FR3000049A1 - Composant mems capacitif a ligne de transmission enterree - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système micro électromécanique (MEMS) capacitif à actionneur électrostatique comprenant un empilement (8) comprenant un substrat (4), une ligne de transmission de radiofréquences (3) selon une direction longitudinale (dLong), une couche diélectrique (5), ledit système comprenant en outre deux piliers (2a ; 2b) disposés sur l'empilement (8) supportant une membrane (1) métallique. La surface supérieure de l'empilement (8) est plane.

Description

Composant MEMS capacitif à ligne de transmission enterrée Le domaine de l'invention est celui des micro-interrupteurs encore dénommés « commutateurs » réalisés en technologie MEMS, l'acronyme 5 MEMS signifiant « Micro Electro Mechanical System », en langue anglaise, et signifiant micro-système électromécanique. Le domaine privilégié d'application concerne les systèmes radiofréquences et plus précisément les applications dans le domaine des radars notamment utilisant des fréquences comprises entre 8 et 12 GHz. Les composants 10 MEMS proposés peuvent toutefois trouver des applications dans des domaines de fréquences très élevées de l'ordre de 150 GHz. Le principe de fonctionnement des composants MEMS est le suivant. Au moyen d'une électrode de commande, on exerce une force électrostatique sur un objet mécanique de très faibles dimensions disposé au voisinage 15 d'une ligne de transmission de radiofréquences. Le déplacement ou la déformation de l'objet soumis à cette force fait varier un paramètre électronique qui est le plus souvent une résistance ou une capacité. Cette variation interrompt ou rétablit la transmission des radiofréquences dans la ligne de transmission. Pour réaliser un interrupteur de type capacitif, on 20 utilise préférentiellement des dispositifs à « pont » ou à membrane suspendue. Le principe de fonctionnement de ce type de dispositif est décrit dans le cas le plus simple de l'utilisation en micro-interrupteur, et est illustré en figures la et lb qui représentent respectivement un état dans lequel le signal passe et 25 un état dans lequel le signal est court-circuité.

Plus précisément, une membrane ou une poutre métallique 1 de faible épaisseur, de l'ordre de 1 pm, est maintenue suspendue par des piliers 2a, 2b au dessus d'une ligne de transmission de radiofréquences 3 réalisée à la surface d'un substrat 4 dans laquelle un signal Sig est propagé. Une couche diélectrique 5 est déposée sur la surface de la ligne de transmission 3. Des lignes conductrices 6a, 6b sont connectées à la ligne de transmission 3 et reliées à la masse M. La membrane 1 peut être soumise à une tension électrique au moyen d'une électrode de commande. En l'absence de tension appliquée, la membrane 1 est suspendue au-dessus de la ligne de transmission 3 à une certaine hauteur ou un certain premier « gap » pouvant être assimilé à une première capacité, typiquement la hauteur est supérieure à 1 micron. Lorsque l'on applique une tension suffisamment élevée sur l'électrode de commande, la membrane 1 est soumise à une force électrostatique qui la déforme. La membrane 1 est alors séparée de la ligne de transmission 3 par une couche de diélectrique formant une deuxième capacité qui est très supérieure à la première formée par le gap d'air. Par conséquent, les radiofréquences sont court-circuitées vers la masse M. Selon le montage électronique, la variation de cette capacité peut être utilisée pour réaliser un micro-interrupteur. Les composants MEMS tels que décrit précédemment nécessitent une tension généralement supérieure à 10V pour permettre une commutation, et, un temps de commutation de quelques microsecondes. Pour améliorer les performances de ces dispositifs telle que la vitesse de commutation, il est connu d'utiliser des matrices comprenant des composants MEMS de dimensions réduites par rapport aux composants MEMS classiques. Nous appellerons par la suite ces composants MEMS de petites dimensions des « miniMEMS ». Plus précisément, on entend par composant miniMEMS un composant MEMS dans lequel les dimensions sont réduites d'un facteur d'environ 10. La figure 2 représente une vue de coupe d'un composant miniMEMS réalisé selon une technologie classique proposée dans la littérature. Le composant miniMEMS comprend un empilement comprenant un substrat 4, une ligne de transmission 3, une couche de matériau diélectrique 5 recouvrant la ligne de transmission 3, des piliers 2a; 2b supportant une membrane 1. La membrane 1 présente une topologie non plane. Cette topologie est la conséquence du procédé utilisé pour l'élaboration du composant miniMEMS. Typiquement, le procédé classique d'élaboration d'un composant miniMEMS comprend cinq étapes principales. La première étape consiste au dépôt de la ligne de transmission 3 selon une direction longitudinale dLong sur le substrat 4, la direction longitudinale dLong étant parallèle à la direction de propagation des radiofréquences à l'intérieur de la ligne de transmission 3. La deuxième étape consiste au dépôt de la couche diélectrique 5. La troisième étape consiste au dépôt d'une couche sacrificielle 7. La quatrième étape consiste à la réalisation des piliers 2a; 2b et la cinquième étape de dépôt de la membrane 1. En fin de procédé d'élaboration du composant miniMEMS, la couche sacrificielle 7 est éliminée. La troisième étape de réalisation de la couche sacrificielle 7 est réalisée par application d'une résine par enduction centrifuge plus connu sous le nom de « spin coating » en langue anglaise, ou par une technique de dépôt chimique en phase vapeur plus connue sous le nom « chemical vapor deposition », en langue anglaise, ou CVD. Quelque soit la méthode utilisée pour réaliser le dépôt de la couche sacrificielle 7, celle-ci épouse le relief de la surface sur laquelle elle est déposée. Par conséquent, la couche sacrificielle 7 présente une protubérance au niveau de la ligne de transmission 3 et de la couche diélectrique 5. La membrane 1 est ensuite déposée sur la couche sacrificielle 7, elle épouse la topologie de la couche sacrificielle 7. L'ordre de grandeur de la déformation est sensiblement égal à l'épaisseur de la ligne de transmission 3.

