FR3122415A1 - Micro-commutateur RF à capacité structurée - Google Patents
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Abstract
L’invention a pour objet un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique (10) suspendue au-dessus d’une ligne de transmission RF (30) recouverte d’un empilement comprenant au moins une première couche de diélectrique (31) et une couche métallique (32), ladite membrane reposant via deux bras (20a, 20b) sur des plans de masse au-dessus d’un substrat (40), et étant apte à être commandée de manière à passer :- d’une position dite haute séparant ladite membrane par un gap au-dessus de ladite ligne RF recouverte dudit empilement et définissant une première capacité (CUP) à ;- une position dite basse dans laquelle ladite membrane est en contact avec ladite ligne RF (30) via ladite couche métallique (32) dudit empilement recouvrant ladite ligne RF de manière à définir une seconde capacité (CDOWN)caractérisé en ce que la ligne RF (30), la première couche de diélectrique (31) et la couche métallique (32) présentent une structure en trois dimensions de manière à définir un condensateur en 3 dimensions. [FIG.4a]
Description
Le domaine de l’invention est celui des micro-commutateurs RF capacitifs de puissance élevée (typiquement supérieure à 10W) réalisés en technologie microsystème électromécanique ou MEMS, l’acronyme MEMS signifiant « Micro Electro Mechanical System”.
Les micro-commutateurs MEMS-RF comprennent une membrane métallique qui sous l’effet d’une sollicitation extérieure (électrique, magnétique, thermique …) va venir se positionner sur une ligne de signal RF.
Plus précisément, la présente invention concerne les micro-commutateurs MEMS-RF capacitifs dans lesquels 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. C’est un contact capacitif dont les propriétés vont définir les performances RF du composant et qui est lié au rapport de la capacité lorsque la membrane est à l’état bas (référencée CDOWN) sur la capacité lorsque la membrane est à l’état haut (référencée CUP). Le bon fonctionnement d’un micro-commutateur RF est lié à sa dynamique, ce qui se traduit dans le cas des MEMS-RF capacitifs par le ratio CDOWN/ CUP. Plus ce ratio est important, plus certains paramètres sont améliorés (l’augmentation de capacité permettant d’adresser de plus basses fréquences) et permettant une flexibilité de conception.
Le principe de fonctionnement de ce type de dispositif est illustré sur les figures 1a et 1b qui représentent respectivement un état dit “haut” dans lequel le signal passe et un état dit “bas” dans lequel le signal est court-circuité.
Plus précisément, une membrane ou poutre métallique1de faible épaisseur (pouvant typiquement être de l’ordre du micron) est maintenue suspendue par des piliers2a,2b, au-dessus d’une ligne de transmission radiofréquence3réalisée à la surface d‘un substrat4dans laquelle un signalSigest propagé.
Une couche diélectrique5est déposée sur la surface de la ligne de transmission3. Des lignes conductrices6aet6b, encore appelées plan de masse sont connectées aux piliers2a,2b, et à la membrane1et sont reliées à une masse non représentée sur les figures 1a et 1b. La membrane peut être soumise à une tension électrique au moyen d’une électrode de commande.
Il existe notamment des MEMS-RF capacitifs dans lesquels, l’électrode supérieure est déterminée par la membrane, comme représenté en (position haute) et (position basse).
Il existe également des MEMS-RF capacitifs, couramment dénommés MIM pour « Métal-Isolant-Métal », tels que celui illustré en (position haute) et (position basse).
En l’absence de tension appliquée, la membrane1est suspendue au-dessus de la ligne de transmission3à une première hauteur ou à un premier « gap » pouvant définir une première capacité CUP.
Lorsque l’on applique une tension électrique suffisamment élevée sur l’électrode de commande, la membrane1est soumise à une force électrostatique qui la déforme. La membrane1est alors séparée de la ligne de transmission3par la couche de diélectrique5formant une deuxième capacité CDOWNqui est très supérieure à la première capacité formée par le premier gap d’air. Les radiofréquences sont court-circuitées vers la masse.
