EP4586408A1 - Réseau de cellules unitaires accordables pour antenne reconfigurable et procédé de fabrication associé - Google Patents

Réseau de cellules unitaires accordables pour antenne reconfigurable et procédé de fabrication associé

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EP4586408A1
EP4586408A1 EP25150324.9A EP25150324A EP4586408A1 EP 4586408 A1 EP4586408 A1 EP 4586408A1 EP 25150324 A EP25150324 A EP 25150324A EP 4586408 A1 EP4586408 A1 EP 4586408A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
tunable unit
unit cell
quartz
cell array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25150324.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Mercier
Marjolaine Allain
Bruno Reig
Francesco FOGLIA MANZILLO
Antonio Clemente
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4586408A1 publication Critical patent/EP4586408A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • the present invention relates to an antenna array intended to operate in sub-terahertz frequency bands, for example of the order of one or several hundred gigahertz.
  • the present invention relates more particularly to a reconfigurable antenna array and its manufacturing method.
  • the invention finds application, for example, in medical and industrial control imaging, Earth and deep space observation, as well as for radars and broadband telecommunications systems.
  • a reconfigurable antenna is an antenna capable of dynamically changing its frequency and radiation properties in a controlled and reversible manner.
  • reconfigurable antennas may incorporate actuators (such as phase-change material-based radio frequency (RF) switches, varactors, mechanical actuators, or tunable materials) that allow the intentional redistribution of RF currents across the antenna surface and produce reversible changes in its properties; these are sometimes referred to as phased array antennas.
  • RF radio frequency
  • the reconfigurability of reconfigurable antennas, including antenna arrays, is used to maximize antenna performance in a changing scenario or to meet changing operating requirements.
  • a reconfigurable antenna array is made up of the association of a set of reconfigurable unit radiating elements which correspond to an array of tunable unit cells arranged according to a particular geometry, in the same frequency band in order to produce a reconfigurable radiation pattern.
  • a unit cell can be made up of a substrate with low RF losses.
  • a metal ground plane is deposited on one side of this substrate and a radiating metal patch or element is deposited on the other side.
  • a second substrate can be assembled on the radiating metal element in order to improve its performance.
  • a third metal layer can also be deposited on this second substrate in order to further improve the performance of the radiating element.
  • This metal layer can itself comprise one or more secondary radiating elements excited by coupling by the first radiating element and behaves like a structure with superimposed patch antennas and makes it possible to improve the frequency band and the scanning range of the beam radiated by the array.
  • reconfigurable antennas are obtained today by implementing manufacturing processes which consist of transferring a first slice (or wafer in English) comprising actuators onto at least a second slice or wafer. comprising cells based on a low RF loss material.
  • This type of reconfigurable antenna is currently obtained by implementing manufacturing processes which consist of manufacturing unitary tunable radiating elements with RF switches on a first wafer and transferring a second entire substrate with elements allowing the improvement of the overall performance of the antenna.
  • the unitary tunable element is thus made up of the stack of 2 substrates made of low RF loss material with three levels of metallization (one on each side of the stack and one between the two substrates).
  • the first substrate has a characteristic transverse dimension greater than or equal to 100 mm, or even greater than or equal to 200 mm, and/or said at least two blocks cut from the second substrate each have a characteristic transverse dimension greater than or equal to 200 ⁇ m and strictly less than 50 mm, preferably less than 5 mm.
  • the cutting of said at least two first blocks comprises a cutting, for example by laser or by saw, in the thickness of the substrate concerned.
  • the phase change material switch is at least partially encapsulated in silicon oxide.
  • At least four, preferably at least sixteen, tiles are attached to the first substrate so as to give the array of tunable unit cells the shape of a two-dimensional matrix of tunable unit cells.
  • At least one pad comprises a primary layer based on one or other of fused silica, quartz and a glass having a loss tangent of less than 0.005 at frequencies above 100 GHz, and a pattern or structuring of a metallic layer and/or a radiating element (for example a patch antenna) on the face of the primary layer which is opposite that by which said primary layer is fixed to the first substrate.
  • At least one tile is attached to the first substrate via a layer of glue.
  • At least one pad is attached to the first substrate by thermocompression of a metal layer deposited on said at least one pad with metal layer deposited on the first substrate.
  • At least one pad is fixed to the first substrate by reflowing metal balls, for example gold-based, previously deposited on at least one of a metal layer deposited on said at least one pad and a metal layer deposited on the first substrate.
  • metal balls for example gold-based, previously deposited on at least one of a metal layer deposited on said at least one pad and a metal layer deposited on the first substrate.
  • At least one block is fixed to the first substrate by reflowing metal balls, for example gold-based, deposited beforehand on at least one of a metallization layer deposited on said at least one block and a metallization layer deposited on the first substrate, said at least one block and the first substrate having, at the level of the fixing of said at least one block on the first substrate, surface structures substantially overlapping each other.
  • metal balls for example gold-based, deposited beforehand on at least one of a metallization layer deposited on said at least one block and a metallization layer deposited on the first substrate, said at least one block and the first substrate having, at the level of the fixing of said at least one block on the first substrate, surface structures substantially overlapping each other.
  • the tunable unit cell array comprises tiles of different thicknesses. It is thus possible to advantageously modulate the focusing of the beam transmitted or reflected by the tunable unit cell array to a greater extent.
  • the tunable unit cell array further comprises, connected to each phase change material switch, a thermal actuation guide, for example of an optical or electrical nature.
  • a thermal actuation guide for example of an optical or electrical nature.
  • the fabrication of the thermal actuation guide may be carried out during the fabrication of the first substrate comprising the phase change material switch.
  • the thermal actuation guide like the phase change material switch, is at least partially encapsulated in silicon oxide.
  • the tunable unit cell array further comprises, for each phase change material switch, a metallization level forming an interconnection RF line and/or a radiating element (eg a patch antenna), of the phase change material switch.
  • the tunable unit cell array does not require an additional level of interconnections, which makes it possible to save at least one metal level.
  • the metallization level like the phase change material switch, is at least partly encapsulated in silicon oxide.
  • the tunable unit cell array may comprise at least one level of metal interconnections between said at least two tiles and the first substrate, which is accessible without etching the material constituting said at least two tiles and/or the first substrate to ensure an electrical connection between said at least two tiles and the first substrate at their attachment interface.
  • the tunable unit cell array is advantageously free of vias through the material from which said at least two tiles and/or the first substrate are made. This avoids difficulties in respecting the thermal budget during manufacturing, low-temperature processes being less good, and/or this avoids bonding with metal continuity on several levels which requires additional steps and increases the cost, while increasing the risk of breakage.
  • each first tile forms with the part of the substrate on which it is transferred a single tunable unit cell of the network of tunable unit cells.
