II.3.1 Description du composant
La contrainte principale liée à l'intégration des filtres à ondes de surface provient de la nature même de ces composants. En effet les substrats piezoélectriques
couramment utilisés (LiTaO3 et LiNbO3) ont des coefficients d'expansion thermique
(CTE) très supérieurs à celui du silicium (Tableau 2-12). Cela pose des problèmes en termes de fiabilité des connexions lors de l'intégration par "flip-chip" du filtre ainsi que sur ses performances propres.
Matériau Tantalate de lithium Niobate de lithium Silicium Coefficient d'expansion
thermique [ppm/°C] 12,6 10 2,6
Tableau 2-12: Comparaison du CTE des substrats piézoélectriques et du silicium
Lors des variations de température deux phénomènes apparaissent. La vitesse de propagation dans le matériau se modifie et la taille du cristal varie. Toutes les dimensions prises en compte dans la modélisation (w, L, xi, xe) sont donc directement modifiées.
Une des solutions peut être de réaliser ce filtre sur un substrat silicium. Pour cela il est nécessaire de le recouvrir d'un matériau piézoélectrique dans lequel se propageront des ondes. Il faut donc utiliser un matériau ayant des caractéristiques les plus proches de celles du silicium, le nitrure d'aluminium (AlN) ou l'oxyde de zinc (ZnO) par exemple.
La fabrication de ce type de composant semble plus complexe que d'utiliser directement un substrat piézoélectrique mais il existe deux raisons principales qui rendent cette technologie attrayante. La première est d'intégrer ce type de filtre dans un "flow" de conception standard à la microélectronique (filière silicium) et la deuxième de fabriquer des composants qui cumulent l'interaction entre les ondes acoustiques et les porteurs de charge dans le silicium III.3.3.3.
Des structures de ce type ont déjà été mises en place par Onur Tigli III.3.3.3 qui utilise un procédé CMOS comme base et ajoute des étapes de postprocess dédiées aux procédés MEMS. Une couche piézoélectrique en ZnO est déposée sur les électrodes interdigitées du filtre.
Nous avons voulu appliquer cette technologie avec une couche de nitrure d'aluminium (AlN) déposée sur les transducteurs interdigités (Figure 2-101). L'AlN a été choisi car il est compatible avec les procédés standards de la microélectronique
et la vitesse de propagation d'ondes acoustiques (vSAW = 10200 .m s−1) est très élevée.
Figure 2-101: Concept filtre à ondes de surface sur silicium avec une couche d'AlN déposée en surface.
II.3.2 Modélisation par élément finis
Nous avons modélisé cette structure avec Coventor pour évaluer cette technologie. Le procédé technologique est le suivant (Figure 2-102), une couche de 4µm d'AlN est déposée sur les électrodes en aluminium qui forment les peignes interdigités.
Figure 2-102: Etapes technologiques pour la conception d'un filtre à ondes de surface sur substrat silicium
Pour réaliser ces simulations nous avons repris la conception du filtre précédent. Nous obtenons les structures 3D suivantes Figure 2-103.
Figure 2-103: Modèle de filtre sur silicium: a) avant le maillage et b) après le maillage.
Nous avons réalisé une simulation modale pour déterminer les différents modes d'oscillations puis nous avons étudié la réponse harmonique du filtre en régime permanent.
Théoriquement si l'on suit l'Equation 2-1 nous obtenons une fréquence centrale de :
0 6 0 10200 255 40 SAW v f MHz e λ − = = = Equation 2-82
L'analyse modale de la structure nous permet d'obtenir cinq modes différents dont les fréquences sont:
240.3509; 240.3512; 240.3951; 240.4505 et 240.4552 MHz.
Ces résultats sont proches de la valeur théorique obtenue par l'équation de propagation des ondes acoustiques à la surface d'un substrat piézoélectrique.
La réponse harmonique du filtre a été étudiée autour de ces fréquences (100 à 300MHz). Le déplacement maximal a été observé pour une fréquence de 244MHz, épaisseur de l'AlN est de 4µm, ce déplacement s'effectue perpendiculairement aux peignes interdigités (Figure 2-104).
