EP4702584A1

EP4702584A1 - Micro-commutateur rf capacitif pour des applications fortes puissances

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Publication number: EP4702584A1
Application number: EP24720544.6A
Authority: EP
Inventors: José-Paolo MARTINS; Matthieu Le Baillif; Etienne EUSTACHE; Shailendra Bansropun; Afshin Ziaei
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2023-04-27
Filing date: 2024-04-25
Publication date: 2026-03-04
Also published as: WO2024223788A1; FR3148318B1; FR3148318A1

Abstract

L'invention a pour objet un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique suspendue au-dessus d'une ligne de transmission RF (110) à la surface d'un substrat (100), caractérisé en ce que : - ladite membrane métallique comporte : ο un élément inférieur (501) présentant une première partie située partiellement au-dessus desdites électrodes (200a, 200b) recouvertes par des éléments (300a, 300b) en premier matériau diélectrique (D1) et partiellement au-dessus de ladite ligne RF recouverte par un élément (111) en second matériau diélectrique (D2),; ο un élément supérieur (502) situé au-dessus de ladite première partie de l'élément inférieur; - les électrodes d'activation étant disposées de part et d'autre de la ligne de transmission RF; - lesdits plans de masse étant disposés de part et d'autre de la ligne RF et selon des axes parallèles audit premier axe X; - ladite membrane comprenant des zones flexibles (ZF) constituées par une partie des deuxièmes parties de l'élément inférieur et une zone rigide (ZR) constituée par l'empilement de la première partie de l'élément inférieur et de l'élément supérieur.

Description

DESCRIPTION

Titre de l’invention : Micro-commutateur RF capacitif pour des applications fortes puissances

[0001] Le domaine de l’invention est celui des micro-commutateurs RF capacitifs de puissance élevée (typiquement supérieure à 30W) réalisés en technologie microsystème électromécanique ou MEMS, l’acronyme MEMS signifiant « Micro Electro Mechanical System >>.

[0002] L’enjeu est de concevoir des commutateurs MEMS-RF susceptibles de tenir des niveaux de puissance élevés (> 30W) tout en garantissant des niveaux de fiabilité élevés (idéalement » 10¹¹ cycles). Pour cela, il est donc nécessaire de concevoir des membranes dont les propriétés mécaniques permettent de tenir de fortes puissances, tout en appliquant des tensions d’actionnement relativement modérées (idéalement < 50V). Il est également nécessaire de relâcher les contraintes électriques (DC et RF) sur le matériau diélectrique des électrodes d'activation, de manière à augmenter, de manière significative, la fiabilité du composant. La présente invention, vise à répondre à ces problématiques en proposant une architecture originale.

[0003] De manière générale, les commutateurs MEMS-RF consistent en une membrane métallique qui sous l’effet d’une sollicitation extérieure (électrique, magnétique, thermique ...) va venir se positionner sur une ligne de signal RF. Stepan Lucyszun présente les principales configurations de MEMS-RF, “Advanced RF MEMS”, Cambridge University Press, 2010.

[0004] Il y a deux configurations de commutateurs MEMS pouvant être actionnés de manière différente :

- les commutateurs MEMS-RF ohmiques où la membrane métallique vient contacter directement la ligne RF métallique. Dans ce cas-là, il y a un contact Métal sur Métal comme la configuration présentée par Deepak Bansal et al. “Improved Design of Ohmic RF MEMS Switch for Reduced Fabrication Steps”, IEEE Transactions on Electron Devices, 2019. (Les figures (5a) et (5b) de cette publication montre deux configurations de commutateurs MEMS-RF : Ohmique (5a) et capacitive (5b)).

[0005] Les performances de ce type de composant en RF sont directement liées à la valeur de la capacité lorsque la membrane est à l’état haut et à la valeur de la résistance de contact lorsque la membrane est à l’état bas. Cette configuration présente l’avantage de pouvoir adresser des bandes de fréquence basses (du DC à quelques GHz). Cependant, les puissances que peuvent supporter ces dispositifs restent liées aux choix des matériaux métalliques. Ceux-ci doivent supporter les courants (issus de la puissance RF dans les métallisations) sans subir de dégradation (microsoudure, migration, augmentation de la résistance de contact avec une dégradation de la qualité du contact ohmique ...). La tenue en puissance de ces dispositifs est donc limitée dès que l'on dépasse quelques GHz de fréquence de fonctionnement.

[0006] Concernant les commutateurs MEMS-RF capacitifs, la membrane mobile métallique vient contacter la ligne de signal RF métallique par l’intermédiaire d’un matériau diélectrique qui va assurer l’isolation électrique. Il s’agit d’un contact capacitif dont les propriétés définissent les performances RF du composant et qui est lié au rapport de la capacité lorsque la membrane est à l’état bas sur la capacité lorsque la membrane est à l’état haut. Plus le rapport de ces capacités est élevé et plus la distinction des deux états sera accrue facilitant ainsi la conception de ces dispositifs pour de meilleures performances RF comme décrit par Hao Wei et al, “High on/off capacitance ratio RF MEMS capacitive switches”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2017.

[0007] Sudhanshu Shekhar (Sudhanshu Shekhar et al., “Thermally robust thin-metal membrane capacitive RF MEMS switch”, Journal of Micro and Smart Systems, 2019) présente un exemple de commutateur de MEMS RF capacitif avec du nitrure de silicium comme matériau diélectrique et dont le principe schématique est représenté en figure 1 a (configuration de commutateur ohmique) et figure 1 b (configuration de commutateur capacitif). Ce dernier type de dispositif est généralement plus approprié pour des bandes de fréquence plus élevées (> à quelques GHz) que les MEMS-RF ohmiques. Toutefois, le principal avantage de ces dispositifs, par rapport au MEMS- RF ohmique, est leur meilleure tenue à la puissance RF à plus haute fréquence grâce à la présence du matériau diélectrique qui va limiter le passage de courant.

[0008] L’auteur LI-YA MA (LI-YA MA et al., “Comprehensive Study on RF-MEMS Switches Used for 5G Scenario”, IEEE Access, 2019) présente un état de l’art détaillé de commutateurs MEMS-RF qu’ils soient en configuration « ohmique >> ou en configuration « capacitif ». Cette étude montre une grande diversité de commutateurs issus de technologies et d’architectures différentes pour des performances diverses (bande de fréquence, paramètres S, temps de commutation, fiabilité, tenue en puissance

[0009] Dans ce contexte, le demandeur propose une nouvelle architecture originale capable de tenir de fortes puissances RF tout en garantissant la fiabilité du composant.

[00010] Le Demandeur a déjà développé un commutateur MEMS-RF capacitif capable de tenir des puissances supérieures à 20W et notamment décrit par A. Ziaei et al., “Fast high power capacitive RF-MEMS switch for X-Band applications”, European Solid State Device Research Conference, 2015 (figure 2 de cet article).

[00011] L’architecture de ce composant décrite dans cet article présente des limitations, en termes de tenue en puissance, définies principalement par la rigidité de la membrane (niveau d’auto-activation sous l’effet de la puissance RF incidente) et par la rigidité du matériau diélectrique qui doit supporter la puissance incidente ainsi que la tension nécessaire pour faire basculer la membrane à l’état bas. Plus on cherche à atteindre des niveaux de puissance importants, plus la membrane métallique doit être rigide et plus il faut appliquer une tension élevée pour faire basculer la membrane.

