La technologie BAW sur réflecteur de Bragg (SMR):

Une autre méthode pour réaliser l’isolation acoustique consiste à utiliser un réflecteur de Bragg

(FIG.1-15). C’est la transposition d’un principe largement exploité en optique qui est le miroir de

Bragg grâce à l’analogie entre les deux domaines (Tableau.1-1)[R.1.123 ,R.1.124].

longueur d’onde acoustique dans le matériau à la fréquence de résonance du résonateur. Dans cette configuration, les résonateurs sont appelés SMR (Solidly Mounted Resonator) ou S-BAW. Un accord d’épaisseur en λ/4 des couches de Bragg permet d’obtenir des ondes réfléchies en phase avec les ondes incidentes, une réflectivité maximale et des couches de Bragg de faibles épaisseurs[R.1.125].

FIG.1-15: Résonateur BAW avec un réflecteur de Bragg ou SMR

Optique : Acoustique :

Champ électrique E Pression acoustique P Indice optique n lenteur acoustique s=1/v Impédance optique 1/n Impédance acoustique Za

Tableau.1-1: Analogie entre le domaine optique et le domaine acoustique, e est l’épaisseur du milieu traversé par l’onde optique ou acoustique

En s’inspirant des travaux de Newell[R.1.120-R.1.121] qui propose cette idée pour les résonateurs à Quartz en 1965, une équipe de Motorola, propose dans un brevet en 1994 une structure BAW montée sur un réflecteur de Bragg (SMR ou S-BAW) afin de réaliser une isolation acoustique différente des FBAR en utilisant une séries de couches à fort et faible impédance acoustique respectivement[R.1.122]. Cette idée est réalisée pour la première fois en 1995 par Lakin, un des pionniers du domaine des BAW[R.1.128]. Cette approche est désormais la plus répandue parmi les principaux acteurs du domaine (INFINEON, ex- division de SIEMENS puis rachetée par AVAGO en 2008), TFR (rachetée par TRIQUINT en 2005), TRIQUINT, EPCOS, PHILIPS, LETI et autres (FIG.1-16). En effet cette solution est plus simple à fabriquer avec des procédés standards de la microélectronique, moins fragile à manipuler lors des étapes d'encapsulation et d'assemblage, plus robuste mécaniquement parlant et mieux adaptée pour les niveaux de puissance élevés grâce à sa meilleure dissipation thermique vers le substrat. Cet avantage conduit aussi à l’atténuation du niveau des harmoniques fortement lié à la température du filtre à laquelle contribue également le miroir de Bragg qui est généralement désadapté pour ces fréquences.

Cette structure nécessite toutefois le dépôt de couches supplémentaires et même la gravure des couches du miroir de Bragg si celles-ci sont métalliques ce qui est généralement le cas car on préfère utiliser un empilement W/SiO2. De plus, cette solution devient très coûteuse pour des résonateurs au

SMR car les filtres BAW seront de toute façon plus coûteux et mal placés pour concurrencer les SAW au dessous de 1GHz. Comparée à la structure FBAR, la structure SMR présente un coefficient de couplage et un facteur de qualité moins bon car son isolation acoustique est moins bonne.

FIG.1-16: Statut commercial des MEMS RF en 2006 et prévision jusqu’à 2008, les principaux acteurs des BAW apparaissent sur le schéma entre l’étude et la production[R.1.127]

Pour expliquer le mode de fonctionnement d’un réflecteur de Bragg, il faut introduire la notion de l’impédance acoustique Za. Cette grandeur physique caractérise l’impédance qu'un milieu oppose à sa

mise en mouvement lorsqu'il est traversé par une onde acoustique. Elle peut s’exprimer en fonction de la masse volumique ρ et de la vitesse acoustique dans le milieu v :

v

Z_a =ρ (Eq.1-5)

Si R est le rapport entre l’amplitude de l’onde incidente et celle de l’onde réfléchie (FIG.1-17), ce rapport peut s’exprimer en fonction du rapport des impédances acoustiques des deux milieux

1 , a 2 , a Z Z r= : r 1 r 1 R + − = (Eq.1-6)

FIG.1-17: Réflexion d’une onde acoustique sur une interface entre deux matériaux d’impédances acoustiques différentes

Dans le cas d’un empilement de n couches, il suffit de calculer l’impédance acoustique équivalente du réflecteur « vue » par l’électrode inférieure en utilisant un modèle de type ligne de transmission. Ce modèle permet de décrire l'impédance acoustique Zn présentée par une couche en fonction de

l'impédance acoustique de la couche inférieure Zn-1

[R.1.13]

équivalente du miroir de Bragg ZBragg puis on calcule le coefficient de réflexion R pour l’onde

longitudinale à l'interface électrode inférieure/miroir de Bragg définie comme suit :

bragg éléctrode bragg éléctrode Z Z Z Z R + − = (Eq.1- 7)

Dans le cas pratique, on utilise deux matériaux pour le réflecteur de Bragg d’impédance respective Za,1

pour la couche à faible impédance et Za,2 pour la couche à forte impédance. Dans ce cas, la réflectivité

est approximée par la relation suivante[R.1.38]:

substrat N 2 , a 1 , a Z Z Z 1 R _       − = (Eq.1- 8)

où N/2 est nombre de paires de couches. Ainsi, la réflectivité du miroir de Bragg est fonction de la fréquence, du nombre de couches et du rapport des impédances acoustiques des deux couches.

Différents couples de matériaux peuvent être utilisés pour le réflecteur de Bragg tels que W/SiO2,

SiN/SiOC et AlN/SiO2. Les critères principaux pour choisir les matériaux de miroir de Bragg sont les

suivants:

• Un rapport d’impédance acoustique élevé (7,71 pour le réflecteur de Bragg W/SiO2 le plus utilisé)

• Une compatibilité avec les procédés de la microélectronique

• Et de préférence des matériaux diélectriques pour éviter tout couplage entre les résonateurs voisins.

Dans le cas d’utilisation de métaux (comme le tungstène W), il faut graver le métal en dehors des zones actives afin d'éviter des couplages capacitifs parasites.

Un fort rapport d’impédance acoustique permet de réduire le nombre de couches de miroir de Bragg pour obtenir une forte réflexion et permet d’élargir la bande de réflexion du miroir.

Les FIG.1- 18 (a) et (b) montrent les résultats de simulation du module du coefficient de réflexion en fonction du choix des matériaux et en fonction du nombre de couches utilisées.

FIG.1-19: Evolution de la réflectivité du miroir de Bragg en fonction du (a) couple de matériaux choisi, de la fréquence et (b) du nombre de couches pour un miroir de Bragg en SiO2/W

[R.1.14]

En utilisant quatre couches (SiN/SiOC ou W/SiO2), cette configuration en λ/4 conduit à une excellente

isolation sur une large plage de fréquence du mode fondamental en épaisseur (TE1) dont la résonance et l’antirésonance seront utilisées par la suite pour construire le filtre (FIG.1-19). Toutefois, cette

configuration est mal adaptée pour isoler les modes transverses comme on le verra par la suite. Ainsi il est nécessaire de procéder à une optimisation acoustique (cf. paragraphe I.5.5).