Dans le cas des MEMS à faible gap, ce ratio est très fortement diminué et avec une valeur de CUPdéterminée par le gap, le seul moyen de maintenir un bon fonctionnement est de réussir à augmenter la valeur de CDOWN. La capacité CDOWNdétermine la performance et il faut une très forte capacité pour obtenir une bonne commutation, d'autant plus si on cherche à étendre la plage de fonctionnement vers les basses fréquences.
Pour des MEMS RF de faible gap, un obstacle principal est le ratio de capacité CDOWN/CUPqui, pour un bon fonctionnement du micro-commutateur, doit être élevé (CUPà minimiser et CDOWNà maximiser).
Avec et , (ε 0 est la permittivité du vide,g 0 est le gap d’air lorsque la membrane est en position haute,eest l’épaisseur du diélectrique,ε r est la permittivité diélectrique,a 0 est le gap d’air en position basse (tend vers 0 en fonction de la rugosité),Surface1est la surface effective en position haute,Surface2est la surface effective en position basse et la valeur de CUPest déterminée par le gap d’air.
Pour augmenter la valeur de CDOWN, on peut envisager :
- de diminuer l'épaisseur de diélectrique e : cette voie n’est pas acceptable car diminuer le paramètre e entraine une diminution de la tension que peut supporter la couche isolante. Or, les dispositifs doivent supporter de fortes puissances (la puissance admissible est égale au rapport de la tension applicable au carré sur l’impédance caractéristique du composant). A titre d’exemple, pour une tension de fonctionnement de 30V, la tension de claquage (VBD) du diélectrique peut être de l’ordre de 50% plus élevée que cette tension de fonctionnement (soit de l’ordre de 50V). La tension réelle appliquée au diélectrique est inférieure à 50V : entre 30 et 40V DC plus la contribution du signal RF, d’où la nécessité pour le diélectrique de tenir au moins 50V. La notion de VBDn'est pas celle qui impose une limite, c'est la tension que le dispositif doit pouvoir supporter et il est nécessaire d’adapter le diélectrique (caractérisé par son champ de claquage EBDen MV/cm) et son épaisseur en fonction du besoin en tension de fonctionnement V et donc maintenir une épaisseur minimum.
- d’augmenter le paramètre εr: la valeur du champ de claquage EBDdes matériaux diélectriques diminue lorsque leur valeur de permittivité relative augmente. Le modèle thermochimique de McPherson et al. tel que décrit dans l’article de McPherson & al.,Trends in the Ultimate Breakdown Strength of High Dielectric-Constant Materials, IEEE Transactions on Electron Devices, vol 50, 8, 2003, p1771, suggère fortement que EBDsuive une dépendance approximative en (εr)-1/2.
- de diminuer l'épaisseur de diélectrique e : cette voie n’est pas acceptable car diminuer le paramètre e entraine une diminution de la tension que peut supporter la couche isolante. Or, les dispositifs doivent supporter de fortes puissances (la puissance admissible est égale au rapport de la tension applicable au carré sur l’impédance caractéristique du composant). A titre d’exemple, pour une tension de fonctionnement de 30V, la tension de claquage (VBD) du diélectrique peut être de l’ordre de 50% plus élevée que cette tension de fonctionnement (soit de l’ordre de 50V). La tension réelle appliquée au diélectrique est inférieure à 50V : entre 30 et 40V DC plus la contribution du signal RF, d’où la nécessité pour le diélectrique de tenir au moins 50V. La notion de VBDn'est pas celle qui impose une limite, c'est la tension que le dispositif doit pouvoir supporter et il est nécessaire d’adapter le diélectrique (caractérisé par son champ de claquage EBDen MV/cm) et son épaisseur en fonction du besoin en tension de fonctionnement V et donc maintenir une épaisseur minimum.
