FR2989842A1

FR2989842A1 - Ligne de propagation radiofrequence a ondes lentes

Info

Publication number: FR2989842A1
Application number: FR1253759A
Authority: FR
Inventors: Philippe Ferrari; Gustavo Pamplona Rehder; Ariana Serrano; Florence Podevin; Anne-Laure Franc
Original assignee: Universidade de Sao Paulo USP; Institut Polytechnique de Grenoble; Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Current assignee: Universidade De Sao Paulo Usp Br; Institut Polytechnique de Grenoble; Universite Grenoble Alpes
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-10-25
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: BR112014026501A2; FR2989842B1; BR112014026437A2; US9653773B2; KR20150035688A; BR112014026501B1; KR102072178B1; US20150070110A1; WO2013160614A1

Abstract

L'invention concerne une ligne de propagation radiofréquence comprenant un ruban conducteur (31) associé à un plan conducteur (37) parallèle au plan du ruban conducteur, dans laquelle le plan conducteur comprend un réseau de nanofils (36) en un matériau électriquement conducteur et non magnétique s'étendant orthogonalement au plan du ruban conducteur, en direction de ce ruban conducteur.

Description

B11588 1 LIGNE DE PROPAGATION RADIOFRÉQUENCE À ONDES LENTES Domaine de l'invention La présente invention concerne une ligne de propagation radiofréquence (RF). On entend ici par radiofréquence le domaine des ondes millimétriques ou submillimétriques, dans une 5 plage de fréquences de 10 à 500 GHz. Exposé de l'art antérieur Le développement continu des circuits intégrés se révèle apte à des fonctionnements à très haute fréquence dans le domaine des radiofréquences. Les éléments passifs utilisés 10 comprennent des adaptateurs, des atténuateurs, des diviseurs de puissance, des filtres, des antennes, des déphaseurs, des baluns, etc. Les lignes de propagation reliant ces éléments constituent un élément de base dans un circuit RF. Pour cela, des lignes de propagation à haut facteur de qualité sont néces- 15 saires. Le facteur de qualité est un paramètre essentiel car il représente les pertes d'insertion d'une ligne de propagation pour un déphasage donné. De façon générale, ces lignes de propagation comprennent un ruban conducteur ayant des dimensions latérales de moins 20 de 10 à environ 50 fun et une épaisseur de l'ordre du micromètre (0,5 à 3 fun selon la technologie utilisée). Ce ruban conducteur est entouré d'un ou plusieurs conducteurs latéraux, supérieurs B11588 2 et/ou inférieurs constituant des plans de masse destinés à constituer avec le ruban conducteur une structure de type guide d'onde. Dans des technologies compatibles avec la réalisation de circuits intégrés électroniques (sur silicium, par exemple), le ruban conducteur et les plans de masse sont constitués d'éléments de niveaux de métallisation formés au-dessus d'un substrat semiconducteur. La ligne de propagation haute fréquence la plus simple est celle illustrée en figure 1. Cette ligne comprend un micro-10 ruban conducteur 1 de surface par unité de longueur S disposé au-dessus d'une couche mince isolante 3 elle-même formée au-dessus d'un plan de masse conducteur 5 reposant sur un substrat 7. Il est connu que, pour augmenter le facteur de qualité 15 d'une telle ligne et réduire sa longueur physique tout en conservant un même déphasage électrique, il est souhaitable de réduire la vitesse de propagation des ondes dans cette ligne. Cette vitesse de propagation est proportionnelle à l'inverse de la racine carrée du produit de l'inductance par unité de 20 longueur L par la capacité par unité de longueur C de la ligne. La capacité par unité de longueur de la ligne peut être approximée par ES/h, s désignant la permittivité diélectrique du matériau isolant de la couche 3 et h désignant l'épaisseur de cette couche 3. On ne peut jouer sur la permittivité diélec- 25 trique s de façon très importante. En effet, cette permittivité diélectrique dépend du matériau constituant la couche isolante 3 et les matériaux à forte permittivité sont souvent des matériaux difficiles à déposer et peu compatibles avec des réalisations dans le cadre de circuits intégrés. On peut essayer d'augmenter 30 la surface par unité de longueur S de la ligne ou de diminuer l'épaisseur h de l'isolant. Malheureusement, ces solutions, si elles tendent effectivement à augmenter la capacité C, tendent corrélativement à réduire l'inductance L. Le produit C.L reste alors sensiblement constant. On a donc cherché d'autres voies B11588 3 pour obtenir des lignes de propagation miniaturisées et à fort facteur de qualité. Un type de ligne de propagation particulièrement per- formant est décrit dans le brevet américain N° 6 950 590 dont la figure 4a est reproduite dans la figure 2 ci-jointe. Sur un substrat de silicium 128 revêtu de niveaux métalliques séparés par un isolant 127, est formé un plan conducteur inférieur 136 divisé en bandes parallèles de petite largeur, par exemple de l'ordre de 0,1 à 3 pin. Dans un niveau de métallisation plus élevé est formé un ruban conducteur central 122 constituant la ligne de propagation proprement dite, entouré de rubans latéraux de masse coplanaires 124, 126. Des caractéristiques et avantages d'une telle ligne sont décrits en détail dans le brevet américain susmentionné.

