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Querbezug auf verwandte
Anmeldungen.
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Die
folgende Anmeldung steht in Bezug zu folgende US-Patentanmeldungen:
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Die
oben angegebenen Anmeldungen wurden gemeinsam mit der vorliegenden
Erfindung übertragen.
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein integrierte Schaltungen
und insbesondere eine integrierte Schaltung mit einer Kapazität und einem
ferromagnetischen Kern, außerdem
betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen der Schaltung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
magnetisches Bauelement enthält
einen mit leitenden Wicklungen gekoppelten Magnetkern, so dass Induktionsfluss
in einem geschlossenen Kreis um den Kern herrscht. Magnetische Bauelemente
sind im Allgemeinen als EE-Struktur
oder mit Torus-Geometrie ausgebildet. Bei dem magnetischen Bauelement
vom EE-Typ umgeben ein erster und ein zweiter Kernabschnitt des
magnetischen Kerns die Leiterwicklungen. Im torus-förmigen magnetischen
Bauelement umgeben ein erster und ein zweiter Wicklungsteil der
Leiterwicklungen den magnetischen Kern.
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Magnetische
Bauelemente (z.B. Mikroinduktivitäten oder Mikroübertrager)
sind als integrierte Schaltung ausgebildete magnetische Bauelemente
im Mikromaßstab,
wobei die elektromagnetischen Eigenschaften des Bauelements bestimmt
werden durch das Vorhandensein des magnetischen Kerns und der Leiterwicklungen.
In der Vergangenheit waren mikromagnetische Bauelemente nur bei
Anwendungen mit niedrigem Signalpegel einsetzbar (beispielsweise
bei Aufzeichnungsköpfen).
Mit der Entwicklung der Fertigungsverfahren bei integrierten Schaltungen
ist es nunmehr möglich,
mikromagnetische Bauelemente für
eine Großsignal-Leistungsverarbeitung,
für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung
und andere Anwendungen zu fertigen. Beispielsweise können mikromagnetische
Bauelemente in Leistungssystemen für drahtlose Kommunikationseinrichtungen
oder in Datenübertragungsschaltungen
eingesetzt werden.
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Während zahlreiche
Leistungs-Halbleiterbauelemente (beispielsweise solche mit Ferrit-Kern)
zu integrierten Schaltungen verkleinert wurden, bleiben induktive
Elemente derzeit noch diskret und baulich voluminös. Natürlich gibt
es ein starkes Bedürfnis,
auch diese induktiven Bauelemente zu miniaturisieren. Durch Erweitern
von Dünnschicht-Verfahren,
wie sie bei Leistungs-Halbleiterbauelementen eingesetzt werden,
auf ferromagnetische Werkstoffe, lässt sich die Größe der herkömmlichen
diskreten induktiven Bauelemente mit induktivem ferromagnetischen
Kern deutlich reduzieren. Ferromagnetische Werkstoffe wie beispielsweise
Legierungen besitzen allerdings viel höhere Sättigungsflussdichten als Ferrite
(z.B. 10–20
kG gegenüber
3 kG), wodurch das bauliche Volumen des Kerns für eine gegebene Induktivitäts- und
Energieanforderung kleiner wird. Um die Wirbelstromverluste in ferromagnetischem
Werkstoff zu begrenzen, müssen
die Werkstoffe in ungewöhnlich
dünnen
Schichten gefertigt werden. Die Verarbeitung von ferromagnetischen
Dünnschichtwerkstoffen
mit traditionellen Walz- und Bandwickelverfahren erweist sich als äußerst kostspielig,
wenn die angestrebte Banddicke auf weniger als 0,001 Zoll (d.h.
25 μm) sinkt.
Es ist daher von Vorteil, derartige Dünnschichten mit Hilfe anderer
bei integrierten Schaltungen üblichen
Niederschlagverfahren zu fertigen, beispielsweise durch Aufdampfen
oder Galvanisieren.
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Eine
weitere relevante Überlegung
in Verbindung mit der Fertigung mikromagnetischer Bauelemente ist
das Anbringen des ferromagnetischen Werkstoffs an einem aus Lithium
oder dergleichen bestehenden Substrat. Insbesondere ist die Schaffung
einer angemessenen Bindung zwischen dem ferromagnetischen Werkstoff
und dem mit dem Substrat gekoppelten Isolator ein wichtiger Punkt.
Zahlreiche Faktoren (so beispielsweise die Oxidbildung, die Schmelzpunkttemperatur,
die Zwischenverunreinigung, die Affinität zwischen den Werkstoffen
und mechanische Spannung an der Grenzfläche) können das Haften einer Dünnschicht
an einem Substrat beeinflussen. Beispielsweise ist eine bei der
Fertigung von Dünnschichtstrukturen übliche Methode die
Ausbildung einer Oxid-Metall-Bindung an der Grenzfläche zwischen
Substrat und Dünnschicht.
Die Oxid-Metall-Bindung lässt
sich herstellen unter Verwendung eines sauerstoffaktiven Metalls
(beispielsweise Wolfram oder Chrom) auf einem oxidhaltigen Substrat
(beispielsweise Glas oder Keramik) in Verbindung mit einem feuerfesten
Metall (beispielsweise Tantal oder Wolfram). Was die Verunreinigungen
angeht, so ist es Vorteil, mögliche
Verunreinigungen zu beseitigen, die in dem Substrat eingelagert
sind. Reinigungsverfahren unterscheiden sich in der Wirksamkeit
und in dem ausgewählten
Verfahren abhängig
von der Fähigkeit
des Niederschlagungsverfahrens, Verunreinigungsatome zu beseitigen.
Um ein Beispiel zu geben: Man kann unterschiedliche Reinigungsverfahren
beim Bedampfen und beim Galvanisieren verwenden.
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Natürlich hängt die
letztliche Entscheidung bezüglich
der Hafteigenschaften von den verwendeten Werkstoffen ab. Während Andere
versucht haben, das Haften ferromagnetischer Werkstoffe an einem
mit einem Substrat gekoppelten Isolator zu klären (z.B. Measured Performance
of a High-Power-Density Microfabricated Transformer in a DC-DC Converter
von Charles A. Sullivan und Seth R. Sanders, IEEE Power Electronics
Specialists Conference, Seiten 287–294 (Juli 1996)), bleibt allerdings
das Problem bis heute ungelöst.
Die Entwicklung eines Klebstoffs, der gleichzeitig eine Bindung
mit dem Isolator und dem ferromagnetischen Werkstoff eingeht, so
dass eine Dünnschichtverarbeitung
bei induktiven Elementen angewendet werden kann, wäre die Grundlage
für die
Einführung
mikromagnetischer Bauelemente in eine Vielzahl von Anwendungen mit
integrierten Schaltungen.
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Was
die magnetischen Eigenschaften angeht, so sind derzeitige mikromagnetische
Bauelemente typischerweise isotrop insofern, als ihre Eigenschaften
auch bei Messung in verschiedenen Richtungen gleich sind. Obschon
auf dem Gebiet der Magnettechnik anisotrope Eigenschaften grundsätzlich bekannt
sind, wurden anisotrope Eigenschaften beim Entwurf mikromagnetischer
Bauelemente noch nicht eingesetzt, was zum Teil darauf zurückzuführen ist,
dass es die oben angesprochenen Beschränkungen bei der Fertigung von
mikromagnetischen integrierten Schaltungen gibt. Mikromagnetische
Bauelemente mit der Fähigkeit,
in den Kern eine gezielte magnetische Anisotropie einzubeziehen,
welche eine gewünschte
Richtung und gewünschte Kennwerte
besitzt, wären äußerst nützlich.
