STRUCTURE DE MICRO-COMMUTATEURS RADIOFREQUENCE OU HYPERFREQUENCE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE

STRUCTURE

Le domaine de l'invention est celui des composants microsystèmes encore appelés MEMS (acronyme pour Micro Electro

Mechanical Systems) et plus particulièrement des microsystèmes radiofréquence ou hyperfréquence. Les domaines d'applications principaux sont les systèmes de télécommunications sans fil et les radars.

Dans la suite on utilise de façon générique le terme radiofréquence ou RF, à comprendre comme couvrant à la fois les hyperfréquences et les radiofréquences.

Selon l'état de l'art des micro-commutateurs MEMS RF, la commutation RF est obtenue par variation de capacité d'un condensateur dont les armatures sont constituées d'une part d'une membrane et d'autre part d'une électrode de commande en regard, un diélectrique étant prévu entre les deux armatures généralement sur l'électrode. La capacité varie alors d'une valeur Con à une valeur Coff. Le diélectrique utilisé peut être du nitrure de silicium. Dans d'autres réalisations, le diélectrique est du PZT ou du BZT, ou autre matériau à permittivité relative élevée, ce qui permet notamment d'augmenter le rapport Con/Coff, et donc améliore les qualités de transmission et d'isolation du micro-commutateur, ainsi que ses temps caractéristiques de basculement entre les deux états on et off. Les micro-commutateurs RF sont de plus en plus utilisés pour améliorer les fonctionnalités des circuits radiofréquence notamment utilisés dans les systèmes de télécommunication. Il s'agit d'obtenir de meilleures performances en termes de pertes, de bruit, de linéarité, de consommation. Ils sont aussi utilisés pour obtenir des fortes compacités de composants, et des coûts de fabrication les plus réduits possibles.

Il existe deux types de micro-commutateurs assurant une fonction de commutation de signal radiofréquence sur une ligne de transmission : les micro-commutateurs en série avec la ligne de transmission radiofréquence et les micro-commutateurs en parallèle avec la ligne de transmission radiofréquence.

Lorsque les micro-commutateurs sont de type série, l'application d'une tension d'activation sous la membrane le fait passer d'un état de repos off, ouvert, à l'état on, fermé. La configuration d'un micro-commutateur en série avec une ligne radiofréquence est la suivante : la ligne est coupée dans la zone de commutation, au-dessus de laquelle on a la membrane. La membrane est isolée de la masse électrique. La membrane n'a pas à supporter la puissance radiofréquence sur toute sa surface, son rôle n'étant pas de court-circuiter le signal à la masse mais simplement de relier deux lignes entre elles par effet capacitif. Lorsque les micro-commutateurs sont de type parallèle, l'application d'une tension sur l'électrode de commande le fait passer d'un état de repos on, fermé, à un état off ouvert. La configuration d'un microcommutateur en parallèle avec une ligne radiofréquence est la suivante : la ligne RF n'est pas coupée dans la zone de commutation, au-dessus de laquelle on a la membrane. La membrane est reliée à la masse électrique et doit pouvoir supporter la puissance du signal radiofréquence.

Le fonctionnement est comme suit : en position de repos, le microcommutateur est à l'état on, fermé, ce qui se traduit par une capacité Coff très faible, qui n'influe pas sur la transmission de signal radiofréquence. Quand elle est à l'état bas, sous l'effet d'une tension d'activation sous la membrane, la capacité augmente dans un rapport important, 100 par exemple. Le condensateur induit alors une impédance suffisamment faible entre la ligne et la masse pour shunter la ligne radiofréquence à la masse électrique : le signal radiofréquence s'écoule alors depuis la ligne amenant le signal RF, vers la masse électrique via la membrane. Les deux portions de lignes, avant et après la membrane, sont alors isolées : le microcommutateur est à l'état off.