[00012] La figure 2 illustre une image au microscope électronique à balayage (MEB) d’un commutateur MEMS-RF capacitif, en architecture coplanaire, réalisé par le Demandeur pour des applications RF de puissance.

[00013] Les figures 3a et 3b illustrent ce type de configuration de commutateur MEMS-RF capacitif « parallèle >> en technologie coplanaire (CPW) et sont relatives respectivement à une vue 3D et à une vue en coupe mettant en évidence les plans de masse, la ligne RF, le gap d’air entre la membrane et la ligne RF recouverte de diélectrique. Plus précisément, la figure 3a montre sur un substrat 10, les plans de masse 13a et 13b, sur lesquels repose une membrane 14, des surmétallisations 15a et 15b reposent sur la ligne RF. La figure 3b illustre la ligne RF 11 , recouverte d’un diélectrique 12.

[00014] Le Tableau 1 ci-après montre un état de l’art répertoriant les caractéristiques des commutateurs MEMS-RF de puissance développés par le Demandeur, des commutateurs MEMS-RF de puissance issus de la recherche académique et ceux de fournisseurs de composants. Ces composants montrent des tenues en puissance inférieures ou égales à 25W pour un nombre de commutations n’excédant pas 3.10⁹ cycles. Il est à noter que le nombre de commutations en cyclage diminue avec l’augmentation du niveau de puissance. Pour les commutateurs MEMS-RF capacitifs, ce nombre de commutations diminue drastiquement avec la tension appliquée, et vue par le matériau diélectrique, pour basculer la membrane à l’état bas. C. Goldsmith (C. Goldsmith et al., “Lifetime characterization of capacitive RF MEMS switches”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2001 ) a pu démontrer que le nombre de commutations sur des MEMS RF capacitifs diminue de l’ordre d’une décade à chaque fois que la tension d’actionnement est augmentée de 5-7 V :

Tableau 1 https://www.analog.com et Université de Californie (Hyun-Ho Yang et al., “A High Power Stress-Gradient Resilient RF MEMS Capacitive Switch”, Journal of Microelectromechanical Systems, 2014). [00016] Plusieurs auteurs présentent des exemples d’architecture de commutateur MEMS-RF capacitif à électrodes d’activation déportées (et recouvert d’un diélectrique), entre la ligne RF centrale et les plans de masse déportées (Hao Wei et al, “High on/off capacitance ratio RF MEMS capacitive switches”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2017, K. Srinivasa Rao et al., “Fabrication and Characterization of Capacitive RF MEMS Perforated Switch”, IEEE Access, 2018). La Figure 4a (principe schématique) et la figure 4b (image de microscope optique du composant) présentent par exemple l’architecture proposée par Hao Wei. Le but de cette configuration d’architecture est de libérer les contraintes sur le diélectrique de la ligne RF. Pour cela, une tension est appliquée entre les électrodes d’activation et la membrane reliée aux plans de masse. La membrane vient alors s’abaisser sur une métallisation préalablement déposée sur le matériau diélectrique de la ligne RF de transmission. Grâce à cette architecture, le diélectrique de la ligne centrale n’est plus soumis à une tension DC d’activation et un simple contact de la membrane sur le métal au-dessus de ce même diélectrique permet de récupérer un très bon contact capacitif.

[00017] Cependant, cette approche présente certaines limites. Tout d’abord en configuration guide d’onde coplanaire (CPW), pour des raisons d’adaptation, la largeur de la ligne RF et la distance entre cette même ligne et les plans de masse est fonction des propriétés du substrat (épaisseur, tan 5, £_r) sur lequel est réalisé le composant. Cela signifie, que pour un substrat donné, ces dimensions sont fixes afin d’être adaptées à 50Q et donc l’espace (entre la ligne centrale et les plans de masse) pour réaliser des électrodes d’activation est restreint. Cela devient plus problématique lorsque l’on cherche à adresser de forts niveaux de puissance RF, tout en maintenant des tensions de commutation modérées. Pour des forts niveaux de puissance, il faut augmenter le gap d’air et/ou la raideur de la membrane afin de repousser le niveau d’auto-activation du composant sous l’effet du champ électromagnétique. Dans le cas de l’architecture présentée par Hao Wei, il faudrait augmenter la taille des électrodes, de manière importante, pour que la force électrostatique appliquée sur la membrane soit plus importante, tout en maintenant des tensions d’activation modérées. A cela, il convient d’ajouter l’influence des lignes d’activation qui passent entre la ligne RF et les plans de masse (figure 4b). Ces lignes métalliques engendrent des pertes de signal (par couplage électromagnétique) avec une dégradation des pertes d’insertion (S21). Les résultats de paramètres S, sur cette architecture, montrent des isolations en accord avec les simulations alors qu’un écart est observé sur les pertes d’insertion entre la mesure et les simulations. De plus, des problématiques de fiabilité, liées à l’injection de charges dans le diélectrique, sont reportées au niveau des électrodes d’activation sans pour autant améliorer la fiabilité du composant.

[00018] L’utilisation d’électrodes déportées pour les MEMS RF capacitifs est une méthodologie déjà éprouvée afin de réduire le stress sur le matériau diélectrique. Cependant, cette solution implique, pour des besoins de tenue en puissance, de disposer de suffisamment d’espace entre la ligne RF et les plans de masse pour y insérer des électrodes suffisamment grandes pour appliquer une force électrostatique qui puisse compenser la raideur de la membrane. Pour rappel, cette raideur, avec le gap d’air, définit la tenue en puissance du composant. Plus on cherche à atteindre des niveaux de puissance élevée et plus les électrodes doivent être grandes pour actionner le dispositif avec des tensions raisonnables.

[00019] Dans ce contexte, le Demandeur propose une solution comprenant l’utilisation d’une membrane, composée d’une partie rigide et d’une partie flexible, permettant de déporter les électrodes d’activation au niveau des plans de masse donnant ainsi de la flexibilité sur la taille des électrodes d’activation. De plus, celles-ci ne se situent plus entre la ligne RF et le plan de masse évitant ainsi un couplage électromagnétique qui peut engendrer des pertes RF. Cette approche permet de garder des composants compacts, même pour des niveaux de puissance élevés tout en limitant l’impact sur l’architecture globale. La partie flexible ainsi que la taille des électrodes d’activation avec la partie de la membrane rigide en vis-à-vis peuvent être ajustées au niveau de puissance exigée tout en garantissant des tensions d’actionnement modérées.

[00020] Plus précisément, la présente invention a pour objet un microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique suspendue au-dessus d’une ligne de transmission RF disposée selon un premier axe X à la surface d’un substrat , des électrodes d’activation et des plans de masse sur lesquels repose ladite membrane caractérisé en ce que :

- ladite membrane métallique comporte : o un élément inférieur présentant une première partie située partiellement au-dessus desdites électrodes recouvertes par des éléments comprenant au moins un premier matériau diélectrique et partiellement au-dessus de ladite ligne RF recouverte par un élément en second matériau, ledit élément inférieur présentant des deuxièmes parties situées partiellement en contact avec lesdits plans de masse ; o un élément supérieur situé au-dessus de ladite première partie de l’élément inférieur;

- les électrodes d’activation étant disposées de part et d’autre de la ligne de transmission RF ;

- lesdits plans de masse étant disposés de part et d’autre de la ligne RF et selon des axes parallèles audit premier axe X ;

- ladite membrane comprenant des zones flexibles constituées par une partie des deuxièmes parties de l’élément inférieur et une zone rigide constituée par l’empilement de la première partie de l’élément inférieur et de l’élément supérieur.

