Verfahren zur Herstellung einer Photonic-Band-Gap-Struktur und Bauelement mit einer derartig hergestellten Photonic-Band-Gap-Struktur

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement zur Verwendung im Hochfrequenzbereich und ein Verfahren zur Herstellung einer Photonic-Band-Gap-Struktur, welche zur Herstellung des Bauelementes auf einem Hauptsubstrat befestigbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden zueinander konform ausgebildeter Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') auf den Flächen zweier Substrate (1; 1'); Kontaktieren der zueinander konform ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') der beiden Substrate (1; 1'); und strukturiert Zurückätzen der beiden Substrate (1; 1') von den den Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') gegenüberliegenden Flächen der beiden Substrate (1; 1') her.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Photonic-Band-Gap-Struktur (PBG-Struktur) auf einem Substrat und ein Bauelement mit einer derartig hergestellten Photonic-Band-Gap-Struktur zur Verwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterbereich bzw. im Hochfrequenzbereich.

[0002] Obwohl auf beliebige passive Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegendende Problematik in Bezug auf Mikrowellen- und Millimeterwellen-Filter und elektromagnetische Hohlbereiche bzw. Micro Cavities im folgenden näher erläutert.

[0003] Im allgemeinen besteht ein großes Interesse darin, elektromagnetische Wellen für verschiedenste Anwendungsbereiche zu übertragen und zu führen, beispielsweise auf den Gebieten der schnurlosen Telekommunikation, im Kraftfahrzeugbereich und bei Flugzeug-Radaranlagen.

[0004] Intensive Untersuchungen erfolgen derzeit auf dem Gebiet von Photonic-Band-Gap-Strukturen (PBG-Strukturen) im Bereich von optischen Anwendungen als auch für Anwendungen im Mikrowellen- und Millimeterfrequenzbereich. Eine elektromagnetische Bandlücke EBG (engl.: Electromagnetic Band-gap), welche auch als Photonic-Band-Gap-Crystal (PBC) oder als Electromagnetic Crystal Structure (ECS) bezeichnet wird, besteht aus einer periodischen Anordnung von Einschlüssen in einem Material, welche ein Stop-Band für bestimmte Frequenzbereiche erzeugen. Photonic Crystals oder PBG-Strukturen sind bearbeitete Materialien mit periodisch räumlichen Veränderungen der dielektrischen Konstante. Aufgrund einer Bragg-Reflektion können elektromagnetische Wellen mit bestimmten Frequenzbereichen nicht durch den durch den photonischen Kristall hindurchtreten, wodurch keine resonanten Moden auftreten können. Diese Frequenzintervalle werden photonische Bandlücken bzw. Photonic Band Gaps genannt. Die Energie breitet sich nicht in vorbestimmten Richtungen innerhalb dieses Stop-Bandes aus. Mit anderen Worten stellen photonische Kristalle künstliche Kristallstrukturen dar, welche auf elektromagnetische Wellen einen vergleichbaren Einfluss haben wie ein Halbleiter-Kristall auf elektronische Wellen. Eine EBG-Fehlstelle stellt, wie oben bereits erläutert eine Störung in der EBG-Gitterstruktur dar, wobei die Fehlstelle durch einen Einschluss oder ein Fehlen eines Atoms bzw. Moleküls in einem ansonsten periodischen Gitter realisiert sein kann. Eine derartige Fehlstelle schafft einen engen Pass-Band-Frequenzbereich innerhalb der größeren Stop-Band-Frequenzen. Die Qualität der Fehlstelle definiert die Breite dieses Pass-Band-Bereiches. Der Bereich von periodischen elektromagnetischen Materialien stellt augenblicklich einen der sich am schnellsten fortentwickelnden Bereiche im Elektromagnetismus dar. Periodische Strukturen, wie beispielsweise photonische Kristalle, können die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in bisher unbekannten Möglichkeiten steuern.

[0005] Mögliche Anwendungsbereiche derartiger PBG-Strukturen finden sich in Mikrowellengeräten, Antennen, optischen Lasern, Filtern, Resonatoren, etc. Beispielsweise wird der Qualitätsfaktor eines Hohlraumresonators auf dielektrischer Basis für eine resonante Mode durch zwei Verlustmechanismen bestimmt, nämlich die dielektrischen Verluste aufgrund verwendeter dielektrischer Materialien und metallischer Verluste aufgrund von Oberflächenströmen in den Metallisierungen.