  • each of the first substrate and the second substrate has a characteristic transverse dimension greater than or equal to 100 mm, or even greater than or equal to 200 mm, and/or said at least two blocks each have a characteristic transverse dimension greater than or equal to 200 ⁇ m and strictly less than 50 mm, preferably less than 5 mm.
  • each phase change material switch is intended to form in part a tunable unit cell.
  • the first substrate and the second substrate are based on the same material.
  • At least four, preferably at least sixteen, tiles are cut and then transferred, so that the tiles form, with the parts of the substrate on which they are transferred, an array of tunable unit cells taking the form of a matrix of tunable unit cells.
  • the method comprises providing at least one third substrate, cutting at least one third tile from the third substrate and transferring said at least one third tile onto the substrate onto which said at least two first tiles have been transferred, the third substrate preferably having a thickness different from the substrate from which said at least two first tiles have been cut.
  • the tiles may come from different substrates, and the latter may for example have different thicknesses from each other, so that the tiles cut therefrom may be transferred onto the same substrate to form tunable unit cells of different thicknesses in the same network of tunable unit cells.
  • the transfer of said first layer is carried out by means of a layer of silicon oxide.
  • the method further comprises, after grinding the growth substrate, at least one step of opening, for example by etching, a layer of silicon oxide at the level of an interconnection line of the radiating metal element.
  • the transfer of at least one first block is carried out by thermocompression of a metallic layer of said at least one block with a metallic layer of the first substrate.
  • the transfer of at least one first block is carried out by remelting metal balls, for example gold-based, deposited beforehand on at least one of a metal layer of said at least one block and a metal layer of the first substrate.
  • the cutting of said at least The first two paving stones are made in the second substrate.
  • the transfer of at least one first block is carried out by hybrid bonding, said at least one block and the first substrate having, at the level of the fixing of said at least one first block on the first substrate, surface structures substantially overlapping each other.
  • the transfer of at least one first block is carried out by remelting metal balls, for example gold-based, deposited beforehand on at least one of a metal layer of said at least one block and a metal layer of the first substrate, said at least one block and the first substrate having, at the level of the fixing of said at least one block on the first substrate, surface structures substantially overlapping each other.
  • metal balls for example gold-based, deposited beforehand on at least one of a metal layer of said at least one block and a metal layer of the first substrate, said at least one block and the first substrate having, at the level of the fixing of said at least one block on the first substrate, surface structures substantially overlapping each other.
  • a film or layer based on a material A means a film or layer comprising this material A and possibly other materials.
  • a parameter that is "substantially equal to/greater than/less than” a given value means that this parameter is equal to/greater than/less than the given value, within plus or minus 20% or even 10% of this value.
  • a parameter that is "substantially between” two given values means that this parameter is at least equal to the smallest given value, within plus or minus 20% or even 10% of this value, and at most equal to the largest given value, within plus or minus 20% or even 10% of this value.
  • the terms “on”, “surmounts”, “overhangs”, “covers”, “underlies” and their equivalents do not necessarily mean “in contact with”.
  • the transfer, application or deposition of a first layer on a second layer does not necessarily mean that the two layers are directly in contact with each other, but means that the first layer at least partially covers the second layer by being either directly in contact with it, or by being separated from it by at least one other layer or at least one other element.
  • phase change materials are materials capable of alternating, under the effect of a variation in temperature, between a crystalline phase and an amorphous phase, the amorphous phase having a higher electrical resistance than the crystalline phase.
  • substrate, film or layer thicknesses are generally measured in directions perpendicular to the main plane of extension of the substrate, film or layer.
  • a first embodiment of the tunable unit cell array 1 according to the first aspect of the invention is described below with reference to the Figure 1 .
  • the presently detailed implementation method then comprises, with reference to the Figure 7 , providing a second substrate 20 based on any of fused silica, quartz, and glass having a loss tangent of less than 0.005 at frequencies above 100 GHz. More particularly, the second substrate 20 comprises a layer 201 based on one of fused silica, quartz and glass having a loss tangent of less than 0.005 at frequencies above 100 GHz, on which can be deposited a metallization level 202, which, as illustrated in the figure 8 , can be etched to form a plurality of connecting plugs 122.
  • the second substrate 20 is then cut into blocks 12.
  • each block 12 can be topped with at least one structuring in the aforementioned metal layer 122. If the figure 9 illustrates a cutting of the second substrate 20 into two blocks 12, it is understood that the cutting of the second substrate 20 can lead to the manufacture of a plurality of at least four blocks 12, preferably at least sixteen blocks 12, or even more.
  • a second opening step 105 for example by etching, of the silicon oxide layer 104 may be provided in line with a part of the metal layer 1031 on the other side of the phase change material switch 101 relative to the first opening 105 mentioned above, and each pad 12 may comprise a metal layer 123 by which it is intended to be transferred, on the first substrate 11, in line with the second opening 105, for example by thermocompression between the connection plug 123 and the part of the metal layer 1031 which is exposed via the second opening 105.
  • the connection plug 122 illustrated on the Figure 12 is optional.
  • each block 12 may further involve the fusion of metal balls 124, for example gold-based, deposited, before the transfer, on the connection plug 123 or in the second opening 105.
  • metal balls 124 for example gold-based, deposited, before the transfer, on the connection plug 123 or in the second opening 105.
  • the embodiments of the network of tunable unit cells 1 which is illustrated in the Figure 15 .
  • FIG. 16 Another embodiment of the first aspect of the invention and of implementing the second aspect of the invention is illustrated in the figures 16 to 19 .
  • the silicon can be ground, to achieve a first substrate 11 as illustrated in the figure 18 , silicon-free.
  • the substrate cut is not the one comprising the active elements of the tunable unit cells 10, namely the phase change material switches 101 and their thermal actuation guide 102.
  • the substrate cut is not the one comprising the active elements of the tunable unit cells 10, namely the phase change material switches 101 and their thermal actuation guide 102.
  • the substrate cut is not the one comprising the active elements of the tunable unit cells 10, namely the phase change material switches 101 and their thermal actuation guide 102.
  • the substrate in which the active elements of the tunable unit cells 10 are located which is cut.
  • the various embodiments of the tunable unit cell array 1 described above advantageously make it possible to avoid having to transfer an entire large substrate (>50 mm transverse dimension) onto another entire substrate, thus relaxing the flatness constraints of the assembly surfaces and/or reducing the risk of breakage of the substrates during their handling and/or their manufacture when they are subjected to thermomechanical constraints.
  • Another advantage consists in the fact that it is therefore possible to fix to the first substrate 11 blocks 12 of different thicknesses.