[00021] Selon des variantes de l’invention, lesdits éléments comprenant au moins un premier matériau diélectrique sont structurés et présentent des motifs de structuration, de dimensions comprises entre 50 nanomètres et 5 micromètres. [00022] Il est à noter que les solutions existantes sur les électrodes déportées ne font que reporter la défaillance des MEMS-RF capacitifs du diélectrique de la ligne centrale au diélectrique sur les électrodes d’activation. L’introduction de la micro/nanostructuration du diélectrique sur les électrodes d’activation permet de limiter l’injection de charge dans ce matériau en minimisant drastiquement la surface en contact entre ce diélectrique et la membrane lorsque celle-ci est à l’état bas. La limitation des tensions d’actionnement, grâce à ce type d’architecture, et la structuration du diélectrique des électrodes d’activation permet ainsi d’améliorer la fiabilité de ce type de composant même pour des niveaux de puissance élevés (>30W).

[00023] Selon des variantes de l’invention, le premier matériau diélectrique présente une rigidité supérieure ou égale à 5MV/cm, et est par exemple en SiÛ2 ou en SiN ou en AI2O3. [00024] Selon des variantes de l’invention, l’élément en second matériau diélectrique est recouvert d’un élément métallique supérieur.

[00025] Selon des variantes de l’invention, l’épaisseur totale d’une électrode d’activation et d’un élément en premier matériau diélectrique est égale à l’épaisseur totale de l’épaisseur de la partie de ladite ligne RF sous la membrane et d’un élément en second matériau diélectrique.

[00026] Selon des variantes de l’invention, l’épaisseur de l’élément inférieur de la membrane est comprise entre 500 nanomètres et 2 micromètres.

[00027] Selon des variantes de l’invention, l’épaisseur de l’élément supérieur de ladite membrane est supérieure à 2 micromètres.

[00028] Selon des variantes de l’invention, l’élément supérieur de ladite membrane est structuré, ladite structure étant par exemple en treillis et présentant des motifs de dimensions supérieures à 1 micromètre.

[00029] Selon des variantes de l’invention, le second matériau diélectrique a une constante diélectrique EQ supérieure à celle de l’oxyde de silicium, ledit secondmatériau diélectrique étant par exemple HfO2 ou ZrÛ2 ou Y2O3 ou AI2O3 ou SiN.

[00030] Selon des variantes de l’invention, l’élément inférieur de la membrane est en multicouches à base de matériau(x) réfractaire (s) par exemple W, Mo, Ta, TaN, TiN, TiW et de matériau(x) conducteur(s) par exemple Au, Al, Cu, l’élément supérieur de la membrane étant en matériau conducteur par exemple Au ou Cu.

[00031] L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’invention, comprenant :

- une étape de réalisation des électrodes d’activation à la surface d’un substrat ;

- une étape de réalisation d’éléments en au moins un premier matériau diélectrique à la surface d’une partie desdites électrodes d’activation ;

- une étape de réalisation de la ligne RF située entre lesdites électrodes d’activation ;

- une étape de réalisation d’un élément en second matériau diélectrique au-dessus d’une partie de la ligne RF ; - une étape de réalisation desdits plans de masse de part et d’autre de ladite ligne RF ;

- une étape de réalisation de l’élément inférieur de ladite membrane ;

- une étape de réalisation de l’élément supérieur de ladite membrane.

[00032] Selon des variantes de procédé de l’invention, l’étape de réalisation des électrodes d’activation à la surface d’un substrat est effectuée par pulvérisation cathodique ou par évaporation.

[00033] Selon des variantes de procédé de l’invention, l’élément inférieur de la membrane est réalisé par dépôts multicouches comprenant au moins une couche métallique en Au ou Al ou Cu et au moins une autre couche métallique par exemple en matériau réfractaire effectués par pulvérisation cathodique et/ou évaporation.

[00034] Selon des variantes de procédé de l’invention, l’élément supérieur de ladite membrane est réalisé par dépôt électrolytique.

[00035] Selon des variantes de procédé de l’invention, l’élément en deuxième matériau diélectrique à la surface de ladite ligne RF est réalisé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt de couches minces atomiques (ALD) d’épaisseurs par exemple comprises entre 20 nanomètres et 300 nanomètres.

[00036] Selon des variantes de procédé de l’invention, ledit procédé comprend la réalisation d’une étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF dans des régions situées en périphérie de ladite membrane.

[00037] Selon des variantes de procédé de l’invention, l’étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF et l’étape de réalisation desdits plans de masse sont réalisées lors d’une même étape de dépôt métallique.

[00038] Selon des variantes de procédé de l’invention, la réalisation des plans de masse ou la réalisation des plans de masse et l’étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF sont réalisés par croissance électrolytique.

[00039] Selon des variantes de procédé de l’invention, les motifs de structuration desdits éléments en au moins un premier matériau diélectrique et présents au dessus desdites électrodes sont réalisés par gravure d’un premier matériau diélectrique ou par dépôt localisé d’un matériau diélectrique sur un premier matériau diélectrique.

[00040] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaitront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

[00041] [Fig 1 a] illustre le principe d’un commutateur MEMS-RF ohmique ;

[00042] [Fig 1 b] illustre le principe d’un commutateur MEMS-RF capacitif ;

[00043] [Fig 2] illustre une image au microscope électronique à balayage (MEB) d’un commutateur MEMS-F capacitif, en architecture coplanaire réalisé par le Demandeur pour des applications RF de puissance ;

[00044] [Fig 3a] illustre une vue 3D d’un commutateur MEMS-RF capacitif en configuration « parallèle >> selon l’art connu ;

[00045] [FIG.3b] illustre une vue en coupe avec une membrane métallique (reliée au plan de masse) au-dessus (séparé par un gap d’air) d’une ligne de transmission RF recouverte par un diélectrique selon l’art connu;

[00046] [Fig 4a] illustre le principe schématique d’une architecture de commutateur RF MEMS-RF capacitif en architecture « CPW >> avec des électrodes d’activation déportées selon l’art connu;

[00047] [Fig 4b] illustre une image au microscope du composant illustré en figure 4a ;

[00048] [Fig 5a] illustre une vue en 3D d’un composant selon l’invention ;

[00049] [Fig 5b] illustre une vue de dessus d’un composant de l’invention ;

[00050] [Fig 6] illustre l’évolution de la rigidité en fonction de la constante diélectrique pour différents matériaux ;

[00051] [Fig 7a] illustre l’accumulation de charges dans un matériau diélectrique plan lorsque la membrane est à l’état bas dans un composant de l’invention;

[00052] [Fig 7b] illustre l’accumulation de charges dans un matériau diélectrique structuré lorsque la membrane est à l’état bas dans un composant de l’invention ;

[00053] [Fig 8a] illustre une configuration selon l’invention, sans métal sur le diélectrique recouvrant la ligne RF, avec application de champs électrostatiques E_ch sur les électrodes d’activation et E’_Ch sur la ligne RF, dans l’état haut, dans un composant de l’invention;

[00054] [Fig 8b] illustre une configuration selon l’invention, sans métal sur le diélectrique recouvrant la ligne RF, avec application de champs électrostatiques E_ch sur les électrodes d’activation et E’_Ch sur la ligne RF, dans l’état bas, dans un composant de l’invention;

