Optimisation technologique de commutateurs MEMS RF à tenue en puissance améliorée : application à l'élaboration d'un synthétiseur d'impédance MEMS en bande K

par Chloé Bordas

Thèse de doctorat en Micro-électronique

Sous la direction de Katia Grenier.

Soutenue en 2008

à Toulouse 3 .

mots clés

• Mems rf
• Micro-onde
• Millimétrique
• Commutateurs
• Développement technologique
• Fiabilité
• Tenue en puissance
• Thermique
• Couche sacrificielle
• Rendement de fabrication
• Caractérisation
• Tuner
• Conception.
• Rf mems
• Microwave
• Switches
• Technological development
• Reliability
• Power handling
• Thermal
• Sacrificial layer
• Fabrication yield
• Characterisation
• Tuner
• Design
• Systèmes microélectromécaniques
• Commutation (électricité)
• Diélectriques -- Fiabilité
• Lignes à bandes
• Impédance électrique

Résumé

Les commutateurs capacitifs MEMS RF présentent un intérêt connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs. Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus: la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. Le procédé technologique n'est pas assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de bonnes performances et reproductibilité. Le sujet de cette thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La partie 1 montre le procédé de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques ont été testés pour accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le chapitre 2. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Enfin, toutes ces optimisations et études ont été appliquées à un tuner d'impédance. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constituent le dernier chapitre.

Titre traduit

Technological optimization of RF MEMS switches with enhanced power handling _Elaboration of a MEMS-based impedance tuner in K band

Résumé

Capacitive RF MicroElectroMechanical System switches present well-known interests in microwave field for a lot of applications (spatial, mobile phone). They may bring tunability to high frequency modules without all the drawbacks of active devices. However numerous problems remain unsolved like dielectric reliability, power handling and fabrication yield which slow down the industrialisation of such components. Efforts have already been done on the design, the dielectric reliability and the technological process. This last-one is not enough improved to obtain functional structures with enhanced performances and reproducibility. The purpose of this thesis work deals with the optimization of the fabrication process of capacitive RF switches with enhanced power handling and their integration in an impedance tuner for K band applications. The first section shows the fabrication process and its principal improvements. Studies on sacrificial layer and releasing method permitted to increase the RF performances and the technological yield. Moreover, new dielectrics have been investigated in order to get better switch life time. The relation between the applied power and the generated temperature is described in the second chapter. Thermal characterizations have been performed to understand the mechanical behaviours under stress. Thanks to infra-red camera, the overheating due to power has been determined. Solutions have been found and studied to absorb or prevent deformations under thermal stress. Finally, all these improvements and studies have been applied to a circuit: an impedance tuner. Its design, fabrication and characterization constitute the final chapter of this manuscript.