Résonateur HBAR - Électroniques dédiées à l'asservissement d'oscillateurs et à la mesure physiq

Pour la fabrication d’un premier type de résonateurs, FEMTO-ST s’est concentré sur le niobate de lithium (LiNbO3), un matériau connu [57] pour permettre aux résonateurs d’atteindre des

coefficients de qualité de plusieurs dizaines de milliers dans une gamme de fréquence s’étendant de 400 MHz à 2 GHz pour les harmoniques les plus élevées. Dans la plupart des résonateurs réalisés par FEMTO-ST, le niobate de lithium faisait office de transducteur et le quartz de substrat de propagation des ondes. Pour réaliser les dispositifs, les plaquettes de niobate de lithium ont été reportées sur quartz par collage à l’aide d’une couche d’or (diffusion thermoélastique). L’ensemble du processus de fabrication est présenté en figure3.1. Dans le cas de ces HBAR à base de niobate de lithium sur quartz, la couche de collage fait également fonction d’électrode enterrée. La réalisation d’un dispositif quadripôle se fait sans accès direct à l’électrode enterrée (couplage acoustique, cf. § 1.3.5), la masse commune aux entrée et sortie étant obtenue par miroir capacitif au travers de la couche de transduction. LiNbO3 Quartz 1 2 3 4 5 6

Figure_{3.1 – Étapes du processus de fabrication des HBAR à niobate de lithium sur quartz.}

Étape 1 à 2 : Dépôt d’une couche d’accroche de chrome (20 nm) sur les deux wafers de niobate de lithium et de quartz.

Étape 2 à 3 : Dépôt de la couche d’or (150 - 300 nm)

Étape 3 à 4 : Report du wafer de niobate de lithium sur celui de quartz. Pour le collage à « froid », les wafers sont soumis à forte pression pendant plusieurs heures.

Étape 4 à 5 : Amincissement par rodage et polissage du niobate de lithium pour atteindre une épaisseur donnée avec un facteur de rugosité de la surface supérieure permettant la réalisa- tion de résonateurs à haut facteur de qualité.

Étape 5 à 6 : Dépôt et structuration des électrodes supérieures du HBAR (aluminium).

Du côté du CEA-LETI, l’approche s’est faite autour du saphir comme substrat maximisant la qualité acoustique de propagation des ondes élastiques dans les cristaux, le nitrure d’aluminium (AlN) étant utilisé comme transducteur piézoélectrique. Les couches supérieures peuvent être creu- sées afin d’atteindre l’électrode enterrée, ce qui demande des étapes technologiques supplémentaires. En fin de projet, les améliorations sur la composition d’un résonateur (en figure3.2) telles que les couches de passivation thermique, conduisent à un total de 26 étapes technologiques (en incluant le nettoyage préliminaire du wafer de saphir). Nous nous contenterons donc de donner la coupe de l’assemblage final et non les différentes étapes du processus.

Si3N4 AlN SiO2 Saphir Au Ni Ti Mo

Figure_{3.2 – Coupe de l’assemblage du HBAR final fabriqué par le CEA-LETI.}

Les épaisseurs des couches ont été définies par simulation afin d’ajuster les modes fondamen- taux de résonance du HBAR en tenant compte de l’épaisseur de 530 µm du substrat. L’épaisseur du substrat en saphir est imposée par le fournisseur de wafers. Les épaisseurs de la couche piézo- électrique et du substrat conditionnent la réponse spectrale du résonateur et chaque élément de l’empilement doit être pris en compte pour une conception fine du résonateur :

— le couplage acoustique de la lame piézoélectrique en nitrure d’aluminium avec le substrat définit l’enveloppe spectrale des modes excités,

— l’épaisseur relative du substrat indique la densité des modes dans l’enveloppe,

— la couche de dioxyde de silicium (SiO2) tend à réduire les coefficients en température de la

fréquence (Temperature Coefficients of Frequency ouTCF),

— la couche supérieure en nitrure de silicium (Si3N4) sert à protéger le tout,

— l’épaisseur des électrodes en molybdène (Mo) ne doit pas altérer le fonctionnement du ré- sonateur (épaisseur inférieure à 200 nm pour les dispositifs fonctionnant à une fréquence supérieure à 2 GHz).