- d’augmenter le paramètre εr: la valeur du champ de claquage EBDdes matériaux diélectriques diminue lorsque leur valeur de permittivité relative augmente. Le modèle thermochimique de McPherson et al. tel que décrit dans l’article de McPherson & al.,Trends in the Ultimate Breakdown Strength of High Dielectric-Constant Materials, IEEE Transactions on Electron Devices, vol 50, 8, 2003, p1771, suggère fortement que EBDsuive une dépendance approximative en (εr)-1/2.
Il n’existe pas de matériau stable en fréquence présentant une constante diélectrique k élevée (typiquement >150) capable de maintenir des valeurs de champ de claquage (EBD) élevées. De plus, l'augmentation de la permittivité du diélectrique conduit à une augmentation des pertes RF. L’augmentation de la permittivité du diélectrique occultée par la rugosité du matériau et la capacité d'air parasite ainsi générée rendent une telle approche non efficiente. Dans le cas d’une Capacité MIAM « Metal Insulator Air Metal » qui est le cas d'un MEMS-RF à contact capacitif car la rugosité n'est pas nulle, typiquement une constante diélectrique εr de 10 et une épaisseur de 200nm d'épaisseur, équivalent à une capacité air parasite de 20nm ce qui est la moyenne des MEMS-RF à contact capacitif. Au-delà d’une valeur de εr de 20 toute amélioration sera négligeable devant la capacité parasite à cause de la valeur de la rugosité.
Dans le domaine des micro-commutateurs RF de puissance, les solutions existantes, pour la basse fréquence, comprennent l’utilisation de micro-commutateur à contact métal/métal tandis que les solutions pour les MEMS faibles gap n’existent pas.
En parallèle, il existe de nombreux brevets concernant la réalisation de condensateur “3D” ou “en tranchées” de type “MIS” pour métal-isolant-substrat (Lu & al., Dynamic ram cell with MOS trench capacitor in CMOS, US4688063A, publié en 1984) ou de type “MIM” pour métal-isolant-métal (Giraudin& al., Method for fabricating an integrated circuit comprising a three-dimensional capacitor, US20060234464A1, publié en 2006) ou également d’empilement de type “MIMIM” pour métal-isolant-métal-isolant-métal (Chao & al., doubled stacked trench capacitor DRAM and method of fabricating, US5354701A, publié en 1994), historiquement appliqué aux “DRAM” pour “Dynamic Random Access Memory” qui est un type de cellule de mémoire (Lu & al.,Dynamic ram cell with MOS trench capacitor in CMOS, US4688063A, publié en 1984).
Certains brevets de condensateurs MIM 3D proposent d’utiliser l’anodisation du substrat (Volant & al., production of metal insulator metal (MIM) structures using anodizing process, US6992368B2, publié en 2006), et ne proposent donc pas de solutions compatibles tout substrat. Comme dans le cas des MIM appliquées aux “DRAM”, la présente application se démarque par son application aux MEMS RF capacitifs. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif complet de micro-commutateur RF capacitif utilisant une capacité “MIM” “3D”.
Le Demandeur propose une solution originale dans le domaine des micro-commutateurs RF capacitifs, consistant à augmenter la surface effective à empreinte surfacique S constante et ce en structurant le substrat en 3D ou un diélectrique (à la surface du substrat) sur lequel est réalisée au moins la ligne RF, ou en réalisant une ligne RF structurée elle-même en 3D.
Plus précisément, l’invention a pour objet un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique suspendue au-dessus d’une ligne de transmission RF recouverte d’un empilement comprenant au moins une première couche de diélectrique et une couche métallique, ladite membrane reposant via deux bras sur des plans de masse au-dessus d’un substrat , et étant apte à être commandée de manière à passer :
- d’une position dite haute séparant ladite membrane par un gap au-dessus de ladite ligne RF recouverte dudit empilement et définissant une première capacité (CUP) à ;
- une position dite basse dans laquelle ladite membrane est en contact avec ladite ligne RF via ladite couche métallique dudit empilement recouvrant ladite ligne RF de manière à définir une seconde capacité (CDOWN) ; caractérisé en ce que la ligne RF, au moins la première couche de diélectrique et la couche métallique présentent une structure en trois dimensions de manière à définir un condensateur en trois dimensions.