Les principaux avantages de ces types de micro-commutateurs série ou parallèle sont essentiellement : • Les techniques de réalisation, qui sont dérivées des technologies classiques de fabrication de circuits intégrés électroniques. Elles permettent de simplifier la réalisation et l'intégration et par conséquent, d'obtenir des coûts de fabrication faibles comparés à ceux d'autres technologies, tout en garantissant une fiabilité élevée ;

• Les très faibles puissances électriques consommées, quelques nanojoules étant nécessaires à l'activation ;

• L'encombrement. On réalise ainsi un micro-commutateur dans une surface de l'ordre du dixième de millimètre carré, permettant d'atteindre une forte capacité d'intégration ;

• Les performances en utilisation hyperfréquence. Ce type de microcommutateur présente des pertes d'insertion très faibles, de l'ordre du dixième de déciBel, bien inférieures à celles de dispositifs assurant les mêmes fonctions. La recherche de vitesses de commutation plus élevées, de tenues en puissance RF plus importantes égales ou supérieures à la dizaine de watts, de fonctionnement large bande d'au moins 18 GigaHertz, de compacité la plus faible possible et toujours à moindre coût, de durée de vie toujours plus importantes (nombre de commutations), de l'ordre de 10 ¹¹ au moins pour répondre à l'évolution et au besoin du marché, notamment de marchés civils comme par exemple la téléphonie portable, conduit à rechercher des structures et procédés de fabrication optimisés, les structures connues de micro-commutateurs répondant imparfaitement à ces besoins.

L'invention a ainsi pour objet une structure et un procédé de fabrication d'un micro-commutateur qui permettent de répondre à l'ensemble de ces différents besoins. Il s'applique aussi bien à un microcommutateur série que parallèle.

Telle que caractérisée l'invention concerne donc la structure d'un micro-commutateur radiofréquence ou hyperfréquence du type condensateur avec une première armature comportant une électrode de commande en tension disposée dans une zone de commutation entre une première ligne conductrice dite ligne signal d'entrée et une deuxième ligne conductrice dite ligne signal de sortie disposées dans le prolongement l'une de l'autre, séparées par la zone de commutation, une deuxième armature étant une membrane flexible disposée au-dessus de ladite zone de commutation, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz et au moins une couche d'un matériau diélectrique, deux lignes de masse parallèles étant disposées de façon symétrique par rapport aux lignes signal, ladite structure étant réalisée sur un substrat isolant recouvert d'une couche de passivation. Selon l'invention, la structure est telle que :

• ladite électrode de commande est formée sur ladite couche de passivation,

• ladite couche de matériau diélectrique est à forte permittivité relative supérieure à une centaine, et elle est déposée sur ladite électrode de commande, en sorte que suivant la direction des lignes d'entrée et de sortie, ledit matériau diélectrique ne repose que sur ladite électrode de commande et suivant la direction orthogonale, ledit matériau diélectrique déborde de chaque côté et vient en contact avec ladite couche de passivation du substrat,

• la membrane flexible est conductrice et comporte au moins une couche d'un matériau conducteur.

• au moins une couche d'isolant dans un matériau différent de celui de la couche de passivation sépare le niveau des lignes de masse du niveau des lignes signal.

Ledit matériau à forte permittivité est de préférence du PZT (Titanate Zirconium de Plomb, PbZrTiθ3).

Selon un mode de réalisation de l'invention, la membrane métallique comprend une couche inférieure d'un matériau résistif, typiquement un alliage Titane-Tungstène et une couche peu résistive, d'un matériau apte à supporter le stress mécanique, sélectionné parmi Al, Au, Cu, de préférence Al.

Pour une utilisation comme condensateur variable, dans laquelle on cherche à contrôler le déplacement de la membrane entre la position de repos et une position maximale entre le diélectrique et la position de repos, la membrane est formée d'une unique couche d'aluminium.

L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un microcommutateur radiofréquence ou hyperfréquence d'un tel micro-commutateur sur un substrat isolant recouvert d'une couche de passivation, caractérisé en ce qu'il comporte au moins la succession d'étapes suivantes : a). Formation de l'électrode de commande; b). Formation du diélectrique, sur ladite électrode de commande, c). Dépôt sur toute la surface d'une première couche conductrice résistive et d'une deuxième couche conductrice peu résistive, et

gravure de la deuxième couche, pour former les lignes signal d'entrée/sortie et des plots de contact, d). Dépôt sur toute la surface d'une couche d'isolant, dans un matériau différent de celui de la couche de passivation, puis ouverture sur les lignes signal, des plots de contact et sur le diélectrique, e). Dépôt sur toute la surface d'une première couche conductrice résistive et d'une deuxième couche conductrice peu résistive, et gravure de la deuxième couche, pour former les lignes de masse, f). Dépôt d'une épaisseur déterminée de résine sur toute la surface et recharge localisée à concurrence de la hauteur de résine du matériau de ladite deuxième couche conductrice peu résistive des lignes signal et de masse, g). Gravure localisée sous l'emplacement de la membrane de la première couche conductrice déposée à l'étape e). h). Formation de la membrane ; i). Libération de la membrane, par suppression de la couche de résine de l'étape f).