Enfin, les plots de contacts sont sur-métallisés soit par une couche en alliage d’aluminium et de cuivre pour être connectés par micro-fil (ou « wire-bonding ») soit par trois couches titane-nickel-or comme présenté en figure précédente pour les connexions par micro-bille (ou « ball-bonding »).

Dans la suite de ce chapitre, nous utiliserons les résonateurs à base de substrat saphir atteignant des fréquences supérieures à 2 GHz sur le mode fondamental de la couche piézoélectrique2

, exploi- tant le couplage acoustique pour une configuration quadripôlaire. Les réponses observées sont celles de résonateurs empaquetés dans un boîtier en céramique de taille 3x3 mm2_{et connectés par micro-}

fils aux broches métalliques du boîtier. Les dispositifs présentés ici sont issus de la collaboration des différents partenaires lors du projet.

Réponse fréquentielle

La réponse large bande (entre 1,5 GHz et 3,5 GHz) d’un résonateur est donnée en figure 3.3. Nous pouvons identifier l’enveloppe de la réponse due au mode fondamental de la couche de nitrure d’aluminium seule. À cela, nous pouvons ajouter l’effet des sur- et sous-couplage acoustiques des modes symétrique et anti-symétrique, dû à la structure de filtre monolithique utilisée, conditionnant le coefficient de qualité et les pertes de chaque contribution. La dégradation due au sur-couplage est visible dans le cas 1 de la figure. 3.4. Dans le cas 3 de cette même figure, l’élargissement du pic induit une réduction du coefficient de qualité en charge Q (mesuré par la méthode de la bande passante à -3 dB). Un cas intermédiaire, présenté dans le cas 2, offre des pertes d’insertion non- dégradée par l’effet de sous-couplage et un coefficient de qualité Q de 7970 pour un produit QF de 1, 9 · 1013_.

Les deux processus de fabrication présentés permettent la réalisation de résonateurs utilisés en quadripôles dans une boucle d’oscillation. Dans le point suivant, nous justifierons ce choix de conception en montrant que si les architectures de type Colpitts conviennent bien aux oscillateurs aux fréquences sub-gigahertz et pour des résonateurs dont le modèle est bien défini, il est plus com- pliqué de les exploiter pour la conception des oscillateurs de ce projet. Avant cela, nous présenterons les travaux de simulation et la réalisation de l’amplificateur à transistor.

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1,5 2 2,5 3 3,5 f [GHz] |S21| [dB] enveloppe réelle enveloppe idéale mode fondamental de la couche piézoélectrique -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 2,30 2,32 2,34 2,36 2,38 2,40 2,42 2,44 f [GHz] |S21| [dB] 1 2 3

Figure3.3 – Spectre large bande (à gauche)et agrandissement (à droite) d’un HBAR AlN/Saphir.

2. Les HBAR niobate de lithium sur quartz sont limités actuellement par les difficultés à amincir la couche de niobate de lithium, impliquant des fréquences du mode fondamental de la couche piézoélectrique inférieures 2 GHz.

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 2,327 2,328 2,329 2,330 f [GHz] |S21| [dB] dégradation due

1

à un sur-couplage 2,390 2,391 2,392 f [GHz]

2

cas intermédiaire BW = 300kHz Q = 7970 2,430 2,431 2,432 2,433 f [GHz] diminution du facteur de qualité

3

BW = 350kHz Q = 6950

Figure _{3.4 – Agrandissement des trois modes de résonances de la figure précédente (span de} 4 MHz).

Dans le document Électroniques dédiées à l'asservissement d'oscillateurs et à la mesure physique à l'aide de capteurs à ondes élastiques. (Page 75-78)