Nouvelle filière technologique de circuits micro-ondes coplanaires

Historique de l’électromagnétisme et des micro-ondes

C’est en 1873 que naquit la base théorique de l’électromagnétisme par la publication du ’’Traité sur l’électricité et le magnétisme’’ de James Clerk Maxwell où il posa ses 4 équations. Suite à ce premier fondement, la fin du dix-neuvième siècle connut de nombreuses recherches qui permirent le développement de la télégraphie sans fil. Ainsi vers 1887, Heinrich Hertz produit et détecte pour la première fois des ondes électromagnétiques vers 1 GHz, et Marconi démontre la possibilité de propager des ondes radioélectriques en espace libre. Juste avant le début du siècle Lord Raleigh démontre théoriquement la possibilité de faire propager des ondes dans des guides d’ondes à section rectangulaire ou circulaire, et Kenelly et Heaviside montrent les propriétés réfléchissantes de certaines couches de l’ionosphère sur des ondes 3-30 MHz [Com. 91j]. Avec la première guerre mondiale, les premières émissions de radiodiffusion se développent, puis en 1930 le premier tube hyperfréquence (le magnétron) et le premier réflecteur parabolique sont mis au point, donnant naissance au radar. Au cours du dernier demi-siècle, 3 événements ont marqué le développement de la micro-électronique pour les micro-ondes :
– vers 1955 : le début de l’utilisation des semi-conducteurs en électronique,
– vers 1965 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes,
– vers 1985 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes monolithiques.

Amélioration des caractéristiques extrinsèques

L’un des avantages les plus reconnus aux structures coplanaires est leur aptitude à l’intégration de composants actifs. Pour tirer un plein profit de cet avantage, différentes équipes de recherche ont remplacé le substrat diélectrique par un substrat semi-conducteur, de façon à permettre l’intégration monolithique de composants micro-ondes passifs et actifs. On aboutit ainsi à des MMICs, circuits intégrés monolithiques micro-ondes, planaires. Toutefois le remplacement de l’isolant par un semi-conducteur entraîne une augmentation des pertes ’’diélectriques’’ (nous continuons d’appeler ainsi les pertes dans le substrat) puisque, par définition, un semi-conducteur n’est ni un bon conducteur ni un bon diélectrique. La préférence a été donnée d’abord à l’arséniure de gallium (AsGa) malgré sa fragilité, car l’AsGa pur est un bon isolant, ce qui limite les pertes diélectriques [Jac. 86s & 86d]. Depuis quelques années on s’intéresse aux possibilités offertes par le silicium car on sait aujourd’hui réaliser des dispositifs actifs micro-ondes avec ce matériau. De plus son usage est extrêmement répandu dans des applications à plus basse fréquence, de sorte que son emploi à des fréquences plus élevées n’entraîne qu’une faible augmentation des coûts en raison de l’amortissement des installations de production. Le micro-usinage du silicium commence à être bien maîtrisé dans l’industrie et les laboratoires, et il offre au concepteur de circuits de larges possibilités. Le handicap de sa faible résistivité est maintenant atténué par l’apparition sur le marché de silicium à plus haute résistivité à un coût modéré [Rey. 95s]. Le silicium présente aussi l’avantage d’être bon conducteur thermique ce qui facilite le maintien des circuits à une température uniforme et stable pour les applications qui le nécessitent. Un dernier avantage du silicium réside dans ses propriétés mécaniques, pour constituer des microboîtiers métallisés à un coût modéré [Dra. 94c]. Ces boîtiers ont l’avantage d’être légers et de réduire les rayonnements à la source. Il joue à la fois le rôle de pont à air et d’écran contre le mode parasite pair (cf § I.3.3.b). L’amélioration de l’isolation entre circuits voisins permet aussi l’augmentation de la densité des circuits. Des lignes micro-blindées sur substrat silicium sont décrites dans plusieurs publications [Dra. 93s, 94c, 94m & 95q].

