Apparition des premiers résonateurs à films minces

Il est assez vite apparu aux fabricants de résonateurs à ondes de volume que la maîtrise de l’épaisseur des plaques de matériaux piézoélectriques utilisées pour la fabrication de résonateurs individuels conditionnait la possibilité d’étendre l’es- pace fréquentiel accessible à l’aide de ces techniques. Toutefois, la fabrication de plaquettes très fines (de quelques dizaines de µm) s’est révélée peu compatible avec les pratiques des premières époques de l’électronique industrielle. Par exemple, les résonateurs à quartz sont réalisés à partir de substrats monocristallins amincis afin d’obtenir la fréquence de résonance désirée. En effet, ces fréquences de résonance sont inversement proportionnelles à l’épaisseur de la couche piézoélectrique, typi- quement, pour un résonateur à 100 MHz, il fallait une épaisseur de l’ordre de 20 µm

1.4. SAW et BAW, deux technologies pour le filtrage RF en téléphonie mobile 25

[35], et pour une résonateur à 200 MHz, des procédés complexes d’usinage doivent être développés pour obtenir l’épaisseur requise [36]. Les technologies d’élaboration de résonateurs à films minces ont, par conséquent, fait l’objet de travaux de re- cherche et développement depuis plus de 40 ans. Malgré le désir évident d’atteindre de nouvelles gammes de fréquence pour les applications radiofréquences, des raisons techniques assez simples et liées à la possibilité de réaliser et manipuler des ma- tériaux à des échelles micrométriques ont interdit aux concepteurs de donner libre court à leur créativité dans ce domaine pendant de longues années. Par ailleurs, l’avènement de technologies telles que celle des ondes de surface ont masqué l’intérêt que pouvait revêtir cette approche pour la montée en fréquence et la simplification des architectures de filtres associés. Mais, en parallèle, des méthodes permettant de déposer des couches piézoélectriques en filmes minces se sont développées, et en 1969, les laboratoires Bell [37] et Westinghouse [38] proposent l’utilisation d’une couche mince de sulfure de cadmium (CdS) pour la génération d’ondes acoustiques de volume. Le CdS a été choisi à l’époque car il était étudié comme semi-conducteur. Rapidement, on se dirige cependant vers un matériau ayant un couplage électroméca- nique plus élevé, l’oxyde de zinc (ZnO) déposé par pulvérisation. D’autres matériaux sont ensuite examinés comme le nitrure d’aluminium (AlN) et le PZT. Les couches ainsi déposées ne sont pas monocristallines. Elles peuvent cependant présenter une structure polycristalline, lorsque, correctement orientées et texturées, elles peuvent générer des ondes acoustiques de volume, ouvrant donc la voie à la réalisation de résonateurs BAW comme les résonateurs à quartz, mais cette fois en films minces.

En 1980, trois équipes (celle de Lakin [39] et celle de Grudkowski [40] aux États- Unis ainsi que celle de Nakamura au Japon [41]) parviennent à réaliser les premiers dispositifs à onde acoustique de volume à l’aide de films minces dans lequel l’intégra- lité du substrat est gravée sous le résonateur pour en assurer l’isolation acoustique. Le procédé utilisé par Lakin et al. est le suivant [39]. Il se compose de quatre grandes étapes :

1. La première étape d’implantation et de diffusion vise à réaliser une couche de silicium dopée p+ _{en surface du substrat. Cette couche servira d’arrêt à la} gravure du silicium. De plus, elle aura la fonction d’électrode inférieure et de membrane de support mécanique pour le résonateur.

2. Dans un second temps, une couche d’oxyde de silicium est déposée sur la face arrière du substrat. Elle est ensuite ouverte aux endroits où le substrat sera gravé par la suite.

3. Le substrat de silicium est ensuite gravé chimiquement par la face arrière. Cette gravure s’arrête sur la couche dopée p+_.

