Mise en évidence des problématiques technologiques actuelles des MEMS RF

Le domaine des communications sans fils est en pleine expansion et semble même croître de manière exponentielle. Les systèmes de communication doivent présenter toujours plus de débit, toujours plus de standards afin d’être utilisable n’importe où dans le monde, avec bien entendu un très fort degré de compacité pour faciliter l’intégration de fonctions multiples (comme allier appareil photo, localisation GPS, transfert de données via internet dans la téléphonie mobile) et très souvent à faible coût pour satisfaire un large public. La demande des consommateurs se tourne donc actuellement vers une connexion à l’information omniprésente via diverses applications : nous avons déjà cité la téléphonie, mais de fortes sollicitations proviennent également de la domotique, l’ambiance intelligente, les applications liés aux réseaux de véhicules ou encore même la surveillance médicale et bien d’autres encore.

Par conséquent, les futurs systèmes de communication sans fil nécessitent des dispositifs micro-ondes de plus en plus performants, qui puissent intégrer de nouvelles fonctionnalités et surtout agir en temps réel avec un haut degré de reconfigurabilité, aussi bien en terme de débit, puissance, … tout en satisfaisant une forte compacité.

Une solution possible pour satisfaire à ce cahier des charges est apparue vers la fin des années 1990 avec le développement des technologies Micro Electro Mécaniques RadioFréquences, dites MEMS RF. Celles-ci permettent en effet de réaliser des composants passifs reconfigurables qui présentent de faibles pertes d’insertion, d’excellentes performances RF sur une large bande, une forte linéarité (que leurs concurrents directs à l’état solide ne peuvent rivaliser), une consommation très faible, un haut degré d’intégration. Outre une forte miniaturisation des systèmes, un avantage considérable de ces composants réside dans la possibilité de réaliser de nouvelles fonctions et des architectures RF reconfigurables, qui n’étaient précédemment pas envisageables. Ceci est vrai aussi bien pour les applications classiques telles que dans les stations de base, les antennes ou les satellites, mais aussi pour les applications dans l’instrumentation RF et les équipements de test automatisés.

Malgré le caractère plus qu’attractif et même révolutionnaire de ces composants MEMS RF, leur industrialisation tarde néanmoins en raison de quelques problèmes persistants. Tout d’abord, les procédés de fabrication de ces composants sont encore compliqués et nécessitent de forts développements pour satisfaire une reproductibilité des performances acceptables et des taux de rendements industriels. Une encapsulation hermétique, indispensable pour certaines applications, reste également un verrou technologique. Enfin fiabilité et tenue en puissance représentent des problématiques phares toujours à améliorer. Tout ceci aboutit actuellement au fait que peu d’industriels mettent des commutateurs sur le marché, notamment de type capacitif pour des fréquences d’utilisation supérieures à 5-10GHz.

Elaboration de structures MEMS RF: problématiques et optimisations technologiques 

Les commutateurs MEMS RF se présentent généralement sous la forme d’une poutre ou d’un pont mobile qui ont une position initiale haute et qui s’actionnent dans le but de modifier le signal entrant. Plusieurs méthodes d’activation sont utilisées dans la littérature [1.1]. Elles se distinguent par l’exploitation de certaines propriétés physiques des matériaux et leur facilité de mise en œuvre. Ces forces d’actionnement peuvent aussi être combinées pour améliorer leur efficacité [1.2]. Ainsi, nous dénombrons parmi les plus utilisées :
• L’activation électrostatique,
• L’activation électrothermique [1.3],
• L’activation magnétostatique [1.4],
• Et enfin l’activation piézoélectrique [1.5].

Le choix entre l’une ou l’autre dépend de l’application visée. Les commutateurs développés au LAAS-CNRS s’activent grâce à une force électrostatique pour la facilité de mise en place technologique d’un tel actionnement, son faible coût et sa rapidité de commutation. Une différence de potentiel entre la membrane et la ligne coplanaire permet donc d’attirer le pont vers le bas.

Il existe deux types de contacts : capacitif et ohmique. A l’état haut , ils présentent tous les deux une faible capacité (métal-air-métal) de quelques fF (Chaut). En position basse, le commutateur ohmique définit un court-circuit par un contact résistif. La valeur de la résistance de contact est une caractéristique primordiale de ce type d’interrupteur afin de lui garantir des pertes d’insertion faibles.

Actuellement, la technologie à contact capacitif est la plus développée au laboratoire car elle présente une forte isolation à des fréquences élevées. C’est donc naturellement le type de contact qui a été choisi pour ce travail de thèse. De plus, il permet de travailler dans des gammes de fréquences supérieures ou égales à 5-10GHz avec de bonnes performances. Nous traiterons donc en particulier ce type de commutateur.