[00055] [Fig 8c] illustre une configuration selon l’invention, avec métal sur le diélectrique recouvrant la ligne RF, avec application de champs électrostatiques E_ch sur les électrodes d’activation et E’_Ch sur la ligne RF, dans l’état haut, dans un composant de l’invention;

[00056] [Fig 8d] illustre une configuration selon l’invention, avec métal sur le diélectrique recouvrant la ligne RF, avec application de champs électrostatiques E_ch sur les électrodes d’activation et E’_Ch sur la ligne RF, dans l’état bas, dans un composant de l’invention ;

[00057] [Fig 9] illustre un exemple d’une croissance d’or électrolytique de quelques micromètres, en treillis, pour renforcer la rigidité de la membrane dans une configuration de l’invention;

[00058] [Fig 10a] illustre les zones flexibles de la membrane d’un composant de l’invention ;

[00059] [Fig 10b] illustre la zone rigide de la membrane d’un composant de l’invention ;

[00060] [Fig 11] illustre les paramètres géométriques de l’architecture de composant MEMS-RF selon l’invention ;

[00061] [Fig 12a] illustre une image au microscope optique d’un composant selon l’invention ;

[00062] [Fig 12b] illustre une vue 3D au profilomètre optique d’un composant selon l’invention ;

[00063] [Fig 13a] illustre une acquisition au profilomètre optique d’une première fabrication de commutateur MEMS-RF selon l’invention avec une première longueur de zone flexible ; [00064] [Fig 13b] illustre une acquisition au profilomètre optique d’une première fabrication de commutateur MEMS-RF selon l’invention avec une seconde longueur de zone flexible;

[00065] [Fig 13c] illustre une acquisition au profilomètre optique d’une première fabrication de commutateur MEMS-RF selon l’invention avec une troisième longueur de zone flexible ;

[00066] [Fig 14a] illustre une acquisition au profilomètre optique à l’état haut d’un commutateur MEMS-RF selon l’invention ;

[00067] [Fig 14b] illustre une acquisition au profilomètre optique à l’état bas d’un commutateur MEMS-RF selon l’invention ;

[00068] [Fig 15] illustre les paramètres S d’un composant selon l’invention et la comparaison avec ceux d’une architecture de l’art connu ;

[00069] [Fig 16] illustre une vue de dessus d’un composant selon l’invention et des axes de coupe A et B ;

[00070] [Fig 17a] illustre une vue selon la coupe A en position haute du composant illustré en figure 16 ;

[00071] [Fig 17b] illustre une vue selon la coupe A en position basse du composant illustré en figure 16 ;

[00072] [Fig 18a] illustre une vue selon la coupe B en position haute du composant illustré en figure 16 ;

[00073] [Fig 18b] illustre une vue selon la coupe B en position basse du composant illustré en figure 16 ;

[00074] [Fig 19a] illustre une première étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention ;

[00075] [Fig 19b] illustre une deuxième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention;

[00076] [Fig 19c] illustre une troisième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention;

[00077] [Fig 19d] illustre une quatrième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention; [00078] [Fig 19e] illustre une cinquième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention;

[00079] [Fig 19f] illustre une sixième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention ;

[00080] [Fig 19g] illustre une septième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention.

[00081] [Fig 19h] illustre une huitième étape de procédé de réalisation d’un exemple de composant selon l’invention.

[00082] De manière générale, la nouvelle architecture de commutateurs MEMS-RF capacitifs selon l’invention permet d’adresser les besoins de fortes puissances et de fiabilité accrues. Pour cela, cette nouvelle architecture propose les caractéristiques suivantes présentant notamment les avantages décrits ci-après, plus en détails :

- une dissociation de la partie RF et de la partie DC (pour l’activation) pour minimiser le stress sur le diélectrique de la ligne RF. Les électrodes d’activation sont déportées pour assurer leurs dimensionnements permettant ainsi de viser de très fortes puissances RF (» 30W). Ces électrodes d’activation sont situées au niveau des plans de masse conférant une flexibilité sur leurs dimensionnements pour viser les niveaux de puissance élevées tout en garantissant des tensions d’actionnement modérés ;

- un premier matériau diélectrique, à forte rigidité diélectrique et déposé sur les électrodes d’activation, peut avantageusement selon certaines variantes de l’invention être micro/nanostructuré afin d’améliorer la fiabilité du composant en limitant l’injection des charges lors des commutations grâce à une faible surface en contact avec la membrane ;

- un deuxième matériau diélectrique déposé sur la ligne RF de transmission confère au composant ses propriétés RF (tenue en puissance et paramètres S) lorsque la membrane est à l’état bas. Par l’architecture proposée, les contraintes sur ce matériau sont minimisées permettant d’en diminuer l’épaisseur et/ou d’utiliser un matériau à forte constante diélectrique dont les propriétés (en fonction de l’épaisseur) ne sont pas usuellement compatibles des MEMS-RF capacitifs car ces matériaux ne tiennent généralement pas les tensions appliquées pour l’actionnement ; - une membrane composée d’une partie flexible pour permettre son mouvement et d’une partie rigide suffisamment épaisse afin de maintenir une rigidité structurelle permet de limiter sa déformation (maintenir la membrane droite) sous les différentes sollicitations (puissance RF et actionnement) et pouvant tenir de fortes puissances RF.

[00083] De manière générale, selon la présente invention il est proposé de déporter les électrodes d’activation au niveau des plans de masse. Ces derniers se retrouvent suspendus, localement, au-dessus des électrodes d’activation, ces deux éléments étant séparés par un gap d’air (e_g). La Figure 5a illustre une vue 3D et la figure 5b illustre une vue de dessus d’un exemple de composant selon la présente invention. On réalise ainsi sur un substrat 100, des électrodes d’activation 200a et 200b prolongées par des plots de connexion 600a et 600b, recouvertes d’éléments 300a et 300b en premier matériau diélectrique D1 (éléments 300a/D1 et 300b/D1 représentés en figure 5b). Des plans de masse 400a-i, 400bi, 400a2 et 400b2 sont répartis de part et d’autre de la membrane présentant un élément inférieur 501 qui repose sur lesdits plans de masse, cet élément inférieur 501 étant recouvert localement d’un élément supérieur 502. La ligne RF 110 est recouverte localement d’un élément 111 en second matériau diélectrique D2. Selon une variante illustrée en figure 5b, l’élément 111 peut être recouvert lui-même d’une métallisation 120 en métal M6 (cela constituant une variante du composant illustré en figure 5a) . La ligne RF est par ailleurs épaissie en périphérie par des métallisations 112i et 112₂-

[00084] Les plans de masse 400a-i, 400bi, 400a2 et 400b2 et les métallisations 112i et 112₂ peuvent avantageusement être réalisées en un même métal référencé M3. L’élément inférieur 501 de la membrane est réalisé en un métal référencé M4, l’élément supérieur 502 de la membrane étant réalisé en un métal référencé M5.

[00085] La membrane métallique mobile se trouve suspendue et séparée par un gap d’air (e_g) des deux électrodes d’activation en métal M2 et de la ligne RF 100 métallique fine en métal M1 (non représenté car recouvert par l’élément 111 en diélectrique D2). Le premier matériau diélectrique référencé D1 (situé au-dessus des électrodes) est choisi pour sa bonne tenue en tension (Rigidité diélectrique élevée et épaisseur). Par exemple, des premiers matériaux diélectriques tels que le nitrure de silicium (SiN), l’oxyde de silicium (SiO₂), l’oxyde d’aluminium (AI₂O₃), polymères ..., déposés par différentes techniques (LPCVD, PECVD, PVD, CVD, ALD ...), peuvent présenter des rigidités diélectriques supérieures à 6 MV/cm, comme illustré en figure 6 qui montre l’évolution des rigidités en fonction de la constante diélectrique selon la référence : Pushkar Jain et al., “Embedded Thin Film Capacitors - Theoretical Limits”, IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2002.

