Conception et réalisation de micro-résonateurs piezoélectriques sur substrat de silicium sur isolant

L’homme est apparemment le seul à avoir imaginé d’émettre des ondes électromagnétiques pour les appliquer aux transmissions radio. Depuis l’apparition des premiers systèmes de transmission radiofréquences, les problématiques restent essentiellement les mêmes quels que soient les domaines d’applications (téléphonie mobile, internet, satellite ou médical).

L’utilisation croissante des systèmes de communications mobiles qui fonctionnent à des fréquences radio (RF) nécessite des filtres passe-bande toujours plus petits, plus performants et moins chers. Ces filtres ont pour rôle de transmettre et de recevoir des signaux dans une certaine bande passante à une fréquence spécifique et de supprimer tous les signaux aux autres fréquences. Les satellites de positionnement global (GPS, Galileo), les systèmes de télécommunications mobiles (GSM, PCS, UMTS), le transfert de données (Bluetooth, Wireless Local Area WLAN Network) et la radiodiffusion par satellite sont des exemples de ces applications. Cette course permanente dans la recherche du parfait se heurte aujourd’hui à des difficultés technologiques de plus en plus complexes. Elle conduit alors à l’apparition de nouvelles structures telles que les dispositifs à ondes acoustiques qui ont la capacité de répondre aux besoins actuels de filtrage.

Les ondes acoustiques ont été démontrées théoriquement pour la première fois en 1885 par le scientifique anglais Lord Rayleigh. Depuis, les études se sont focalisées sur la compréhension du fonctionnement de ces ondes afin de les utiliser pour effectuer des tâches utiles dans le traitement du signal. Cela a été réalisé en 1965 par Voltmer et White, de l’université de Californie, à travers un dispositif à ondes acoustiques fabriqué à l’aide d’un substrat de quartz. Ces dispositifs ont attiré très rapidement les regards grâce à leur faible encombrement, à leur grande diversité de réponses en fréquence et à leur faible coût. Les premiers à avoir profité de cette technologie étaient les militaires qui l’ont utilisée pour améliorer les performances des radars et des outils de communication. Il a fallu attendre jusqu’au milieu des années 80 avant que ces dispositifs acoustiques soient développés industriellement et soient utilisés pour les télécommunications mobiles ou pour les filtres des télévisions.

Le développement récent et rapide dans ce domaine a été rendu possible grâce à l’apport des physiciens des matériaux et des ingénieurs des micro-ondes, qui ont rassemblé leurs bases scientifiques et leurs capacités. En conséquence, de grands progrès ont été réalisés à la fois au niveau de la compréhension du fonctionnement des ondes acoustiques mais aussi au niveau du développement des techniques de leur intégration dans les dispositifs d’électronique.

La grande sensibilité des ondes acoustiques aux perturbations, notamment celles qui sont susceptibles d’affecter leur vitesse ou leur distance de parcours, à la variation de la température ou à la déformation du milieu de propagation, a poussé loin les limites des domaines d’utilisation des dispositifs à ondes acoustiques. Actuellement, ces dispositifs suscitent un vif intérêt dans des applications en tant que capteurs, notamment dans les domaines de la biotechnologie, de la micro-fluidique ou de l’agro-alimentaire.

Les filtres actifs sont constitués de composants passifs et d’éléments actifs (principalement des amplificateurs opérationnels) qui doivent être alimentés par une source d’énergie électrique pour pouvoir modifier le signal qui les traverse. L’utilisation de ces filtres en radiofréquences n’est pas évidente à cause des faibles coefficients de qualité obtenus par les composants passifs, notamment les inductances. Les nouvelles technologies d’intégration ont permis la réalisation de ces filtres et la compensation des faibles facteurs de qualité à l’aide de montages amplificateurs réalisés à base de transistors à fréquence de transition élevée.

Ils sont assemblés sur circuits imprimés ou montés en surface (CMS). Les composants utilisés pour la fabrication de ces filtres sont :

* Des amplificateurs opérationnels, dont le produit gain-bande est suffisant aux fréquences de travail du filtre. Ils remplacent et intègrent en un seul boîtier ce qui prenait une grande place sur un circuit imprimé il y a quelques années, et ce grâce à la réduction de la taille des composants.

* Des résistances à couches métalliques, qui peuvent être précises et de très bonne qualité.

* Des condensateurs de qualité suffisante à la fréquence de travail du filtre.

Lorsqu’un résonateur est intégré sur une puce, des éléments localisés passifs (self et capacité) sont généralement utilisés. Les structures hors puce sont souvent utilisées avec des besoins d’espace considérablement grands, sans oublier les parasites entraînées par l’emballage. Etant donné que les inductances spirales intégrées ont de faibles facteurs de qualité qui peuvent varier entre 10 et 30, ces circuits ne conviennent pas à certaines applications surtout celles radiofréquences. C’est pour cela que l’on a commencé à utiliser ce que l’on appelle les « inductances actives » [9]–[11]. La topologie de l’inductance active est basée sur les conclusions de Hara et al. [12]. La réduction de la taille du filtre et l’augmentation du coefficient de qualité du montage sont devenues désormais possibles.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE Ι : LES TECHNOLOGIES DE FILTRAGE RF : COURSE PERMANENTE VERS LA MINIATURISATION EXTREME
I. INTRODUCTION
II. DIFFERENTS TYPES DE FILTRES
II.1. Filtres actifs
II.2. Technologies planaires
II.3. Filtres MEMS
III. LA PIEZOELECTRICITE
III.1. Piézoélectricité et symétries de la structure cristalline
III.2. Différences entre l’effet diélectrique et l’effet piézoélectrique
III.3. Les matériaux piézoélectriques utilisés de nos jours
IV. DIFFERENTS TYPES DES FILTRES PIEZOELECTRIQUES
IV.1. SAW
IV.2. BAW
IV.3. Micro-résonateurs
V. LES MICRO-RESONATEURS
V.1. Design
V.2. Les avantages de cette technologie
V.3. Travaux réalisés sur les micro-résonateurs
VI. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE Ι
CHAPITRE ΙΙ : ETUDE SUR LE MATERIAU PIEZOELECTRIQUE ZNO ET PROCEDE DE FABRICATION DES MICRO-RESONATEURS
I. INTRODUCTION
II. LE PROCEDE DE FABRICATION DES MICRO-RESONATEURS PIEZOELECTRIQUES
II.1. La réalisation de la membrane suspendue
II.2. Réalisation de l’électrode inférieure
II.3. Dépôt de la couche mince piézoélectrique de ZnO
II.4. Implémentation des électrodes supérieures IDTs
III. PROPRIETES ET ETUDE DES DEPOTS DE L’OXYDE DE ZINC (ZNO)
III.1. Structure cristallographique et propriétés mécaniques et électriques du ZnO
III.2. Différentes techniques de dépôt du ZnO
III.3. Réalisation des couches minces de ZnO par la technique PLD
III.4. Difficultés technologiques : contraintes résiduelles dans les films et microfissures
IV. OPTIMISATION DE L’ELECTRODE INFERIEURE DES MICRO-RESONATEURS
IV.1. Caractéristiques structurales et électriques des couches de ZnO déposées sur molybdène et sur platine
IV.2. Optimisation du dépôt de l’électrode inférieure en molybdène
V. FABRICATION DES CIRCUITS MICRO-RESONATEURS
V.1. Dispositifs préliminaires réalisés sur wafer Si HR
V.2. Influence de l’inhomogénéité des couches piézoélectriques sur les performances électriques
VI. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE ΙΙ
CONCLUSION GENERALE