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Mikromagnetische
Bauelemente, die sich fertigen lassen unter Verwendung verbesserter
Klebstoffe, und die eine magnetische anisotrope Eigenschaft innerhalb
des Kerns besitzen, würden
eine große
Vielfalt von Anwendungen mit integrierten Schaltungen ermöglichen.
Einige dieser mikromagnetischen Anwendungsgebiete beinhalten Schaltungen
für die
Leistungsverarbeitung, die Datenübertragung,
Hochfrequenzschaltungen sowie integrierte Motorsteuerschaltungen.
Zusammengefasst: Die Fähigkeit,
mikromagnetische Bauelemente mit anderen aktiven oder passiven Schaltungskomponenten
wie z.B. Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Widerstände und
dergleichen unter Schaffung im Wesentlichen einer gesamtheitlichen
integrierten Schaltung zu integrieren, wäre äußerst nützlich.
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Was
benötigt
wird im Stand der Technik ist also eine integrierte Schaltung, die
nicht nur ein mikromagnetisches Bauelement enthält, sondern weitere Mikrokomponenten
wie beispielsweise Kondensatoren und Transistoren beinhaltet.
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Offenbarung
der Erfindung
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Um
die oben angesprochenen Unzulänglichkeiten
im Stand der Technik zu beheben, schafft die vorliegende Erfindung
eine integrierte Schaltung und ein Verfahren zu deren Fertigung.
In einer Ausführungsform enthält die integrierte
Schaltung ein Substrat mit einem Isolator und einem über dem
Isolator gebildeten Kondensator. Außerdem enthält die integrierte Schaltung
einen über
dem Isolator ausgebildeten Klebstoff. Die integrierte Schaltung
enthält
weiterhin ein mikromagnetisches Bauelement, welches einen über dem
Klebstoff gebildeten ferromagnetischen Kern aufweist. Der Klebstoff
erzeugt eine Bindung zwischen dem Isolator und dem ferromagnetischen
Kern, um letzteren am Substrat zu befestigen. Das mikromagnetische
Bauelement enthält
außerdem
mindestens eine Wicklung, die nahe bei dem ferromagnetischen Kern
angeordnet ist, um diesem eine gewünschte magnetische Eigenschaft
zu verleihen. Das mikromagnetische Bauelement ist elektrisch mit
dem Kondensator gekoppelt. Die integrierte Schaltung kann in zahlreichen
Anwendungen eingesetzt werden, so z.B. in Filterschaltungen.
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Zusätzlich zu
dem mikromagnetischen Bauelement enthält in einer verwandten, jedoch
alternativen Ausführungsform
die integrierte Schaltung einen Transistor, der auf dem Substrat
ausgebildet und elektrisch mit dem ferromagnetischen Kern gekoppelt
ist. Der Kondensator, das mikromagnetische Bauelement und der Transistor
können
mit weiteren Bauelemente in HF-Schaltungen, Leistungsverarbeitungsschaltungen
und anderen Schaltkreisen eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Um
ein umfassenderes Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erlangen, wird im Folgenden auf die
nachfolgende Beschreibung in Verbindung auf die begleitenden Zeichnungen
Bezug genommen. Es zeigen:
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1A in
schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Leistungsverarbeitungsschaltung, die
nach den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist;
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1B ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Datenübertragungsschaltung,
die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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1C ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer HF-Schaltung,
die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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1D ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Motorsteuerschaltung,
die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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2A eine
Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines mikromagnetischen Bauelements, das gemäß den Prinzipien der Erfindung
aufgebaut ist;
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2B eine
Draufsicht auf ein mikromagnetisches Bauelement, wobei die resultierenden
B-H-Kurven für
verschiedene verfügbare
externe Magnetfeldorientierungen dargestellt sind;
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3 eine
Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines mikromagnetischen Bauelements, welches gemäß den Prinzipien der Erfindung
aufgebaut ist;
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4 eine
Querschnittansicht einer Ausführungsform
einer integrierten Schaltung mit einem mikromagnetischen Bauelement,
das gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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5A ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Tiefpassfilterschaltung,
die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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5B eine
Querschnittansicht einer integrierten Schaltung, die eine Ausführungsform
der Tiefpassfilter nach 5A mit
Aufbau gemäß den Prinzipien
der Erfindung darstellt;
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5C eine
Draufsicht auf die in 5B im Querschnitt dargestellte
integrierte Schaltung, welche eine Ausführungsform der Tiefpassfilterschaltung
nach 5A repräsentiert;
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6A ein
schematisches Diagramm einer Hochpassfilterschaltung, die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist;
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6B eine
Querschnittansicht einer integrierten Schaltung einer Ausführungsform
der in 6A dargestellten Hochpassfilterschaltung,
aufgebaut gemäß den Prinzipien
der Erfindung;
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7A ein
schematisches Diagramm eines Bandpassfilters, aufgebaut gemäß den Prinzipien
der Erfindung;
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7B ein
schematisches Diagramm eines Kerbfilters, aufgebaut gemäß den Prinzipien
der Erfindung; und
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8 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Fertigen der integrierten Schaltung nach 6B.
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Detaillierte
Beschreibung
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Zunächst auf 1A Bezug
nehmend, ist dort ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer
Leistungsverarbeitungsschaltung 10 gemäß den Prinzipien der Erfindung
dargestellt. Die Leistungsverarbeitungsschaltung 10 enthält einen
Leistungsstrang mit einer Umwandlungsstufe, die eine Schaltvorrichtung 15 zum
Empfangen eines elektrischen Eingangs-Leistungssignals VIN enthält
und am Ausgang eine geschaltete elektrische Leistung abgibt. Die
Leistungsverarbeitungsschaltung 10 enthält weiterhin eine Filterschaltung (mit
einer Ausgangsinduktivität 43 und
einem Ausgangskondensator 48) zum Filtern der geschalteten
elektrischen Leistung, um ein elektrisches Ausgangs-Leistungssignal
zu erzeugen (dargestellt als Spannung VOUT). Die
Leistungsverarbeitungsschaltung 10 enthält weiterhin ein mikromagnetisches
Leistungsbauelement (z.B. einen Übertrager) 20 mit
einer Primärwicklung 23 und
einer Sekundärwicklung 26,
außerdem
einen Gleichrichter (mit Gleichrichterdioden 30, 40),
der zwischen die Leistungswandlerstufe und die Filterstufe gekoppelt
ist. Gemäß den im
Folgenden beschriebenen Prinzipien kann die Leistungsverarbeitungsschaltung 10,
die z.B. den Übertrager 20,
die Ausgangsinduktivität 43 und
die Ausgangskapazität 48 beinhaltet,
als integrierte Schaltung ausgebildet sein. Allerdings sollte sich
verstehen, dass die Leistungsverarbeitungsschaltung 10 hier
nur zu Anschauungszwecken dargestellt ist.
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Nunmehr
auf 1B Bezug nehmen, ist dort ein schematisches Diagramm
einer Ausführungsform
einer Datenübertragungsschaltung 50 dargestellt,
die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist. Die Datenübertragungsschaltung 50 enthält eine
erste Kommunikationsschaltung 55 zum Empfangen eines Nachrichtensignals.
Die Datenübertragungsschaltung 50 enthält weiterhin
eine zweite Kommunikationsschaltung 75 zum Senden des Nachrichtensignals.
