Les micro-ondes
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.
Place des micro-ondes dans le spectre électromagnétique : les micro-ondes couvrent environ la plage 1 GHz – 1 THz. Pour être plus précis on parle : d’ondes centimétriques pour la plage 3-30 GHz, d’ondes millimétriques pour la plage 30-300 GHz, d’ondes sub-millimétriques au-delà de 300 GHz.
Méthodes d’étude et de modélisation
Les méthodes d’étude et de modélisation des lignes dépendent du mode de propagation des ondes. L’étude théorique des lignes de transmission peut se faire par l’intermédiaire d’une analyse quasi statique ou d’une analyse électromagnétique. Après des rappels théoriques, nous présenterons les deux catégories d’approche.
Différents modes de propagation sur une ligne : Les lignes se classent en 3 catégories selon le mode de propagation des ondes.
Lignes TEM (Transverse Electric and Magnetic) : les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation. La ligne fonctionne sans dispersion fréquentielle. La ligne coaxiale et la ligne triplaque peuvent être considérées comme des lignes TEM. Leur fonctionnement est décrit par un modèle relativement simple.
Lignes non TEM : l’un des deux champs au moins possède une composante longitudinale ; la ligne fonctionne selon un ou plusieurs modes possédant une fréquence de coupure inférieure. Pour chaque mode la vitesse de propagation dépend de la fréquence (dispersion). La théorie est complexe et peut requérir une grande puissance de calcul.
Lignes quasi TEM : les circuits intégrés micro-ondes utilisent de préférence des lignes de structure plane, constituées de rubans conducteurs déposés sur un substrat diélectrique. Ces lignes ne sont pas TEM parce que le milieu de propagation est inhomogène. Il est composé pour partie d’un diélectrique et pour partie d’air. Cependant la présence de deux conducteurs se traduit par l’existence d’un mode à fréquence de coupure nulle et à faible dispersion, dont la configuration est très proche de celle d’un mode TEM. On dit que ce sont des lignes quasi TEM. Elles se comportent comme des lignes TEM pourvu que la fréquence ne soit pas trop élevée, ce qui a longtemps limité leur emploi aux fréquences inférieures à une dizaine de GHz. Lorsque la fréquence s’élève leur dispersion devient sensible et des modes de propagation non TEM apparaissent, susceptibles de perturber le mode quasi TEM.
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 micro-boîtiers 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. 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].
Technologie du dépôt de nitrure
Pour la synthèse du nitrure nous avons utilisé le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).
Mécanisme de dépôt : Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé où un ou plusieurs gaz spécifiques réagissent à la surface d’un substrat et la réaction chimique produit une phase solide. La réaction chimique peut se décomposer en plusieurs étapes : transport des réactifs gazeux à la surface du substrat, physisorption ou chimisorption des réactifs en surface du substrat, réaction hétérogène entre les réactifs adsorbés, désorption de certains produits de réaction gazeux, diffusion du produit de réaction solide à la surface du substrat vers des sites à basses énergies.
Deux paramètres principaux gouvernent la vitesse de dépôt et l’uniformité des films élaborés : le flux de transfert de masse des gaz réactifs vers la surface du substrat à travers la couche limite ; la vitesse de réaction des gaz réactifs à la surface du substrat.
Les dépôts CVD sont effectués avec introduction continue des réactifs et évacuation continue des gaz inutilisés. La vitesse du flux n’est pas constante à cause de la viscosité des gaz, elle diminue dans la couche limite qui recouvre les murs du four et la surface du substrat. L’existence de la couche limite est ainsi l’un des facteurs en compétition dans la cinétique de la réaction.
Le micro-usinage du substrat
Problématique du micro-usinage : Le micro-usinage du substrat a pour but de supprimer le substrat dans les régions où se propage le champ électromagnétique de façon à homogénéiser l’environnement du circuit au-dessus (air) et au-dessous (substrat) et à remplacer un milieu de propagation à pertes par un milieu sans pertes (air). Nous avons choisi d’effectuer le micro-usinage du substrat à partir de la face arrière. Cette méthode présente l’avantage principal de préserver l’intégrité de la membrane [Ese. 97a]. Un autre avantage concerne le masque de gravure, qui est très simple (un rectangle). Le seul inconvénient est une légère imprécision des limites de la zone gravée lorsqu’on utilise la gravure anisotropique, comme cela sera expliqué plus loin. Nous voyons qu’il faut graver 2 matériaux : le film diélectrique de la face arrière et le substrat massif. Nous n’avons pas retenu la solution d’une gravure à partir de la face avant, mentionnée par certains auteurs [Mil. 97m] [Her. 98j] car elle nécessite le perçage de la membrane diélectrique en des emplacements étroitement dépendants de la géométrie des circuits micro-ondes. La gravure du film diélectrique de la face arrière : L’objectif de cette gravure est d’ouvrir localement le diélectrique afin qu’il serve ensuite de masque pour la gravure du substrat. La méthode retenue est la gravure par plasma au fluorure de carbone (CF4), qui convient pour de faibles épaisseurs et qui offre une excellente précision dimensionnelle. Les ions incidents provoquent des dislocations sur une épaisseur de plusieurs couches atomiques. Les espèces non saturées projetées sur la surface forment des couches adsorbées inhibitrices vis-à-vis de la réaction de gravure. Les flancs non touchés par le bombardement ionique sont donc inhibés. Par contre le bombardement ionique arrive à pulvériser la couche inhibitrice à la surface de l’échantillon sur laquelle il tombe perpendiculairement, donnant à cette gravure un caractère anisotropique.
L’électrode supérieure ou anode, par où les gaz (CF4) sont admis, est reliée à la masse. L’électrode inférieure ou cathode sert de porte-échantillon et est portée à la tension radiofréquence de 13,56 MHz. Les dimensions des fenêtres à graver sont définies en fonction des zones où la membrane sera libérée, en tenant compte de la géométrie particulière du micro-usinage du silicium. Nous réalisons une dépôt de résine (AZ4562) d’épaisseur 7 µm et nous l’ouvrons localement par photolithographie. Cette épaisseur de résine est assez importante pour éviter une gravure accidentelle du diélectrique de masquage. La gravure du diélectrique est effectuée pendant un temps suffisant (45 min) pour retirer les 2 couches et entamer le silicium de quelques dizaines d’angströms, de façon à éliminer toute trace de diélectrique qui inhiberait le déclenchement de la gravure chimique du silicium.
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
Annexes au chapitre II « Développement de la filière technologique »
I/ Le nettoyage des substrats
II/ Méthodes et outils de caractérisation des films diélectriques
III/ Indice de réfraction, permittivité relative et composition atomique d’un milieu hétérogène
IV/ Dispersion de l’épaisseur d’oxyde sur une plaquette
V/ Dispersion de l’épaisseur de nitrure sur une plaquette
VI/ Dispersion de l’épaisseur du bicouche sur une plaquette
VII/ La surgravure des angles saillants dans le silicium
VIII/ Résistance de divers matériaux aux bains de gravure du silicium
Annexes au Chapitre III « Développement de filières de circuits coplanaires sur membrane »
I/ Dispersion d’épaisseur de dépôt électrochimique sur une plaquette
Annexe au chapitre V « Faisabilité de lignes micro-ondes sur membrane»
I/ Pertes et affaiblissement d’un quadripôle passif
II/ L’association métal / semi-conducteur
Liste des références bibliographiques