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

• les figures 1a à 1c illustrent une structure de commutateur série selon l'invention; • les figures 2a à 2c illustrent une structure de commutateur parallèle selon l'invention;

• la figure 3a et les figures suivantes jusqu'à la figure 12 illustrent des étapes d'un procédé selon l'invention.

Une structure de micro-commutateur radiofréquence ou hyperfréquence selon l'invention est illustrée sur les figures 1a à 1d, pour un micro-commutateur de type série ou sur les figures 2a à 2c pour un microcommutateur de type parallèle.

Une structure selon l'invention comprend sur un substrat 1 recouvert d'une couche de passivation 2, une première ligne signal LS-IN et

une deuxième ligne signal LS-OUT disposées dans le prolongement l'une de l'autre, séparées par une zone de commutation 10; une électrode de commande 3 dans la dite zone, un matériau diélectrique 4 à forte permittivité relative invariante en fréquence, disposé sur l'électrode de commande en sorte qu'entre les deux lignes signal, l'électrode de commande est plus large des deux côtés et dans la direction orthogonale, le diélectrique déborde des deux côtés de l'électrode de commande, et repose sur la couche de passivation; des lignes de masse parallèles, disposées de façon symétrique de part et d'autre des lignes signal et réalisées sur un niveau topologique séparé de celui des lignes signal par au moins une couche d'isolant 6 dans un matériau différent de celui de la couche de passivation,

Le matériau isolant est avantageusement du nitrure de silicium Si ₃ N ₄ .

Le matériau diélectrique est avantageusement du PZT dont la permittivité relative est égale à 150, et est indépendante de la fréquence, ce qui contribue à augmenter la largeur de la bande de fréquence de fonctionnement du micro-commutateur. En outre, le PZT qui a une structure monocristalline résiste bien aux puissances RF significatives.

On va décrire plus en détail une structure de micro-commutateur de type série. La figure 1a représente une vue de dessus d'un tel microcommutateur et les figures 1b et 1c sont des vues en coupe respectivement suivant AA, et suivant BB.

Cette structure est réalisée par superposition de couches sur un substrat de base 1 , typiquement un substrat silicium hautement résistif, recouvert d'une couche de passivation 2, typiquement de l'oxyde de silicium SiO ₂ .

Elle comprend deux lignes signal LS-IN et LS-OUT disposées coplanaires dans le prolongement l'une de l'autre, séparées par une zone de commutation 10. Dans la zone de commutation, une électrode de commande 3 est réalisée entre les deux lignes signal, en deux parties isolées électriquement : chaque partie contacte une ligne signal. Un diélectrique 4 à forte permittivité relative supérieure à une centaine et invariante avec la fréquence est déposé sur l'électrode de commande 3. Il a une forme telle que dans la direction suivant les lignes signal, l'électrode de commande est

plus large des deux côtés, et dans la direction orthogonale, il déborde de chaque côté de l'électrode de commande 3, sur la couche de passivation 2.

Le diélectrique 4 doit permettre de répondre aux contraintes de fortes puissances radiofréquences ou hyperfréquences : en transmission à l'état on, passant (membrane en position infléchie vers le bas, au contact du diélectrique), et en isolation à l'état off ou ouvert (membrane en position haute initiale).

Le diélectrique 4 est de préférence du PZT, qui combine les avantages d'avoir une forte permittivité relative supérieure à la centaine (typiquement 150), invariante avec la fréquence, de pouvoir travailler en hyperfréquence, jusqu'à 100 GigaHertz, et de supporter la puissance, du fait de sa nature monocristalline.