Dans le cas de composants MEMS classiques, les dimensions de la membrane 1 sont de l'ordre 100 microns selon la direction transverse errans et 300 microns selon la direction longitudinale dLong, avec un gap d'air de quelques microns et une épaisseur de l'ordre du micron. Ces dimensions permettent de compenser la déformation, due à la topologie lors de la fabrication qui n'a pas d'influence sur le fonctionnement du composant MEMS. Par contre dans le cas de miniMEMS, la topologie de la membrane 1 affecte le fonctionnement du composant miniMEMS le rendant inutilisable. La littérature propose une première solution appliquée aux composants MEMS permettant de réaliser une membrane sensiblement plane. Elle consiste à déposer une succession de couches épaisses de résines constitutives de la couche sacrificielle 7. Une succession de recuits thermiques et de gravures sèches est alors appliquée afin d'améliorer la planéité de la couche sacrificielle avant la fabrication des membranes.

Ce procédé est complexe et très difficilement applicable à grande échelle pour un résultat limité. De plus, au regard des dimensions, ce procédé n'est pas compatible pour l'élaboration de miniMEMS Un but de l'invention est d'élaborer un composant miniMEMS pour lequel le procédé de fabrication permet une mise en oeuvre simple et reproductible à grande échelle.

Selon un aspect de l'invention, il est proposé un système micro électromécanique (MEMS) capacitif à actionneur électrostatique comprenant un empilement comprenant un substrat, une ligne de transmission de radiofréquences selon une direction longitudinale, une couche diélectrique, ledit système comprenant en outre deux piliers disposés sur l'empilement et supportant une membrane métallique, l'empilement présentant une surface supérieure sensiblement plane. Un empilement présentant une surface sensiblement plane permet dans une unique étape de réaliser le dépôt d'une couche sacrificielle de surface sensiblement plane. Par ailleurs cette technologie ne se limite pas au composant miniMEMS, elle est utilisable pour un composant MEMS classique. Selon une variante de l'invention, le substrat comprend un logement dans lequel la ligne de transmission est disposée.

Selon une autre variante de l'invention, l'empilement comprend en outre une couche de passivation située entre le substrat et la couche diélectrique et comprenant un logement à l'intérieur duquel la ligne de transmission de radiofréquences est disposée. Cette caractéristique est avantageuse notamment lorsqu'il n'est pas possible d'intégrer la ligne de transmission dans le substrat. Avantageusement, la hauteur des piliers est comprise entre 100 nm et 500 nm, une dimension transversale de la membrane selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale est comprise entre 10 et 50 microns, une dimension longitudinale de la membrane selon la direction longitudinale est comprise entre 20 et 100 microns et l'épaisseur de la membrane est comprise entre 100 nm et 500 nm.

Le MEMS proposé selon l'invention est particulièrement recommandé pour l'élaboration de miniMEMS pour lesquels les dimensions réduites de la hauteur des piliers notamment engendrent de nombreux disfonctionnement lorsqu'ils sont réalisés selon les modes de réalisations proposés dans l'état de la technique. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'élaboration d'un système micro électromécanique RF capacitif à actionneur électrostatique comprenant un empilement comprenant un substrat, une ligne de transmission de radiofréquences selon une direction longitudinale, une couche diélectrique et deux piliers disposés sur le premier empilement supportant une membrane métallique, la surface de l'empilement étant plane. Le procédé comprend notamment une étape d'intégration de la ligne de transmission de radiofréquences dans le substrat ou dans la couche de passivation.