[0006] Somit ist es allgemein wünschenswert, eine integrierte planare EBG- bzw. PBG-Struktur für Hochfrequenz-Anwendungen bzw. Anwendungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich mit geringen Verlustleistungen zu realisieren.

[0007] Im Stand der Technik existiert der Ansatz, eine strukturierte metallischdielektrische und dielektrische EBG-Struktur zur Schaffung eines Resonators für Mikrowellen-Anwendungen mit einem hohen Qualitätsfaktor zu schaffen. Die bisher bekannten Verfahren zur Schaffung eines derartigen Resonators sind aufwendig und die dabei erzielten Strukturen weisen eine große Bauteilgröße auf und sind nicht mit auf Silizium basierenden Technologien zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen kompatibel. Allerdings haben sich auf Silizium basierende Technologien als besonders vorteilhaft herausgestellt, so dass zukünftige Strukturen eine siliziumkompatible Struktur aufweisen sollten.

[0008] Nach einem weiteren Ansatz gemäß dem Stand der Technik wurden PBG-Strukturen zur Schaffung von Filtern unter Verwendung von strukturierten Koplanar-Metallisierungen oder Mikrostreifen-Metallisierungen verwendet. Durch eine Verkleinerung der Filterabmessungen bei derartigen Strukturen wurde eine Vergrößerung der LC-Konstanten erreicht.

[0009] An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass diese Verfahren Bauteile schaffen, welche lediglich für Filter-Anwendungen und nicht für beispielsweise Micro Cavity-Anwendungen für Resonatoren verwendet werden können. Die Struktur derartiger Bauteile muss ferner mehrere Perioden von künstlichen Zellen von elektromagnetischen Kristallen aufweisen, welche der halben Wellenlänge des Signals entsprechen. Dies resultiert in großen Abmessungen der geschaffenen Vorrichtungen.

[0010] Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine PBG-Struktur und ein Bauelement mit einer derartig hergestellten PBG-Struktur zu liefern, wobei die PBG-Struktur auf einfache und kostengünstige Weise und ein zuverlässiges Bauelement sowohl für Filter- als auch für Micro Cavity-Anwendungen herstellbar ist, wobei kleinere Abmessungen realisiert werden.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und vorrichtungsseitig durch das Bauelement mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 16 gelöst.

[0012] Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine für Planar-Technologie, basierend auf Silizium-Substraten, kompatible PBG- bzw. EBG-Struktur unter Verwendung einer Koplanarwellenleiter-Metallisierung auf einem Substrat mit sich periodisch abwechselnden Substrat- und Luftbereichen zu schaffen. Diese Struktur kann sowohl für Mikrowellen-Filter als auch für Micro Cavities verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Photonic-Band-Gap-Struktur weist dazu folgende Schritte auf: Bilden zueinander konform ausgebildeter Koplanarwellenleiter-Metallisierungen auf den Flächen zweier Substrate; Kontaktieren der zueinander konform ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen der beiden Substrate; und strukturiert Zurückätzen der beiden Substrate von den den Koplanarwellenleiter-Metallisierungen gegenüberliegenden Flächen der beiden Substrate her.

[0013] Somit wird vorteilhaft eine PBG-Struktur auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt, welche zur Schaffung eines Bauelementes zur Verwendung im Hochfrequenzbereich verwendet werden kann. Da die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen die elektromagnetischen Wellen leiten und mittels eines Standard-Metallisierungsverfahrens hergestellt und die Substrate mittels gängiger Ätzverfahren in entsprechende Strukturen auf einfache und kostengünstige Weise geätzt werden können, wird ein einfach herstellbares und kostengünstiges Bauelement geschaffen. Ferner kann die Größe des Bauelementes für Filter im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich und für Micro Cavities bzw. Micro Hohlbereiche verringert werden. Zusätzlich ist das geschaffene Bauelement in auf Silizium basierenden Technologien anwendbar und mit diesen kompatibel.

[0014] In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Verbesserungen und Ausgestaltungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens und des im Anspruch 16 angegebenen Bauelementes.

[0015] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden vor dem Bilden der Koplanarwellen-Metallisierungen zusätzliche Schichten, vorzugsweise dielektrische Isolationsschichten auf jeweils einer Fläche der beiden Substrate gebildet und nach dem strukturisierten Zurückätzen der Substrate in den zurückgeätzten Bereichen entfernt.