En pratique, le gap séparant les deux parties de l'électrode de commande a une largeur g de l'ordre de 10 microns. La coupure entre les deux parties peut être à section droite. Elle est avantageusement telle que les deux parties sont interdigitées. De manière connue, une telle forme permet d'augmenter significativement la capacité diélectrique du condensateur formé par la membrane m, l'électrode de commande 3 et le diélectrique 4. De préférence, l'électrode de commande est réalisée dans un alliage Titane Platine surmontée d'une couche Platine/Or et ce pour des besoins technologiques.

La membrane m repose à chaque extrémité, sur un pilier conducteur 5a, 5b. Il est aussi possible de n'envisager qu'un seul pilier conducteur sur les deux qui soutiennent la membrane.

Des lignes de masse LM 1 et LM2 sont réalisées sur la même face du susbtrat que les lignes signal LS-IN et LS-OUT. Ces lignes de masse coplanaires sont réalisées sur un niveau topologique séparé du niveau des lignes signal d'entrée/sortie par une couche d'isolant 6, dans un matériau différent de celui utilisé pour la couche de passivation. De cette façon, on est certain qu'il ne se produira pas de court-circuit entre une ligne signal et une ligne de masse, via le substrat. Cela a pour effet technique que la structure de micro-commutateur selon l'invention peut monter très haut en fréquence, typiquement jusqu'à au moins 100 GigaHertz. L'isolant utilisé est avantageusement du nitrure de silicium.

Les piliers, les lignes signal et les lignes de masse comprennent typiquement une première couche conductrice d'accroché, résistive, représentée en noir épais sur les figures 4b et 4c et une deuxième couche peu résistive, typiquement de l'or. La première couche est suffisamment résistive pour empêcher la propagation d'un signal radiofréquence ou hyperfréquence. C'est typiquement une couche de Titane tungstène, de préférence à 80% de Titane et 20% de tungstène à 1 ou 2% près, par lequel les meilleures performances radiofréquences et hyperfréquences sont obtenues. La couche de titane-tungstène 7 des lignes signal et des piliers sert aussi à la réalisation de lignes de connexion par lesquelles, une tension d'activation du micro-commutateur peut être appliquée dans la zone de commutation. En pratique, au moins un plot de contact (non illustré sur les figures 4a à 4c) est réalisé de la même façon que la ligne signal et les piliers, sur les mêmes niveaux topologiques et une ligne de connexion est réalisée entre ce plot et au moins une ligne signal. De préférence le plot de contact est relié aux deux lignes signal LS-IN et LS-ouτ, en sorte que la tension se retrouve sur les deux parties de l'électrode de commande 3. La disposition en doigts interdigités permet d'avoir une partie métallique sensiblement au milieu sous la membrane. Ces deux caractéristiques combinées permettent d'obtenir un champ électrostatique maximum sensiblement au milieu de la membrane, ce qui assure des temps de commutation on et off optimum. La membrane conductrice comprend : -une couche conductrice d'accroché, résistive, typiquement en titane-tungstène, faisant face à la zone de commutation. Cette couche est suffisamment résistive pour empêcher la propagation d'un signal radiofréquence ou hyperfréquence. Le titane tungstène a de préférence une proportion de 80 % de titane et 20% de tungstène à 1 ou 2 % près, comme indiqué précédemment; -et une couche très conductrice. Ce peut être un diélectrique. De préférence, on choisit un matériau métallique, sélectionné parmi, Al, Cu et Au, pour leur faible résistivité électrique et leur capacité à résister à un stress mécanique supérieur à 30 mégapascals : la membrane doit pouvoir se déformer pour venir en contact du diélectrique 4 sans se casser (état on), et revenir dans son état initial (état off). De préférence, c'est l'aluminium qui est

utilisé, par lequel les meilleurs résultats sont obtenus en terme de rapidité de commutation et de résistance au stress mécanique.

La membrane est réalisée sous forme d'une grille, c'est à dire qu'elle présente des trous qui la traversent de part en part. Cette configuration contribue à faciliter la réalisation de la membrane, comme on verra en relation avec le procédé de fabrication, car il facilite le passage de solvants ou de gaz pour supprimer la couche de résine sacrificielle qui sert de support plan pour réaliser la membrane. Cette configuration contribue aussi à améliorer la flexibilité de la membrane. Enfin, la forme de grille est de manière bien connue une forme performante dans le domaine radiofréquence et hyperfréquence.