- d’une position dite haute séparant ladite membrane par un gap au-dessus de ladite ligne RF recouverte dudit empilement et définissant une première capacité (CUP) à ;
- une position dite basse dans laquelle ladite membrane est en contact avec ladite ligne RF via ladite couche métallique dudit empilement recouvrant ladite ligne RF de manière à définir une seconde capacité (CDOWN) ; caractérisé en ce que la ligne RF, au moins la première couche de diélectrique et la couche métallique présentent une structure en trois dimensions de manière à définir un condensateur en trois dimensions.
Selon des variantes de l’invention, au moins la partie du substrat en contact avec ladite ligne RF comporte une structure en trois dimensions, la ligne RF étant positionnée de manière conforme au-dessus de ladite structure en trois dimensions de ladite partie du substrat.
Selon des variantes de l’invention, le Microsystème Electromécanique radiofréquence comprend une seconde couche de diélectrique à la surface dudit substrat, ladite seconde couche de diélectrique comportant une structure en trois dimensions dans laquelle est positionnée de manière conforme la ligne RF.
Selon des variantes de l’invention, la ligne RF est structurée en trois dimensions à la surface du substrat.
Selon des variantes de l’invention, le Microsystème Electromécanique radiofréquence comprend une deuxième couche de diélectrique à la surface dudit substrat, ladite ligne RF étant structurée en trois dimensions à la surface de ladite seconde couche de diélectrique.
Selon des variantes de l’invention, la structure en trois dimensions ou la ligne RF structurée en trois dimensions comporte des motifs linéaires ou des piliers pouvant être à base carrée ou à base ronde, ou ne présentant pas nécessairement des structures verticales (par exemple, les structures peuvent être également coniques).
Selon des variantes de l’invention, la structure en trois dimensions comporte des motifs gravés de profondeur de l’ordre de quelques dizaines de microns, avec un pas et des ouvertures de largeur submicronique ou des ouvertures de largeur égale à quelques microns.
Selon des variantes de l’invention, le diélectrique de la première couche est un oxyde métallique pouvant être Al2O3, HfO2, Y2O3, SiO2, TiO2, ZrO2…) ou un nitrure pouvant être SiN.
Selon des variantes de l’invention, le diélectrique de la seconde couche est du SiN ou du SiO2.
Selon des variantes de l’invention, le Microsystème Electromécanique radiofréquence comprend une association de plusieurs couches de diélectriques au-dessus de ladite ligne RF.
L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans le substrat de manière à définir des motifs ;
- le dépôt conforme d’un premier métal constitutif de la ligne RF sur ledit substrat structuré ;
- le dépôt conforme d’une première couche de diélectrique au-dessus de ladite ligne RF préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique sur ladite première couche de diélectrique.
Selon des variantes du procédé de l’invention, le substrat étant en silicium, l’étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans le substrat est suivie d’une étape d’oxydation thermique sèche ou humide pour former une couche d’oxyde en surface.
Selon des variantes de l’invention, le procédé comprend :
- une étape de dépôt d’une seconde couche de matériau diélectrique à la surface du substrat ;
- une étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans ladite seconde couche de matériau diélectrique ;
- une étape de dépôt d’une seconde couche de matériau diélectrique à la surface du substrat ;
- une étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans ladite seconde couche de matériau diélectrique ;
- le dépôt conforme d’un premier métal constitutif de la ligne RF sur ledit substrat structuré ;
- le dépôt conforme de la première couche de diélectrique sur ladite ligne RF structurée préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique sur ladite première couche de diélectrique.
Selon des variantes de l’invention, le procédé comprend :
- la réalisation d’une ligne RF structurée en trois dimensions à la surface d’un substrat ou à la surface d’une seconde couche de diélectrique ;
- le dépôt conforme de la première couche de diélectrique sur ladite ligne RF structurée préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique sur ladite première couche de diélectrique.