[0016] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die beiden Substrate zum Bilden von periodisch angeordneten vertikalen Substrat-Bereichen bzw. von periodisch angeordneten vertikalen Gräben zwischen den Substrat-Bereichen strukturiert zurückgeätzt. Dabei können die beiden Substrate mittels eines anisotropen nasschemischen Ätzverfahrens unter Verwendung beispielsweise einer KOH-Lösung oder alternativ mittels eines ASE (advanced silicon etching)-Verfahrens zurückgeätzt werden. Diese Verfahren stellen kostengünstige und schnell durchführbare Ätzverfahren dar. Vorzugsweise werden durch den Ätzvorgang die beiden Substrate zum Bilden von vertikalen Gräben mit einem hohen Aspektverhältnis zurückgeätzt.

[0017] Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen linear und/oder mäanderförmig über den jeweiligen dielektrischen Isolationsschichten der beiden Substrate mittels eines Standard-Metallisierungsverfahrens gebildet. Da die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen die elektromagnetischen Wellen führen und auf einfache Weise mäanderförmig strukturiert werden können, können die Abmessungen von beispielsweise Filtern oder Resonatoren erheblich reduziert werden.

[0018] Vorzugsweise werden die beiden Koplanarwellenleiter-Metallisierungen der zunächst separierten Substrate mittels eines Mikrowellen-Heiz-Verfahrens miteinander verbunden. Dabei sind die jeweils konform zueinander ausgebildeten Wellenleiter jeweils bündig derart miteinander zu verbinden, dass eine robuste und kompakte Struktur entsteht. Selbstverständlich können weitere Verbindungsmethoden und Mittel zur Verbindung der beiden Substrate bzw. der beiden Wellenleiter-Metallisierungen verwendet werden.

[0019] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird nach einer Verbindung der Koplanarwellenleiter-Metallisierungen eine gewünschte PBG-Struktur aus dem entstandenen Bauteil mittels eines geeigneten Werkzeugs geschnitten. Dabei kann die PBG-Struktur als Filter für eine Anwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet werden. Alternativ kann die PBG-Struktur als Hohlbereich bzw. Micro Cavity für ebenfalls eine Anwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet werden, wobei gegenüber der Filter-Struktur mindestens ein periodisch vorgesehener vertikaler Substrat-Bereich der PBG-Struktur zum Bilden der Micro Cavity entfernt wird.

[0020] Vorzugsweise wird die formgeschnittene PBG-Struktur in eine zurückgeätzte Vertiefung eines Hauptsubstrates zumindest teilweise eingesetzt und mittels eines geeigneten Bond-Mittels in diese bzw. auf dieser angebracht. Dadurch wird auf einfache Weise ein Bauelement für eine Verwendung im Hochfrequenzbereich hergestellt.

[0021] Vorteilhaft bestehen die beiden Substrate sowie das Hauptsubstrat aus einem Silizium-Halbleiter oder einem ähnlichen Halbleiter-Material. Die dielektrischen Isolationsschichten sind vorzugsweise aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium mit Luftbereichen, oder dergleichen hergestellt. Die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet. Selbstverständlich sind für die oben genannten Bauelemente auch andersartig ausgebildete geeignete Materialien verwendbar.

[0022] Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1a-1

eine Draufsicht auf eine Koplanarwellenleiter-Metallisierung auf einem Substrat mit einer dielektrischen Isolationsschicht;

Fig. 1a-2 bis 1e-1

Querschnittsansichten einer PBG-Struktur in verschiedenen Verfahrenszuständen zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1e-2

eine Draufsicht auf eine PBG-Struktur aus Fig. 1 e-1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2-1

eine Querschnittsansicht eines Hauptsubstrates mit zurückgeätzter Vertiefung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2-2

eine Draufsicht auf das Hauptsubstrat in Fig. 2-1 mit zurückgeätzter Vertiefung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3

eine Querschnittsansicht eines Filter-Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4

eine Querschnittsansicht eines Micro Cavity-Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5

eine Draufsicht auf ein Bauelement mit linear ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6

eine Draufsicht auf ein Bauelement mit mäanderförmig ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0023] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

[0024] Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 a-1 bis Fig. 1 e-2 werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer PBG-Struktur gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

[0025] Fig. 1a-1 illustriert eine Draufsicht und Fig. 1a-2 eine Querschnittsansicht eines Substrates 1, auf welchem eine Trennschicht, beispielsweise eine dielektrische Isolationsschicht 2, gebildet ist. Die dielektrische Isolationsschicht 2 kann beispielsweise eine Dicke von 300 nm aufweisen und aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid bestehen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass auch andere dielektrische Isolationsmaterialien verwendet werden können. Ferner sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass generell auch auf die Trennschicht 2 verzichtet werden kann.