Die Datenübertragungsschaltung 50 enthält ferner
ein Übertragungs-Leitungskabel 65 mit
einer charakteristischen Impedanz Z0, um
die erste Kommunikationsschaltung 55 mit der zweiten Kommunikationsschaltung 75 zu
verbinden. Die Datenübertragungsschaltung 50 enthält weiterhin
ein erstes und ein zweites mikromagnetisches, zur Datenübertragung
dienendes Bauelement 60 und 70, die zwischen das Übertragungs-Leitungskabel 65 und
die erste bzw. die zweite Kommunikationsschaltung 55 bzw. 75 geschaltet
ist. Das erste und das zweite mikromagnetische Datenübertragungs-Bauelement 60, 70 sind
gemäß den im
Folgenden beschriebenen Prinzipien der Erfindung aufgebaut.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
können
das erste und das zweite mikromagnetische Datenübertragungs-Bauelement 60, 70 verschiedene
Funktionen aufweisen, darunter ohne Beschränkung eine Spannungsumformung,
eine Impedanzumformung von einer Senderimpedanz der zweiten Kommunikationsschaltung 75 in
die charakteristische Impedanz Z0 und von
der charakteristischen Impedanz Z0 auf eine
Empfängerimpedanz
der ersten Kommunikationsschaltung 75. Weitere Funktionen
beinhalten die Umwandlung von einem unsymmetrischen in ein symmetrisches
Signal und die Unterdrückung
der elektromagnetischen Beeinflussung. Gemäß den Prinzipien, wie sie im
Folgenden beschrieben werden, kann die beispielsweise das erste
und das zweite mikromagnetische Datenübertragungs-Bauelement 60 und 70 enthaltende
Datenübertragungsschaltung 50 als
integrierte Schaltung ausgebildet werden. Die Datenübertragungsschaltung 50 und
das erste und das zweite mikromagnetische Datenübertragungsbauelement 60 und 70 dienen
hier aber lediglich als Beispiel.
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Nunmehr
auf 1C Bezug nehmend, ist dort ein schematisches Diagramm
einer Ausführungsform einer
HF-Schaltung 100 dargestellt, die nach den Prinzipien der
Erfindung aufgebaut ist. Die HF-Schaltung 100 enthält einen
N-Kanal-MOSFET 110,
eine mikromagnetische Induktivität 120 und
eine Kapazität 130.
Die HF-Schaltung 100 ist ein HF-Verstärker, der ein Eingangssignal
Vin mit einer Hochfrequenz empfängt,
welche durch die Resonanzfrequenz der Parallelschaltung aus der
mikromagnetischen Induktivität 120 und
der Kapazität 130 bestimmt
wird. Dann lässt
sich in passender Weise an eine andere Schaltung ein verstärktes Ausgangssignal
Vout liefern. Der N-Kanal-MOSFET 110, die mikromagnetische
Induktivität 120 und
die Kapazität 130 sind
nach den Prinzipien der Erfindung aufgebaut, wie es im Folgenden
beschrieben wird. Natürlich
ist die HF-Schaltung 100 beispielhaft für andere HF-Schaltungen, beispielsweise
Filter, Modulatoren, Demodulatoren oder andere Parallel- oder Reinschaltungen,
die möglicherweise
eingesetzt werden.
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Nach 1D ist
eine schematisch dargestellte Motorsteuerschaltung 150 gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut. Die Motorsteuerschaltung 150 enthält ein Gleichrichtersystem 155,
eine mikromagnetische Induktivität 160,
eine Kapazität 165,
ein Wechselrichter-/Steuersystem 170 und einen Motor 175.
Das Gleichrichtersystem 155, welches für Einzelphasen- oder Drehstrom-Wechselstromquellen
ausgelegt sein kann, wandelt eine Wechselspannung in eine Gleichspannung
um, und die Kombination aus mikromagnetischer Induktivität 160 mit
dem Kondensator 165 bildet ein Tiefpassfilter, um die von
der Wechselrichter-Steuerung 170 kommende Gleichspannung
zusätzlich
zu glätten.
Die Wechselrichter-Steuerung 170 wandelt dann die Gleichspannung
in ein Drehstromsignal um, welches den Motor 175 speist.
Die Wechselrichter-Steuerung 170 kann
mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt werden, um eine variable
Motordrehzahlsteuerung zu ermöglichen.
Die Motorsteuerschaltung 150, die z.B. das Tiefpassfilter
(die mikromagnetische Induktivität 160 und
die Kapazität 165)
sowie das Gleichrichtersystem 155 und die Wechselrichter/Steuerung 170 enthält, sind nach
den Prinzipien der Erfindung aufgebaut, wie es im Folgenden erläutert wird.
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Nunmehr
auf 2A Bezug nehmend, ist dort eine Draufsicht auf
eine Ausführungsform
eines mikromagnetischen Bauelements 200 gemäß der Erfindung
dargestellt. Das mikromagnetische Bauelement 200 ist eine Übertragereinrichtung
vom EE-Typ. Das mikromagnetische Bauelement 200 enthält einen
ferromagnetischen Kern mit einem ersten Kernteil oder -abschnitt 210 und
einen zweiten Kernteil 215. Während der ferromagnetische
Kern sich aus einer Legierung zusammensetzen lässt (beispielsweise aus PermalloyTM, bestehend aus Nickel-Eisen mit etwa 80%
Nickel und 20% Eisen), umfasst der Schutzumfang der Erfindung auch andere
ferromagnetische Werkstoffe. Das mikromagnetische Bauelement 200 enthält weiterhin
leitende Wicklungen mit einer Primärwicklung 220 und
einer Sekundärwicklung 225.
Natürlich
können
die Wicklungen aus einem beliebigen leitenden Werkstoff bestehen.
Die Primärwicklung 220 ist
mit mehreren Anschlüssen 230, 235 abgeschlossen,
die Sekundärwicklung 225 mit
mehreren Anschlüssen 240, 245.
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Er
erste und der zweite Kernteil 210, 215 umgeben
die Primär-
und die Sekundärwicklung 220, 225. Der
Induktionsfluss des mikromagnetischen Bauelements 200 fließt vorherrschend
entlang der Breite des ferromagnetischen Kerns. Als Folge davon
ist der ferromagnetische Kern anisotrop und steuert damit Hystereseverluste
bei höheren
Frequenzen (z.B. oberhalb von 10 MHz). Der erste und der zweite
Kernteil 210, 215 lassen sich durch magnetische
Durchführungen
koppeln (wenn anisotrope Eigenschaft und Steuerung erwünscht sind),
oder können
getrennt sein (wenn ein Luftspalt erwünscht ist). Der Aufbau vom
EE-Typ steuert in wirksamer Weise die Permeabilität des ferromagnetischen
Kerns durch Regulieren der Richtung der induzierten Anisotropie
in Bezug auf den magnetischen Feldvektor.
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Was
das ferromagnetische Material angeht, so ist dessen Gesamtdicke
abhängig
von den Induktivitätsanforderungen
an das Bauelement ausgewählt.
Für einen
Betrieb bei relativ hohen Frequenzen (z.B. oberhalb von 10 MHz)
können
in den ferromagnetischen Werkstoffen induzierte Wirbelströme problematisch
werden aufgrund des sich dann ergebenden geringen spezifischen Widerstands
(z.B. ρ ~
20–100 μΩcm). Um
Wirbelströme
zu verringern, sollte die magnetische Schichtdicke des ferromagnetischen
Werkstoffs begrenzt werden auf einen Bruchteil der Hautdicke δ (mit δ = (ρ/πfμ)2 für
eine gegebene Betriebsfrequenz f]. Bei 8 MHz und μ = 1000 beispielsweise
beträgt
die Hauttiefe etwa 2,5 μm.