  • the present invention relates to a reconfigurable phase-shifted array antenna, intended to operate in millimeter and sub-terahertz frequency bands, for example between 100 GHz and 500 GHz.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne reconfigurable à réseau phasé, destinée à fonctionner dans des bandes de fréquence sub-térahertz, et plus particulièrement un réseau de cellules unitaires accordables pour antenne reconfigurable et son procédé de fabrication.Le réseau d'éléments rayonnants excités par des signaux à déphasage contrôlable (dans un ensemble de valeurs discrets) 1 comprend :• un premier substrat 11 à base de silice fondue ou de quartz,• au moins un pavé 12 issu d'une découpe dans un deuxième substrat 21 à base de silice fondue ou de quartz,chaque pavé étant fixé au premier substrat pour former une cellule unitaire accordable 10 du réseau, chaque cellule comprenant au moins un commutateur à matériau à changement de phase 101.L'invention trouve à s'appliquer dans l'imagerie médicale et de contrôle industriel, d'observation de la Terre et de l'espace profond, et pour les radars et les systèmes de télécommunication large bande.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne un réseau d'antennes destiné à fonctionner dans des bandes de fréquence sub-térahertz, par exemple de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de gigahertz. La présente invention concerne plus particulièrement un réseau d'antennes reconfigurables et son procédé de fabrication. L'invention trouve par exemple à s'appliquer dans l'imagerie médicale et de contrôle industriel, d'observation de la Terre et de l'espace profond, ainsi que pour les radars et les systèmes de télécommunication large bande.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Une antenne reconfigurable est une antenne capable de modifier ses propriétés de fréquence et de rayonnement de manière dynamique, de manière contrôlée et réversible. Afin de fournir une réponse dynamique, les antennes reconfigurables peuvent intégrer des actionneurs (tels que des commutateurs radiofréquence (RF) à base de matériau à changement de phase, des varactors, des actionneurs mécaniques ou des matériaux accordables) qui permettent la redistribution intentionnelle des courants RF sur la surface de l'antenne et produisent des modifications réversibles de ses propriétés ; on parle parfois d'antennes à réseau phasé. La capacité de reconfiguration des antennes reconfigurables, dont les réseaux d'antennes, est utilisée pour maximiser les performances de l'antenne dans un scénario changeant ou pour satisfaire des exigences de fonctionnement changeantes.
  • Un réseau d'antennes reconfigurables est constitué de l'association d'un ensemble d'éléments rayonnants unitaires reconfigurables qui correspondent à un réseau de cellules unitaires accordables disposées selon une géométrie particulière, dans une même bande de fréquence afin de produire un diagramme de rayonnement reconfigurable. Une cellule unitaire peut être constituée d'un substrat à faibles pertes RF. Un plan de masse métallique est déposé d'un côté de ce substrat et un patch ou élément métallique rayonnant est déposé de l'autre côté. Un second substrat peut être assemblé sur l'élément métallique rayonnant afin d'améliorer ses performances. Une troisième couche métallique peut aussi être déposée sur ce second substrat afin d'améliorer encore plus les performances de l'élément rayonnant. Cette couche métallique peut elle-même comprendre un ou plusieurs éléments rayonnants secondaires excités par couplage par le premier élément rayonnant et se comporte comme une structure à antennes patchs superposées et permet d'améliorer la bande de fréquence et la plage de balayage du faisceau rayonné par le réseau.
  • La plupart des antennes reconfigurables sont obtenues aujourd'hui par mises en oeuvre de procédés de fabrication qui consistent à reporter une première tranche (ou wafer en anglais) comprenant des actionneurs sur au moins une deuxième tranche ou wafer comprenant des cellules à base d'un matériau à faibles pertes RF. Ce type d'antenne reconfigurable est obtenu aujourd'hui par mises en oeuvre de procédés de fabrication qui consistent à fabriquer des éléments rayonnants accordables unitaires avec des commutateurs RF sur une première tranche et à reporter un second substrat entier avec des éléments permettant l'amélioration des performances globales de l'antenne. L'élément unitaire accordable est ainsi constitué de l'empilement de 2 substrats en matériau à faibles pertes RF avec trois niveaux de métallisation (un de chaque côté de l'empilement et un entre les deux substrats).
  • Par exemple, le document scientifique de P. Pahlavan et al., intitulé "Metamaterial Based Compact Patch Antenna Array for Antenna-in-Package Solutions in Frequency Handover Applications," et paru dans 2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conférence (ECTC), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 475-480 (doi: 10.1109/ECTC51909.2023.00085) divulgue un réseau de cellules d'antenne de dimensions 2×2 :
    1. a. fabriqué à partir de :
      1. i. une première tranche (ou wafer) à base de silice fondue, présentant une épaisseur de 330 microns et
      2. ii. une seconde tranche à base de silice fondue, présentant une épaisseur de 180 microns assemblée à la première tranche, et
    2. b. comprenant en outre trois niveaux de métallisation dont un pour constituer une ligne d'alimentation, un pour constituer une fiche de raccordement, ou patch, par cellule et un pour constituer un plan de masse, ce dernier servant d'interface entre les deux tranches.
  • L'antenne proposée dans ce document scientifique présente les avantages :
    1. a. d'éviter des problèmes liés à des coefficients de dilation thermique différents entre les tranches à assembler, du fait qu'elles présentent une même composition de base à savoir de la silice fondue,
    2. b. d'éviter d'avoir à former des vias d'interconnexion à travers la silice fondue de chacune des deux tranches, ce qui là encore aurait pu poser des problèmes de fabrication, notamment en termes de bilan thermique.
  • En revanche, la solution proposée dans ce document scientifique présente, comme beaucoup d'autres méthodes de fabrication, l'inconvénient d'impliquer la manipulation de deux tranches, relativement fines, pour des diamètres de tranche de 100 mm, de laquelle découlent des difficultés d'assemblage et des risques d'endommager l'une au moins des deux tranches.
  • Il est par ailleurs connu, des documents de brevet US 2017/0033462 A1 et US 11,757,203 B2 , une cellule unitaire de transmission pour antenne reconfigurable et un réseau d'antennes, respectivement.
  • Un objectif de la présente invention est de pallier au moins l'un des inconvénients de l'art antérieur, de préférence en conservant les avantages qu'il présente.
    • RESUME
  • Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect de l'invention, on prévoit un réseau de cellules unitaires accordables pour antenne reconfigurable, comprenant :
    1. a. un premier substrat à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    2. b. au moins deux pavés issus d'une découpe dans au moins un deuxième substrat à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, lesdits au moins deux pavés étant fixés au premier substrat pour former au moins deux cellules unitaires du réseau de cellules unitaires accordables, chaque cellule unitaire accordable comprenant au moins commutateur à matériau à changement de phase compris par, ou formé dans, ou situé dans, le premier substrat et chaque pavé pouvant avoir une épaisseur différente.