[0026] In einem nächsten Schritt wird beispielsweise mittels eines Standard-Metallisierungsverfahrens eine strukturierte Koplanarwellenleiter-Metallisierung 3 über der dielektrischen Isolationsschicht 2 gebildet. Eine beispielhafte Struktur, bestehend aus drei zueinander parallel angeordneten Leitern, ist insbesondere aus der Draufsicht gemäß Fig. 1 a-1 und der Querschnittsansicht gemäß Fig. 1a-2 ersichtlich. Beispielsweise besteht die Koplanarwellenleiter-Metallisierung 3 aus einer mittigen Signalleitung und zwei dickeren Masseleitern, welche jeweils parallel zu der Signalleitung angeordnet und durch jeweils einen zugeordneten Bereich der dielektrischen Isolationsschicht 2 voneinander getrennt sind.

[0027] Die Hauptanforderung an die Metallisierungsmaterialien ist ein möglichst geringer elektrischer Widerstand. Darüber hinaus sollte das Material gute haftende Eigenschaften aufweisen und möglichst bei Kontakt mit dem Substrat 1 bzw. der dielektrischen Isolationsschicht 2 keine unkontrollierbaren Legierungsprozesse hervorrufen. Als hochleitfähige Materialien werden daher insbesondere Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Platin, oder dergleichen verwendet. Aufgrund seiner einfachen Prozessierbarkeit eignet sich Aluminium besonders vorteilhaft als Material für die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen.

[0028] Auf diese Weise werden zwei gemäß den obigen Erläuterungen prozessierte Strukturen, jeweils bestehend aus einem Substrat 1 bzw. 1', einer dielektrischen Isolationsschicht 2 bzw. 2' und einer strukturierten Koplanarwellenleiter-Metallisierung 3 bzw. 3' hergestellt. Dabei werden die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen 3 und 3' der beiden Trägersubstrate 1 und 1' vorzugsweise konform zueinander ausgebildet.

[0029] Als nächstes, wie in Fig. 1b illustriert ist, werden die beiden Substrate 1 und 1' mit ihren prozessierten Oberflächen derart miteinander verbunden, dass die konform zueinander ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen 3 und 3' bündig aufeinander zur Anlage gelangen und fest miteinander verbunden werden. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise mittels eines Mikrowellen-Heiz-Verfahrens ausgeführt werden, welches die beiden Metallisierungen 3 und 3' fest miteinander bondet bzw. verbindet. Die aus den beiden Trägersubstraten 1 und 1' bestehenden Strukturen werden in geeigneter Weise zusammengedrückt und mit einer passenden MikrowellenBestrahlung beaufschlagt. Das meiste der elektromagnetischen Energie tritt innerhalb der Skin-Tiefe, d.h. an der Oberfläche der Metallisierung, auf. Somit wird die Wärme vorteilhaft exakt in diesen Bereichen erzeugt, welche miteinander verbunden werden sollen. Eine derartige Mikrowellen-Heiz-Technik kann über einen längeren Zeitraum von beispielsweise etlichen Stunden angewendet werden, wobei eine stabile Struktur gemäß Fig. 1b entsteht.

[0030] In einem nächsten Verfahrensschritt, wie in Fig. 1c illustriert ist, werden die beiden Substrate 1 und 1' von ihren freien Oberflächen, d.h. den Metallisierungen 3 und 3' gegenüberliegenden Flächen, her zurückgeätzt, um vorzugsweise vertikale und periodisch angeordnete Gräben 4 bzw. 4' zwischen zurückbleibenden Substrat-Bereichen zu schaffen. Dabei bieten sich insbesondere zwei Ätzverfahren zur Herstellung der vertikalen und tiefen Strukturen gemäß Fig. 1c an.