Um die Auswirkung von Wirbelströmen
zu begrenzen, sollte die Schichtdicke also unter etwa 2 μm liegen
(offensichtlich sind noch dünnere
Schichten notwendig, wenn die Permeabilität zunimmt). Wenn die Induktivitäts-Spezifikation
eine größere Dicke
erfordert, sollten isolierte mehrlagige Schichten (wobei jede Schicht
nicht die erforderliche Hautdicke übersteigt) eingesetzt werden.
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Zur
Verwendung bei Datenübertragungsanwendungen
beispielsweise kann die Leistungsfähigkeit des mikromagnetischen
Bauelements 200 bei hohen Datenübertragungsraten durch parasitäre Elemente
abträglich
beeinflusst werden. Streuinduktivitäten und Zwischenwicklungs-Kapazitäten können Ursache
sein für
Verzerrungen, Überschwinger
und Rückschwinger,
die einen gesendeten Datenimpuls aus einer akzeptierbaren Übertragungsschablone
herausbringt.
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Solche
parasitären
Elemente können
beeinflusst werden durch eine bauliche Größe und Anordnung des mikromagnetischen
Bautelements 20. Allerdings lassen sich die parasitären Elemente
reduzieren durch Miniaturisieren des mikromagnetischen Bauelements 200 unter
Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
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Nunmehr
auf 2B Bezug nehmend, ist eine Draufsicht auf ein
mikromagnetisches Bauelement 250 dargestellt, wie die resultierenden
B-H-Kurven für
verschiedene mögliche
Orientierungen eines externen Magnetfelds zeigt. Die B-H-Kurve ist
eine Aufzeichnung der magnetischen Flussdichte (B) in Abhängigkeit
der Magnetisierungskraft (H) für
einen magnetischen Werkstoff. Wie anhand der 2A diskutiert
ist, fließt
der Induktionsfluss des mikromagnetischen Bauelements 200 vorherrschend
entlang der Breite des ferromagnetischen Kerns. Dieser Effekt bewirkt,
dass der ferromagnetische Kern aufgrund der baulichen Geometrie
anisotrop ist. Die anisotrope Eigenschaft lässt sich auch während des
Niederschlagungsprozesses erzeugen, wenn dieser in einem externen
Magnetfeld durchgeführt
wird unter Verwendung eines erregten Elektromagneten oder eine Dauermagneten.
Normalerweise ist das externe Magnetfeld gleichförmig und kann in Stärken von 10–500 Oersted
angelegt werden ["Oe"; 8000–40000 A/m].
Natürlich
gibt es einige Fälle,
in denen das Anlegen eines ungleichmäßigen externen Magnetfelds
nützlich
sein kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die induzierte
Anisotropie sowohl eine harte als auch eine weiche Achse in Verbindung
mit einer minimalen bzw. maximalen Permeabilität. Darüber hinaus ist bei dieser Ausführungsform
die harte Achse sowie die weiche Achse auch im Wesentlichen in Querrichtung
verlaufend dargestellt. Natürlich
können
andere Ausführungsformen
andere Orientierungen zwischen der harten und der weichen Achse
verwenden.
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Das
mikromagnetische Bauelement 250 zeigt eine B-N-Kurve mit
harter Achse 260 und einer B-H-Kurve 270 mit weicher
Achse. Die Permeabilität
ist proportional zur Steigung der B-H-Kurve, typischerweise definiert
in der mittleren Zone der B-H-Kurve entsprechend der nicht gesättigten
Betriebszone des Magnetkerns. In einigen Fällen lässt sich die Permeabilität gegenüber der
harten Achse zu der weichen Achse hin um das Fünffache steigern als Er gebnis
der Anisotropie. Außerdem
ist eine Zwischen- oder Mittelachsen-B-N-Kurve 280 dargestellt, deren
Kennlinienverlauf sich von demjenigen der harten Achse und der weichen
Achse der B-N-Kurven 260, 270 unterscheidet. Die
mittlere B-H-Kurve 280 ist typisch für maßgeschneiderte B-N-Kurven, die
sich während
der Niederschlagung des mikromagnetischen Kerns erzeugen lassen,
indem man das externe Magnetfeld in einer gewünschten Richtung orientiert.
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Nunmehr
auf 3 Bezug nehmend, ist dort eine Draufsicht auf
eine weitere Ausführungsform
eines mikromagnetischen Bauelements 300 gemäß der Erfindung
dargestellt. Das mikromagnetische Bauelement 300 ist ein
torusförmiger Übertrager.
Das mikromagnetische Bauelement 300 enthält einen
ferromagnetischen Kern 310 (in der Nähe eines Fensters 325)
sowie leitende Wicklungen (kollektiv mit 350 bezeichnet),
die den ferromagnetischen Kern 310 über Zwischenschicht-Durchkontaktierungen
(von denen eine mit 375 bezeichnet ist) umgeben und abgeschlossen
sind von mehreren Anschlüssen 380, 385, 390 und 395.
Die Innenschicht-Durchkontaktierungen 375 liegen innerhalb
des Fensters 325.
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Regeln
bezüglich
des Leitungsabstands und des Abstands zwischen den Durchkontaktierungen
bestimmen die Größe des Fensters 325.
Natürlich
ist im Hinblick auf zunehmend kleinere Bauelementgrößen eine
kleine Fensterbemessung erstrebenswert. Die Abmessung des Fensters 325 ist
allerdings begrenzt durch die Dicke des ferromagnetischen Werkstoffs,
die notwendig ist, um die geforderten Induktivitätskennwerte zu erreichen. Beispielsweise
wird die Induktivität
eines torusförmigen
Bauelements dann maximal, wenn der Torus im Großen und Ganzen kreisförmig ist.
Die Induktivität
wird kleiner, wenn der Torus die Form eines Quadrats hat (etwa 25%
weniger), was sich zusätzlich
verschlechtert, wenn das Quadrat zu einem Rechteck entartet. Die
Induktivität
L für einen
quadratischen Torus mit einer Kernbreite für eine minimale Fensterbemessung beträgt: L = μ0(N2t]/4(1 + π) wobei
N die Anzahl von Windungen der leitenden Wicklungen 250 und
t die Schichtdicke ist. Die Größe des Fensters 325 bestimmt
sich durch die kleinste Durchkontaktierungsgröße, den Zwischenabstand der
Durchkontaktierungen und deren Anzahl (bezogen auf die Anzahl von
Primär-
und Sekundärwindungen).
Um also die Formgröße des Bauelements
zu verringern, ist eine größere Kerndicke
notwendig, um eine äquivalente
Induktivität
für einen
ferromagnetischen EE-Kern gleicher Windungszahl und Kernbreite zu
erreichen.
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Es
sei daran erinnert, dass bei einer EE-Struktur weniger Durchkontaktierungen
zum Verbinden der Wicklungen erforderlich sind, was den Tipp-Raum
verringert, der benötigt
wird, um die Wicklungen mit dem Kern zu koppeln. Torusförmige Übertrager
bieten allerdings eine relativ flache und glatte Oberfläche zum
Niederschlagen des ferromagnetischen Materials und reduzieren dadurch
die Ausbildung von Spannungen, die möglicherweise die magnetischen
Eigenschaften des darauf niedergeschlagenen Films verschlechtern.
