Réalisation des couches minces PMN-PT dans la technologie MEMS pour les applications hyperfréquences

Integration of PMN-PT thin films in RF-MEMS technology

• Auteur / Autrice : Kim Anh Bui Meura
• Direction : Philippe Lecoeur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Claude Pasquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lecoeur, Claude Pasquier, Gérard Tanné, Denis Remiens, Houssny Bouyanfif, Guy Garry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Tanné, Denis Remiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces ferroélectriques

Dispositifs à micro-ondes

Dispositifs électromécaniques

Mots clés libres

MEMS-RF

FeMEMS

PMN-PT

PZE

LSMO

Au/Pt/Au

Ferroelectrics

High-k matériels

Pyro-chlore

Membrane

Relaxation

Dispersion

Pérovskite

Diffraction des Rayons X

Bande X

Perte d’Insertion

Perte de Transmission

Constante diélectrique

RF-MEMS

FeMEMS

PMN-PT

PZT

LSMO

Au/Pt/Au

Ferroelectrics

High-k materials

Pyrochlores

Membrane

Relaxation

Dispersion

Perovskite

X-Ray Diffraction

X band

Insertion Loss

Transmission Loss

Dielectric constant

Résumé

Les systèmes d’information actuels reposent fortement sur les technologies micro-ondes utilisées pour les communications hertziennes. L’amélioration des performances des MEMS radio fréquence aptes à fonctionner dans la bande X (8 GHz et 12 GHz) est un enjeu important pour des applications de télécommunications mais aussi pour les applications radar. Pour y parvenir l’intégration de matériaux ferroélectriques à haute constante diélectrique est requise. Les matériaux qui possèdent de telles propriétés et qui sont les plus adaptés, sont les composés qui dérivent de la structure pérovskite. Intégrer ce type de matériaux dans des commutateurs radio-fréquence (MEMS-RF) pose de nouveaux chalenges en termes de maîtrise du matériau et de compatibilité avec les technologies MEMS existantes. Cette thèse s’est portée sur le composé PMN-PT avec la composition 65/35 qui possède une permittivité relative supérieure à 10000 sous forme de matériau massif.Ce travail de thèse a été consacré à l’étude de l’intégration du composé PMN-PT dans des composants passifs que sont les commutateurs MEMS. Dans la gamme de fréquence d’intérêt, de 500 MHz jusqu’à 20 GHz, les propriétés de ces matériaux ont été peu étudiées sur les matériaux massifs et encore moins sous forme de films minces. L’objectif de cette thèse était de réaliser les couches minces ferroélectriques et de tester leur compatibilité dans l’ensemble du fonctionnement d’un composant MEMS mais aussi de mener une étude réciproque : l’analyse des FeMEMS (MEMS basé sur les ferroélectriques) permettant de compléter les connaissances de ces matériaux dans cette gamme de fréquence. Ce travail est d’intérêt pour l’industrie de la technologie MEMS mais aussi pour la science des matériaux ferroélectriques mais aussi par la compréhension des mécanismes physiques gouvernant aux propriétés diélectriques en termes de pertes notamment dans ce domaine de fréquences.Les caractérisations des MEMS-RF présentées dans cette thèse ont démontré la compatibilité du MEMS PMN-PT dans la gamme de fréquence entre 500MHz et 10 GHz avec de très bonnes performances. En utilisant cette adaptation, la technologie actuelle est ainsi capable de couvrir tous les bandes de fréquence les plus importantes : la bande de télécommunication civile de 1 GHz à 5 GHz en utilisant le PMN-PT, la bande X pour les satellites entre 5 GHz et 15 GHz avec PZT et la bande de haute fréquence de 15 GHz à 40 GHz pour la défense avec les diélectriques traditionnels (Si3N4).

The current information systems depend strongly on the microwave technology used for wireless communications. The enhanced performance of MEMS radio frequency capacity in X-band (8 GHz and 12 GHz) is an important issue not only for Telecom applications but also for Radar applications. The integration of ferroelectric materials with high-k t is highly demanded to replace the traditional dielectrics. This high-k property is accessible for compounds derived from the perovskite structure. Incorporating such materials in switches radio-frequency (RF-MEMS) impose however new chalenges in terms of the compatibility with the existing MEMS technologies. This thesis is focused on the compound PMN-PT with composition 65/35, which has a relative permittivity greater than 10,000 in the form of bulk material.This thesis has been devoted to the study of the integration of PMN-PT thin films in passive components such as MEMS switches. In the frequency range of interest, 500 MHz to 20 GHz, the properties of these materials have not been studied in bulk materials and even less in the form of thin films. The aim of this thesis was to fabricate the ferroelectric thin films and test their compatibility in the overall operation of a MEMS component. This study provides a reciprocal analysis FeMEMS (MEMS based on ferroelectrics) to complete knowledge of these materials in this frequency range. This work makes interest to both the industry and MEMS ferroelectric materials science who is trying to understand the physical mechanisms governing the dielectric properties in terms of losses in this particular range of frequencies.The characterizations of RF-MEMS presented in this thesis have demonstrated the compatibility of MEMS PMN-PT in the frequency range between 500MHz to 10 GHz with very good performance. Using this adaptation, the current technology is able to cover the most important frequency bands: the civil band telecommunication 1 GHz to 5 GHz using the PMN-PT, the X-band satellites between 5 GHz and 15 GHz with PZT and high frequency band of 15 GHz to 40 GHz for the defense with traditional dielectric (Si3N4).