La figure 3 représente un composant miniMEMS selon l'invention, il comprend un empilement 8 comprenant un substrat 4, une ligne de transmission 3, une couche diélectrique 5, et deux piliers 2a; 2b positionnés sur l'empilement 8 et supportant une membrane 1. En l'espèce, le substrat 4 comprend un logement 9 dans lequel la ligne de transmission 3 est disposée, la ligne de transmission 3 s'étendant selon une direction longitudinale parallèle à la direction de propagation du signal Sig. Typiquement, le substrat 4 comprend du silicium et comprend une couche de passivation comprenant du SiO2 mais peut tout aussi bien être en céramique, saphir ou tout autre matériau classiquement utilisé.

Les dimensions du logement 9 sont adaptées pour recevoir la ligne de transmission 3 permettant d'éviter la formation d'un espace entre les parois latérales du logement 9 et la ligne de transmission 3, ou, d'éviter la présence de bourrelets autour de la ligne de transmission 3. En d'autres termes, la ligne de transmission 3 est enfouie à l'intérieur du substrat 4, l'ensemble comprenant le substrat 4 et la ligne de transmission 3 présentant une surface sensiblement plane. Avantageusement, la ligne de transmission 3 comprend un métal hautement conducteur, généralement de l'or.

Une première dimension transverse dl de la membrane 1 selon la direction perpendiculaire à la direction longitudinale dLong mesure entre 10 et 50 microns. Une deuxième dimension longitudinale d2 de la membrane 1 selon la direction longitudinale db,'-,g mesure entre 20 et 100 microns. L'épaisseur de la membrane 1 est comprise entre 100 et 500 nm. La dimension transverse de la ligne de transmission 3 est légèrement inférieure à la dimension transverse dl de la membrane 1. Par ailleurs, l'épaisseur de la ligne de transmission 3 est un paramètre permettant de limiter les pertes ohmiques. L'épaisseur de la ligne de transmission dépend notamment du matériau utilisé pour réaliser la ligne de transmission 3 et du signal radiofréquences propagé à l'intérieur de la ligne de transmission 3. De manière générale, plus la fréquence de propagation du signal est basse et plus la ligne de transmission est épaisse. L'épaisseur est généralement comprise entre 500 nm et 1 micron sous la membrane.

En variante, l'empilement 8 peut comprendre en outre une couche de passivation 10, disposée à la surface du substrat 4, et comprenant un logement 9 dans lequel est disposée la ligne de transmission 3. Typiquement, la couche de passivation 10 comprend un matériau diélectrique à faible perte et faible permittivité relative tels que du Si3N4 ou du Si02. L'épaisseur de la couche de passivation 10 est égale à l'épaisseur de la ligne de transmission 3 pour permettre l'enterrement de la ligne de transmission 3. Cette variante est avantageuse notamment lorsqu'un logement 9 ne peut 30 être formé directement dans le substrat 4. La couche de passivation 10 permet alors d'enfouir la ligne de transmission 3 de manière à ce que la surface du premier empilement 8 soit sensiblement plane. Une couche diélectrique 5 est disposée à la surface de l'empilement 8 et recouvrant uniquement la ligne de transmission 3, ou, alternativement toute la surface de l'empilement 8. Typiquement, la couche diélectrique 5 comprend du Si3N4, Si02 ou tout autre oxyde métallique. L'épaisseur de la couche est généralement comprise entre 50 et 200 nm. Deux piliers 2a; 2b sont disposés à la surface de l'empilement de manière à supporter la membrane 1 métallique. On entend par « piliers » des structures en forme de colonne pouvant supporter une charge. Avantageusement les piliers 2a ; 2b comprennent un métal hautement conducteur généralement de l'or. Typiquement, la membrane 1 a une épaisseur comprise entre 100 et 500 nm. Un espace entre la surface plane de l'empilement 8 et la membrane 1 définit le gap. Dans le cas d'un composant miniMEMS, le gap est compris entre 300 et 500 nm. Cette faible valeur de gap permet une commutation rapide du composant miniMEMS, la distance à parcourir par la membrane 1 étant faible. La vitesse de commutation est également améliorée par la diminution des dimensions des membranes qui augmente leurs raideurs et donc leurs fréquences de résonances. Les figures 4a à 4f représentent différentes étapes du procédé d'élaboration d'un composant miniMEMS selon un aspect de l'invention. La figure 4a représente la première étape d'élaboration du composant miniMEMS comprenant deux sous-étapes : une première sous-étape consistant au dépôt de la couche de passivation 10 à la surface du substrat 4 par une technique CVD par exemple et une deuxième sous-étape consistant à la formation du logement 9 par une méthode de gravure.