Selon des variantes de procédé de l’invention, les dépôts conformes de métal constitutif de la ligne RF, de première couche diélectrique et de couche métallique sont réalisés par dépôt de couches minces atomiques (ALD).
Selon des variantes de procédé de l’invention, l’étape de fabrication d’une structure dans le substrat ou dans une couche de second diélectrique est réalisée par lithographie.
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 :
De manière générale, le micro-commutateur de la présente invention comporte une membrane pouvant adopter une position haute définissant une première capacité CUPet une position basse définissant une seconde capacité CDOWN.En position basse, la membrane est en contact avec la partie métallique supérieure du condensateur défini par l’empilement ligne RF- diélectrique- métal supérieur.
Selon une première variante de l’invention, le micro-commutateur MEMS RF est composé d’un condensateur MIM sur un substrat localement structuré et d’une membrane actionnable. La membrane est séparée du condensateur par un gap d’air définissant une capacité CUPcomme l’illustre la qui montre plus précisément, la structuration d’un substrat 40, sur lequel on réalise par dépôt métallique conforme la ligne RF structurée 30, recouverte d’un dépôt conforme de diélectrique 31, lui-même recouvert d’une couche métallique 32, la membrane métallique 10 étant maintenue suspendue par des piliers 20a et 20b. La illustre cette même variante, sous l’action d’un champ électrique qui conduit à l’abaissement de la membrane 10, définissant la capacité CDOWN réduisant le gap d’air, en mettant en contact la membrane 10 et la couche métallique supérieure 32.
Selon une deuxième variante de micro-commutateur MEMS RF selon l’invention, le condensateur MIM peut être réalisé non plus dans le substrat préalablement structuré, mais à la surface dudit substrat recouvert d’une couche diélectrique, dans laquelle on vient réaliser une structuration pour venir y intégrer la structure MIM. La illustre à cet effet, le substrat 40 recouvert d’une couche diélectrique 50 dans laquelle est réalisée la structure MIM 3D composée de la ligne RF 30 en relief recouverte de manière conforme par une couche de diélectrique 31, elle-même recouverte d’une couche métallique 32, la membrane 10 étant en position haute, définissant la capacité CUP. La , illustre la même variante dans laquelle, l’application d’un champ électrique E, permet d’abaisser la membrane 10 définissant la capacité CDOWN.
Selon une troisième variante de l’invention, le condensateur MIM peut être réalisé en structurant directement la ligne RF sur le substrat, sans structurer au préalable ledit substrat. La illustre cette variante en position haute de membrane définissant la capacité CUP. La ligne RF30en 3D est réalisée à la surface du substrat40et est recouverte de manière conforme par une couche de diélectrique31, elle-même recouverte d’une couche métallique32.
Selon une quatrième variante, la ligne RF est structurée sur une couche de diélectrique, sans avoir préalablement structuré ladite couche de diélectrique. La illustre cette variante dans laquelle une couche de diélectrique50est réalisée à la surface d’un substrat40. La ligne RF30est structurée en 3D à la surface de ladite couche de diélectrique50. Une couche de diélectrique31est déposée de manière conforme et est recouverte d’une couche métallique32.
Ainsi selon la présente invention, le condensateur MIM n’est plus un empilement planaire de 3 couches (métal-isolant-métal). Une architecture 3D est réalisée sur le substrat ou sur une couche de diélectrique déposée sur un substrat compatible de l’application. Par l’intermédiaire d’un procédé de lithographie, suivi d’une étape de gravure (type RIE, ICP …), le substrat ou la couche de diélectrique ou bien encore la ligne métallique RF elle-même sont structurés de telle manière à venir augmenter de manière significative la surface effective.