L'ensemble du ruban central 122 et des lignes de masse 124 et 126 étant coplanaire, cette structure est couramment appelée guide d'onde coplanaire et désignée par le sigle CPW (acronyme des termes anglo-saxons CoPlanar Waveguide). En outre, comme cela est indiqué dans ce brevet, la structure constitue un guide à onde lente couramment désigné par le sigle S-CPW pour guide d'onde coplanaire à onde lente (Slow Wave CoPlanar Waveguide). Ceci conduit à ce que la ligne peut avoir une longueur plus petite que celle d'une ligne classique pour un même déphasage. Il est rappelé au paragraphe [0046] de ce brevet amé25 ricain que (en traduction française) "la configuration de ligne de propagation S-CPW fait écran au champ électrique et permet au champ magnétique d'occuper un plus grand volume ce qui augmente l'énergie stockée par la ligne de propagation. Ceci provoque ... une augmentation considérable du facteur de qualité Q.

30 Même si la ligne de ce brevet américain présente de nombreux avantages en ce qui concerne ses faibles pertes, elle présente l'inconvénient d'occuper une surface relativement importante en raison de la nécessité de prévoir deux plans de masse de part et d'autre du ruban de propagation. A 60 GHz, la 35 largeur de l'ensemble de la ligne incluant les deux plans B11588 4 conducteurs latéraux doit être de l'ordre de 50 à 125 pin, la valeur la plus élevée correspondant au facteur de qualité le plus élevé. De plus, les fréquences d'utilisation sont limitées à des valeurs de l'ordre de 60 à 100 GHz. En effet la largeur 5 des bandes parallèles constituant la division du plan conducteur inférieur 136 ne peut en pratique être réduite à des valeurs inférieures à 0,2 um, sauf à utiliser des technologies très avancées et très chères et, en conséquence, quand la fréquence augmente, il se met à circuler des courants de Foucault dans ces 10 bandes, ce qui entraîne des pertes qui peuvent être importantes. Ainsi, il existe un besoin pour une ligne de propagation présentant des performances élevées en matière de facteur de qualité et occupant une surface minimum par unité de longueur.

15 Il existe également un besoin pour une ligne de propa- gation présentant des performances élevées en matière de facteur de qualité et pouvant fonctionner à des fréquences supérieures à 100 GHz, par exemple jusqu'à 500 GHz. Résumé 20 Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention vise à réaliser une ligne de type microruban (en anglais : microstrip line), qui est une ligne de propagation à surface minimale par unité de longueur, présentant de faibles pertes et pouvant fonctionner à des fréquences pouvant atteindre une 25 valeur de l'ordre de 500 GHz. Plus généralement, un mode de réalisation de la présente invention vise à prévoir un support pour un système fonctionnant à haute fréquence dans lequel le champ électrique lié à la ligne se concentre sur une épaisseur minimum tandis que 30 le champ magnétique peut s'étendre beaucoup plus largement. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une ligne de propagation radiofréquence comprenant un ruban conducteur associé à un plan conducteur parallèle au plan du ruban conducteur, dans laquelle le plan conducteur comprend 35 un réseau de nanofils en un matériau électriquement conducteur B11588 et non magnétique s'étendant orthogonalement au plan du ruban conducteur, en direction de ce ruban conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les nanofils sont formés dans une couche de céramique formée sur 5 un plan conducteur, cette couche de céramique étant elle-même revêtue d'une couche isolante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de céramique est une couche d'alumine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 les nanofils ont une longueur de 1 fun à 1 mm, un diamètre de 30 à 200 nm et un espacement de 60 à 450 nm. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un support de composant radiofréquence comprenant, sous une première couche isolante, une deuxième couche isolante 15 traversée par des nanofils reliés à un plan conducteur. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif 20 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en perspective illustrant une ligne de propagation de type à micro-ruban ; la figure 2, décrite précédemment, est une reproduc25 tion de la figure 4a du brevet américain 6 950 590 ; la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une ligne de type à microruban ; et la figure 4 représente un agrandissement d'une partie de la figure 3.