  • Selon un deuxième aspect de l'invention, on prévoit un procédé de fabrication d'un réseau de cellules unitaires accordables pour antenne reconfigurable, comprenant :
    1. a. fournir un premier substrat à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et comprenant une matrice de commutateurs à matériau à changement de phase,
    2. b. fournir un deuxième substrat à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    3. c. découper au moins deux premiers pavés dans l'un parmi le premier substrat et le deuxième substrat,
    4. d. reporter lesdits au moins deux premiers pavés sur l'autre parmi le premier substrat et le deuxième substrat,
    de sorte que chaque premier pavé forme avec la partie du substrat sur laquelle il est reporté au moins une cellule unitaire accordable du réseau de cellules unitaires accordables.
  • L'invention selon chacun de ses différents aspects peut ainsi consister en un premier substrat sur lequel est fixé par morceaux, ou équivalemment par pavés, un deuxième substrat dans lequel les morceaux ou pavés ont été découpés. On évite ainsi avantageusement à avoir à reporter un substrat de grande dimension (plus grand que 50 mm) sur un autre substrat de dimensions équivalentes, relâchant ainsi les contraintes de planéité des surfaces d'assemblage et/ou diminuant le risque de casse des substrats lors de leur manipulation et/ou de leur fabrication lorsqu'ils sont soumis à des contraintes thermomécaniques. Et on a avantageusement la possibilité d'avoir des pavés de différentes épaisseurs permettant de régler ou fixer la focalisation de l'antenne.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
    • La figure 1 représente schématiquement une vue partielle en coupe d'un réseau de cellules unitaires accordables selon un premier mode de réalisation du premier aspect de l'invention.
    • La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective d'un réseau de cellules unitaires accordables selon le premier aspect de l'invention.
    • Les figures 3 à 10 représentent schématiquement des vues partielles en coupe illustrant un premier mode de mise en oeuvre du deuxième aspect de l'invention.
    • Les figures 11, 12 et 13, 14 et 15 représentent schématiquement des vues partielles en coupe illustrant, respectivement, trois variantes de modes de réalisation du premier aspect de l'invention et de mise en oeuvre du deuxième aspect de l'invention relativement à ceux illustrés sur la figure 10.
    • Les figures 16 à 19 représentent schématiquement des vues partielles en coupe illustrant un deuxième mode de mise en oeuvre du deuxième aspect de l'invention.
  • Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs relatives de différentes couches illustrées ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité.
    • DESCRIPTION DÉTAILLÉE
  • Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le premier substrat présente une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 100 mm, voire supérieure ou égale à 200 mm, et/ou lesdits au moins deux pavés découpés dans le deuxième substrat présentent chacun une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 200 µm et strictement inférieure à 50 mm, de préférence inférieure à 5 mm.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, la découpe desdits au moins deux premiers pavés comprend une découpe, par exemple par laser ou par scie, dans l'épaisseur du substrat concerné.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le commutateur à matériau à changement de phase est au moins en partie encapsulé dans de l'oxyde de silicium.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins quatre, de préférence au moins seize, pavés sont fixés au premier substrat de sorte à conférer au réseau de cellules unitaires accordables la forme d'une matrice bidimensionnelle de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins un pavé comprend une couche primaire à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et un motif ou structuration d'une couche métallique et/ou un élément rayonnant (par exemple une antenne à patch) sur la face de la couche primaire qui est opposée à celle par laquelle ladite couche primaire est fixée au premier substrat.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins un pavé est fixé au premier substrat par l'intermédiaire d'une couche de colle.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins un pavé est fixé au premier substrat par thermocompression d'une couche métallique déposée sur ledit au moins un pavé avec couche métallique déposée sur le premier substrat.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins un pavé est fixé au premier substrat par refusion de billes métalliques, par exemple à base d'or, déposées au préalable sur au moins l'une parmi une couche métallique déposée sur ledit au moins un pavé et une couche métallique déposée sur le premier substrat.
  • Selon l'un quelconque des trois exemples précédents du premier aspect de l'invention, le commutateur à matériau à changement de phase est compris par, ou formé dans, ou situé dans, le premier substrat.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, au moins un pavé est fixé au premier substrat par collage hybride, ledit au moins un pavé et le premier substrat présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un pavé sur le premier substrat, des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  • Selon un exemple alternatif au précédent, au moins un pavé est fixé au premier substrat par refusion de billes métalliques, par exemple à base d'or, déposées au préalable sur au moins l'une parmi une couche de métallisation déposée sur ledit au moins un pavé et une couche de métallisation déposée sur le premier substrat, ledit au moins un pavé et le premier substrat présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un pavé sur le premier substrat, des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  • Selon les six exemples ci-dessus, le réseau de cellules unitaires accordables selon le premier aspect de l'invention peut avantageusement prendre autant de configurations que l'on compte de manières de fixer chaque pavé au premier substrat. Ces manières étant au moins au nombre de quatre, ce sont quatre configurations de fixation, et donc quatre modes de réalisation de chaque cellule unitaire accordable, qui sont envisageables pour chacun des pavés fixés au premier substrat. Ceci permet de choisir la configuration de fixation la plus compatible avec le budget thermique que peuvent supporter les pavés et le premier substrat.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le réseau de cellules unitaires accordables comprend des pavés d'épaisseurs différentes entre elles. Il est ainsi possible de moduler de façon avantageusement accrue la focalisation du faisceau transmis ou réfléchi par le réseau de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le réseau de cellules unitaires accordables comprend en outre, relié, voire connecté, à chaque commutateur à matériau à changement de phase, un guide d'actionnement thermique, par exemple de nature optique ou électrique. Selon un exemple, la fabrication du guide d'actionnement thermique peut être réalisée pendant la fabrication du premier substrat comprenant le commutateur à matériau à changement de phase.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le guide d'actionnement thermique, comme le commutateur à matériau à changement de phase, est au moins en partie encapsulé dans de l'oxyde de silicium.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le réseau de cellules unitaires accordables comprend en outre, pour chaque commutateur à matériau à changement de phase, un niveau de métallisation formant une ligne RF d'interconnexion et/ou un élément rayonnant (e.g. une antenne à patch), du commutateur à matériau à changement de phase. Selon cet exemple, le réseau de cellules unitaires accordables ne nécessite pas de niveau supplémentaire d'interconnexions, ce qui permet d'économiser au moins un niveau métallique.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le niveau de métallisation, comme le commutateur à matériau à changement de phase, est au moins en partie encapsulé dans de l'oxyde de silicium.
  • Selon un exemple du premier aspect de l'invention, le réseau de cellules unitaires accordables est exempt de silicium. On limite ainsi les pertes de rayonnement radiofréquence.
