Contribution à la caractérisation des matériaux utilisés en microélectronique radiofréquence

Contribution to The Electrical Material Characterizations Used in Microelectronics RadioFrequency

• Auteur / Autrice : Franck Moukanda Mbango
• Direction : Fabien Ndagijimana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Résumé

Dans ce travail nous avons développé trois techniques pour la caractérisation électrique des matériaux pour les applications radiofréquences. La caractérisation électromagnétique de matériaux est une activité croissante avec de nombreuses applications industrielles tels que la microélectronique, l'aéronautique, la médecine, etc. Une monture coaxiale a été réalisée pour la caractérisation de matériaux mous et appliquée au gel fantôme dans une bande de fréquence allant jusqu'à 2GHz. Une méthode de deux lignes de transmission a été développée afin de s'affranchir de l'influence des discontinuités au niveau des connecteurs. Cette méthode a également été appliquée avec succès à la configuration microruban sur un substrat de type FR-4. Parmi les méthodes développées, les techniques affleurantes comme celles des sondes coaxiales en réflexion (S. C. R) et/ou en transmission (S. C. T) ont permis la caractérisation de la silice, de l'alumine 99,9% et du silicium. En utilisant un connecteur SMA, nous avons extrait une tangente de perte inférieure à 10-2 dans la bande allant de quelques MHz à 14GHz et des permittivités relatives jusqu'à 18GHz pour une erreur relative de 3%. L'utilisation de la sonde coaxiale en réflexion pour caractériser des matériaux bicouches a donné des résultats très satisfaisants. L'application aux substrats Silicium dopés a démontré la faisabilité de la caractérisation de substrats bicouches dans le cas où l'on connaît les paramètres électriques et l'épaisseur de l'une des couches. Enfin les simulations électromagnétiques ont montré qu'utiliser les connecteurs K serait une meilleure solution pour la montée en fréquence et la précision.

Electromagnetic material characterization is constantly increasing due to many industrial applications in microelectronics, aeronautic, geology, medicine, automobile, civil engineering, etc. In the same time, dimensions are shortened as high frequencies are required for high-speed and microwave communication devices. In this work, we developed different techniques to characterize thin layer materials in a broadband frequency range without lithography. A coaxial test fixture has been developed and applied to soft materials such as 900MHz liquid. The use of two transmission line techniques permitted to correct discontinuity effects occurring in the connector areas. It has also been applied successfully to microstrip configuration with a FR-4 substrate. Among different methods developed in this work, applicators based on coaxial probes in reflection (SCR) and/or transmission (SCT) have been specially developed for microelectronic substrate: Silica, Alumina, and Silicon. Using SMA connector, loss tangent inferior to 10-2 has been measured up to 14GHz, and relative permittivity has been measured with an error of 3% up to 18GHz. The extension of the SCR technique to multilayer substrates such as doped silicon permitted to measure bi-layer material provided the good knowledge of electrical parameters and dimensions of one layer. Finally, electromagnetism simulations showed that best results can be obtained by using the K connectors and frequency becomes higher.