Soutenance mémoire
Il y a quelques années, les systèmes de communications et détection micro-ondes et millimétriques étaient réservées spécialement aux applications militaires (satellites, radars, systèmes de détection et de guidage…), en utilisant des circuits à base de technologies III-V et plus particulièrement de l’arséniure de gallium (GaAs). Mais avec l’explosion extraordinaire du marché de télécommunications mobiles et l’augmentation permanente des services de communications offerts et donc du nombre d’utilisateurs du spectre fréquentiel, les bandes de fréquences radiofréquences (RF) sont saturées. En conséquence, des bandes de fréquences micro-ondes et millimétriques sont à présent allouées à des applications grand public (télécommunications satellitaires, guidage, systèmes intelligents…) [1]-[5]. A ce stade et face aux enjeux économiques, le coût devient un facteur clé dans la réalisation de microsystèmes. L’utilisation des technologies III-V présente donc un grand handicap pour des applications “bon marché”. En conséquence, le développement de technologies innovantes assurant aux circuits intégrés micro ondes et millimétriques d’excellentes performances, un grand degré d’intégration avec un encombrement et coût réduits, est devenu plus que jamais une priorité pour l’industrie microélectronique.
Contexte de l’étude et état de l’art sur les interconnexions coplanaires sur silicium
La minimisation des circuits et la montée en fréquence constituent deux importants leitmotive des systèmes de communication du futur. Cela nécessite un haut degré d’intégration, des performances plus élevées et un coût très réduit. Pour satisfaire à ces exigences, l’utilisation d’une technologie planaire alliée au substrat silicium semble être la meilleure solution. En effet, la technologie planaire offre une souplesse de conception, une facilité d’intégration et un coût de développement réduit. Le silicium quant à lui est peu onéreux et présente une grande capacité d’intégration avec une technologie bien maîtrisée. Cependant les pertes importantes que présentent les circuits passifs sur silicium standard ralentissent son utilisation dans les modules de communication hyperfréquences. En effet, dans la chaîne de réception, le niveau de pertes des composants est crucial puisqu’il détériore la sensibilité des récepteurs.
Problématique du substrat silicium pour des applications passives micro-ondes et millimétriques
Les composants passifs en technologie silicium standard sont victimes de pertes conséquentes dans la gamme de fréquences micro-ondes et millimétriques. La responsabilité en incombe essentiellement à la basse résistivité du substrat silicium qui autorise la création de courants importants par les champs magnétiques radiofréquences. Dans ce premier paragraphe, nous allons décrire brièvement les problèmes de pertes et de couplages parasites liés à l’utilisation du substrat silicium basse résistivité dans des applications micro-ondes et millimétriques. Pour cela, nous avons utilisé la ligne de transmission coplanaire comme exemple.
La ligne de transmission coplanaire, dite aussi guide coplanaire et notée CPW (Coplanar Waveguide), présente un élément incontournable dans la conception des circuits intégrés. Elle a été proposée pour la première fois comme une alternative à la ligne micro-ruban par Wen en 1969 [1]. Elle est constituée de trois rubans métalliques placés sur le même plan à une distance constante du substrat diélectrique. Le conducteur central véhicule le signal microonde. Les deux rubans latéraux servent de plans de masse et sont séparés du signal par des fentes coplanaires . ‘W’ présente la largeur du conducteur central, ‘S’ la largeur de la fente coplanaire, ‘Wg’ la largeur des deux plans de masse, ‘Hs’ l’épaisseur du substrat et ‘t’ l’épaisseur des conducteurs métalliques. En général, la ligne CPW est isolée du substrat silicium par une couche diélectrique, souvent de l’oxyde, pour éviter les problèmes de courants de fuite dans le substrat semi-conducteur. Rsi et Csi présentent la résistance et la capacité du silicium respectivement, Cox la capacité de l’oxyde entre le ruban métallique et le silicium et Cair est la capacité entre le signal et le plan de masse.