Dans un mode de réalisation préféré, le micro-commutateur série a les caractéristiques de dimensionnement suivantes :

La section des lignes signal a une largeur Is de 80 microns, et la distance d séparant de chaque côté la ligne signal de la ligne de masse est de 120 microns.

La couche d'or e9 des lignes signal et des piliers a une épaisseur de l'ordre de 3 microns. L'électrode de commande a une épaisseur de l'ordre de 0,7 microns. L'épaisseur des lignes de masse n'est pas un paramètre important. Elle est sensiblement égale à celle des lignes signal, de 0.2 à 0.4 microns près, la différence négligeable découlant du processus technologique. La couche 4 de PZT a une épaisseur e4 inférieure au micron, par exemple 0,4 micron. La largeur du débord de chaque côté sur le diélectrique est de l'ordre de 20 microns. La partie mobile de la membrane, c'est à dire hors piliers, s'inscrit dans un parallélépipède rectangle, dont les dimensions sont avantageusement : une largeur Im de 100 microns, suivant la direction des lignes signal, et une longueur wm entre les deux piliers, de l'ordre de 280 microns. L'épaisseur totale em de la membrane est de l'ordre de 0,7 microns, la première couche de titane tungstène étant d'épaisseur inférieure à la deuxième couche. Dans un exemple la couche de titane tungstène a une épaisseur de 0.2 microns.

La structure d'un micro-commutateur parallèle selon l'invention est illustrée sur les figures 2a (vue de dessus), 2b et 2c (vues en coupes

suivant respectivement AA et BB), qui utilisent les mêmes références que dans les figures 1 a à 1 c. La structure est sensiblement identique à celle du micro-commutateur série. Les différences tiennent aux spécificités du type parallèle par rapport au type série. Notamment, la membrane reposant directement sur les lignes de masse, il n'y a pas de piliers 5a, 5b, et l'électrode de commande a une forme continue et contacte de chaque côté une ligne signal. Pour ces raisons, la description précédente faite en relation avec les figures 1 a à 1 c s'applique de la même manière, avec les réserves qui viennent d'être faites. Les caractéristiques de dimensionnement préférées d'un microcommutateur parallèle selon l'invention sont identiques à celles indiquées précédemment pour la structure série.

Dans une variante applicable aussi bien au mode série que parallèle, la membrane est réalisée par une unique couche d'aluminium, de préférence avec une épaisseur de l'ordre de 2,5 microns, permettant de réaliser un condensateur à capacité variable, la tension d'activation définissant alors la valeur de la capacité, comme une fonction du déplacement imposé à la membrane.

Les micro-commutateurs série et parallèle selon l'invention ont de bonnes performances radiofréquences et hyperfréquences notamment pour la transmission de signaux de puissance radiofréquence ou hyperfréquence significative, de l'ordre de la dizaine de watts au moins.

Un procédé de fabrication d'un micro-commutateur avantageusement utilisé dans l'invention, tel que décrit en relation avec les figures 3a à 3c va maintenant être décrit. Il est illustré par les figures 10 a et suivantes, qui en montrent différentes étapes.

Au préalable chaque élément conducteur : lignes signal, lignes de masse, plots de contact, membrane sont réalisées par une première couche conductrice très résistive et une deuxième couche conductrice peu résistive.

De préférence, la première couche est un alliage de titane tungstène dans une proportion de 80% de titane et 20% de tungstène à 1 ou 2 % près, et la deuxième couche est de l'or, ce choix ayant permis d'obtenir les meilleures performances. Dans la description des étapes du procédé, par simplicité, on parle directement de titane tungstène et d'or, mais d'autres

matériaux comme du cuivre et de l'aluminium par exemple, pourraient être utilisés sans sortir du cadre de l'invention.

Etape 1 , figures 3a (vue de dessus) et 3b (coupe suivant X). On a un substrat 100, de préférence du silicium hautement résistif (ou du GaAs, GaN... ). On dépose sur ce substrat 100 une couche de passivation en oxyde de silicium Siû ₂ (permittivité relative 4). On réalise l'électrode de commande 102, avec sa forme en deux parties isolées a, b, de préférence comme illustré, interdigitées. La largeur g du gap entre les deux parties est typiquement 10 microns. L'électrode de commande est par exemple réalisée dans un alliage Titane/Platine surmontée d'une couche Or/Platine.