  • Selon un autre exemple du premier aspect de l'invention, le réseau de cellules unitaires accordables peut comprendre au moins un niveau d'interconnexions métalliques entre lesdits au moins deux pavés et le premier substrat, qui est accessible sans gravure du matériau constitutif desdits au moins deux pavés et/ou du premier substrat pour assurer une connexion électrique entre lesdits au moins deux pavés et le premier substrat au niveau de leur interface de fixation. Autrement dit, le réseau de cellules unitaires accordables est avantageusement exempt de vias à travers le matériau à base duquel sont constitués lesdits au moins deux pavés et/ou le premier substrat. On évite ainsi des difficultés à respecter le budget thermique lors de la fabrication, les procédés basse température étant moins bons, et/ou on évite ainsi le collage avec continuité métallique sur plusieurs niveaux qui demandent des étapes supplémentaires et augmentent le coût, tout en augmentant le risque de casse.
  • Selon un autre exemple du premier aspect de l'invention, lesdits au moins deux pavés et le premier substrat sont constituées à base du même matériau choisi parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz. Selon cet exemple, les coefficients dilatation thermiques dudit au moins un pavé et le premier substrat sont de même valeur, ce qui limite avantageusement les contraintes thermomécaniques lors de la fabrication du réseau de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, la découpe desdits au moins deux premiers pavés comprend une découpe, par exemple par laser ou par scie, dans l'épaisseur du substrat concerné.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, chaque premier pavé forme avec la partie du substrat sur laquelle il est reporté une unique cellule unitaire accordable du réseau de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, chacun parmi le premier substrat et le deuxième substrat présente une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 100 mm, voire supérieure ou égale à 200 mm, et/ou lesdits au moins deux pavés présentent chacun une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 200 µm et strictement inférieure à 50 mm, de préférence inférieure à 5 mm.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, chaque commutateur à matériau à changement de phase est destiné à former en partie une cellule unitaire accordable.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le premier substrat et le deuxième substrat sont à base du même matériau.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, au moins quatre, de préférence au moins seize, pavés sont découpés puis reportés, de sorte que les pavés forment, avec les parties du substrat sur lesquels ils sont reportés, un réseau de cellules unitaires accordables prenant la forme d'une matrice de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le procédé comprend la fourniture d'au moins un troisième substrat, la découpe d'au moins un troisième pavé dans le troisième substrat et le report dudit au moins un troisième pavé sur le substrat sur lequel ont été reportés lesdits au moins deux premiers pavés, le troisième substrat présentant de préférence une épaisseur différente du substrat dans lequel lesdits au moins deux premiers pavés ont été découpés. Ainsi, les pavés peuvent être issus de différents substrats, et ces derniers peuvent par exemple présenter des épaisseurs différentes entre elles, de sorte que les pavés qui y sont découpés puissent être reportés sur un même substrat pour former des cellules unitaires accordables d'épaisseurs différentes dans un même réseau de cellules unitaires accordables.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, la fourniture du premier substrat comprend :
    1. a. la fourniture d'un substrat de croissance à base de silicium,
    2. b. la formation des commutateurs à matériau à changement de phase sur le substrat de croissance,
    3. c. la formation de guides d'actionnement thermique des commutateurs à matériau à changement de phase,
    4. d. la formation d'un niveau de métallisation destiné à former des lignes d'interconnexion et/ou des éléments rayonnants (par exemple des antennes à patch) de chaque commutateurs à matériau à changement de phase, et
    5. e. le report d'une première couche à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    6. f. le cas échéant la formation d'un plan de masse sur ladite couche à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, puis,
    7. g. le retrait par meulage du substrat de croissance,
      chaque commutateur à matériau à changement de phase, chaque guide d'actionnement thermique et chaque ligne d'interconnexion ou élément rayonnant se trouvant au moins en partie encapsulé dans de l'oxyde de silicium. Il est ainsi possible de fournir le premier substrat en utilisant des procédés de fabrication classiques en microélectronique, et en particulier dans les fonderies CMOS (pour Complementary Metal Oxide Semiconductor en anglais).
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report de ladite première couche est réalisé par l'intermédiaire d'une couche d'oxyde de silicium.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le procédé comprend en outre, après le meulage du substrat de croissance, au moins une étape d'ouverture, par exemple par gravure, d'une couche d'oxyde de silicium au droit d'une ligne d'interconnexion de l'élément métallique rayonnant.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, la fourniture du deuxième substrat comprend :
    1. a. la fourniture d'un substrat de support à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et
    2. b. la formation, sur le substrat de support, d'une couche métallique, et
    3. c. la gravure de la couche métallique pour former des motifs ou structurations pour chaque cellule unitaire accordable à former, et
      dans lequel l'étape de découpe concerne le deuxième substrat et consiste à découper des pavés dans le deuxième substrat en tournant autour de chaque motif ou structuration.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report d'au moins un premier pavé est réalisé par l'intermédiaire d'une couche de colle.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report d'au moins un premier pavé est réalisé par thermocompression d'une couche métallique dudit au moins un pavé avec une couche métallique du premier substrat.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report d'au moins un premier pavé est réalisé par refusion de billes métalliques, par exemple à base d'or, déposées au préalable sur au moins l'une parmi une couche métallique dudit au moins un pavé et une couche métallique du premier substrat.
  • Selon l'un quelconque des trois exemples précédents, la découpe desdits au moins deux premiers pavés est réalisée dans le deuxième substrat.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report d'au moins un premier pavé est réalisé par collage hybride, ledit au moins un pavé et le premier substrat présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un premier pavé sur le premier substrat, des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  • Selon un exemple du deuxième aspect de l'invention, le report d'au moins un premier pavé est réalisé par refusion de billes métalliques, par exemple à base d'or, déposées au préalable sur au moins l'une parmi une couche métallique dudit au moins un pavé et une couche métallique du premier substrat, ledit au moins un pavé et le premier substrat présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un pavé sur le premier substrat, des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  • Selon l'un quelconque des deux exemples précédents, la découpe desdits au moins deux premiers pavés est réalisée dans le premier substrat.
  • On entend par un film ou une couche à base d'un matériau A, un film ou une couche comprenant ce matériau A et éventuellement d'autres matériaux.
  • On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 20 %, voire 10 %, près de cette valeur. On entend par un paramètre « sensiblement compris entre » deux valeurs données que ce paramètre est au minimum égal à la plus petite valeur donnée, à plus ou moins 20 %, voire 10 %, près de cette valeur, et au maximum égal à la plus grande valeur donnée, à plus ou moins 20 %, voire 10 %, près de cette valeur.
  • Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, les termes « sur », « surmonte », « surplombe », « recouvre », « sous-jacent » et leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le report, l'application ou le dépôt d'une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l'une de l'autre, mais signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d'elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
  • Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais « coupled ») entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments ou par couplage électromagnétique sans être directement connectés.
  • De manière générale, les matériaux à changement de phase sont des matériaux capables d'alterner, sous l'effet d'une variation de température, entre une phase cristalline et une phase amorphe, la phase amorphe présentant une résistance électrique supérieure à celle de la phase cristalline.
  • Dans la description qui suit, les épaisseurs de substrat, de film ou de couche sont généralement mesurées selon des directions perpendiculaires au plan d'extension principale du substrat, du film ou de la couche.