Fabrication des conducteurs par dépôt localisé

La fabrication des conducteurs par dépôt localisé consiste à déposer localement la couche métallique à travers un masque ou à l’intérieur d’un moule de résine. La technique la plus couramment mise en œuvre utilise une résine à profil inversé (’’lift-off’’) [Dra. 94m] qui sert de masque lors d’un dépôt par évaporation ou par pulvérisation cathodique. Cette technique a été utilisée par l’université de Michigan avec une épaisseur de 1,2 µm [Dra. 94m] mais elle est limitée à des épaisseurs de cet ordre (1 à 1,5 µm). Plusieurs autres techniques font appel à des moules de résine dans lesquels sont réalisés des dépôts électrochimiques. La première est la technique LIGA qui permet de réaliser des couches épaisses (plusieurs centaines de µm) avec un rapport d’aspect (hauteur/largeur) de 100/1 ; mais elle nécessite la fabrication d’un masque à rayon X et la disponibilité d’un synchrotron pour l’insolation [Rog. 92m]. De plus l’irradiation est très longue et se fait point par point. La deuxième utilise des résines photosensibles de type négatif à base de polyimide permettant de réaliser des épaisseurs de 150 µm avec des rapports d’aspect de 10 à 15/1. Ces résines n’ont pas été retenues dans le cadre de cette thèse, en raison de leur faible solubilité dans le bain de nettoyage après dépôt métallique, ce qui est un inconvénient pour la réalisation de microstructures fragiles [All. 93d]. La solution développée au LAAS par le service TEAM [Con. 97r] utilise une résine photosensible positive polymérisable par rayons ultraviolets. C’est cette technique que nous détaillons dans ce qui suit.

Conclusion des travaux de conception des lignes

Nous avons été amenés à concevoir des dispositifs de démonstration comprenant chacun :
– 2 accès sur substrat de silicium massif d’épaisseur h = 360 µm et d’impédance caractéristique Z0 = 50 Ω ;
– 2 transitions linéaires massif / membrane ;
– 1 tronçon de ligne sur membrane, d’impédance caractéristique Z0 = 75 Ω ou 100 Ω.
Leurs caractéristiques géométriques ont été déterminées par analyse quasi statique. Une analyse paramétrique, conduite en quasi statique et confirmée par simulation électromagnétique, a montré l’intérêt des choix technologiques présentés aux chapitres II et III :
– membrane mince pour conserver une permittivité effective proche de 1 ;
– technologie de confection des conducteurs assurant une grande précision pour avoir une bonne maîtrise de Z0.
La simulation électromagnétique des lignes sur membrane indique en outre de très faibles pertes et l’absence de dispersion fréquentielle.