[0031] Als einfaches Standard-Verfahren kann ein anisotropes nasschemisches Ätzverfahren mittels einer Ätzlösung, beispielsweise einer KOH-Lösung, verwendet werden. Aufgrund der Anisotropie dieser anisotropen nasschemischen Zurückätzung entstehen die in Fig. 1c vertikalen Gräben 4 bzw. 4' mit einem großen Aspektverhältnis. Für die strukturierten Ätzverfahren kann beispielsweise eine Siliziumnitrid-Schicht auf den freien Oberflächen des Substrates 1 und des Substrates 1' abgeschieden und mittels eines gängigen Verfahrens für die anschließende Ätzung strukturiert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines gängigen Photolithographie-Prozesses erfolgen.

[0032] Ein weiteres vorteilhaftes Ätzverfahren stellt das Advanced Silicon Etching (ASE)-Verfahren dar. Durch ein derartiges ASE-Verfahren können ebenfalls auf einfache Weise vertikale Gräben 4 bzw. 4' in den beiden Substraten 1 und 1' geätzt werden. Dabei kann wiederum eine geeignete Ätzlösung verwendet werden.

[0033] Wie in Fig. 1c ferner ersichtlich ist, dient die dielektrische Isolationsschicht 2 bzw. 2' bei den oben beschriebenen Ätzvorgängen als Schutz der Metallisierungen 3 und 3' vor dem verwendeten Ätzmittel.

[0034] Nachfolgend werden in einem nächsten Verfahrensschritt gemäß Fig. 1d die frei liegenden Bereiche der dielektrischen Isolationsschichten 2 und 2' in den zurückgeätzten Substrat-Bereichen 4 und 4' mittels beispielsweise eines Trocken-Ätzverfahrens entfernt, wodurch die in Fig. 1d illustrierte Struktur entsteht.

[0035] Schließlich, wie in Fig. 1 e-1 dargestellt ist, wird die in Fig. 1d erhaltene Struktur mittels eines geeigneten Werkzeuges in die benötigte Form geschnitten. Die in Fig. 1e-1 dargestellte Form ist beispielsweise für eine Verwendung eines Bauteils als Filter geeignet. Bei der Verwendung des Bauteils als Micro Cavity bzw. Mikro-Hohlbereich würde mindestens ein vertikaler Substrat-Bereich auf beiden Seiten der Struktur vollständig entfernt werden, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.

[0036] Fig. 1e-2 illustriert eine Draufsicht auf die hergestellte PBG-Struktur aus Fig. 1e-1.

[0037] Somit ist auf einfache und kostengünstige Weise durch die Verfahrensschritte gemäß den Fig. 1a-2 bis Fig. 1e-1 eine PBG-Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorstehenden Erfindung geschaffen worden, welche die die elektromagnetischen Wellen führenden Metallisierungen 3 und 3' in eine periodische Anordnung von Substrat-Bereichen einbettet, wobei die Substratbereiche jeweils durch Luftbereiche periodisch voneinander getrennt sind.

[0038] Wie oben bereits erläutert, ist die derart hergestellte PBG-Struktur für Technologien, welche auf Silizium basieren, geeignet. Im folgenden wird eine Integration der zuvor hergestellten PBG-Struktur in einem Silizium-Hauptträger bzw. ein Silizium-Hauptsubstrat 6 näher erläutert. Fig. 2-1 illustriert eine Querschnittsansicht und Fig. 2-2 eine Draufsicht auf ein Hauptsubstrat 6, vorzugsweise ebenfalls ein Silizium-Substrat. Das Hauptsubstrat 6 weist vorzugsweise ebenfalls eine strukturierte Koplanarwellenleiter-Metallisierung 8 auf, welche vorzugsweise konform zu den Koplanarwellenleiter-Metallisierungen 3 und 3' der zuvor hergestellten PBG-Struktur ausgebildet ist.

[0039] Wie in Fig. 2-2 ferner ersichtlich ist, weist das Hauptsubstrat 6 zwischen der Koplanarwellenleiter-Metallisierung 8 und dem Hauptsubstrat eine dielektrische Isolationsschicht 2 auf, welche vorzugsweise aus demselben Material wie die dielektrische Isolationsschichten 2 und 2' der Trägersubstrate 1 und 1' besteht.

[0040] Ferner, wie in Fig. 2-1 ersichtlich ist, weist das Hauptsubstrat 6 vorzugsweise eine mittels eines gängigen Ätzverfahrens zurückgeätzte Vertiefung 9 auf.

