Optimisation des circuits passifs micro-ondes suspendus sur membrane diélectrique

par Mohamed Saadaoui

Thèse de doctorat en Microélectronique, microsystèmes, micro ondes

Sous la direction de Robert Plana et de Patrick Pons.

Soutenue en 2005

à Toulouse 3 .

mots clés

• Technologie membranes
• Micro-usinage
• Métallisation
• Lignes coplanaires
• Mesures RF
• Gonflement de membranes
• Module d'Young
• Contraintes résiduelles
• Antennes à émission surfacique
• Déformations des membranes faiblement encastrées
• Membrane technology
• Micromachining
• Metallization
• Coplanar waveguides, RF measurements
• Bulge test
• Young's Modulus
• Residual stress
• Endfire antennae
• Deformation of free edge membrane
• Membranes (technologie)
• Contraintes résiduelles
• Ondes électromagnétiques -- Propagation
• Microondes

Résumé

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent du développement et de l'optimisation de la filière technologique d'élaboration de circuits passifs micro-ondes suspendus sur membrane diélectrique. Cette élaboration passe par l'étude physique de nouveaux matériaux susceptibles de répondre aux cahiers des charges. Apres une description de la filière technologique développée au LAAS il ya une dizaine d'années et qui est basée sur l'association d'une couche d'oxyde thermique avec du nitrure faible contrainte déposé par LPCVD, nous proposons une technologie basée sur la fabrication de membranes épaisses à partir des dépôts par plasma. L'intérêt majeur de cette technologie est d'améliorer la fiabilité mécanique du composant lorsque la largeur des membranes est supérieure a quelques millimètres. Les résultats en terme de caractérisation fréquentielle montre un bon accord avec la filière développée auparavant. Dans un second volet, nous proposons un banc de test pour la caractérisation mécanique des matériaux. Dans cette optique, un système de gonflement de membrane suspendue sous pression différentielle a permis de tester les propriétés mécaniques du nitrure de silicium. Les contraintes résiduelles et le module d'Young du matériau sont extraits. La dernière partie concerne la réalisation d'une antenne à émission surfacique de type Yagi-Uda sur membrane diélectrique. La miniaturisation et les technologies de micro-usinage volumique du silicium ont permis la réduction des dimensions, et surtout l'utilisation de ce type d'antennes en haute fréquence. Nous décrivons un nouveau procédé de gravure de silicium adapté à la fabrication de ce type d'antenne et qui permet l'obtention de membranes faiblement encastrées. La caractérisation électrique des structures fabriquées est en accord avec les résultats de simulation électrique. De plus, des simulations mécaniques des structures fabriquées sont présentées afin de clarifier l'origine des déformations des dispositifs et d'apporter des solutions technologiques pour améliorer la rigidité des membranes a faible encastrement.

Titre traduit

Optimisation of microwave passifs circuits suspended on dielectrical membrane

Résumé

The aim of this work is to present the new developments of technology related to manufacturing of passif circuit on dielectrical membranes. After describing the technology established previously in LAAS and which combines thermal silicon oxide film with low stress silicon nitride deposited by LPCVD. We propose a new low stress recipe to deposit thick silicon oxinitride film obtained by plasma. The major interest of such technology is to increase the rigidity of suspended devices when the membranes width is superior to ten millimeters. RF characterizations of coplanar waveguide lines fabricated on silicon oxinitride membrane were in good agreements with the lines fabricated on composite membrane. The following chapter describes a bulge test system for the mechanical of thin films characterization. The deflection of thin silicon nitride membranes under differential pressure leads to the extraction of Young's modulus and residual stress state. In the last section, we describe a novel technological process based on dry followed by wet backside silicon etching for the manufacturing of ‘quasi-three edge' membranes-supported millimeter wave circuits according to the undercut mechanism. In order to validate the technology, a Yagi–Uda antenna for 45 GHz was designed and fabricated. The demonstrator was characterized in terms of return loss and isotropic gain using ‘on wafer' measurements. The agreement between the modelling and the measurements is very good, and validates the new technological approach, which assures free-space propagation conditions for endfire membrane-supported antennae structures. Moreover, quasi free edge membranes were simulated using ANSYS tool to understand the deformation behaviour of such a structure.