La figure 4b représente la deuxième étape d'élaboration consistant au dépôt de la ligne de transmission 3 à l'intérieur du logement 9 de la couche de passivation 10. Cette étape est réalisée par une méthode de dépôt métallique de type évaporation.

La figure 4c représente la troisième étape d'élaboration consistant à déposer la couche diélectrique 6 suivie du dépôt d'une couche métallique appelée électrode commune 11. L'électrode commune 11 est déposée à la surface de l'empilement 8 à l'exception de la surface située sensiblement au-dessus de la ligne de transmission 3. Avantageusement, la couche commune 11 est de l'or ou du cuivre. La figure 4d représente la quatrième étape de dépôt de la couche sacrificielle 7 réalisé par enduction centrifuge d'une résine photosensible ou d'un matériau type diélectrique déposé par une technique CVD. La couche sacrificielle 7 est ensuite gravée au niveau des zones sur lesquelles les piliers 2a ; 2b doivent croître. La figure 4e représente la cinquième étape d'élaboration des piliers 2a; 2b, cette étape est réalisée par croissance électrolytique à partir de la couche commune 11. La figure 4f représente la sixième étape d'élimination de la couche sacrificielle 7 et d'élimination de l'excès de la couche commune 11 n'ayant pas été utilisé pour la réalisation des piliers 2a ; 2b. Le composant miniMEMS ainsi réalisé comprend l'empilement 8 de surface sensiblement plane comprenant le substrat 4, une couche de passivation 10 comprenant un logement 9 dans lequel est disposée la ligne de transmission 3, et une couche diélectrique 5. Les deux piliers 2a ; 2b situées sur l'empilement 8 supportent la membrane 1.

Les figures 5a et 5b représentent un exemple d'utilisation des composants miniMEMS. La figure 5a représente un substrat 4 sur lequel est déposée une ligne de transmission 3 dans laquelle le signal Sig se propage. De part et d'autre de la ligne de transmission 3, des lignes conductrices 5a; 5b sont connectées à la masse. Les miniMEMS selon l'invention sont disposés sous forme matricielle. La ligne de transmission 3 est subdivisée en quatre lignes de transmission secondaires 3a, 3b, 3c, 3d.

Sur chacune des lignes de transmission secondaires 3a, 3b, 3c, 3d, des composants miniMEMS sont disposés en série sur chaque subdivision de la ligne de transmission. L'atténuation obtenue sur une des lignes de transmission secondaires 3a, 3b, 3c, 3d correspond à l'influence cumulée de l'ensemble des 15 miniMEMS de la matrice. Ainsi, il est possible de réaliser un composant de type micro-interrupteur en utilisant une matrice de composants miniMEMS permettant de réduire la tension nécessaire pour la commutation de chacun des miniMEMS. Par ailleurs, le temps de commutation est lui aussi réduit d'un facteur 20 d'environ 10.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Système micro électromécanique (MEMS) capacitif à actionneur électrostatique comprenant un empilement (8) comprenant un substrat (4), une ligne de transmission de radiofréquences (3) selon une direction longitudinale (dLong), une couche diélectrique (5), ledit système comprenant en outre deux piliers (2a ; 2b) disposés sur l'empilement (8) supportant une membrane (1) métallique, le système étant caractérisé en ce que la surface supérieure de l'empilement (8) est plane.
2. 2. Système selon la revendication 1 dans lequel le substrat (4) comprend un logement (9) dans lequel la ligne de transmission (3) est disposée.
3. 3. Système selon la revendication 1 dans lequel l'empilement (8) comprend en outre une couche de passivation (10) située entre le substrat (4) et la couche diélectrique (5) et comprenant un logement (9) à l'intérieur 15 duquel la ligne de transmission de radiofréquences (3) est disposée.
4. 4. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel la hauteur des piliers (2a ; 2b) est comprise entre 100 nm et 500 nm.
5. 5. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel une dimension transversale (dl) de la membrane (1) selon une direction 20 perpendiculaire à la direction longitudinale (dLong) est comprise entre 10 et 50 microns.
6. 6. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel une dimension longitudinale (d2) de la membrane (1) selon la direction longitudinale (dLong) est comprise entre 20 et 100 microns.
7. 7. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'épaisseur de la membrane (1) est comprise entre 100 nm et 500 nm.
8. 8. Procédé d'élaboration d'un système micro électromécanique (MEMS) capacitif à actionneur électrostatique comprenant un empilement (8) 5 comprenant un substrat (4), une ligne de transmission de radiofréquences (3) selon une direction longitudinale (dLong), une couche diélectrique (5) et deux piliers (2a ; 2b) disposés sur l'empilement (8) supportant une membrane métallique (1), la surface de l'empilement (8) étant plane, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'intégration de la ligne de transmission de 10 radiofréquences (3) dans le substrat (4) ou dans la couche de passivation (10).