Mise en évidence des problématiques technologiques actuelles des MEMS RF 

Etat de l’art technologique des commutateurs MEMS capacitifs 

Il existe de nombreuses et diverses formes et technologies de structures MEMS RF. Ces filières technologiques sont définies suivant l’application recherchée (gamme de fréquence, niveau de puissance, fiabilité, …), mais toutes ont en point commun des étapes élémentaires : métallisation pour faire les lignes de transmission, résistances de polarisation si nécessaire, diélectrique ou métal de contact suivant le type de commutateur capacitif ou ohmique, utilisation de couches sacrificielles pour la fabrication de la structure suspendue, métallisation des poutres ou ponts, libération de la structure (c’est à dire gravure de la couche sacrificielle) et séchage.

De nombreuses problématiques sont inhérentes aux MEMS RF capacitifs. Un problème mineur consiste à l’élaboration de lignes présentant de bonnes performances RF. Par contre, de nombreux efforts sur le contrôle du chargement des diélectriques sont opérés par les équipes de recherche mais le collage reste un verrou. D’un point de vue technologique, le choix de la résine sacrificielle est déterminant car elle conditionne la forme de la structure ainsi que les méthodes de libération. Finalement, un compromis est à trouver au niveau de la rigidité de la membrane en choisissant une métallisation adéquate afin d’obtenir des tensions d’activations faibles mais aussi pour avoir un bon rendement après séchage.

Substrat
Le choix du substrat repose sur divers critères et contraintes : la technologie utilisée, les contraintes électriques, les contraintes mécaniques et thermiques, le coût. Les commutateurs MEMS RF sont pour la majorité fabriqués sur substrat Quartz [1.6], verre [1.7] ou Silicium ([1.31] et [1.53]) … Chaque substrat a besoin d’un nettoyage poussé pour éviter toute charge à l’interface substrat/ligne de transmission. Il permet par conséquent de minimiser les pertes. Un nettoyage RCA est habituellement utilisé pour le silicium. Des solutions complémentaires existent pour réduire encore les pertes dans les substrats comme la passivation.

Résistance de polarisation
Suivant la topologie des commutateurs, l’activation du pont ou de la poutre nécessite éventuellement des lignes de polarisation. Une importante condition au bon fonctionnement de ces lignes sans perturbation du signal RF est de les rendre résistives. En effet, la haute résistivité des lignes permettra de prévenir les fuites du signal micro-onde dans les lignes. Deux possibilités sont déjà exploitées pour réaliser ce type de polarisation, soit en combinant les lignes de polarisation avec une résistance [1.8], soit en utilisant directement un matériau résistif pour fabriquer les lignes [1.9]. Par exemple, le laboratoire Lincoln réalise directement son électrode de polarisation en Nitrure de titane .

Lignes de transmission
L’élaboration des lignes de signal vient après la préparation du substrat (si l’étape des résistances est optionnelle). Les lignes de transmission (coplanaire, microstrip), car c’est un matériau qui présente une forte conductivité (ρ ≈ 4,4 107 S/m) sans s’oxyder (problème du cuivre). Une couche d’accrochage (titane ou chrome) de faible épaisseur est nécessaire pour la tenue de l’or sur le silicium ou le verre. Pour des applications de forte puissance, il est nécessaire d’augmenter l’épaisseur de ces lignes afin d’éviter des problèmes de destruction.

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Table des matières

INTRODUCTION
I. Introduction
II. Mise en évidence des problématiques technologiques actuelles des MEMS RF
1. Etat de l’art technologique des commutateurs MEMS capacitifs
1) Substrat
2) Résistance de polarisation
3) Lignes de transmission
4) Diélectriques
5) Couches sacrificielles
6) Métallisation des ponts
7) Méthode de libération des structures mobiles / séchages
8) Bilan des technologies MEMS RF capacitives
2. Filière technologique de commutateurs MEMS du LAAS et problématiques associées
1) Description physique du micro‐commutateur LAAS
2) Description de la filière technologique d’un micro‐commutateur du LAAS
3) Compatibilité « above IC », préparation du substrat
4) Elaboration de résistances
5) Fabrication des lignes de transmission
6) Réalisation de la couche de protection contre les court‐circuits
7) Elaboration de la membrane métallique sur une couche sacrificielle
8) Libération de la structure
III. Optimisations apportées à la filière technologique de MEMS RF
1. Qualité de contact des commutateurs parallèles et séries
1) Minimisation de la rugosité des lignes de transmission métalliques
2) Optimisation de la planéité du pont MEM
2. Fiabilité des diélectriques
1) Problématique de fiabilité des commutateurs capacitifs
2) Facteurs impactant la durée de vie
3) Détection et analyse du mode de défaillance
4) Solution technologique proposée pour l’amélioration de la fiabilité des MEMS RF capacitifs
5) Description du protocole de test de fiabilité
6) Résultats de fiabilité des diélectriques proposés
3. Optimisation du rendement de fabrication
1) Via le choix de la couche sacrificielle
2) Via la métallurgie des ponts
3) Dispersions technologiques
4) Via le choix du séchage utilisé
4. Faisabilité de commutateurs miniatures
1) Description des commutateurs miniatures
2) Impact sur les performances RF
3) Application à un SPDT
IV. Conclusion
V. Bibliographie
CONCLUSION

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