De manière générale, la couche supérieure métallique32peut être réalisée de manière à remplir complètement ou non l’espace. A ce titre, la illustre un exemple de structure MIM réalisée dans une couche de diélectrique structurée préalablement 50, la couche métallique supérieure 32 emplissant complètement l’espace. La illustre un exemple de structure MIM utilisée dans la présente invention également réalisée dans une couche de diélectrique structurée préalablement 50, la couche métallique supérieure 32 n’emplissant que partiellement l’espace. La illustre un exemple de structure MIM réalisée dans un substrat 40 préalablement structuré, avec réalisation d’un dépôt de couche métallique supérieure 32 emplissant complètement l’espace. La illustre un exemple de structure MIM utilisée dans la présente invention MIM réalisée également dans un substrat 40 préalablement structuré, avec réalisation d’un dépôt de couche métallique supérieure 32 n’emplissant que partiellement l’espace.
Il est à noter que la variante dans laquelle, on remplit l’espace structuré permet d’obtenir un dispositif le plus compact possible. La variante dans laquelle, le dispositif où l’espace est partiellement comblé peut être plus simple à réaliser.
Typiquement, avec la structure de MIM 3D intégrée dans un micro-commutateur RF selon la présente invention, à surface équivalente, un à deux ordres de grandeur peuvent être attendus au niveau de l’augmentation de la capacité CDOWN.
Il est possible de calculer le gain de surfaceGd’une structuration « 3D » : en prenant des structures réalisées à partir de substrat structuré tel un substrat de silicium structuré en 3D présentant des motifs submicroniques, destiné à accueillir de manière conforme une première métallisation constitutive de la ligne RF, un diélectrique et une seconde métallisation.
A titre d’exemple, les motifs sont des trous à base carrée présentant une profondeur h = 22 µm, des côtés c = 0,4 µm, un pas de répétition p = 0,8 µm.
Le gain de surface G est déterminé comme suit :
Il est à noter que les structures « 3D » ne se limitent pas aux trous à base carrée et peuvent être réalisées de manière générale avec différentes géométries de motifs : des murs, des piliers à base carrée, ronde ou autre, des tubes…, les motifs ne présentant pas nécessairement des structures verticales (par exemple, les structures peuvent être également coniques).
Le micro-commutateur MEMS RF selon la présente invention équipé d'une capacité structurée, permet d’éliminer ainsi la notion de capacité d'aire parasite dans la formule en raison du contact métallique entre la membrane et la métallisation "haute" de la capacité 3D. De ce fait, un gain de surface χ se retranscrit directement en gain de capacité χ et donc en gain de ratio Cdown/Cup égal à χ. Cela améliore le ratio « ON/OFF » du micro-commutateur et permet d'atteindre de plus basses fréquences de fonctionnement à partir d'une architecture ou « design » donné ou de compenser la réduction de ce ratio générée par la diminution du gap d'air pour les MEMS à faible gap.
Sur ce type de structuration de substrat, on peut alors réaliser l’empilement métal-isolant-métal en couches minces qui doivent être déposées de façon conforme à la structure, ce qui est possible par des techniques de dépôt de couches minces comme l’ « ALD » pour « Atomic Layer Deposition » correspondant à un procédé de dépôt de couches minces atomiques. Le principe consiste à exposer une surface successivement à différents précurseurs chimiques afin d'obtenir des couches ultra-minces.
En optimisant la géométrie de la structuration 3D avec les épaisseurs des couches déposées par « ALD » successives, il est possible de remplir complètement les motifs et finalement obtenir une structure quasi-plane au-dessus de laquelle sera réalisée la membrane du MEMS-RF.
Le gain de surface (et donc de capacité) dépend d’une part de la capacité à produire des structures profondes et denses et d’autre part des épaisseurs de matériaux (diélectrique et métaux) requises pour assurer la fonction de transmission RF et MIM à la fréquence envisagée.
La structuration en 3D pour la réalisation de ce condensateur MIM peut également être faite dans une couche diélectrique isolante (SiN, SiO2), crue préalablement sur le substrat. De cette manière, la fabrication est compatible tous substrats compatibles avec les applications RF (notamment, Si haute résistivité, Al2O3…).
