Développement technologique des résistances intégrées

Comme nous l’avons souligné dans le paragraphe sur les simulations électromagnétiques, il est important d’isoler d’un point de vue RF le pont et les électrodes, des commandes qui leur seront associées pour ainsi éviter que le signal RF se propage et se dissipe dans les sources de commande. Pour cela nous avons fait le choix de mettre en oeuvre au niveau des ancrages et de la sortie des électrodes des résistances de grande valeur, qui apparaîtraient comme un circuit ouvert pour le signal RF. L’activation de la membrane se faisant au moyen d’une force électrostatique lorsque l’on applique une différence de potentiel entre le pont et les électrodes, la présence des résistances ne remet pas en cause notre architecture, puisque les résistances n’empêcheront pas la transmission des tensions nécessaires. Ces résistances doivent donc présenter une forte valeur (> 100 kΩ) ainsi qu’un fort taux de compacité avec une grande résistivité du matériau les composant. En effet si la résistance n’est pas suffisamment compacte et qu’elle se présente sous une forme distribuée, elle aura tendance à ne plus bloquer le signal RF mais elle le dissipera progressivement augmentant ainsi considérablement les pertes d’insertion du MEMS. Cependant il faut noter que plus les valeurs de ces résistances seront grandes, plus le temps de commutation des

commutateurs sera long. En effet, les résistances étant en série avec les capacités créées entre les électrodes et le pont, la constante de temps RC qui définit la charge et la décharge ne sera plus négligeable pour de très grandes valeurs de R devant le temps de commutation du MEMS RF. Notre conception étant surtout liée aux performances RF du MEMS et non pas à ses performances en commutation, nous avons fait le choix de ne pas optimiser la valeur de la résistance en fonction du temps de commutation.

Le choix des matériaux s’est très vite retrouvé limité par les faibles résistivités des alliages (FeNi, …) disponibles, compatibles technologiquement et dont le procédé est maîtrisé au LAAS. Il nous fallait donc trouver un autre matériau correspondant à nos attentes et notre choix s’est porté sur le Germanium, qui présente une résistivité théorique de 46.106 µΩ.cm. Nous avons alors procédé à divers tests afin de déterminer ses paramètres de dépôt, d’optimiser son adhérence sur le BCB et les paramètres pour le graver. Nous avons aussi vérifié sa compatibilité avec les étapes technologiques de la filière MEMS tel que l’adhérence du dépôt d’or qui servira à prendre les contacts ohmiques.

Le dépôt du germanium se réalise par évaporation à une vitesse de 1 nm/s et sous une température de 150 °C. Pour une vitesse de dépôt supérieure, nous observons des craquelures qui forment des stries circulaires (cf Figure II. 22). De même si le dépôt s’effectue à froid, l’adhérence du germanium est médiocre et celui-ci s’émiette lors de l’étape de photolithographie sous l’effet de fortes contraintes internes.

Figure II. 22 : Photographie de motifs en germanium après un dépôt par évaporation effectué à une vitesse de 1,9 nm/s

Afin de délimiter par gravure chimique le germanium, nous utilisons une solution composée de H20, de HF (acide fluorhydrique) et de H202 (péroxyde d'hydrogène ou encore eau

oxygénée). Sous l’effet du péroxyde d’hydrogène, le germanium s’oxyde et est alors gravé par l’acide fluorhydrique. Pour une épaisseur de 1 µm de germanium il faut environ une vingtaine de secondes pour le graver à partir de cette solution.

Au final nous avons pu réaliser des motifs en germanium d’une épaisseur de 1 µm avec une précisons de l’ordre de 2µm (cf Figure II. 23) qui présentaient des résistances environ égales à 310 kΩ, ce qui correspond par rapport à leur taille à une résistivité égale à 6,5 Ω.m.

Figure II. 23 : Motifs en germanium sur BCB après photolithographie

Il s’avère important de protéger le germanium par une couche de nitrure (la même que celle que l’on dépose pour réaliser les capacités) car ce dernier a présenté de fortes dégradations face aux produits nécessaires à la libération des membranes et essentiellement à l’AZ REMOVER. Cette considération sera donc prise en compte lors du dessin du masque définissant les motifs de nitrure.

Nous avons caractérisé en RF un motif de Germanium (Figure II. 24) afin de vérifier que celui-ci coupe le signal RF sans présenter un comportement particulier à nos fréquences de travail. d d 150 µm BCB Ge Au

Figure II. 24 : Motif de germanium sur une ligne coplanaire caractérisée en RF -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 5 10 15 20 25 30 Fréquence (GHz) S 21 ( d B ) Mesures Ge

Simulation EM de la discontinuité sans Ge

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 5 10 15 20 25 30 Fréquence (GHz) S 21 ( d B ) Mesures Ge

Simulation EM de la discontinuité sans Ge

Figure II. 25 : Mesures du paramètre [S] en transmission (S21) du motif en germanium et simulation de la discontinuité en transmission sans le germanium

Comme présenté par la courbe de la Figure II. 25, nous constatons une très bonne isolation, inférieure à -35 dB pour une fréquence de 5 GHz. Si l’on compare cette caractéristique à la simulation électromagnétique de la même ligne coplanaire discontinue sans germanium, nous constatons une bonne corrélation, ce qui démontre que le germanium bloque le signal RF et que ce dernier n’est transmis que par l’intermédiaire du couplage capacitif entre les deux tronçons de ligne centrale qui correspond à une capacité en série de 5 fF. Nous pouvons donc conclure que le germanium correspond à nos attentes en coupant la propagation du signal RF.