Figure 2-104: Déplacement observé à la surface du substrat piézoélectrique
Nous avons évalué l'influence de l'épaisseur de l'AlN déposé sur la fréquence centrale du filtre en la faisant de 2µm à 6µm. Nous observons une diminution de la fréquence lorsque nous augmentons l'épaisseur de dépôt (Tableau 2-13).
Epaisseur
d'AlN 2µm 3µm 4µm 6µm
mode 1 3,753118E+082,916353E+082,403497E+08 1,791127E+08
mode 2 3,753401E+082,916717E+082,403936E+08 1,791695E+08
mode 3 3,753404E+082,916721E+082,403941E+08 1,791702E+08
mode 4 3,753764E+082,917178E+082,404483E+08 1,792380E+08
mode 5 3,753798E+082,917223E+082,404538E+08 1,792450E+08 Tableau 2-13: Analyse modale en fonction de l'épaisseur d'AlN déposée
Ces simulations sont en cours de vérification avec des mesures.
III Etapes technologiques de fabrication nécessaires à la
réalisation du SiP.
Le substrat nécessaire au filtre à ondes de surface est un monocristal de matériau piézo-électrique. Les matériaux les plus utilisés sont le quartz, le niobate de lithium
(LiNbO3) et le tantalate de lithium (LiTaO3). Ils sont transparents à la lumière et, à des
degrés divers, ils sont pyroélectriques, caractéristique qu’il est nécessaire de prendre en compte lors du choix des équipements de fabrication et d'assemblage. Leur surface est polie par procédé mécanochimique dans le but d’obtenir une planéité meilleure ou égale à un dixième de longueur d’onde optique.
Le plus souvent les extrémités du cristal sont obliques pour éliminer toute réflexion parasite d’onde sur les bords, donnant ainsi au Dispositif à Ondes de Surfaces (DOS) une forme de trapèze rectangle avec un angle compris en 3° et 10° suivant les types de filtres.
Il existe deux procédés pour réaliser les DOS, le procédé dit de "Lift-off" et le procédé de gravure. Les différentes étapes de ces techniques seront développées par la suite.
La propagation des ondes de surface se produit de façon correcte et stable que si la surface est "libre", d’où la nécessité de maintenir au-dessus du dispositif à ondes de surface (DOS) une couche de gaz neutre ou mieux une couche de "vide". Ainsi les techniques d’encapsulation pour une application donnée devront satisfaire aux exigences suivantes :
- Préserver une cavité "gaz neutre" à la surface du DOS ;
- Assurer la fiabilité dans les conditions d’environnement imposées par
l’application ;
- Assurer le report sur le support du circuit électronique.
L’approche packaging doit être similaire à celle des Micro-Systèmes et des capteurs III.3.3.3III.3.3.3. En effet ces dispositifs présentent les mêmes exigeances:
• Surface active:
o Contamination,
o Corrosion
o Rayures mécaniques
• Contraintes de la propagation acoustique de surface
o Stress mécanique
o Pollution
o Influence des gaz emprisonnés
o Structures absorbantes
• Propriété spécifique de cristaux piézoélectriques
o Dilatation thermique
o Pyroélectricité
Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé deux types de filtres: les filtres fabriqués à l'ESIEE et des filtres commerciaux fournis par Epcos (anciennement Temex).
Les filtres de l'ESIEE ont été fabriqués grâce aux moyens technologiques disponibles à l'ESIEE. Ils nous ont permis d'évaluer les différents procédés de fabrication
(électrodes en aluminium ou en chrome/or) sur substrat LiTaO3. De plus, un
deuxième lot de fabrication est en cours de mise au point pour des filtres sur silicium avec une couche en AlN.
Les filtres d'Epcos ont été utilisés pour l'intégration. Ceci nous a permis de nous concentrer sur les techniques à mettre au point pour l'intégration tout en étant sûr des performances du filtre.