Etape 2, figures 4a et 4b. Le diélectrique PZT 103 est formé sur l'électrode de commande suivant la forme prescrite, typiquement par un procédé de type sol-gel ou par pulvérisation cathodique : plus étroite suivant la direction Ds des lignes signal et plus large des deux côtés suivant la direction orthogonale, venant reposer sur la couche 101 de passivation.

Etape 3, figures 5a (vue de dessus) et 5b (coupe suivant YY'). Formation des lignes signal LS-IN et LS-OUT , des plots de contact Pc, et des piliers Pl, par dépôt d'une couche de Titane/tungstène 104, dépôt et gravure d'une couche d'or 105. La couche en surface est alors la couche 104. Etape 4, figures 6a et 6b : gravure de la couche 104 de titane/tungstène, pour former des lignes de connexion, entre un plot de contact entre une ou les deux lignes signal (pour amener une tension d'activation sur une ou les deux parties de l'électrode de commande), et un plot de contact et un pilier, ce qui permet de mettre la membrane à un potentiel de référence (une masse électrique, qui n'est pas la masse du circuit microcommutateur). On retrouve comme couche de surface, en dehors des éléments réalisés, la couche de passivation 101.

Etape 5, Figures 7a et 7b. Dépôt de la couche d'isolant en nitrure de silicium Si ₃ N ₄ , puis ouverture O sur les lignes signal, et les plots de contact, les piliers et le diélectrique 103, suivant les pointillés. La couche de surface est cette couche 106 d'isolant.

Etape 6, Figures 8a et 8b. Dépôt d'une couche 107 de Titane/tungstène et dépôt et gravure d'une couche d'or 109, pour former les lignes de masse LM1 et LM2. La couche de surface est la couche 107 de Titane/tungstène.

Etape 7, figures 9a et 9b. Retrait localisé de Titane tungstène dans une zone f sous l'emplacement de la membrane.

Etape 8, figure 10. Recharge localisée d'or, par dépôt préalable de résine sur toute la surface et par injection de courant via les plots de contact et les lignes de connexion. La hauteur d'or ainsi obtenue est contrôlée par l'épaisseur de résine. En pratique l'épaisseur (ou la hauteur) d'or des lignes signal et des piliers atteint 3 microns. L'épaisseur des lignes de masse est sensiblement égale, avec en pratique une différence négligeable de l'ordre de 0,2 à 0,4 microns près (en moins). La résine permet d'atteindre le même niveau partout, ce qui assure la planéité de la membrane qui est réalisée à l'étape suivante.

Etape 9, Figures 11a et 11 b. Formation de la membrane par dépôt de titane tungstène puis dépôt d'Aluminium (ou Or, ou Cuivre), et gravure de la membrane. De préférence, on a une épaisseur de titane tungstène de 0,2 microns et une épaisseur d'Or de 0,5 microns. Pour un micro-commutateur utilisé comme condensateur variable comme dans le circuit d'adaptation d'impédance, cette étape 10 comprend le dépôt d'une seule couche, en aluminium, avec une épaisseur de l'ordre de 2,5 microns et gravure.

Etape 10, Figure 12 : libération de la membrane par élimination de la couche de résine de l'étape 8, par exemple par solvants. Cette opération est facilitée par une membrane qui est percée de trous. Une telle structure de membrane a en outre pour effet de rendre la membrane moins rigide, ce qui contribue à améliorer la latence.

Ce procédé s'applique également pour les commutateurs de type parallèle qui diffèrent des micro-commutateurs série simplement en ce qu'il n'y a pas de piliers, la membrane reposant directement sur les lignes de masse, et par la forme continue, sans coupure de l'électrode de commande entre les deux lignes signal.

La succession des étapes du procédé qui vient d'être décrit, conduit à une structure de micro-commutateur dont les performances radiofréquences en transmission, isolation, temps de commutation, la durée de vie, la largeur de la bande de fréquence sont sensiblement améliorées.