hin zu verschieben. Des Weiteren lässt sich dadurch die für die Hochfrequenz wirksame Kapazität und damit insbesondere auch die Einfügedämpfung im nicht angesteuerten Zustand reduzieren, ohne dass dies mit einer Erhöhung der Schaltspannung einhergeht. Die anziehende Kraft für die Brücke ergibt sich aus der Ableitung der Energie, die in der Kapazität gespeichert ist, womit die konstanten Koppelkapazitäten 15 diesbezüglich keine Rolle spielen.
  • Für einen Hochfrequenzschalter gemäß Fig. 2a und 2b ergibt sich darüber hinaus noch der Vorteil, dass die Länge der Brücke 21 unabhängig von der Koplanarleitungsgeometrie durch die Position der Pfosten 26 geändert werden kann. Dies ist sehr wichtig, da sich so mechanische Schaltspannung und Induktivität einfach variieren lassen. Zudem werden auch Ausführungsformen gemäß der Fig. 2a und 2b für höhere Frequenzen möglich, die, um parasitäre Modi zu vermeiden, sehr kleine Signalleitungsweiten erfordern.
  • Anhand der Fig. 4a bis 4l soll die Herstellung eines Hochfrequenzschalters 1 gemäß Fig. 1a und 1b verdeutlicht werden.
  • Gemäß Fig. 4a ist der Ausgangspunkt beispielsweise ein hochohmiges p-dotiertes Siliziumsubstrat 8 mit einer Dicke von 300 µm. Zur Isolation eines darauf aufgebauten Hochfrequenzbauteils wird vorzugsweise das Substrat 8 zur Erzeugung einer Isolationsschicht 9 thermisch oxidiert. Eine PECVD-Schicht hat bislang eine höhere Dämpfung.
  • Anschließend (s. Fig. 4c) wird eine Schicht aus Molybdän-Tantal (MoTa) in einer Dicke von vorzugsweise 100 bis 400 nm in einem Sputterprozess aufgebracht. Es sind auch andere Metallisierungen möglich, vorzugsweise sollte jedoch ein Refraktärmetall, wie Molybdän-Tantal, zur Anwendung kommen. Darüber hinaus ist Molybdän-Tantal vergleichsweise unedel und lässt sich am Ende der Prozessfolge selektiv gegenüber allen anderen verwendeten Metallen nasschemisch ätzen. Dies ist insbesondere für Anschlussbalken 40 zur Durchführung der Galvanik wichtig.
  • Um den vergleichsweise hohen Widerstand von Molybdän-Tantal, insbesondere für den Bereich der Verbindung zwischen den Koppelkapazitäten zu erniedrigen, kann auch stattdessen Aluminium oder ein Mehrschicht-System aus Aluminium und Molybdän-Tantal eingesetzt werden.
  • Jedenfalls wird die aufgebrachte Schicht strukturiert, um hieraus das Verbindungselement 6 zu erzeugen. Dieses besteht im Bereich der späteren Masseleitungen 3, 4 aus einer Fläche 41 mit vorbestimmter Größe, um die feste Koppelkapazität 15 zu definieren, schmalen Verbindungsstegen 42 zu einer mittleren Elektrodenfläche 42, mit welcher die Kopplung zur späteren Signalleitung festgelegt wird.
  • Daraufhin wird eine Isolationsschicht, z.B. PECVD SiOx, beispielsweise bei 300° abgeschieden. Anstatt PECVD-SiOx kann auch Siliziumoxinitrit (SiON), Siliziumnitrit (Si3N4) oder ein anderer Isolator zum Einsatz kommen. Auch die Isolationsschicht wird strukturiert, insbesondere im Bereich der Anschlussbalken sowie an einer Anschlussstelle 43 für einen späteren Anschlusspad 10 zum Beaufschlagen des Hochfrequenzbauteils mit einer Ansteuerspannung (s. Fig. 4d).
  • Auf diese Schichtfolge wird gemäß Fig. 4e eine Startmetallisierungsschicht 12, vorzugsweise aufgesputtert, z.B. in'einer Dicke von 300 nm (als Metalle kommen z.B. Titan-Wolfram, Gold oder Chrom-Kupfer in Betracht) und in der Form der beabsichtigten Wellenleiterstruktur im Hinblick auf die Masseleitung und die Signalleitung, vorzugsweise durch einen Lift-off-Prozess, strukturiert. Durch den Lift-off-Prozess wird die zuvor aufgebrachte Isolationsschicht 11 nicht in Mitleidenschaft gezogen. Hinsichtlich der Struktur der Signalleitung ist zu beachten, dass diese im Bereich der Elektrode 43 unterbrochen ist (hier erfolgt die Verbindung später durch die darüber angeordnete Brücke 7).