Dies ist besonders dann wichtig, wenn das ferromagnetische Material
eine hohe Magnetostriktionskonstante besitzt. Der Aufbau vom EE-Typ
erfordert außerdem
spezielle Maßnahmen
zur Schaffung eines durchgängigen magnetischen
Pfads von dem ersten Kernteil zu dem zweiten Kernteil. Erreicht
wird dies durch Einbringen von Durchkontaktierungen in die zentrale
Kernzone und an den beiden äußeren Kernrändern. Die
Durchkontaktierungen schaffen eine Verbindung für das ferromagnetische Material
in der Weise, dass der erste und der zweite Kernteil durchgängig miteinander
verbunden sind. Allerdings sind die Durchkontaktierungen eine Quelle
für Spannungskonzentration,
die eine zusätzliche
Steigungsverminderung erfordern, um akkumulierte Spannungen zu verringern.
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Während der 2 und 3 beide
das Bauelement vom EE-Typ und einen torusförmigen Übertrager zeigen (in Verbindung
mit deren Vorteilen und Nachteilen), sind in dem breiten Schutzumfang
der Erfindung auch andere mikromagnetische Bauelemente und deren
Anwendungen enthalten (einschließlich Abwandlungen der obigen
Bauelemente).
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Nunmehr
auf 4 Bezug nehmend, ist dort eine Querschnittansicht
einer Ausführungsform
einer integrierten Schaltung 400 mit einem mikromagnetischen
Bauelement dargestellt, welches erfindungsgemäß ausgebildet ist. Die integrierte
Schaltung 400 kann in einer Leistungsverarbeitungs-, einer
Datenübertragungs- oder
irgendeiner anderen Schaltung verwendet werden. Die integrierte
Schaltung 400 enthält
ein Substrat, beispielsweise aus Silicium, Glas, Keramik oder dergleichen) 410 mit
einer Passivierungsschicht (z.B. aus Siliciumdioxid) 420,
die auf dem Substrat mittels herkömmlicher Fertigungsprozesse,
beispielsweise durch thermisches Wachstum, ausgebildet ist. Die
integrierte Schaltung 400 enthält weiterhin eine erste und
eine zweite leitende Wicklungsschicht (bestehend beispielsweise
aus Aluminium oder irgendeinem anderen leitenden Werkstoff) 440, 460,
umgeben von einer ersten, einer zweiten und einer dritten Isolierschicht
oder von Isolatoren 430, 450 und 470.
Weiterhin enthält
die integrierte Schaltung 400 einen Klebstoff (einen metallischen
Klebstoff beim dargestellten Ausführungsbeispiel), der eine erste
Klebstoffschicht (z.B. Chrom) 480 und eine zweite Klebstoffschicht
(z.B. aus Silber) 485 enthält. Die integrierte Schaltung 400 enthält darüber hinaus
einen ferromagnetischen Kern 490. Die integrierte 400 enthält ferner
mehrere Innenschicht-Durchkontaktierungen
(kollektiv mit 493 bezeichnet), die mehrere Wege zwischen
den Schichten der integrierten Schaltung 400 bilden, außerdem einen
Anschluss 496 zur Verbindung mit einem anderen Bauelement.
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Die
Passivierungsschicht 420 und die erste, die zweite und
die dritte Isolierschicht 430, 450 bzw. 470 können aus
einer anorganischen Verbindung, beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumdioxid,
Berylliumdioxid, einem organischen Polymer (z.B. einem Polyimid)
oder einem anderen Isolierstoff gebildet sein. Der metallische Klebstoff
ist ein Stoff auf der Basis eines anorganischen Materials, welches
im Wesentlichen frei von Titan ist (etwa 70%). Während die erste Klebstoffschicht 480 im
Allgemeinen Werkstoffe aus Elementen der Gruppe 4 enthält (z.B.
Zirkon und Hafnium, jedoch ausschließlich etwa 70% oder mehr einer
Titan-Zusammensetzung), Elementen der Gruppe 5 (z.B. Vanadium,
Niob und Tantal) und Elementen der Gruppe 6 (z.B. Chrom, Molybdän und Wolfraum).
Es sei angemerkt, dass die obigen Klassifizierungen von Elementen
kompatibel sind mit der International Union of Pure and Applied Chemistry-Notation,
die im periodischen Tabellensystem angegeben ist. Während außerdem die
zweite Klebstoffschicht 485 im Allgemeinen Metalle wie
Gold, Silber, Platin, Palladium und Kupfer enthält, können auch andere Werkstoffe
verwendet werden, die sich zur Beschichtung eines ferromagnetischen
Werkstoffs eignen; auch diese liegen im Schutzumfang der Erfindung.
Der ferromagnetische Kern 490 kann aus einer Legierung
(beispielsweise Permalloy® oder einer Kobalt-Eisen-Verbindung)
bestehen, es sind vom Schutzumfang der Erfindung aber auch andere
ferromagnetische Werkstoffe (z.B. ein amorphes Nickelphosphid) enthalten.
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Wie
oben erwähnt,
ist es wünschenswert,
mikromagnetische Bauelemente als integrierte Schaltungen auszubilden.
Der Einsatz von Legierungen für
den ferromagnetischen Kern 490 ist deshalb interessant,
weil die relativ niedrigen Magnetostrktions-Konstanten möglicherweise
die mit den Niederschlagungsverfahren einhergehenden Spannungen
reduzieren. Wenn relativ hohe Spannungen mit den Niederschlagungsprozessen einhergehen,
verschlechtern sich möglicherweise
die magnetischen Eigenschaften der integrierten Schaltung 400,
und die Dünnschichten
besitzen möglicherweise
nicht die erforderlichen Klebeigenschaften, die notwendig sind,
um den Niederschlag der integrierten Schaltung 400 zu erleichtern.
Offensichtlich sollte ein Klebstoff verwendet werden, der dem möglichen
Spannungsaufbau in den Schichten entgegenwirkt.
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Es
wurden zahlreiche Versuche unternommen, um einen Klebstoff zu finden,
der eine sichere Grenzfläche
bezüglich
eines ferromagnetischen Werkstoffs und einem Isolator bildet. Wenn
beispielsweise ein Metall wie Silber ausschließlich als der Klebstoff verwendet
wird, ist die Grenzfläche
zwischen dem ferromagnetischen Werkstoff und dem Silber stärker als
die Grenzfläche
zwischen Isolator und Silber. Im Ergebnis können sich dann die ferromagnetischen-
und Silberschichten von dem Substrat bei einer spezifizierten Prüf-Abschälkraft abschälen (unter
Verwendung einer genormten Klebefestigkeits-Auswertemethode von
weniger als 1 kg/cm2). Wenn hingegen ausschließlich Chrom
als Klebstoff verwendet wird, ist die Grenzfläche zwischen Isolator und Chrom
stärker
als diejenige zwischen dem ferromagnetischen Werkstoff und Chrom.
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Im
Ergebnis können
sich die Schichten aus ferromagnetischem Werkstoff und Silber bei
einer spezifizierten Prüf-Abschälkraft von
dem Substrat abschälen
(unter Verwendung einer genormten Klebefestigkeits-Auswertemethode
für weniger
als 1 kg/cm2). Darüber hinaus schafft das Chrom
keine geeignete Keimschicht für
den Überzug
des ferromagnetischen Materials. Erfindungsgemäß wird daher ein Klebstoff
(gemäß obiger
Beschreibung) offenbart, der eine angemessene Bindung zwischen dem
ferromagnetischen Kern 490 und den mit dem Substrat 310 gekoppelten
Isolatoren 430, 450 und 470 eingeht,
um die Fertigung der integrierten Schaltung 400 zu erleichtern.
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Nunmehr
auf 5A Bezug nehmend, ist dort ein schematisches Diagramm
einer Ausführungsform für eine Tiefpassfilterschaltung 500 dargestellt,
die erfindungsgemäß ausgebildet
ist. Die Tiefpassfilterschaltung 500 enthält eine
erste und eine zweite mikromagnetische Induktivität 511, 512 und
einen Kondensator 513 gemäß Darstellung. Zwischen die
Anschlüsse 501, 503 kann
eine Eingangsspannung Vin gelegt werden, und zwischen den Anschlüssen 502, 503 kann
man eine sich daraus ergebende Ausgangsspannung Vout feststellen.