[00086] Il est à noter que pour le choix de ce premier matériau diélectrique D1 , la valeur de la constante diélectrique est un paramètre qui ne rentre pas en considération pour les performances RF du composant. Afin de supporter des tensions élevées, l’épaisseur de ce matériau est calculée en fonction de sa rigidité diélectrique. Par exemple, AI2O3 déposé par ALD avec assistance plasma, peut présenter une rigidité diélectrique de 10 MV/cm. Pour tenir une tension de 200V, l’épaisseur nécessaire d’AI₂O₃ est de l’ordre de 200nm. De manière générale, l’épaisseur minimale de ce diélectrique doit être suffisante pour tenir la tension imposée pour faire basculer la membrane à l’état bas. En appliquant une tension suffisante entre les électrodes d’activation et le plan de masse/membrane, la membrane va passer d’un état haut à un état bas.

[00087] Les défaillances dues à la charge du diélectrique lors des différentes activations vont se porter sur le premier matériau diélectrique D1. Suivant le matériau utilisé et le mode d’actionnement (tension appliquée et fréquence d’actionnement), le premier matériau diélectrique D1 se charge plus ou moins, pouvant engendrer une défaillance du composant soit par décalage de la tension d’actionnement, soit par un collage de la membrane sur le diélectrique, comme décrit dans les références suivantes : David Mardivirin et al., “Evidence of Successive Fowler-Nordheim and Frenkel-Poole Conductions in Si3N4 Based RF-MEMS Capacitive Switches”, Proceedings of the 40th European Microwave Conference, 2010, Negar Tavassolian et al., “Dielectric Charging in Capacitive RF MEMS Switches : The Effect of Extended Durations of Electric Stress”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2011 , S. Mellé et al., “Modeling of the dielectric charging kinetic for capacitive RF- MEMS”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2005, Anne- Charlotte Amiaud et al., “Modeling tool for capacitive RF MEMS operating bias voltage optimization”, IEEE Transactions on Devices and Materials Reliability, 2019, W. A. de Groot et al., “Review of device and reliability physics of dielectrics in electrostatically driven MEMS devices,” IEEE Transactions on Devices and Materials. Reliability, 2009, W. M. van Spengen, “Capacitive RF MEMS switch dielectric charging and reliability: A critical review with recommendations,” Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012.

[00088] Le premier matériau diélectrique D1 , au niveau des électrodes d’activation, fait office d’isolant lorsque la membrane est à l’état bas. Dans le cadre de la présente invention, la constante diélectrique pour ce premier matériau diélectrique D1 n’est un paramètre à considérer que pour les performances RF du dispositif. Le matériau D1 est essentiel pour supporter les tensions d’actionnement nécessaires pour commuter le dispositif (en fonction de la tenue en puissance définie), il est donc soumis aux mêmes règles de défaillance que celles citées précédemment. Ces défaillances sont d’autant plus prononcées que l’on sollicite le matériau D1 (tension appliquée, temps à l’état bas, fréquence d’actionnement ...), comme décrit dans : R.W. Herfst et al., “Time and voltage dependence of dielectric charging in RF MEMS capacitive switches”, IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2007.

[00089] Lorsque l’on applique une différence de potentiel entre la membrane (0 V) et les électrodes d’activation (+V), on génère une force électrostatique qui attire la membrane (mobile) sur le matériau D1 . Lors de ce contact, il y a un transfert de charges (électrons e ) de la membrane dans le matériau D1. Ces charges s’accumulent alors au niveau des défauts du matériau D1 pour y être piégées, au fur et à mesures des commutations. Cette injection de charges dans le matériau diélectrique D1 dépend de plusieurs facteurs comme le champ électrostatique appliqué, la surface de contact, la température ... Cette accumulation de charges dans le matériau diélectrique D1 génère un champ électrique « parasite >> opposé au champ électrique issu de l’actionnement et induisant une dérive de la tension d’actionnement (R.W. Herfst et al., “Characterisation of dielectric charging in RF MEMS capacitive switches”, IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2006), voir un collage permanent de la membrane sur le diélectrique D1 (https://menlomicro.com et https://www.analog.com).

[00090] En fonction du matériau diélectrique D1 utilisé (T. Lisec et al., “Dielectric Material Impact on Capacitive RF MEMS Reliability”, 34th European Microwave Conference, 2004), et du stress électrique qui lui est appliqué, l’accumulation des charges est localisée dans le matériau diélectrique sur une certaine profondeur (A. Ziaei et al., “Fast high power capacitive RF-MEMS switch for X-Band applications”, European Solid State Device Research Conference, 2015). [00091] Afin de limiter l’injection de charges dans le matériau diélectrique D1 , il peut être particulièrement intéressant de réduire de manière drastique la surface qui sera en contact avec la membrane (à l’état bas) en structurant le matériau D1. Il s’agit de générer des structures comme par exemple des piliers, trous, treillis ...de quelques micromètres à quelques centaines de nanomètres dans le matériau diélectrique D1. Pour le même stress électrique, la quantité de charge Q’ accumulée, au niveau des micro/nano structures (par transfert d’électrons e de la membrane) est plus faible que la quantité de charge Q pour une surface plane (comme le montrent les figures 7a et 7b relatives respectivement à des configurations avec accumulation de charges dans un matériau diélectrique plan et dans un matériau diélectrique structuré, lorsque la membrane est à l’état bas).

[00092] Par cette structuration du matériau diélectrique D1 , on limite ainsi la surface de contact lorsque la membrane est à l’état bas et donc on améliore la fiabilité du composant liée à l’injection de charge. Cette fiabilité sera d’autant plus élevée que la densité des structures sera faible.

[00093] Les technologies actuelles permettent de micro/nanostructurer des matériaux isolants tels que le SiN, le SiÛ2, l’AI₂O3 ... sur plusieurs centaines de nanomètres de profondeur et pour des résolutions inférieures à 100 nm. Il est à noter qu’il est possible de réaliser un dépôt localisé d’un matériau isolant pour générer des micro/nano structures avec les mêmes spécifications dimensionnelles sur les électrodes d’activation qui peuvent être, au préalable, déjà passivées avec un autre isolant.