30 On notera que, de façon générale, comme cela est usuel dans la représentation des composants microélectroniques, les éléments des diverses figures ne sont pas tracés à l'échelle. Description détaillée La figure 3 représente un mode de réalisation d'une 35 ligne de type à microruban. Un ruban conducteur 31 repose sur B11588 6 une première couche isolante 33, formée sur une deuxième couche isolante 35 reposant sur un plan de masse 37 qui peut être formé au-dessus d'un substrat 39. La couche isolante 33 peut être une couche d'oxyde de silicium ou autre matériau isolant couramment utilisé dans le domaine de la fabrication des circuits intégrés. La deuxième couche isolante 35 est par exemple une couche d'une céramique telle que l'alumine. La couche 35 est munie de cavités sensiblement verticales (dans un plan orthogonal au plan de la ligne ruban 31). Les cavités sont remplies de nanofils 36 en un matériau conducteur non magnétique, par exemple du cuivre, de l'aluminium de l'argent ou de l'or, en contact électrique avec le plan de masse 37. Divers modes de fabrication d'un réseau de nanofils dans une membrane d'alumine à porosité variable sont connus et pourront être utilisés. Les nanofils 36 auront de préférence un diamètre de 30 à 200 nm avec une distance de bord à bord de 60 à 450 nm. Leur longueur, qui correspond à l'épaisseur de la couche isolante 35, pourra aller de 1 fun à 1 mm. La figure 4 illustre l'allure des lignes de champ électrique E et des lignes de champ magnétique H, quand un signal est appliqué à la ligne 31. Pour le champ électrique E, l'épaisseur de la couche isolante dans laquelle s'étale ce champ est limitée à l'épaisseur h de la couche 33 étant donné que les extrémités des nanofils 36 dans le plan d'interface entre les couches 33 et 35 correspondent à une équipotentielle au même potentiel que le plan conducteur 37, couramment la masse. Ainsi le champ électrique ne varie pas en-dessous de cette interface entre les couches 33 et 35. Par contre, du point de vue du champ magnétique H, les lignes de champ pénètrent librement dans le second matériau isolant 35 sans être perturbées par les nanofils qui sont en un matériau non magnétique. On retrouve donc l'avantage d'augmentation du facteur de qualité de la ligne mentionné dans le brevet américain N° 6 950 590 et cité ci-dessus. Cet avantage est obtenu ici dans 35 une ligne de propagation simple de type à microruban et plan de B11588 7 masse, le microruban pouvant avoir une largeur de seulement quelques pin, par exemple 3 à 10 um. On pourra choisir le diamètre des nanofils pour qu'il soit inférieur à l'épaisseur de peau du matériau conducteur 5 constituant les nanofils à la fréquence d'utilisation prévue. A titre d'exemple, pour du cuivre, l'épaisseur de peau à 60 GHz est de l'ordre de 250 nm. Il sera facile de réaliser des nanofils de plus petit diamètre. Plus le diamètre sera faible, moins il se créera de courant de Foucault dans ces nanofils et plus 10 les pertes liées au champ magnétique seront faibles. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Plus particulièrement, la présente invention a été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier concernant une 15 ligne de propagation de type ruban. On notera que de façon générale, on propose ici un support de composant radiofréquence comprenant, sous une première couche isolante, une deuxième couche isolante traversée par des nanofils reliés à un plan conducteur, pour toute application dans laquelle on souhaite 20 disposer d'un matériau présentant une première épaisseur isolante du point de vue de la répartition des champs électriques et une seconde épaisseur isolante supérieure à la première du point de vue de la répartition des champs magnétiques. La deuxième couche isolante traversée par des nanofils peut être de 25 l'air. Dans le mode de réalisation décrit, les nanofils sont des nanofils verticaux s'étendant à partir d'un plan conducteur. On notera que ces nanofils ne sont pas nécessairement strictement verticaux mais peuvent s'étendre le long de porosités d'une 30 couche d'un matériau sélectionné, par exemple une céramique, l'important étant qu'il y ait continuité électrique entre l'extrémité des nanofils en contact avec le plan conducteur et leur extrémité située au niveau supérieur de la couche isolante 35.

Claims

REVENDICATIONS1. Support de composant radiofréquence comprenant, sous une première couche isolante (33), une deuxième couche isolante (35) traversée par des nanofils (36) en un matériau électriquement conducteur et non magnétique reliés à un plan conducteur (37) parallèle au plan des couches.
2. Ligne de propagation radiofréquence comprenant un ruban conducteur (31) formé sur la première couche isolante (33) du support selon la revendication 1.
3. Ligne de propagation selon la revendication 2, dans 10 laquelle les nanofils (36) sont formés dans une couche de céramique (35) formée sur un plan conducteur (37).
4. Ligne de propagation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la couche de céramique est une couche d'alumine.
5. Ligne de propagation selon l'un quelconque des 15 revendications 2 à 4, dans laquelle les nanofils ont une longueur de 1 pm à 1 mm, un diamètre de 30 à 200 nm et un espacement de 60 à 450 nm.