[0041] Wiederum kann beispielsweise ein standardmäßiges anisotropes nasschemisches Ätzverfahren mittels einer KOH-Lösung oder ein ASE-Ätzverfahren zur Zurückätzung des Hauptsubstrates 6 zur Bildung der Vertiefung 9 verwendet werden.

[0042] Fig. 3 illustriert eine Querschnittsansicht einer PBG-Struktur, welche über geeignete Bindemittel 10 zumindest teilweise in die Vertiefung 9 des Hauptsubstrates 6 eingesetzt und über die Bindemittel 10 derart auf dem Hauptsubstrat 6 angebracht ist, dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen 3 bzw. 3' mit den konform ausgebildeten Metallisierungen 8 des Hauptsubstrates 6 zumindest teilweise verbunden werden. Die in Fig. 3 dargestellte periodische Struktur kann beispielsweise als Filter im Hochfrequenzbereich bzw. im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich verwendet werden.

[0043] Fig. 4 illustriert eine Querschnittsansicht eines weiteren Bauteils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem im Unterschied zu dem Bauteil gemäß Fig. 3 mindestens ein periodisch vorgesehener Substrat-Bereich der PBG-Struktur vollständig entfernt wird. Dadurch wird der in Fig. 4 dargestellte Hohlbereich bzw. die Micro Cavity 11 zur Bildung eines Bauteils erzeugt, welches beispielsweise für Resonatoren oder für Micro Cavity- bzw. Mikrohohlbereich-Anwendungen im Hochfrequenzbereich bzw. im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich geeignet ist.

[0044] Die PBG-Struktur wird auf analoge Weise gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 auf dem Hauptsubstrat 6 angebracht und teilweise in die Vertiefung 9 eingesetzt.

[0045] Somit besteht der einzige Unterschied in einer Entfernung mindestens einer periodischen Zelle der in Fig. 3 dargestellten Filter-Struktur.

[0046] Fig. 5 illustriert eine Draufsicht auf ein Bauelement gemäß Fig. 3 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 5 ersichtlich ist, verlaufen die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen 3 und 3' der PBG-Struktur und des Hauptsubstrates 6 geradlinig und konform zueinander.

[0047] Bei einem derartigen Aufbau würde beispielsweise eine Zwei-Schicht-PBG-Struktur mit einer dielektrischen Konstante von 1 (entspricht der dielektrischen Konstante von Luft) und einer dielektrischen Konstante von 13 (entspricht der dielektrischen Konstante von Galiumarsenid oder ungefähr der dielektrischen Konstante von Silizium) eine Periodenlänge, d.h. eine Periode von Luft und Silizium in der in Fig. 5 dargestellten Struktur, besitzen, welche sich ungefähr bei einer angenommenen Resonanzfrequenz von 18 GHz zu 333 µm ergibt.

[0048] Fig. 6 illustriert eine Draufsicht auf ein Bauteil gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches eine geringere Oberfläche an Silizium benötigt und somit eine höhere Integrationsdichte aufweist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verlaufen sowohl die Metallisierungen 8 des Hauptsubstrates 6 als auch die Metallisierungen 3 und 3' der PBG-Struktur mäanderförmig, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Dadurch kann die Abmessung des Bauteils erheblich verringert werden und die Kompatibilität mit auf Silizium basierenden Technologien erhöht werden.

[0049] Es wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ein Bauteil zur Verwendung im Hochfrequenzbereich, beispielsweise als Filter oder als Micro Cavity, geschaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Integrationsdichte, ein einfacheres und kostengünstigeres Herstellungsverfahren und einen höheren Qualitätsfaktor aufweist, da eine kompakte und verlustarme Struktur aufgrund der reduzierten Höhe und der planaren Ausgestaltung geschaffen wird. Ferner sind die auf einfache Weise hergestellten PBG-Strukturen in auf Silizium basierenden Technologien integrierbar.