[00094] Le choix du deuxième matériau diélectrique D2 définit les performances RF (Paramètres S et tenue en puissance) du composant lorsque la membrane du commutateur MEMS-RF est à l’état bas. Pour cela on prend en considération sa constante diélectrique ainsi que l’épaisseur nécessaire pour tenir la tension correspondant à la puissance injectée lorsque la membrane est à l’état bas suivant la formule U = (RP) où U est la tension en volts, R l’impédance caractéristique du composant (50 ohms pour un circuit RF et pour le calcul dans ce tableau) et P la puissance en Watts injectée dans le composant. Le Tableau 2 ci-après présente, pour différents niveaux de puissance, la tension équivalente susceptible d’être appliquée au deuxième matériau diélectrique D2 lorsque la membrane est à l’état bas. Tableau 2

[00095] Le matériau diélectrique D2 n’est soumis qu’au stress lié à la puissance RF admise et, éventuellement, à une tension de quelques volts (appliquée entre la ligne RF et le plan de masse/membrane) pour optimiser le plaquage de la membrane sur le matériau diélectrique D2. L’équation 1 de la force électrostatique, ci-dessous,

[00096] Équation 1 :

[00097] avec « S >> : la surface en vis-à-vis entre la membrane et la ligne RF en dessous, E₀ : la permittivité du vide, V : la tension appliquée aux bornes des électrodes et z : la position de la membrane suivant l’axe z (entre 0 et e_g);

[00098] La formule montre que la force F appliquée à la membrane est proportionnelle à 1/z², où z représente la distance de la membrane par rapport à la ligne RF. Cela implique que cette force électrostatique devient très importante lorsque la membrane s’approche de la ligne RF recouverte du matériau diélectrique D2, même pour une faible tension appliquée. Selon une variante de l’invention, on peut procéder au dépôt d’un métal sur le matériau diélectrique D2 afin qu’un simple contact de la membrane sur ce métal permette d’obtenir la capacité voulue, à l’état bas, et sans que la membrane n’ait besoin d’être plaquée correctement (l’application d’une tension secondaire sur la ligne RF n’est plus requise). Les figures 8a et 8b représentent des vues schématisées du mode d’actionnement du commutateur MEMS-RF capacitif sans la présence d’un métal additionnel sur le matériau diélectrique D2, respectivement à “l’état haut” et à “l’état bas” et ce avec application de champs électrostatiques E_Ch sur les électrodes d’activation et E’_Ch sur la ligne RF. Les figures 8c et 8d représentent des vues schématisées du mode d’actionnement du commutateur MEMS-RF capacitif avec la présence d’un métal additionnel sur le matériau diélectrique D2, respectivement à ‘Tétât haut” et à ‘Tétât bas” et ce avec application d’un champ électrostatiques E_ch sur les électrodes d’activation. Dans ce cas, l’application d’un champ électrique sur la ligne RF n’est plus requise.

[00099] Les performances RF du dispositif, à l’état bas, sont donc liées à la capacité générée au niveau du matériau diélectrique D2 et dont la valeur dépend de l’épaisseur du matériau diélectrique D2, de sa constante diélectrique (à la fréquence considérée), de la surface de contact B*A et de la qualité du contact de la membrane sur le matériau diélectrique D2 (qui peut être idéal en ajoutant un métal M6 sur le matériau diélectrique D2). La figure 9 illustre un exemple d’une croissance d’or électrolytique (équivalent au métal M5) de quelques micromètres, en treillis, pour renforcer la rigidité de la membrane, ce dépôt électrolytique ayant été effectué sur une métallisation (type M4).

[000100] En résumé, le changement d’état de la membrane (d’un état haut vers un état bas) est assuré par les électrodes déportées et c’est le matériau diélectrique D1 qui supporte la tension nécessaire pour commuter la membrane. Le matériau diélectrique D2 assure les performances du composant à l’état bas et la tenue en puissance. On sépare ainsi la partie DC (pour actionner le composant) de la partie RF.

[000101] Pour des raisons topographiques, on peut avantageusement choisir l’épaisseur du matériau diélectrique D1 en fonction de la hauteur du matériau diélectrique D2. L’épaisseur de l’électrode d’activation avec le matériau diélectrique D1 peut être égale à l’épaisseur de la ligne RF sous la membrane avec le matériau diélectrique D2.

[000102] Concernant la partie mécanique (mobile) du commutateur MEMS-RF capacitif, la membrane autoportée se décompose en deux zones, supportées par plusieurs points d’ancrage (dont au moins certains sont situés au niveau des plans de masse pour le cas du MEMS-RF parallèle). Les zones dites « flexibles >>, pour permettre le basculement de la membrane de l’état haut à l’état bas (figures 8a et 8b), sont situées aux points d’ancrage et constituées de la métallisation M4. La zone dite « rigide >> est constituée de la métallisation M4 sur laquelle on vient faire croitre par électrodéposition une métallisation M5 épaisse (supérieure à 2 micromètres). [000103] Cette métallisation M5 peut être structurée (exemple, en treillis) afin de maintenir la structure robuste et légère. L’image d’un exemple de croissance d’or électrolytique (équivalent au métal M5) de quelques micromètres, en treillis, pour renforcer la rigidité de la membrane (dépôt électrolytique effectué sur une métallisation M4) est illustré en figure 9.

[000104] Le but recherché est que cette zone de la membrane reste plane/rigide, comme l’illustre la figure 10b montrant la zone dite “rigide” ZR, la figure 10a mettant en évidence les zones dites “flexibles” ZF. La zone rigide de la membrane ne se déforme pas sous l’effet de la puissance incidente. La déformation de la membrane ne reste ainsi permise qu’au niveau des points d’ancrage (zones flexibles).

[000105] Les propriétés mécaniques du commutateur MEMS-RF capacitif sont donc conférées par les zones flexibles de la membrane qui se retrouvent au niveau des plans de masse. Dans cette configuration, on dispose de toute la flexibilité nécessaire pour faire varier les dimensions des zones flexibles afin d’ajuster la tenue en puissance du composant. Par exemple, en diminuant la longueur (F) des zones flexibles (illustrées en figure 11 ), on rend celles-ci plus rigides à la flexion et il faudra donc une tension (DC et RF) plus importante pour faire basculer la membrane à l’état bas. Tout en rendant la structure autoportée plus rigide à la flexion au niveau des points d’ancrage, on peut diminuer la tension DC nécessaire à actionner le composant en augmentant les dimensions (C et E) des électrodes d’activation et les dimensions (C’ et E’) des parties de la membrane rigide en vis-à-vis. Par cette méthodologie, plusieurs avantages sont obtenus :

- il n’y a pas de contraintes d’espace pour définir les électrodes d’activation car elles se retrouvent déportées de la ligne de transmission centrale ;

- on peut donc adresser de forts niveaux de puissance. La force électrostatique, pour une tension donnée, est proportionnelle à la surface des électrodes (Equation 1 ). La tenue en puissance du composant est définie par le niveau de flexibilité des zones flexibles et de la hauteur du gap d’air (e_g) ;

- les lignes de commande peuvent alors être en dehors du dispositif (contrairement aux travaux de Hao Wei : Hao Wei et al, “High on/off capacitance ratio RF MEMS capacitive switches”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2017), limitant ainsi leurs impacts sur les performances RF du dispositif lorsque la membrane est à l’état haut ; - l’architecture RF n’est pas impactée et les performances RF sont les mêmes que pour une architecture plus classique. En effet, les modifications engendrées se situent au niveau des plans de masse et ne vont donc pas influer sur la transmission du signal RF.

[000106] Les figures 12a et 12b présentent un exemple de l’architecture de la présente invention réalisée sur la base des étapes technologiques de la microélectronique. La figure 12a illustre une image au microscope optique d’un composant selon l’invention et la figure 12b illustre une vue 3D au profilomètre optique d’un composant selon l’invention. Ce composant a été réalisé sur un substrat de silicium haute résistivité avec 2 pm d’oxyde de silicium thermique. Pour cette fabrication, le matériau diélectrique D1 est du nitrure de silicium (500 nm) déposé par PECVD et le diélectrique D2 est de l’oxyde métallique déposé par évaporation. La partie flexible de la membrane est constituée d’un multicouche à base de matériau réfractaire (par pulvérisation cathodique) et d’Au (par évaporation). La partie rigide de cette membrane est constituée du même multicouche avec une surépaisseur d’Au électrolytique de quelques micromètres.