La ligne de transmission coplanaire présente plusieurs avantages par rapport à la ligne micro-ruban. Elle permet de s’affranchir des procédés technologiques face arrière utilisés pour la réalisation des lignes micro-rubans et donc de réduire le coût de fabrication. Elle présente aussi une souplesse de conception et de réalisation. Elle montre également une facilité d’intégration avec d’autres circuits sans avoir recours aux vias métalliques grâce à son caractère uniplanaire. De plus, elle facilite la réalisation des circuits complexes comme les filtres. Grâce à toutes ces qualités, nous avons choisi d’utiliser des interconnexions coplanaires pour l’intégration monolithique des circuits micro-ondes.
Dans les circuits intégrés millimétriques (MMICs), les interconnexions doivent présenter de faibles pertes afin de maintenir un gain fort et un bruit très faible. Il existe trois mécanismes principaux à l’origine des pertes dans une ligne de transmission coplanaire. Les pertes ohmiques dans les conducteurs métalliques, αc, les pertes diélectriques dans le substrat, αd, et les pertes radiatives αr. L’atténuation totale α est donnée donc par la somme de ces trois types de pertes (αT = αc + αd +αr).
Etat de l’art sur les solutions technologiques utilisées pour améliorer les performances des circuits passifs sur silicium aux fréquences micro-ondes et millimétriques
Afin de surmonter les nuisances du silicium basse résistivité et de favoriser son utilisation pour des applications micro-ondes et millimétriques, différentes approches ont été explorées dans la littérature. Elles consistent à modifier, à éloigner ou encore à supprimer le substrat silicium. Dans ce paragraphe, nous allons exposer les solutions mises en œuvre pour réduire voire supprimer les pertes dues au substrat silicium standard.
Modification du substrat
Substrat silicium haute résistivité (SiHR)
Une première solution consiste à utiliser un substrat silicium haute résistivité (SiHR: ρ > 2000 Ω.cm) pour lequel les pertes diélectriques sont négligeables à hautes fréquences et seules les pertes ohmiques prédominent. Ceci permet d’obtenir une atténuation des lignes de transmission comparable à celles sur GaAs [8]-[11]. Cependant, les lignes coplanaires déposées directement sur le silicium , présentent des problèmes de courants de fuite dans le substrat semi-conducteur, ce qui est pénalisant pour les circuits actifs intégrés. De plus, la haute résistivité du silicium peut être détériorée lors d’étapes technologiques à température élevée.
Passivation du substrat silicium haute résistivité
Afin de remedier aux problèmes de courants de fuite dans le substrat, une solution consiste à ajouter une passivation à la surface du silicium, en utilisant une fine couche d’oxyde de silicium (SiO2, εr :3.9) ou de nitrure de silicium (Si3N4, εr :7.5) entre le substrat et les conducteurs métalliques. Néanmoins, les états de surface dans la couche de passivation peuvent donner naissance à une couche conductrice localisée à la surface du substrat silicium à cause de l’effet d’inversion (Silicium-P) ou d’accumulation (Silicium-N) de charges. Ceci implique des pertes additionnelles (pertes d’interface) et donc mène à une augmentation considérable des pertes [6], [7], [12]-[16] et une détérioration du facteur de qualité des circuits passifs .