Man weiß,
dass die Amplitude der Ausgangsspannung Vout frequenzabhängig ist
und mit zunehmender Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz abnimmt,
die sich durch die Werte der ersten und der zweiten mikromagnetischen
Induktivität 511, 512 und
des Kondensators 513 bestimmt.
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Nunmehr
auf 5B Bezug nehmend, ist dort eine Querschnittansicht
einer integrierten Schaltung 525 dargestellt, die eine
Ausführungsform
der Tiefpassfilterschaltung der 5A darstellt,
aufgebaut gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Schaltung 525 enthält ein Substrat 538,
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Isolator 539, 540, 541 und 542,
die über
dem Substrat 538 ausgebildet sind, eine Kapazität 513 sowie
ein erstes und ein zweites mikromagnetisches Bauelement 511, 512 über dem
Substrat 538. Die Kapazität 513 enthält einen
ersten und einen zweiten Kondensatorbelag 532, 533 und
eine dielektrische Schicht 534. Das erste und das zweite
mikromagnetische Bauelement 511, 512 enthalten
einen Klebstoff, bei dem es sich um einen metallischen Klebstoff
aus mehreren Schichten handeln kann, ausgebildet über dem
zweiten Isolator 540, um eine Bindung zwischen dem zweiten
Isolator 540 und dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen
Kern 529, 535 gemäß den oben anhand der 4 detailliert
dargelegten Prinzipien zu bilden. Der erste und der zweite ferromagnetische
Kern 529, 535 können ein Legierungsmaterial
enthalten, der zweite, der dritte und der vierte Isolator 540, 541 und 542 können ein
organisches Polymer sein. Der erste Isolator 539 ist typischerweise
Lithiumdioxid, und das Dielektrikum 534 ist typischerweise Siliciumnitrid.
Natürlich
können
ggf. auch andere Kern-, Isolator- und dielektrische Werkstoffe verwendet
werden.
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Das
erste und das zweite mikromagnetische Bauelement 511, 512,
die elektrisch mit dem Kondensator 513 gekoppelt sind,
beinhalten weiterhin eine erste und eine zweite Wicklung 530, 536,
die in der Nähe
des ersten und des zweiten ferromagnetischen Kerns 529, 535 angeordnet
sind, um diesen eine gewünschte
magnetische Eigenschaft einzuprägen.
Die integrierte Schaltung 525 enthält weiterhin einen ersten,
einen zweiten und einen dritten Anschluss 501, 502 und 503,
die an das erste und an das zweite mikromagnetische Bauelement 511, 512 bzw.
an den Kondensator 513 angeschlossen sind. Das erste und
das zweite mikromagnetische Bauelement 511, 512 und
der Kondensator 513 sind zur Bildung einer in 5A dargestellten
Tiefpassfilterschaltung 500 miteinander verbunden.
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Nunmehr
auf 5C Bezugnehmend, ist dort eine Draufsicht auf
die integrierte Schaltung 525 gezeigt, die im Querschnitt 5B als
eine Ausführungsform
der Tiefpassfilterschaltung 500 dargestellt ist. Die Draufsicht
der integrierten Schaltung 525 lässt das erste und das zweite
mikromagnetische Bauelement 511, 512 und den Kondensator 513 erkennen.
Die Einzelheiten der ersten und der zweiten Wicklung 35, 536 sind
deutlicher zu erkennen, da es die Verbindungen zwischen dem ersten
und dem zweiten mikromagnetischen Bauelement 511, 512 und
der Kapazität 513 gibt.
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6A zeigt
als schematisches Diagramm eine Hochpassfilterschaltung 600,
die nach dem Lehrer der Erfindung aufgebaut ist. Die Hochpassfilterschaltung 600 enthält einen
Transistor (z.B. eine MOSFET) 610, eine Kapazität 611,
eine mikromagnetische Induktivität 612 und
einen ersten, einen zweiten, einen drit ten und einen vierten Anschluss 601, 602, 603 bzw. 604.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 601, 602 kann
eine Eingangsspannung Vin gelegt werden, und zwischen dem ersten
und dem vierten Anschluss 601, 604 kann man dann
eine Frequenz empfindliche und verstärkte Ausgangsspannung Vout
abgreifen. Der erste und der dritte Anschluss 601, 603 dienen
zum Verbinden einer Vorspannungsquelle mit dem MOSFET 610. Bei
einer konstanten Eingangsspannungsamplitude Vin nimmt die Ausgangsspannung
Vout direkt mit der Frequenz zu, bis eine Frequenz erreicht ist,
bei der die Ausgangsspannung Vout im Wesentlichen frequenzunabhängig wird.
Dieser Punkt bestimmt sich durch die Werte des Kondensators 611 und
der mikromagnetischen Induktivität 612.
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6B zeigt
eine Querschnittansicht einer integrierten Schaltung 625 als
eine Ausführungsform
der in 6A aufgebauten Hochpassfilterschaltung 600,
aufgebaut gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Schaltung 625 enthält ein Substrat 638,
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Isolator 639, 640, 641, 642 über dem
Substrat 638, einen MOSFET 610, eine Kapazität 611 und
eine mikromagnetische Induktivität 612,
ebenfalls über
dem Substrat 638 ausgebildet. Der MOSFET 610 enthält eine
Source-Zone 629,
eine Drain-Zone 630 und eine Gate-Zone 631. Die
Kapazität 611 enthält einen
ersten und einen zweiten Kondensatorbelag 632, 533 und
eine dielektrische Schicht 634. Die mikromagnetische Induktivität 612 enthält einen
Klebstoff, bei dem es sich um einen metallischen Klebstoff aus mehreren
Schichten handeln kann, ausgebildet über dem zweiten Isolator 640,
um eine Bindung zwischen dem zweiten Isolator 640 und dem
ferromagnetischen Kern 635 gemäß der Lehre der Erfindung zu
bilden. Der ferromagnetische Kern 635 kann ein Legierungsmaterial
enthalten, und der zweite, der dritte und der vierte Isolator 640, 641, 642 können ein
organisches Polymer aufweisen. Der erste Isolator 639 ist
typischerweise Siliciumdioxid, das Dielektrikum 634 ist
typischerweise Siliciumnitrid. Natürlich können bedarfsweise auch andere
Werkstoffe für den
Kern, den Isolator und das Dielektrikum eingesetzt werden.
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Die
mikromagnetische Induktivität 612,
die elektrisch mit dem MOSFET 610 und dem Kondensator 611 gekoppelt
ist, enthält
weiterhin eine in der Nähe
des ferromagnetischen Kerns 635 gelegene Wicklung 636, um
eine gewünschte
magnetische Eigenschaft zu erbringen. Die integrierte Schaltung 625 enthält außerdem einen
ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Anschluss 601, 602, 603, 604,
die mit dem MOSFET 610, dem Kondensator 611 und
der mikromagnetischen Induktivität 612 in
der dargestellten Weise gekoppelt sind. Der MOSFET 610,
der Kondensator 611 und die mikromagnetische Induktivität 612 sind
untereinander zur Bildung der in 6A dargestellten
Hochpassfilterschaltung 600 verbunden.