[000107] Les figures 13a, 13b et 13c présentent des acquisitions au profilomètre optique de 3 commutateurs MEMS-RF capacitif basés sur le principe de la présente invention. Les trois structures présentées sont issues de la même fabrication sur un substrat de silicium à haute résistivité et avec 2 pm d’oxyde thermique. Une variation sur la longueur des zones flexibles a été apportée afin de modifier la tension nécessaire à l’actionnement d’un composant à l’autre.

[000108] Les figures 14a et 14b présentent des acquisitions au profilomètre optique de la commutation d’une architecture avec les zones flexibles les plus courtes, la figure 14a est relative à un état dans lequel la membrane est à l’état haut et la figure 14b est relative à un état dans lequel la membrane est à l’état bas.

[000109] Afin de valider ce concept, ces nouvelles architectures ont été caractérisées sur un banc RF et leurs paramètres S ont été comparés à ceux d’une architecture standard issue de la même fabrication. La figure 15 présente ces résultats et montre des paramètres S équivalents pour les deux types d’architectures. Les pertes d’insertion sont de l’ordre de 0,1 dB à 10 GHz pour une isolation de l’ordre de 15 dB pour la même fréquence. [000110] La figure 16 illustre une vue de dessus d’un exemple d’architecture selon l’invention faisant figurer 2 axes de coupe A et B.

[000111] Les Figures 17a et 17b sont relatives à la coupe A et respectivement relatives à l’état haut et à l’état bas.

[000112] Les figures 18a et 18b sont relatives à la coupe B et respectivement relatives à l’état haut et à l’état bas.

[000113] De manière générale, la déportation des électrodes d’activation au niveau des plans de masse permet de gérer des niveaux de puissance élevés tout en maintenant des tensions d’actionnement modérées et en gardant le composant compact. Les dimensions des électrodes d’activation, ainsi que les dimensions de parties flexibles peuvent être ajustées en fonction du besoin en termes de niveau de puissance et de contrainte sur la tension d’actionnement. La micro/nanostructuration du matériau diélectrique sur les électrodes d’activation permet de limiter l’injection de charges dans ce diélectrique et donc d’améliorer la fiabilité du composant pour une puissance RF/ tension d’actionnement par rapport à un diélectrique non structuré. La contrainte DC est appliquée sur le matériau diélectrique D1 et le matériau diélectrique D2 n’est soumis qu’au stress RF et donc le matériau diélectrique D2 peut être choisi (épaisseur et propriétés diélectriques) en fonction des spécifications attendues (tenue en puissance et paramètres S).

[000114] Cette nouvelle architecture se compose d’électrodes d’activation d’une centaine de nanomètres d’épaisseur constituées d’une métallisation réalisée par un dépôt couche mince (pulvérisation cathodique, évaporation ...). Ces électrodes d’activation sont situées au niveau des plans de masse du composant.

[000115] Le matériau diélectrique D1 au-dessus des électrodes d’activation est choisi pour sa bonne tenue en tension soit avec une épaisseur adaptée et/ou une rigidité diélectrique élevée. Ce matériau peut être, par exemple du SiO₂, du SiN, de l’AI₂O3 ... déposé par PECVD, par ALD, par pulvérisation cathodique ... pour une centaine de nanomètres d’épaisseur pouvant tenir des tensions de plusieurs centaines de volts. Ce matériau peut être micro/nanostructuré soit par gravure soit en faisant un dépôt localisé d’un autre diélectrique (éventuellement le diélectrique D2), par-dessus. Cette structuration permet ainsi de limiter la surface de contact lorsque la membrane est à l’état bas. [000116] La membrane mobile est composée d’une partie flexible pour permettre son mouvement. Cette partie flexible peut être à base d’une multicouche métallique déposée par pulvérisation cathodique et/ou évaporation. La membrane est également constituée d’une partie rigide pouvant être réalisée grâce à un dépôt électrolytique épais (d’une dizaine de micromètres) qui peut être de l’or, du cuivre, ..., par exemple. Cette croissance est effectuée sur le multicouche utilisé pour la partie flexible aux zones que l’on souhaite garder planes sous l’effet de la puissance injectée. La déformation de la membrane n’est donc permise qu’au niveau des zones flexibles définies par le multicouche. Cette croissance électrolytique peut être structurée en forme de treillis afin de minimiser le poids de la membrane tout en assurant une rigidité mécanique.

[000117] Le matériau diélectrique D2 est situé sur la ligne RF et en dessous de la membrane. Il peut être déposé par différentes techniques (évaporation, CVD, ALD ...) pour des épaisseurs pouvant aller de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Le choix du matériau et son épaisseur se fera en fonction de ses propriétés et des performances visées. Une couche mince métallique de quelques dizaines de nanomètres et flottante peut être déposée sur le matériau diélectrique afin d’optimiser la capacité lorsque la membrane est à l’état bas. Un simple contact de la membrane sur cette métallisation permet d’obtenir la capacité maximale tout en s’affranchissant de la qualité de contact de la membrane sur la ligne RF (pouvant être induite par la rugosité ou le taux de plaquage).

[000118] La ligne RF, passant sous la membrane, est une métallisation de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur déposée par une technique couche mince (évaporation, pulvérisation cathodique ...) et qui peut être de l’or. En dehors de la zone sous la membrane, cette ligne RF peut être épaissie avec un dépôt électrolytique qui sert également à définir les plans de masse ainsi que les ancrages des parties flexibles de la membrane.

[000119] Le gap d’air entre les électrodes d’activation et la membrane et entre la ligne RF et la membrane peut être de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres de hauteur suivant la tenue en puissance visée et le temps de commutation souhaité. L’épaisseur des électrodes d’activation avec son diélectrique peut être ajustée en fonction de l’épaisseur de la ligne RF avec son diélectrique afin que le gap d’air soit similaire entre les deux zones de contact. [000120] Exemple de procédé de réalisation d’une architecture selon l’invention :

[0001211 Etape 1 :

On réalise le dépôt d’une métallisation (métal M2) pour définir les électrodes d’activation 200a et 200b prolongées par des plots de connexion 600a et 600b, sur un substrat 100, comme illustré en figure 19a.

[0001221 Etape 2 :

On procède au dépôt d’un matériau diélectrique (D1 ) sur les électrodes d’activation pour les performances DC du composant comme illustré en figure 19b qui montre les éléments diélectriques 300a et 300b au-dessus des électrodes 200a et 200b.

[0001231 Etape 3 :

On réalise une opération de micro/nanostructuration du diélectrique au-dessus des électrodes d’activation de manière à définir les éléments micro/nanostructurés 300a’ et 300b’ au-dessus des éléments 200a et 200b, comme illustré en figure 19c.

[000124] Etape 4:

On procède au dépôt d’une métallisation (métal M1 ) afin de définir la ligne RF 110 destinée à passer sous la membrane comme illustré en figure 19d.

[000125] Etape 5:

On procède au dépôt du diélectrique D2 sur la ligne RF pour les performances RF du composant, définissant un élément diélectrique 111 au-dessus de la ligne 110, comme illustré en figure 19e.

[0001261 Etape 6 :

On réalise une première opération de croissance électrolytique (métal M3) pour épaissir la ligne RF avec des éléments 112-i et 112₂ en dehors de la zone où la membrane doit s’abaisser et pour définir également des plans de masse 400a-i, 400bi, 400a₂ et 400b₂, comme illustré en figure 19f.