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Table des matières
INTRODUCTION
Références bibliographiques de l’introduction générale
Chapitre 1- Contexte de l’étude et état de l’art sur les interconnexions coplanaires sur silicium
Introduction
1. Problématique du substrat silicium pour des applications passives microondes et millimétriques
a- Pertes ohmiques
b- Pertes diélectriques
c- Pertes radiatives
2. Etat de l’art sur les solutions technologiques utilisées pour améliorer les performances des circuits passifs sur silicium aux fréquences micro-ondes et millimétriques
2.1. Modification du substrat
a- Substrat silicium haute résistivité (SiHR)
b- Passivation du substrat silicium haute résistivité
c- Implantation ionique
d- Silicium poreux
e- Silicium sur oxyde (SOI)
2.2. Micro-usinage du substrat
2.3. Eloignement du substrat
2.4. Technologies tridimentionnelles
Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 1
Chapitre 2- Optimisation des performances des circuits passifs sur silicium basse résistivité pour des applications micro-ondes et millimétriques
Introduction
1. Technologie faibles pertes à base de polymère
1.1. Lignes de transmission coplanaires sur une couche épaisse organique
1.2. Filière technologique
1.2.1. Impact du nettoyage du substrat
1.2.2. Couche diélectrique organique
a- Choix du matériau polymère
(i). Les polyimides
(ii). Polymères photosensibles – BenzoCycloButène
b- Comparaison entre des lignes de transmission coplanaires sur polymère et sur polyimide
c- Procédé technologique pour le dépôt de BCB
1.2.3. Dépôt métallique
a- Dépôt électrolytique pleine plaque
b- Dépôt localisé dans un moule de résine épaisse
1.2.4. Gravure de la couche d’accrochage
1.3. Caractérisation des lignes coplanaires sur polymère
1.3.1. Impact de la résistivité du substrat silicium sur les performances micro-ondes d’une ligne CPW sur polymère
1.3.2. Impact des dimensions coplanaires sur les performances microondes d’une ligne coplanaire sur polymère
a- Largeur du conducteur central
b- Largeur des fentes coplanaires
1.3.3. Impact de l’épaisseur de BCB
1.3.4. Comportement des lignes CPW sur BCB en température
1.4. Ligne coplanaire dans un milieu quasi-homogène en polymère
2. Techniques de micro-usinage de surface
2.1. Lignes CPW avec un micro-usinage de BCB dans les fentes coplanaires .
2.1.1. Procédé technologique de gravure du BCB
a- Masque de gravure RIE du BCB
b- Gravure SF6/O2
c- Gravure CF4/O2
d- Gravure CHF3/O2
2.1.2. Caractérisation des lignes CPW avec une gravure de BCB dans les fentes coplanaires
2.2. Lignes CPW avec un micro-usinage de surface du BCB et du substrat silicium dans les fentes
2.2.1. Procédé technologique
2.2.2. Caractérisation micro-ondes
2.3. Lignes coplanaires sur polymère avec silicium micro-usiné en surface
2.3.1. Impact de la gravure latérale du silicium dans les fentes coplanaires
2.3.2. Impact de la profondeur de silicium micro-usiné sur les performances micro-ondes d’une ligne CPW
2.3.3. Correspondance entre les performances des lignes CPW microusinées et des lignes CPW sur une couche épaisse de BCB sans microusinage
3. Lignes CPW suspendues sur une membrane BCB
3.1. Procédé technologique
3.2. Etude de la rigidité mécanique d’une membrane BCB
3.3. Test de choc et de vibration
3.4. Caractérisation micro-ondes des lignes CPW suspendues sur une membrane BCB
4. Synthèse générale
Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 2
Chapitre 3- Application des filières technologiques développées à des filtres et antennes
Introduction
1. Application aux filtres passe-bandes coplanaires
1.1. Méthode de conception utilisée
1.1.1. Gabarit et topologie choisis du filtre
1.1.2. Modélisation de discontinuités coplanaires
1.1.3. Procédure de conception du filtre
1.2. Elaboration du filtre coplanaire à l’aide de la filière technologique sur polymère
1.2.1. Bibliothèque de discontinuités coplanaires pour la filière technologique sur polymère
1.2.2. Caractérisation du filtre
1.2.3. Impact des dispersions technologiques
a- Sur les discontinuités coplanaires
b- Sur le filtre coplanaire
(i). Discontinuité coplanaire centrale
(ii). Discontinuité coplanaire d’entrée-sortie (E/S)
1.3. Homogénéisisation du milieu de propagation avec une couche de polymère suplémentaire
1.3.1. Application aux filtres coplanaires sur polymère
1.3.2. Application au filtre coplanaire micro-usiné en surface
1.4. Comparaison des performances des filtres réalisés sur polymère et silicium massif et sur membrane polymère
2. Antennes planaires
2.1. Antennes sur couche épaisse organique avec et sans micro-usinage de surface du silicium
2.2. Antennes planaires avec tranchées
2.3. Antennes planaires suspendues sur une membrane BCB
2.4. Impact de la technique de micro-usinage sur les performances des antennes planaires
Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 3
CONCLUSION