Le métal peut être typiquement du TiN, du platine ou autre, d’une épaisseur définie par le « design », de l’ordre de la centaine de nanomètres. L’isolant peut être un oxyde métallique (ex Al2O3, HfO2, Y2O3, SiO2, TiO2, ZrO2…) mais aussi un nitrure tel que le SiN ou bien encore une association de plusieurs isolants en multicouche, afin d’optimiser les propriétés diélectriques, en fonction du besoin en tenue en tension. Une dernière couche supérieure de métal avec les mêmes limites de spécifications que celles de la première couche de métal, est ensuite déposée au-dessus de la couche de diélectrique isolant. Les couches doivent être déposées de façon conforme (sur le substrat, puis sur la couche précédente) pour obtenir une capacité MIM de forte valeur définie par la surface effective de la structuration 3D.
Si la filière Si est choisie, on réalise préférentiellement la technologie consistant à structurer préalablement le substrat en silicium, cette approche pouvant être généralisée à tout substrat pouvant être structuré (verre, silice, GaAs, …)
Pour ce faire, on procède à l’ensemble des étapes suivantes :
- Etape 1 : on procède à la fabrication de l’architecture 3D par lithographie pour définir des motifs à graver et par gravure du substrat silicium suivie d’une oxydation (thermique sèche ou humide) du silicium pour qu’il soit isolant.
- Etape 2 : on procède au dépôt par la technique de dépôt « ALD » d’une première couche de métal, puis au dépôt d’une couche de diélectrique isolant et enfin au dépôt d’une seconde couche de métal.
- Etape 3 : on procède par lithographie à la réalisation de prise de contacts.
Si le substrat est en matériau non aisément structurable, on choisit la technologie consistant à utiliser une couche de matériau diélectrique isolant (pouvant être par exemple du Al2O3, du SiO2, …).
Pour ce faire, on procède à l’ensemble des étapes suivantes :
- Etape 1 : on réalise un dépôt d’un matériau diélectrique isolant à la surface d’un substrat ;
- Etape 2 : on procède à la fabrication de l’architecture 3D par lithographie pour définir des motifs à graver et par gravure de la couche de matériau diélectrique isolant déposée en Etape 1.
- Etape 3 : on procède au dépôt par la technique de dépôt « ALD » d’une première couche de métal, puis au dépôt d’une couche de diélectrique isolant et enfin au dépôt d’une seconde couche de métal.
- Etape 4 : on procède par lithographie à la réalisation de prise de contacts.
Ainsi selon la présente invention, tout en conservant la même géométrie que celle des micro-commutateurs de l’art antérieur et le même fonctionnement électromécanique du micro-commutateur MEMS-RF, il devient possible d’obtenir une capacité CDOWNbeaucoup plus élevée ce qui permet un fonctionnement plus bas en fréquence ou pour le cas des MEMS à faible gap de retrouver une très bonne dynamique ON/OFF du micro-commutateur.
Les micro-commutateurs RF de la présente invention peuvent ainsi avantageusement être intégrés dans des applications large bande, basse fréquence et/ou à très faible temps de commutation tel que : filtres reconfigurables, déphaseurs, switch de polarisation, antennes reconfigurables.
Claims (16)
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif comprenant une membrane métallique (10) suspendue au-dessus d’une ligne de transmission RF (30) recouverte d’un empilement comprenant au moins une première couche de diélectrique(31)et une couche métallique (32), ladite membrane reposant via deux bras (20a, 20b) sur des plans de masse au-dessus d’un substrat (40), et étant apte à être commandée de manière à passer :
- d’une position dite haute séparant ladite membrane par un gap au-dessus de ladite ligne RF recouverte dudit empilement et définissant une première capacité (CUP) à ;
- une position dite basse dans laquelle ladite membrane est en contact avec ladite ligne RF (30) via ladite couche métallique (32) dudit empilement recouvrant ladite ligne RF de manière à définir une seconde capacité (CDOWN) ; caractérisé en ce que la ligne RF (30), au moins la première couche de diélectrique (31) et la couche métallique (32) présentent une structure en trois dimensions de manière à définir un condensateur en trois dimensions. - Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins la partie du substrat (40) en contact avec ladite ligne RF (30) comporte une structure en trois dimensions, la ligne RF étant positionnée de manière conforme au-dessus de ladite structure en trois dimensions de ladite partie du substrat.