[000127] Etape 7 :

On réalise l’élément inférieur 501 de la membrane. Pour cela on procède au dépôt et à une opération de structuration de la métallisation (métal M4) définissant la géométrie de la membrane et les parties flexibles de la membrane 501 comme illustré en figure 19g. [000128] Etape 8:

[000129] On réalise l’élément supérieur 502 de la membrane. Pour cela, on procède enfin à une opération de dépôt électrolytique localisé (métal M5) par-dessus la métallisation M4 afin de définir les zones rigides de la membrane comme illustré en figure 19h.

[000130] L’architecture du switch MEMS-RF shunt capacitif décrite précédemment peut être adaptée à un contact ohmique, contact métallique entre la membrane et la ligne RF, sans rien changer à la nature mécanique de la membrane ni à la façon de l’activer. L’architecture diffère en ce qu’il n’y aura pas de diélectrique au-dessus de la ligne RF à son passage sous la membrane et que le contact se fera directement entre la ligne RF et la membrane lorsque celle-ci est à l’état bas.

[000131] De même, l’architecture du switch MEMS-RF shunt capacitif décrite précédemment peut être adaptée à une ligne micro-strip au lieu de coplanaire. L’architecture diffère en ce que le plan de masse n’est pas situé de part et d’autre de la ligne de signal centrale mais en face arrière du substrat de fabrication, et que des vias métallisés, trous dans le substrat reliant la face avant à la face arrière et tapissés/remplis d’un matériau conducteur permettant ainsi de connecter électriquement les deux faces, relient électriquement la membrane au plan de masse en face arrière.

[000132] De même, l’architecture du switch MEMS-RF shunt capacitif décrite précédemment peut être adaptée à une architecture série du switch MEMS-RF. L’architecture diffère en ce que la ligne RF est discontinue et que la membrane n’est pas reliée au plans de masse, elle est suspendue au-dessus de la première partie de la ligne RF et est reliée à la seconde partie de la ligne RF. Lorsque la membrane est à l’état bas, les deux morceaux de la ligne RF sont reliés, ce qui permet le passage du signal RF.

[000133] La combinaison de ces caractéristiques permet la réalisation des huit types de structures suivantes : MEMS-RF shunt coplanaire capacitif, MEMS-RF série coplanaire capacitif, MEMS-RF shunt coplanaire ohmique, MEMS-RF série coplanaire ohmique, MEMS-RF shunt micro-strip capacitif, MEMS-RF série microstrip capacitif, MEMS-RF shunt micro-strip ohmique, MEMS-RF série micro-strip ohmique.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique suspendue au-dessus d’une ligne de transmission RF (110) disposée selon un premier axe X à la surface d’un substrat (100), des électrodes d’activation et des plans de masse sur lesquels repose ladite membrane caractérisé en ce que :

- ladite membrane métallique comporte : o un élément inférieur (501) présentant une première partie située partiellement au-dessus desdites électrodes (200a, 200b) recouvertes par des éléments (300a, 300b) comprenant au moins un premier matériau diélectrique (D1) et partiellement au-dessus de ladite ligne RF recouverte par un élément (111) en second matériau diélectrique (D2), ledit élément inférieur présentant des deuxièmes parties situées partiellement en contact avec lesdits plans de masse ; o un élément supérieur (502) situé au-dessus de ladite première partie de l’élément inférieur;

- ladite membrane comprenant des zones flexibles (ZF) constituées par une partie des deuxièmes parties de l’élément inférieur et une zone rigide (ZR) constituée par l’empilement de la première partie de l’élément inférieur et de l’élément supérieur.

2. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits éléments comprenant au moins un premier matériau diélectrique (D1) sont structurés et présentent des motifs de structuration, de dimensions comprises entre 50 nanomètres et 5 micromètres.

3. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier matériau diélectrique (D1) présente une rigidité supérieure ou égale à 5MV/cm, et est par exemple en SiC>2 ou en SiN ou en AI2O3.

4. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément en second matériau diélectrique (D2) est recouvert d’un élément métallique supérieur (120).

5. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’épaisseur totale d’une électrode d’activation et d’un élément en premier matériau diélectrique est égale à l’épaisseur totale de l’épaisseur de la partie de ladite ligne RF sous la membrane et d’un élément en second matériau diélectrique.

6. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’épaisseur de l’élément inférieur de la membrane est comprise entre 500 nanomètres et 2 micromètres.

7. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’épaisseur de l’élément supérieur de ladite membrane est supérieure à 2 micromètres.

8. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’élément supérieur de ladite membrane est structuré, ladite structure étant par exemple en treillis et présentant des motifs de dimensions supérieures à un micromètre.

9. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second matériau diélectrique a une constante diélectrique EQ supérieure à celle de l’oxyde de silicium, ledit second matériau diélectrique étant par exemple HfO2 ou ZrÛ2 ou Y2O3 ou AI2O3 ou SiN.

10. Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’élément inférieur de la membrane est en multicouches à base de matériau(x) réfractaire (s) par exemple W, Mo, Ta, TaN, TiN, TiW et de matériau(x) conducteur(s) par exemple Au, Al, Cu, l’élément supérieur de la membrane étant en matériau conducteur par exemple Au ou Cu.

11 . Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant : - une étape de réalisation des électrodes d’activation à la surface d’un substrat ;

- une étape de réalisation d’éléments en au moins un premier matériau diélectrique (D1) à la surface d’une partie desdites électrodes d’activation ;

- une étape de réalisation d’un élément en second matériau diélectrique (D2) au- dessus d’une partie de la ligne RF ;

- une étape de réalisation desdits plans de masse de part et d’autre de ladite ligne RF ;

- une étape de réalisation de l’élément inférieur de ladite membrane ;

- une étape de réalisation de l’élément supérieur de ladite membrane.

12. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication précédente 11 , dans lequel l’étape de réalisation des électrodes d’activation à la surface d’un substrat est effectuée par pulvérisation cathodique ou par évaporation.

13. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 11 ou 12, dans lequel l’élément inférieur de la membrane est réalisé par dépôts multicouches comprenant au moins une couche métallique en Au ou Al ou Cu et au moins une autre couche métallique par exemple en matériau réfractaire effectués par pulvérisation cathodique et/ou évaporation.

14. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 11 à 13, dans lequel l’élément supérieur de ladite membrane est réalisé par dépôt électrolytique.

15. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif) selon l’une des revendications 11 à 14, dans lequel l’élément en deuxième matériau diélectrique à la surface de ladite ligne RF est réalisé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt de couches minces atomiques (ALD) d’épaisseurs par exemple comprises entre 20 nanomètres et 300 nanomètres.

16. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence selon l’une des revendications 11 à 15, comprenant la réalisation d’une étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF dans des régions situées en périphérie de ladite membrane.

17. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence selon la revendication 16, dans lequel l’étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF et l’étape de réalisation desdits plans de masse sont réalisées lors d’une même étape de dépôt métallique.

18. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence selon la revendication 17, dans lequel la réalisation des plans de masse ou la réalisation des plans de masse et l’étape d’épaississement partiel de ladite ligne RF sont réalisés par croissance électrolytique.

19. Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence selon l’une des revendications 11 à 18, dans lequel les motifs de structuration desdits éléments en au moins un premier matériau diélectrique (D1) et présents au dessus desdites électrodes sont réalisés par gravure d’un premier matériau diélectrique (D1) ou par dépôt localisé d’un matériau diélectrique sur un premier matériau diélectrique (D1).