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Table des matières

Introduction générale
I/ Les structures micro-ondes coplanaires
I.1/ Les micro-ondes
I.1.1/ Historique de l’électromagnétisme et des micro-ondes
I.1.2/ Place des micro-ondes dans le spectre électromagnétique
I.1.3/ Les structures micro-ondes
I.2/ Méthodes d’étude et de modélisation
I.2.1/ Différents modes de propagation sur une ligne
I.2.2/ Eléments de théorie des lignes TEM
I.2.3/ Analyse quasi statique
I.2.4/ Analyse électromagnétique et simulations logicielles
I.3/ Les structures micro-ondes micro-ruban et coplanaire
I.3.1/ La structure micro-ruban
I.3.2/ La structure coplanaire
I.3.3/ Comparaison coplanaire / micro-ruban
I.4/ Perspectives d’amélioration des structures coplanaires – Orientation de nos travaux
I.4.1/ Les 2 voies d’amélioration des structures
I.4.2/ Orientation des travaux présentés dans ce mémoire
II/ Développement d’une filière de réalisation de membranes diélectriques
II.1/ Conception générale et choix des matériaux
II.1.1/ Le substrat
II.1.2/ La membrane
II.1.3/ Etudes effectuées
II.2/ Le film monocouche d’oxyde de silicium
II.2.1/ Caractéristiques physiques de l’oxyde de silicium
II.2.2/ Technologie de la croissance d’oxyde
II.2.3/ Essais préliminaires
II.2.4/ Procédé de référence pour le film d’oxyde
II.2.5/ Reproductibilité des caractéristiques du film monocouche d’oxyde
II.3/ Le film monocouche de nitrure de silicium
II.3.1/ Caractéristiques physiques du nitrure de silicium
II.3.2/ Technologie du dépôt de nitrure
II.3.3/ Essais préliminaires
II.3.4/ Procédé de référence pour le film de nitrure
II.3.5/ Reproductibilité des caractéristiques du film monocouche de nitrure (Si3,2N4)
II.4/ Le film bicouche oxyde/nitrure de silicium
II.4.1/ Problématique du bicouche
II.4.2/ Méthode de caractérisation du bicouche et choix des épaisseurs
II.4.3/ Résultats obtenus sur un film bicouche oxyde/nitrure
II.5/ Le micro-usinage du substrat
II.5.1/ Problématique du micro-usinage
II.5.2/ La gravure du film diélectrique de la face arrière
II.5.3/ Le micro-usinage du silicium
II.5.4/ Rendement de fabrication
II.5.5/ La tenue mécanique et thermique de la membrane
II.5.6/ Tenue en température
II.6/ Conclusion
III/ Développement de filières de circuits coplanaires sur membrane
III.1/ Problématique de conception des circuits micro-ondes
III.1.1/ Matériau
III.1.2/ Précision de forme
III.2/ Les techniques de dépôt d’or
III.2.1/ Le dépôt physique en phase vapeur
III.2.2/ Le dépôt d’or électrochimique
III.3/ Les techniques de mise en forme des conducteurs
III.3.1/ Mise en forme par photolithographie
III.3.2/ Fabrication des conducteurs par dépôt localisé
III.4/ Les filières de fabrication
III.4.1/ Introduction aux filières
III.4.2/ Procédés constitutifs des filières
III.4.3/ Filière par photolithographie
III.4.4/ Filière par dépôt électrochimique localisé
III.5/ Conclusion
IV/ Conception de lignes micro-ondes sur membrane
IV.1/ Introduction
IV.2/ Contraintes de conception et choix préliminaires
IV.2.1/ Gamme de fréquences
IV.2.2/ Accès et transitions
IV.2.3/ Epaisseur du substrat de silicium
IV.2.4/ Topologie de référence
IV.3/ Paramètres de conception par analyse quasi statique
IV.3.1/ Bases de conception par la transformation conforme
IV.3.2/ Dimensionnement des lignes sur membrane
IV.3.3/ Dimensionnement des accès sur substrat massif
IV.3.4/ La transition entre le silicium massif et la membrane
IV.4/ Modélisation des dispositifs en vue de la simulation électromagnétique
IV.4.1/ Intérêt de la simulation électromagnétique
IV.4.2/ Procédure de simulation
IV.4.3/ Modèle physique des dispositifs à simuler
IV.5/ Analyse paramétrique des lignes sur membrane
IV.5.1/ Valeurs nominales des paramètres de conception
IV.5.2/ Sensibilité de εeff et Z0 aux largeurs de ruban et de fente
IV.5.3/ Sensibilité de εeff et Z0 aux caractéristiques de la membrane
IV.5.4/ Analyse des pertes ohmiques et influence de l’épaisseur de métallisation
IV.6/ Conclusion des travaux de conception des lignes
V/ Faisabilité de lignes micro-ondes sur membrane
V.1/ Introduction
V.2/ Réalisation des dispositifs
V.2.1/ Aperçu général des fabrications
V.2.2/ Schémas et cotes des dispositifs
V.3/ Mesure des dispositifs globaux
V.3.1/ Méthode de mesure
V.3.2/ Examen des réponses en module des paramètres S
V.3.3/ Examen des réponses en phase des paramètres S
V.3.4/ Examen des pertes des dispositifs globaux
V.3.5/ Bilan des enseignements tirés des mesures globales
V.3.6/ Complément d’étude sur les pertes dans les accès
V.4/ Extraction des caractéristiques des lignes sur membrane
V.4.1/ Méthodes d’extraction de la constante de propagation et de l’impédance caractéristique
V.4.2/ Caractéristiques obtenues par la méthode de Bianco et Parodi
V.4.3/ Caractéristiques des lignes 75 Ω obtenues après calibration TRL
V.5/ Conclusion sur la faisabilité des lignes sur membrane
V.5.1/ Résultats généraux
V.5.2/ Résultats spécifiques aux lignes sur membrane
VI/ Le micro-blindage des circuits sur membrane — Application au filtrage
VI.1/ Introduction
VI.2/ La technologie du capot intégré
VI.2.1/ Principe et objectifs du capot
VI.2.2/ Architecture du capot
VI.2.3/ Réalisation technologique
VI.2.4/ Conclusion et perspectives
VI.3/ Le filtre passe-bande
VI.3.1/ Définition et simulation du filtre
VI.3.2/ Réalisation du filtre
VI.3.3/ Mesures des filtres avec leurs accès
VI.3.4/ Réponse du filtre après épluchage TRL – Comparaisons
VI.3.5/ Conclusion
VI.4/ Le filtre passe-bande micro-blindé
VI.4.1/ Introduction
VI.4.2/ Adaptation du capot au filtre
VI.4.3/ Influence du capot sur le filtre
VI.4.4/ Conclusion sur l’association du capot au filtre
VI.5/ Conclusion
Conclusion Général