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une seconde couche de diélectrique (50) à la surface dudit substrat, ladite seconde couche de diélectrique comportant une structure en trois dimensions dans laquelle est positionnée de manière conforme la ligne RF (30).
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ligne RF (30) est structurée en trois dimensions à la surface du substrat (40).
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième couche de diélectrique (50) à la surface dudit substrat (40), ladite ligne RF (30) étant structurée en trois dimensions à la surface de ladite seconde couche de diélectrique (50).
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure en trois dimensions ou la ligne RF structurée en trois dimensions comporte des motifs linéaires ou des piliers pouvant être à base carrée ou à base ronde ou ne présentant pas nécessairement des structures verticales et pouvant être coniques.
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la structure en trois dimensions comporte des motifs gravés de profondeur de l’ordre de quelques dizaines de microns, avec un pas et des ouvertures de largeur submicronique ou des ouvertures de largeur égale à quelques microns.
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diélectrique de la première couche est un oxyde métallique pouvant être Al2O3, HfO2, Y2O3, SiO2, TiO2, ZrO2 ou un nitrure pouvant être SiN.
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que le diélectrique de la seconde couche est du SiN ou du SiO2.
- Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en qu’il comprend une association de plusieurs couches de diélectriques au-dessus de ladite ligne RF.
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 2 ou 6 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans le substrat (40) de manière à définir des motifs ;
- le dépôt conforme d’un premier métal constitutif de la ligne RF (30) sur ledit substrat structuré ;
- le dépôt conforme d’une première couche de diélectrique (31) au-dessus de ladite ligne RF préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique (32) sur ladite première couche de diélectrique.
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon la revendication 11, dans lequel le substrat étant en silicium, l’étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans le substrat est suivie d’une étape d’oxydation thermique sèche ou humide pour former une couche d’oxyde en surface.
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 3 ou 6 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de dépôt d’une seconde couche de matériau diélectrique (50) à la surface du substrat (40) ;
- une étape de fabrication d’une structure en trois dimensions dans ladite seconde couche de matériau diélectrique ;- le dépôt conforme d’un premier métal constitutif de la ligne RF (30) sur ledit substrat structuré ;
- le dépôt conforme de la première couche de diélectrique (31) sur ladite ligne RF structurée préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique (32) sur ladite première couche de diélectrique.
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend :
- la réalisation d’une ligne RF structurée en trois dimensions à la surface d’un substrat (40)ou à la surface d’une seconde couche de diélectrique (50) ;
- le dépôt conforme de la première couche de diélectrique (31) sur ladite ligne RF structurée préalablement réalisée ;
- le dépôt conforme d’une couche métallique (32) sur ladite première couche de diélectrique.
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 11 à 14, dans lequel les dépôts conformes de métal constitutif de la ligne RF, de première couche diélectrique et de couche métallique sont réalisés par dépôt de couches minces atomiques (ALD).
- Procédé de fabrication d’un Microsystème Electromécanique radiofréquence capacitif selon l’une des revendications 11 à 15, dans lequel l’étape de fabrication d’une structure dans le substrat ou dans une couche de second diélectrique est réalisée par lithographie.
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| Title |
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| MCPHERSON: "Trends in the Ultimate Breakdown Strength of High Dielectric-Constant Materials", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. 50, no. 8, 2003, pages 1771, XP001168254, DOI: 10.1109/TED.2003.815141 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3122415B1 (fr) | 2024-05-31 |
| WO2022229173A2 (fr) | 2022-11-03 |
| WO2022229173A3 (fr) | 2023-01-05 |
| EP4330996A2 (fr) | 2024-03-06 |
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