  • Un premier mode de réalisation du réseau de cellules unitaires accordables 1 selon le premier aspect de l'invention est décrit ci-dessous en référence à la figure 1.
  • Le réseau de cellules unitaires accordables 1 pour antenne reconfigurable, tel qu'illustré sur la figure 1, comprend :
    1. a. un premier substrat 11 à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et
    2. b. au moins un pavé 12 issu d'une découpe dans un deuxième substrat 20à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz.
  • Chaque pavé 12 est fixé au premier substrat 11, ici par l'intermédiaire d'une couche de colle 13, pour former une cellule unitaire accordable 10 du réseau de cellules unitaires accordables 1. Chaque cellule unitaire accordable 10 comprend au moins un commutateur à matériau à changement de phase 101 compris par, ou formé dans, ou situé dans, le premier substrat 11.
  • La représentation schématique qu'offre la figure 1 n'est que partielle. L'ensemble du réseau de cellules unitaires accordables 1 est quant à lui illustré sur la figure 2 qui montre une organisation sous forme matricielle de 4×4 cellules unitaires accordables 10. La nature carrée de la matrice bidimensionnelle, ainsi que le nombre de cellules unitaires accordables 10 qu'elle peut comprendre, ne sont toutefois pas limités à l'exemple illustré sur la figure 2. Également, il pourrait y avoir plusieurs commutateurs à matériau à changement de phase 101 et/ou plusieurs éléments rayonnants dans la même cellule unitaire accordable, au contraire de la représentation qu'offre la figure 2.
  • Le mode de réalisation qu'illustre la figure 1 et relativement équivalent à celui qu'illustre la figure 10. Les figures 3 à 9 illustrent ainsi aussi bien un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication du mode de réalisation du réseau qui est illustré sur la figure 1, qu'un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication du mode de réalisation qui est illustré sur la figure 10. Ce mode de mise en oeuvre illustré sur les figures 3 à 9 est décrit ci-dessous en référence auxdites figures.
  • Comme illustré sur la figure 3, le mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication selon le deuxième aspect de l'invention comprend tout d'abord la fourniture d'un substrat de croissance 30 à base de silicium sur lequel sont formés des commutateurs à matériau à changement de phase 101, des guides d'actionnement thermique 102 desdits commutateurs, ainsi qu'un niveau de métallisation 103 destiné à former une ligne d'interconnexion et/ou un élément rayonnant1031 par cellule 10, telle qu'elle apparaît sur la figure 6.
  • Les étapes de mise en oeuvre précédemment décrites sont les premières étapes d'un tout qui permet d'obtenir la fourniture du premier substrat 11 susmentionné. Ladite fourniture se poursuit par les étapes suivantes.
  • Une première couche 31 à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz est reportée sur une couche d'oxyde de silicium 104 encapsulant, au-dessus du substrat de croissance 30, les interrupteurs à matériau à changement de phase 101, les guides d'actionnement thermique 102 et le niveau de métallisation 103. Ce report peut être effectué par l'intermédiaire d'une couche d'oxyde de silicium 33 déposée sur la face de la première couche 31 par laquelle le report est destiné à être effectué. Le report est donc effectué entre deux couches d'oxyde de silicium 33 et 104. L'on parvient ainsi à un empilement tel qu'illustré sur les figures 4 et 5.
  • Le cas échéant, la fourniture du premier substrat 11 peut comprendre la formation d'un plan de masse 32 sur la face de la couche 31 qui est opposée à celle par laquelle le report est destiné à être effectué.
  • Une fois le report effectué, la fourniture du premier substrat 11 comprend le meulage du substrat de croissance 30, jusqu'à atteindre l'oxyde de silicium encapsulant les interrupteurs à matériau à changement de phase 101, les guides d'actionnement thermique 102 et le niveau de métallisation 103.
  • Une fois le substrat de croissance 30 meulé, il est prévu une étape d'ouverture 105, par exemple par gravure, de la couche d'oxyde de silicium 104 au droit d'une partie du niveau de métallisation 103 pour former la ligne d'interconnexion et/ou l'élément métallique rayonnant1031, et parvenir ainsi à un premier substrat 11 tel qu'illustré sur la figure 6.
  • Le procédé de mise en oeuvre présentement détaillé comprend ensuite, en référence à la figure 7, la fourniture d'un deuxième substrat 20 à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz. Plus particulièrement, le deuxième substrat 20 comprend une couche 201 à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, sur laquelle peut être déposé un niveau de métallisation 202, qui, comme illustré sur la figure 8, peut être gravé de sorte à former une pluralité de fiches de raccordement 122.
  • En référence à la figure 9, le deuxième substrat 20 est ensuite découpé en pavés 12. De préférence, chaque pavé 12 peut être surmonté d'au moins une structuration dans la couche métallique 122 susmentionnée. Si la figure 9 illustre une découpe du deuxième substrat 20 en deux pavés 12, il est entendu que la découpe du deuxième substrat 20 peut conduire à la fabrication d'une pluralité d'au moins quatre pavés 12, de préférence au moins seize pavés 12, voire davantage.
  • Notons ici que les premier et deuxième substrats 11 et 12 présentent de préférence une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 100 mm, tandis que chaque pavé 12 peut présenter une dimension transversale caractéristique supérieure ou égale à 200 µm, mais strictement inférieure à 50 mm et de préférence inférieure ou égale à 35 mm. Il y a donc suffisamment de place sur le premier substrat 11 pour y reporter une pluralité de pavés 12 allant au-delà de quatre, voire au-delà de seize. Ceci sera encore plus vérifié lorsque la dimension transversale caractéristique du premier substrat 11 sera sensiblement égale à 200 mm, voire 300 mm, comme c'est le cas de la plupart des premiers substrats 11 existants. Ils restent cependant que chaque cellule unitaire accordable est destinée à comporter au moins un interrupteur à matériau à changement de phase 101, accompagné de son guide d'actionnement thermique 102.
  • De préférence, le premier substrat 11 et le deuxième substrat 12 sont constitués à base du même matériau. Ainsi, les coefficients de dilatation thermique dudit au moins un pavé 12 et du premier substrat 11 sont de même valeur, ce qui limite avantageusement les contraintes thermomécaniques lors de la fabrication du réseau de cellules unitaires accordables 1.