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7A zeigt
ein schematisches Diagramm einer Bandpassfilterschaltung 700 gemäß der Erfindung. Bei
dieser Ausführungsform
enthält
die Bandpassfilterschaltung 700 eine mikromagnetische Induktivität 705 und
einen Kondensator 710, die in der dargestellten Weise eine
Parallelschaltung bilden. Eine Ausgangsspannung Vout ist eine frequenzabhängige Funktion
der eigenen Spannung Vin. Bei einer konstanten Eingangsspannungsamplitude
von Vin besitzt die Ausgangsspannung Vout eine Spitzenamplitude
bei einer Frequenz, die sich durch die Werte der mikromagnetischen
Induktivität 705 und
der Kapazität 710 bestimmt.
Weitere Ausführungsformen
können
einen Transistor und andere Schaltungselemente enthalten. Diese
Ausführungsform sowie
weitere Ausführungsformen
lassen sich in ähnlicher
Weise wie die in 5B oder wie die in 6B dargestellte
integrierte Schaltung aufbauen, die oben beschrieben wurden.
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7B zeigt
ein schematisches Diagramm einer Sperrfilter- oder Kerbfilterschaltung 750 gemäß der Erfindung.
Die Kerbfilterschaltung 750 enthält einen ersten und einen zweiten
Kondensator 760, 780 und eine mikromagnetische
Induktivität 770.
Eine Ausgangsspannung Vout ist eine frequenzabhängige Funktion einer Eingangsspannung
Vin. Bei konstanter Amplitude der Eingangsspannung Vin fällt die
Ausgangsspannung Vout bei einer Frequenz auf einen Minimumwert,
die sich durch die Werte des ersten und des zweiten Kondensators 760, 780 und
den Wert der mikromagnetischen Induktivität 770 bestimmt. Weitere
Ausführungsformen können einen
Transistor oder andere Schaltungselemente enthalten. Diese Ausführungsform
und weitere Ausführungsformen
lassen sich in ähnlicher
Weise ausbilden wie die integrierte Schaltung 525 nach 5B oder die
integrierte Schaltung 626 nach 6B, die
oben beschrieben wurden.
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8 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens (allgemein mit 800 bezeichnet) zum Fertigen
der integrierten Schaltung 625 nach 6B. Teile
des Fertigungsverfahrens für
die integrierte Schaltung 625 sind analog den herkömmlichen
Silicium-Silicium-Mehrfachchip-Modul-Prozessen [Silicon-on-Silicon
MCMs with Integrated Passive Components, von R.C. Frye et al., Proc.
1992 IEEE Multi-Chip Module Conference, S. 155, Santa Cruz, Ca.
(März 1992)]
mit den folgenden Abwandlungen: Im Allgemeinen dient ein fotolithografischer
Prozess unter Einsatz von Fotoresistmaterial dazu, die geometrischen
Merkmale der integrierten Schaltung gemäß einer 10–20 μm betragenden Entwurfsregel
zu definieren. Während
die Regel relativ grob ist, ist es angemessen für die Fertigung von Bauelementen
wie die integrierte Schaltung 525, da die Hauptabmessungen
Vielfache der 10–20 μm betragenden
Grundabmessung sind. Das fotolithografische Verfahren beinhaltet
grundsätzlich
die Schritte des Belichtens und des Entwickelns des Fotoresistmaterials.
Der fotolithografische Prozess beinhaltet außerdem das Ätzen und Abstreifen unerwünschter
Bereiche des Materials, bei denen der Prozess angewendet wird. Der
Fachmann ist mit den herkömmlichen
fotolithografischen Verfahren vertraut.
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Das
Verfahren beginnt beim Startschritt 801 mit einem Siliciumsubstrat.
Es werden Source- und Drain-Zonen für den MOSFET 610 in
einem Diffusionsschritt 805 für Source und Drain in das Siliciumsubstrat eindiffundiert.
Diese Diffusionszonen sind vom n-Typ und erfordern ein p-Substrat
für die
in 6A dargestellte MOSFET-Polarität. Natürlich können die Polaritäten umgekehrt
werden, wenn eine entgegengesetzte MOSFET-Polarität erwünscht ist.
Anschließend
werden in einem Kontaktbildungsschritt 810 Kontakte für Source und
Drain gebildet. Das Siliciumsubstrat wird mit einer Passivierungsschicht
im Oxidationsschritt 820 oxidiert. Die Passivierungsschicht
wird im Allgemeinen mit Hilfe des herkömmlichen thermischen Wachstumverfahrens erzeugt
oder durch chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase. Natürlich kann
das Substrat ein Rohling sein, es kann sich aber auch um einem vorgefertigten Wafer
mit einer unten liegenden Schaltungsanordnung und einer abschließenden Passivierung
handeln. Als Nächstes
wird im Gate-Niederschlagungsschritt 822 ein Gate für das MOSFET
niedergeschlagen. Dann wird für
den Kondensator ein erster Kondensatorbelag in einem Schritt 824 zum
Niederschlagen des ersten Kondensatorbelags gebildet. Die integrierte
Schaltung 625 verwendet eine Torusstruktur für das mikromagnetische
Bauelement mit mehreren Schichten. Dann wird eine erste leitende
Wicklungsschicht als Decke aus dem Substrat in dem Schritt 830 zum
Niederschlagen der ersten leitenden Wicklungsschicht erzeugt. Diese
erste leitende Wicklungsschicht kann sich aus Aluminium zusammensetzen
und eine Dicke von etwa 2–10 μm aufweisen,
die aufgestäubt
oder aufgedampft sind (z.B. bei einem Argon-Druck von 5 mTorr und
bei Zimmertemperatur) auf der Passivierungsschicht. Bei dickeren
Leitungspfaden (um einen geringeren Widerstand zu erzielen) kann
galvanisiertes Kupfer verwendet werden, was zu einer Dicke von etwa
25 μm führt.
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Dann
wird ein Kontakt für
das Gate in einem Gatekontakt-Bildungsschritt 823 erzeugt,
und es wird ein Kontakt für
den ersten Kondensatorbelag in einem Kontaktbildungsschritt 825 für den ersten
Kondensatorbelag erzeugt. Die erste leitende Wicklungsschicht wird
anschließend
als Muster in die gewünschte
Konfiguration gebracht (einschließlich der zu bildenden Kontaktzonen
für die
entwickelte Schaltung), wozu von einem konventionellen Fotolithografieverfahren
im Rahmen eines Kantaktbildungsschritts für die erste leitende Wicklungsschicht 835 Gebrauch
gemacht wird. Natürlich
kann auch eine weitere Kontaktzone in der ersten leitenden Wicklungsschicht
erzeugt werden, um die elektrische Verbindung mit anderen an das
Substrat gekoppelten Schaltungen je nach Bedarf zu erleichtern.
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Eine
dielektrische Schicht für
den Kondensator wird anschließend
in einem Niederschlagungsschritt 826 zum Niederschlagen
der dielektrischen Schicht gebildet. Die dielektrische Schicht setzt
sich typischerweise zusammen aus Siliciumnitrid, wobei allerdings
auch andere Werkstoffe geeignet sein können. Die erste Isolierschicht
kann anschließend
auf die Passivierungsschicht, vorhandene MOSFET- und Kondensatorstrukturen
und die erste leitende Wicklungsschicht während eines Niederschlagungsschritts 840 durch
Spin-Coating aufgebracht werden. Die erste Isolierschicht wird dann
aufgehärtet
(bei etwa 350°C
während
etwa 12 h). Nach dem Schrumpfen ist die Isolierschicht etwa 3–5 μm dick. Die
Spin-Coating-Methoden sehen im Allgemeinen eine höhere Spannungsisolierung
vor zwischen der primären
und der sekundären
Wicklung des mikromagnetischen Bauelements. Die Spannungs-Durchbruchwerte
für die
Isolierung schwanken von 500 V Wechselstrom ("VAC")
bis 3000 VAC. Die erste Isolierschicht wird anschließend mit
Hilfe eines herkömmlichen
Fotolithografieverfahrens zur Bildung von Innenschicht-Durchkontaktierungen
mit Muster versehen.