  • Außerdem wird mit der Startmetallisierung die Zuleitung 44 zum Anschlusspad 10 erzeugt.
  • Daraufhin erfolgt die Erzeugung einer Opferschicht 45 und ihre entsprechende Strukturierung gemäß der Struktur der beabsichtigten Masseleitungen 3, 4 bzw. der Steuerleitung 5, wobei der Bereich über der Elektrode 43 zur Ausbildung der Brücke ebenfalls abgedeckt ist. Als Opferschicht 45 eignet sich beispielsweise Fotolack in einer Dicke von 3,5 bis 4 µm (Fig. 4f).
  • Dann wird in einem Galvanikprozess die Schicht 13 erzeugt. Als Material für den Galvanikprozess eignet sich z.B. Kupfer. Dieser Prozessschritt ist aus Fig. 4g ersichtlich.
  • In einem weiteren Prozessschritt (s. Fig. 4h) wird die Deckschicht 14 zusammen mit der Brücke 7 erzeugt. Hierzu wird beispielsweise Aluminium oder Aluminium-Silizium-Kupfer in einer Dicke von 300 bis 800 nm aufgebracht und entsprechend der Strukturen der Masseleitungen 3, 4 bzw. der Signalleitung 5 strukturiert. Das heißt, die Brücke 7 setzt sich im aufgalvanisierten Bereich der Signalleitung 5 als Deckschicht weiter fort.
  • In Fig. 4i ist veranschaulicht, dass nunmehr die Opferschicht 45 in einem anisotropen Ätzschritt, z.B. durch RIE O2-Plasmaätzen, bis auf den Bereich unterhalb der Brücke 7 entfernt wird.
  • Fig. 4k zeigt bereits das Prozessstadium, nachdem selektiv zu allen anderen Metallen, z.B. in Wasserstoffperoxid (H2O2), das Molybdän-Tantal der Anschlussbalken 40 entfernt wurde. Durch die nach wie vor vorhandene Opferschicht 45 unter der Brücke 7 wird vermieden, dass die Brücke 7 bei diesem Prozessschritt in Mitleidenschaft gezogen wird.
  • Als zunächst letzter Prozessschritt wird die Opferschicht 45 auch unter der Brücke 7 entfernt, womit eine Struktur gemäß Fig. 4l verbleibt, die der Struktur gemäß der Fig. 1a und 1b entspricht. Das Entfernen der Opferschicht unter der Brücke 7 erfordert einen isotropen Ätzschritt, der z.B. im einem Plasma-Barrel-Etcher im O2-Plasma ausgeführt werden kann.
  • Im Vergleich zu anderen Verfahren werden durch das soeben beschriebene Verfahren kritische Planarisierungsschritte oder Differenzätz-Schritte vermieden. Insbesondere stellt das beschriebene Verfahren eine Lösung des "Insel-Problems" dar:
    • Bei der Herstellung von Phasenschiebern sollen Flächen galvanisch verstärkt werden, die am Ende des Herstellungsprozess jedoch elektrisch von anderen Flächen isoliert sind. Zur galvanischen Abscheidung müssen aber alle Flächen leitfähig miteinander verbunden sein. Daher wird es notwendig, in einem Schritt nach der galvanischen Abscheidung diese Verbindungen wieder zu entfernen. Die vorliegende Technologiefolge erlaubt die nasschemische Entfernung dieser Verbindungsleitungen ohne die mikromechanische Brücke zu zerstören.

Claims (2)

  1. Bauelement (1, 20) zur Impedanzänderung bei einem koplanaren Wellenleiter (2, 22) umfassend zwei Masseleitungen (3, 4) und eine zwischen den Masseleitungen (3, 4) liegende Signalleitung (5) sowie ein leitendes Verbindungselement (6, 21, 29), das zu den beiden Masseleitungen (3, 4) und der Signalleitung (5) eine Überdeckungsfläche aufweist und elektrisch isoliert ist, so dass jeweils ein Kondensator ausgebildet wird, wobei das Verbindungselement (6, 21, 29) und die Leitungen (3, 4, 5) derart angeordnet bzw. ausgestaltet sind, dass der jeweilige Kondensator zwischen der Masseleitung (3, 4) und dem Verbindungselement (6, 21, 29) eine veränderbare Kapazität, jedoch der Kondensator zwischen dem Verbindungselement (6, 21, 29) und der Signalleitung (5) eine unveränderbare Kapazität besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseleitungen (3, 4) in einem Teilbereich (7), in dem sie das Verbindungselement (6) mit Abstand überdecken, mechanisch derart verformbar sind, dass sich der Abstand im Bereich der Überdeckungsfläche einstellen lässt.
  2. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (6, 21, 28) mit Spannung beaufschlagbar ist.
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