  • Il est possible de considérer que la découpe des pavés 12, par exemple en utilisant un laser, est réalisée autour de chaque motif ou structuration de la couche métallique 122 dans l'épaisseur du deuxième substrat 20, et que chaque motif ou structuration de la couche métallique 122 est destiné à former en partie une cellule unitaire accordable 10. Il est en outre possible de considérer que la découpe des pavés 12 est réalisée de sorte que motif ou structuration de la couche métallique 122 donne lieu à un pavé 12 et que les motifs ou structurations de la couche métallique 122 gravés dans le niveau de métallisation 202 soient réparties sur la totalité de la surface du deuxième substrat 20. Dès lors, la découpe dans le deuxième substrat 20 de la pluralité de pavés 12 qui y est définie par les motifs ou structurations de la couche métallique et le report des pavés 12 ainsi obtenus sur le premier substrat 11 revient, en quelque sorte, à recréer par pavés le deuxième substrat 20 sur le premier substrat 11, une distance, au moins égale à la largeur du matériau du deuxième substrat détruit lors de sa découpe en pavés 12, étant ménagé entre pavés 12 premiers voisins entre eux qui ont été reportés.
  • Le report de chaque pavé 12 est réalisé de sorte que chaque pavé 12 forme, avec la partie du premier substrat 11 sur laquelle il est reporté, une cellule unitaire accordable 10 du réseau de cellules unitaires accordables 1. Il est à noter que le report de chaque pavé 12 pourrait conduire à la réalisation d'une pluralité de cellules unitaires accordables 10, du fait par exemple que la découpe du deuxième substrat 20 en pavés 12 serait faite de sorte à obtenir, sur chaque pavé 12, une matrice de 2×2, voire 4×4, voire plus, motifs ou structurations de la couche métallique 122.
  • Comme déjà mentionné plus haut, ledit report peut être réalisé par l'intermédiaire d'une simple couche de colle 13, pour parvenir à un réseau de cellules unitaires accordables 1 tel que partiellement illustré sur la figure 10 (ou équivalemment sur la figure 1) est telle que représentée dans son entièreté sur la figure 2.
  • Le mode de réalisation du réseau de cellules unitaires accordables 1 selon le premier aspect de l'invention qui est illustré sur la figure 11 est une variante de celui illustré sur la figure 10 ; il montre que le motif (ou la structuration) métallique 122 qui recoure ou surplombe chaque pavé 12 est optionnelle.
  • De façon non illustrée sur les figures, la personne du métier comprendra qu'il est possible que certains pavés 12 à reporter sur le premier substrat 11 ne soient pas issus du deuxième substrat 20, mais d'un troisième substrat présentant par exemple une épaisseur différente de celle du deuxième substrat 20, et plus particulièrement une couche à base de l'un parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz présentant une épaisseur différente de celle de la couche 201 du deuxième substrat 20. Ainsi, les pavés 12 peuvent être issus de différents substrats, et ces derniers peuvent par exemple présenter des épaisseurs différentes entre elles, de sorte que les pavés 12 qui y sont découpés puissent être reportés sur un même premier substrat 11 pour un réseau de cellules unitaires accordables 1 dont les cellules unitaires accordables 10 présentent des épaisseurs différentes entre elles.
  • Le mode de réalisation illustré sur la figure 12 peut être considéré comme une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 10. Pour obtenir le mode de réalisation du réseau de cellules unitaires accordables 1 qui est illustré sur la figure 12, une deuxième étape d'ouverture 105, par exemple par gravure, de la couche d'oxyde de silicium 104 peut être prévue au droit d'une partie de la couche métallique 1031 de l'autre côté du commutateur à matériau à changement de phase 101 relativement à la première ouverture 105 susmentionnée, et chaque pavé 12 peut comprendre une couche métallique 123 par laquelle il est destiné à être reporté, sur le premier substrat 11, au droit de la deuxième ouverture 105, par exemple par thermocompression entre la fiche de raccordement 123 et la partie de la couche métallique 1031 qui est exposée via la deuxième ouverture 105. Notons que là encore, la fiche de raccordement 122 illustré sur la figure 12 est optionnelle. Une fois le report effectué un réseau de cellules unitaires accordables 1 tel qu'illustré partiellement sur la figure 13 est obtenu.
  • Selon une variante du mode de réalisation illustrée sur la figure 12, cette variante étant illustrée sur les figures 14 et 15, le report de chaque pavé 12 peut impliquer en outre la fusion de billes métalliques 124, par exemple à base d'or, déposées, avant le report, sur la fiche de raccordement 123 ou dans la deuxième ouverture 105. Selon cette variante, l'on parvient aux modes de réalisation du réseau de cellules unitaires accordables 1 qui est illustré sur la figure 15.
  • Un autre mode de réalisation du premier aspect de l'invention et de mise en oeuvre du deuxième aspect de l'invention est illustré sur les figures 16 à 19.
  • Selon cet autre mode de mise en oeuvre, et en référence à la figure 16, la fourniture du premier substrat 11 comprend :
    1. a. la fourniture d'un substrat de croissance 30 à base de silicium,
    2. b. la formation des commutateurs à matériau à changement de phase 101 sur le substrat de croissance 30,
    3. c. la formation des guides d'actionnement thermique 102 des commutateurs à matériau à changement de phase 101, et
    4. d. la formation d'un niveau de métallisation 103 affleurant par endroits pour former au moins une couche métallique 1031 de chaque commutateur à matériau à changement de phase 101, puis
    5. e. le report d'un substrat comprenant une première couche 31 à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, le cas échéant un plan de masse 32 sur ladite couche 31 s'étendant sur la face de cette couche qui est opposée au substrat de croissance 30, et une structuration de surface sur la face de la couche 31 qui est destinée à être reliée à ladite au moins une couche métallique 1031 de chaque interrupteur à matériau à changement de phase 101.
  • La figure 16 montre bien que les deux éléments assemblés présentent sur leur face d'assemblage des structurations de surface se correspondant l'une l'autre.
  • Une fois l'assemblage réalisé, comme illustré sur la figure 17, le silicium peut être meulé, pour parvenir à un premier substrat 11 tel qu'illustré sur la figure 18, exempt de silicium.
  • Partant du substrat illustré sur la figure 18, il est possible d'y reporter, comme illustré sur la figure 19, un pavé 12 tel que décrit ci-dessus, et, dans l'exemple illustré, par une couche de colle 13. Les autres méthodes de report décrites plus haut restent bien évidemment portables au mode de réalisation décrit en référence à la figure 19.
  • Les modes de réalisations précédemment décrits ont pour facteur commun que le substrat découpé n'est pas celui comportant les éléments actifs des cellules unitaires accordables 10, à savoir les commutateurs à matériau à changement de phase 101 et leur guide d'actionnement thermique 102. Au contraire, dans les modes de réalisation de l'invention qui sont illustrés sur les figures 20 à 25, c'est le substrat dans lequel sont situés les éléments actifs des cellules unitaires accordables 10 qui est découpé.
  • Les différents modes de réalisation du réseau de cellules unitaires accordables 1 qui sont décrits ci-dessus permettent avantageusement d'éviter à avoir à reporter un substrat entier de grande dimension (>50 mm de dimension transversale) sur un autre substrat entier, relâchant ainsi les contraintes de planéité des surfaces d'assemblage et/ou diminuant le risque de casse des substrats lors de leur manipulation et/ou de leur fabrication lorsqu'ils sont soumis à des contraintes thermomécaniques. Un autre avantage consiste en ce qu'il est du coup possible de fixer au premier substrat 11 des pavés 12 d'épaisseurs différentes entre elles.