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Anschließend wird
in einem Niederschlagungsschritt 842 eine zweite Kondensatorplatte
niedergeschlagen, und es wird der metallische Klebstoff, der die
erste und die zweite Klebstoffschicht bildet, als Decke auf die
erste Isolierschicht niedergeschlagen, was in einem Metallklebstoffschicht-Auftragschritt 850 geschieht. Die
erste Klebstoffschicht kann sich zusammensetzen aus Chrom, welches
durch Sputtern (beispielsweise bei 250°C und einem Argon-Druck von 5 mTorr)
mit einer Dicke von etwa 250Å auf
die erste Isolierschicht niedergeschlagen wird. Die zweite Klebstoffschicht
kann sich aus Silber zusammensetzen, durch Sputtern (beispielsweise
bei 5 mTorr Argon-Druck und Zimmertemperatur) mit einer Dicke von
etwa 500Å auf
der ersten Klebstoffschicht aufgetragen. Der metallische Klebstoff
dient auch als Keimschicht für
die Plattierung des ferromagnetischen Kerns.
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An
der zweiten Kondensatorplatte wird in eine Kontaktbildungsschicht 844 ein
Kontakt gebildet, und es wird der ferromagnetische Kern (beispielsweise
durch Elektroplattierung) mit einer Dicke von etwa 2–12 μm) während eines
Niederschlagungsschritts 860 auf dem metallischen Klebstoff
niedergeschlagen. Der ferromagnetische Kern kann in einem gepufferten
Sulfamat-Bad bei gesteuerter Temperatur (z.B. 25–35°C) bei einer Stromdichte von
etwa 30 mA/cm2 plattiert werden. Der metallische
Klebstoff und der ferromagnetische Kern werden mit einem Muster
in die gewünschte
Konfiguration gebracht, wozu von einem Fotolithografieverfahren Gebrauch
gemacht wird.
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Was
den Fotolithografieprozess angeht, so sollten die Ätzlösungen in
der Lage sein, den unerwünschten
metallischen Klebstoff (beispielsweise die Zusammensetzung aus Chrom
und Silber) zu beseitigen, ohne dabei den niedergeschlagenen ferromagnetischen
Film anzugreifen. Beispielsweise ätzt eine handelsübliche Ätzlösung mit
einer Cer-Ammoniumnitrat-Formulierung (CAN) das Silber mit einer
Geschwindigkeit von etwa 50 Å/s
und ätzt
das Chrom mit einer Geschwindigkeit von 250 Å/min, ohne das ferromagnetische
Material nennenswert zu beeinträchtigen.
Mit einem CAN-Ätzmittel,
das während
etwa 60–75
s angewendet wird, lässt
sich der metallische Klebstoff sowie der ferromagnetische Kern angemessenerweise
mit einem Muster versehen. Auch hier wird die erste Klebstoffschicht
(beispielsweise Chrom) vorzugsweise in einem Bereich von 200–300 (Nennwert
250) Å niedergeschlagen,
und die zweite Klebstoffschicht (z.B. Silber) wird vorzugsweise
in einem Bereich von 400–600
(Nennwert 500) Å niedergeschlagen,
um den Ätzvorgang
leichter steuern zu können.
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Um
außerdem
eine mögliche
seitliche Ätzung
und eine Unterschneidung unterhalb des ferromagnetischen Kerns zu
vermeiden, kann die zweite Klebstoffschicht aus Kupfer bestehen.
In diesem Fall kann Kaliumiodid mit einer Wasserlösung etwa
10 s aufgebracht werden, um die Kupferätzung durchzuführen, und
man kann eine Lösung
aus Kaliumferricyanid und Kaliumhydroxid 1–2 s auftragen, um eine Chromätzung vorzunehmen.
Die Lösung
aus Kaliumferricyanid und Kaliumhydroxid hat keinen nennenswerten
abträglichen
Einfluss auf die Kupferschicht unterhalb des ferromagnetischen Kerns
und verhindert damit mögliche
Unterschneidungen. Natürlich
können
auch andere Ätzprozesse
(beispielsweise Ionenätzen)
im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Außerdem kann ein äußeres Magnetfeld,
wie es in 2B dargestellt ist, während des
Schritts 860 des Niederschlagens des ferromagnetischen
Kerns angelegt werden, um eine maßgeschneiderte B-H-Kurve zu
erreichen und damit beispielsweise eine spezifische Permeabilität.
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Die
zweite Isolierschicht wird auf dem ferromagnetischen Kern und der
ersten Isolierschicht während eines
Schritts 870 zum Niederschlagen der zweiten Isolierschicht
aufgebracht. Die zweite Isolierschicht wird dann mittels eines Foto lithografieverfahrens
zur Bildung von Innenschicht-Durchkontaktierungen mit Muster versehen.
Die zweite leitende Wicklungsschicht wird anschließend als
Decke auf die zweite Isolierschicht aufgebracht (beispielsweise
durch Sputtern), was während
eines Niederschlagungsschritts 880 für die zweite leitende Wicklungsschicht
geschieht. Die zweite leitende Wicklungsschicht wird anschließend zu
einer gewünschten
Konfiguration mit einem Muster ausgebildet (einschließlich der
gewünschten
Kontaktzonen), was mit Hilfe eines Fotolithografieverfahrens geschieht.
Sodann wird die dritte Isolierschicht auf der zweiten leitenden
Wicklungsschicht und der zweiten Isolierschicht durch Spin-Coating
während
eines Schritts 890 zum Aufbringen der dritten Isolierschicht
aufgebracht. Schließlich
werden an der dritten Isolierschicht während eines Anschlussbildungsschritts 895 Anschlüsse gebildet.
Die Anschlüsse
sind entweder für
ein Drahtbonden (beispielsweise Aluminium-Drahtbonden) geeignet,
oder können
mit einem durch Lot benetzbaren Metall (z.B. Chrom) unter Einsatz
von Lotpasten für
Flip-Chip-Anordnung gemäß 6B fertiggestellt
werden. Das Verfahren schließt
ab mit einem Ende-Schritt 899. Dann wird ein vollständiger Wafer
als integrierte Schaltung mit einem Gehäuse versehen oder wird als
blankes Blättchen
in Flip-Chip-Anordnungen eingesetzt.
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Zum
besseren Verständnis
von integrierten Schaltungen und Fertigungsverfahren für solche
Schaltungen wird verwiesen auf das Handbook of Sputter Deposition
Technology von K. Wasa und S. Hayakawa, Noyes Publications (1992);
Thin Film Technology von R. W. Berry, P. M. Hall und M. T. Harris,
Van Nostrand (1968); Thin Film Processes von J. Vossen und W. Kern,
Academic (1978); und Handbook of Thin Film Technology von L. Maissel
und R. Glang, McGraw Hill (1970). Was allgemeine Elektronik einschließlich Datenübertragungssysteme
angeht, wird verwiesen auf Reference Data for Engineers: Radio,
Electonics, Computers and Communications, 7. Ausgabe, Howard W.
Sams & Company
(1988) sowie Leistungselektronik, magnetische Leistungsbauelemente
sowie Leistungswandlertopologien gemäß Principles of Power Electronics
von J. Kassakian, M. Schlecht, Addison-Wesley Publishing Company
(1991).