4. Enfin, la couche piézoélectrique de ZnO est déposée par pulvérisation catho- dique et une électrode en aluminium est évaporée à la surface pour constituer l’électrode supérieure du résonateur.

Silicium p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ ZnOp+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+

1. Réalisation de la couche de silicium dopée p+

3. Gravure du silicium et arrêt sur la couche dopée 4. Pulvérisation de la couche piézoélectrique et évaporation de l’électrode d’aluminium 2. Dépôt et ouverture de la couche de silice

Fig.1.17 – Procédé d’usinage utilisé par Lakin pour réaliser l’un des premiers FBAR (1980)

Le premier résonateur à film mince est né avec une couche piézoélectrique de ZnO d’1 µm et une membrane de silicium d’environ 6 µm. La fréquence de résonance du mode fondamental est de 490 MHz et les coefficients de qualité à la résonance et à l’anti-résonance sont respectivement 3000 et 9300. De la même manière, Grudkowski

et al. [40] réalisent un résonateur à 425 MHz mais, cette fois, la couche piézoélectrique

est déposée sur une électrode métallique Ti/Au/Ti. Enfin, l’équipe Japonaise de l’Université de Tohoku [41] propose une solution où la couche piézoélectrique est déposée sur une électrode Au/Cr et la membrane est réalisée en oxyde de silicium. Ils montrent, de plus, que la dérive en température de la fréquence de résonance peut être compensée en choisissant une épaisseur de SiO2 adéquate.

Cette configuration permet donc d’exciter naturellement des ondes longitudinales dans l’épaisseur. Le mode de vibration principal des dispositifs à couches minces pié- zoélectriques est donc complètement différent du mode de cisaillement employé dans les résonateurs et les filtres à ondes de volume classiques sur quartz. Les résonateurs que nous venons de décrire possèdent un mode fondamental à des fréquences de l’ordre du GHz. Dans le cas où les harmoniques sont exploités pour des applica- tions plus hautes fréquences, on parle alors d’Overmoded Resonators (OMR). Ces structures sont en général utilisées pour leurs coefficients de qualité supérieurs aux résonateurs fonctionnant sur le mode fondamental, et pour des applications où l’on peut tolérer un couplage piézoélectrique effectif moins important comme par exemple pour des applications « sources ».

1.4. SAW et BAW, deux technologies pour le filtrage RF en téléphonie mobile 27

Encore une fois, afin de pouvoir monter en puissance tout en essayant de conserver l’utilisation d’un mode fondamental de vibration, il s’est avéré nécessaire de réduire encore les épaisseurs des résonateurs. À cette fin, dès que les progrès des techniques de dépôt de films minces ont permis de réaliser des couches piézoélectriques suffisam- ment solides, et que les contraintes internes au film déposé ont été maitrisées voire éliminées, les membranes de support ont disparu pour ne plus laisser que des mem- branes piézoélectriques de quelques microns d’épaisseur. Pour cela, il a néanmoins fallu abandonner toute compensation en température et accepter une dégradation du coefficient de qualité, due au fait que les couches piézoélectriques polycristallines déposées possèdent nécessairement un coefficient de qualité mécanique plus faible qu’un substrat monocristallin. Ces composants ont alors été nommés Thin Film Re- sonator (TFR). Comme le présente la figure 1.17, la gravure humide du silicium produit des flancs inclinés, ce qui oblige à effectuer des ouvertures en face arrière du substrat très larges, et par conséquent réduit considérablement la densité des composants sur une plaque. Avec la mise au point de procédés de gravure sèche pro- fonde du silicium, il devient possible de réaliser des attaques ioniques du substrat qui laissent des flancs droits. Fonctionnellement, la vibration des résonateurs n’est pas beaucoup modifiée, mais le nombre de composants réalisables sur un même sub- strat est augmenté grâce à une réduction de la taille de chacun d’eux. Néanmoins, la structure reste très fragile et peu manipulable au niveau industriel. Il était donc souhaitable de trouver des architectures alternatives pour pallier ce défaut.