[0050] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Bezugszeichenliste

[0051] 

1, 1'

Substrat

2, 2'

dielektrische Isolationsschicht

3, 3'

Koplanarwellenleiter-Metallisierung

4, 4'

zurückgeätzter Substratbereiche/vertikale Gräben

6

Hauptsubstrat

7

dielektrische Isolationsschicht

8

Koplanarwellenleiter-Metallisierung

9

Vertiefung

10

Bindemittel

11

Hohlbereich/Micro Cavity

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Photonic-Band-Gap-Struktur (PBG-Struktur) auf einem Substrat mit folgenden Verfahrensschritten:

- Bilden zueinander konform ausgebildeter Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') auf den Flächen zweier Substrate (1; 1');

- Kontaktieren der zueinander konform ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') der beiden Substrate (1; 1'); und

- strukturiert Zurückätzen der beiden Substrate (1; 1') von den den Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') gegenüberliegenden Flächen der beiden Substrate (1; 1') her.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Bilden der Koplanarwellen-Metallisierungen (3; 3') zusätzliche Schichten (2; 2'), vorzugsweise dielektrische Isolationsschichten (2, 2') auf jeweils einer Fläche der beiden Substrate (1; 1') gebildet und nach dem strukturisierten Zurückätzen der Substrate (1; 1') in den zurückgeätzten Bereichen entfernt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Substrate (1; 1') zum Bilden von jeweils periodisch angeordneten vertikalen Substrat-Bereichen strukturiert zurückgeätzt werden.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') linear und/oder mäanderförmig über den jeweiligen dielektrischen Isolationsschichten (2; 2') der beiden Substrate (1; 1') gebildet werden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Substrate (1; 1') mittels eines anisotropen, vorzugsweise nasschemischen Ätzverfahrens unter Verwendung beispielsweise einer KOH-Lösung zurückgeätzt werden.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Substrate (1; 1') mittels eines ASE (advanced silicon etching)-Verfahrens zurückgeätzt werden.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dielektrischen Isolationsschichten (2; 2') mittels eines Trocken-Ätzverfahrens entfernt werden.

8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') mittels eines Mikrowellen-Heiz-Verfahrens miteinander verbunden werden.

9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur mittels einer geeigneten Schneideinrichtung in geeignete Formen geschnitten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die formgeschnittene PBG-Struktur in eine zurückgeätzte Vertiefung (9) eines Hauptsubstrates (6) zumindest teilweise eingesetzt und auf diesem angebracht wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur als Filter für eine Anwendung im Mikrowellen-und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur als Hohlbereich (11) bzw. Micro Cavity für eine Anwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet wird, indem mindestens ein periodisch vorgesehener Substrat-Bereich der PBG-Struktur zum Bilden des Hohlbereiches (11) entfernt wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Substrate (1; 1') und das Hauptsubstrat (6) als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet werden.

14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dielektrischen Isolationsschichten (2; 2') aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium mit Luftbereichen, oder dergleichen hergestellt werden.

15. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet werden.

16. Bauelement zur Verwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich mit:

- einem Hauptsubstrat (6), welches eine zurückgeätzte Vertiefung (9) aufweist; und mit

- einer Photonic-Band-Gap-Struktur (PBG-Struktur) aus zwei miteinander verbundenen Teilen, welche jeweils aus einem Substrat (1; 1'), konform zueinander ausgebildeten Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') im Verbindungsabschnitt und strukturiert zurückgeätzten Substrat-Bereichen (4; 4') im freiliegenden Abschnitt bestehen; wobei die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') der beiden Teile zum Bilden der PBG-Struktur miteinander kontaktierbar sind und wobei die PBG-Struktur zumindest teilweise in die zurückgeätzte Vertiefung (9) des Hauptsubstrates (6) einsetzbar ist.

17. Bauelement nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturiert zurückgeätzten Substrat-Bereiche (4; 4') der PBG-Struktur zum Bilden von periodisch angeordneten vertikalen Substrat-Bereichen ausgebildet sind.

18. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') linear und/oder mäanderförmig ausgebildet sind.

19. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur als Filter für eine Anwendung im Mikrowellen-und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet ist.

20. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur als Hohlbereich bzw. Micro Cavity (11) für eine Anwendung im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich ausgebildet ist, indem mindestens ein periodisch vorgesehener Substrat-Bereich der PBG-Struktur zum Bilden des Hohlbereiches (11) entfernbar ist.

21. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Substrate (1; 1') und das Hauptsubstrat (6) als Silizium-Substrate ausgebildet sind.

22. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koplanarwellenleiter-Metallisierungen (3; 3') aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet sind.

23. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass die PBG-Struktur mittels eines geeigneten Bindemittels (10) derart auf einem Randabschnitt der Vertiefung (9) des Hauptsubstrats (6) anbringbar ist, dass die PBG-Struktur zumindest teilweise in die Vertiefung (9) des Hauptsubstrates (6) eingesetzt ist.

Zeichnung