  • Rappelons ici que la présente invention concerne une antenne réseau à déphasage reconfigurable, destinée à fonctionner dans des bandes de fréquence millimétriques et sub-térahertz, par exemple comprise entre 100 Ghz et 500 GHz.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.

Claims (15)

  1. Réseau de cellules unitaires accordables (1) pour antenne reconfigurable, comprenant :
    • un premier substrat (11) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    • au moins deux pavés (12) issus d'une découpe dans au moins un deuxième substrat (20) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    lesdits au moins deux pavés (12) étant fixés au premier substrat (11) pour former au moins deux cellules unitaires accordables (10) du réseau de cellules unitaires accordables (1), chaque cellule unitaire accordable (10) comprenant au moins un commutateur à matériau à changement de phase (101) compris dans le premier substrat (11) et chaque pavé pouvant avoir une épaisseur différente.
  2. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon la revendication précédente, dans lequel au moins quatre, de préférence au moins seize, pavés sont fixés au premier substrat (11) de sorte à conférer au réseau de cellules unitaires accordables (1) la forme d'une matrice bidimensionnelle de cellules unitaires accordables (10).
  3. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un pavé (12) comprend une couche primaire (121) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et un motif ou structuration d'une couche métallique et/ou un élément rayonnement (122) sur la face de la couche primaire (121) qui est opposée à celle par laquelle ladite couche primaire (121) est fixée au premier substrat (11).
  4. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins 2 pavés (12) sont fixés au premier substrat (11) par thermocompression d'une couche métallique (123) déposée sur ledit au moins un pavé (12) avec une couche métallique (111) déposée sur le premier substrat (11).
  5. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des pavés (12) d'épaisseurs différentes entre elles.
  6. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, relié, voire connecté, à chaque commutateur à matériau à changement de phase (101), un guide d'actionnement thermique (102), par exemple de nature optique ou électrique.
  7. Réseau de cellules unitaires accordables (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, pour chaque commutateur à matériau à changement de phase (101), un niveau de métallisation (103) formant une ligne RF d'interconnexion (1031) et/ou un élément métallique rayonnant du commutateur à matériau à changement de phase (101).
  8. Procédé de fabrication d'un réseau de cellules unitaires accordables (1) pour antenne reconfigurable, comprenant :
    • fournir un premier substrat (11) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et comprenant une matrice de commutateurs à matériau à changement de phase (101),
    • fournir un deuxième substrat (20) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    • découper au moins deux premiers pavés (12) dans l'un parmi le premier substrat (11) et le deuxième substrat (20),
    • reporter lesdits au moins deux premiers pavés (12) sur l'autre parmi le premier substrat (11) et le deuxième substrat (20),
    de sorte que chaque premier pavé (12) forme avec la partie du substrat (11 ou 20) sur laquelle il est reporté au moins une cellule unitaire accordable (10) du réseau de cellules unitaires accordables (1).
  9. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel au moins quatre, de préférence au moins seize, pavés (12) sont découpés puis reportés, de sorte que les pavés (12) forment, avec les parties du substrat (11 ou 20) sur lesquels ils sont reportés, un réseau de cellules unitaires accordables (1) prenant la forme d'une matrice de cellules unitaires accordables (10).
  10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, comprenant la fourniture d'au moins un troisième substrat, la découpe d'au moins un troisième pavé dans le troisième substrat et le report dudit au moins un troisième pavé sur le substrat (11 ou 20) sur lequel ont été reportés lesdits au moins deux premiers pavés (12), le troisième substrat présentant de préférence une épaisseur différente du substrat dans lequel lesdits au moins deux premiers pavés (12) ont été découpés.
  11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel la fourniture du premier substrat (11) comprend :
    • la fourniture d'un substrat de croissance (30) à base de silicium,
    • la formation des commutateurs à matériau à changement de phase (101) sur le substrat de croissance (30),
    • la formation de guides d'actionnement thermique (102) des commutateurs à matériau à changement de phase (101),
    • la formation d'un niveau de métallisation (103) destiné à former des lignes d'interconnexion (1031) et/ou des éléments métalliques rayonnants de chaque commutateur à matériau à changement de phase (101), et
    • le report d'une première couche (31) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz,
    • le cas échéant la formation d'un plan de masse (32) sur ladite couche (31) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, puis,
    • le retrait par meulage du substrat de croissance (30),
    chaque commutateur à matériau à changement de phase (101), chaque guide d'actionnement thermique (102) et chaque ligne d'interconnexion ou élément métallique rayonnant (1031) se trouvant au moins en partie encapsulé dans de l'oxyde de silicium (104).
  12. Procédé selon l'une quelconque des quatre revendications précédentes, dans lequel la fourniture du deuxième substrat (20) comprend :
    • la fourniture d'un substrat de support (201) à base de l'un ou l'autre parmi de la silice fondue, du quartz et un verre présentant une tangente de perte inférieure à 0,005 aux fréquences supérieures à 100 GHz, et
    • la formation, sur le substrat de support (201), d'une couche métallique (202), et
    • la gravure de la couche métallique (202) pour former des motifs ou structurations (122) pour chaque cellule unitaire accordable (10) à former, et dans lequel l'étape de découpe concerne le deuxième substrat (20) et consiste à découper des pavés (12) dans le deuxième substrat (20) en tournant autour de chaque motif ou structuration (122).
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel le report d'au moins un premier pavé (12) est réalisé par collage hybride, ledit au moins un premier pavé (12) et le premier substrat (11) présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un premier pavé (12) sur le premier substrat (11), des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel le report d'au moins un premier pavé (12) est réalisé par refusion de billes métalliques (125), par exemple à base d'or, déposées au préalable sur au moins l'une parmi une couche métallique (126) dudit au moins un premier pavé (12) et une couche métallique (111) du premier substrat (11), ledit au moins un premier pavé (12) et le premier substrat (11) présentant, au niveau de la fixation dudit au moins un premier pavé (12) sur le premier substrat (11), des structurations de surface se superposant sensiblement entre elles.
  15. Procédé selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel la découpe desdits au moins deux premiers pavés (12) est réalisée dans le premier substrat (11).
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Title
P. PAHLAVAN ET AL.: "Metamaterial Based Compact Patch Antenna Array for Antenna-in-Package Solutions in Frequency Handover Applications", IEEE 73RD ELECTRONIC COMPONENTS AND TECHNOLOGY CONFERENCE (ECTC), 2023, pages 475 - 480, XP034390934, DOI: 10.1109/ECTC51909.2023.00085

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