Types de résonateurs à ondes acoustiques de volume

Comme on l’a vu précédemment, il est très important de confiner les vibrations acoustiques dans le résonateur afin d’avoir un coefficient de coulage proche du coefficient intrinsèque du matériau piézoélectrique et un facteur de qualité le plus élevé possible. Pour effectuer cette isolation ou minimiser les pertes, deux techniques ont été développées. La première consiste à isoler le résonateur du substrat par un réflecteur acoustique de Bragg. Les résonateurs utilisant cette technique d’isolation sont appelés résonateurs à réflecteur acoustique SMR (Solidly Mounted Resonator) [18]. La deuxième consiste à séparer le résonateur du substrat par de l’air. Les résonateurs réalisés par cette deuxième technique sont appelés FBAR (Film Bulk Acoustic Wave Resonator) [18].

2.1.4.1 Résonateur à réflecteur acoustique : SMR

Dans les résonateurs SMR, le réflecteur acoustique consiste en une alternance de deux couches d’épaisseur quart d’onde chacune et de faible et haute impédances respectivement (Figure 2.5) [19, 7]. Généralement, ces couches de faible et haute impédance sont réalisés par des paires SiO2/AlN [20] ou SiO2/W(Tungstène) [21]. C’est la couche de faible

impédance SiO₂ et non celle de haute impédance (AIN ou W) qui doit être juste au-dessous

du résonateur pour avoir un facteur de couplage élevé. Le rapport d’impédance est important étant donné qu’il détermine le nombre de paires nécessaires pour avoir un bon confinement de l’onde acoustique. Plus ce rapport est élevé, moins l’est le nombre de paires qui seront nécessaires. Par conséquent, moins d’énergie est emmagasinée dans le réflecteur d’où un meilleur facteur de couplage. En outre, il y aura moins de pertes dans le réflecteur, ce qui permet d’avoir un meilleur facteur de qualité. Pour les matériaux W et SiO2, le rapport d’impédance est d’environ 7. Deux paires de ces deux couches ont suffit pour obtenir un réflecteur avec une réflexion de 99.98 % dans la bande PCS [22]. Ce rapport d’impédance est plus faible dans la paire AlN/SiO2 et est de l’ordre de 2,8 ce qui demande plus de paires que dans le cas W/SiO₂ pour réaliser un réflecteur. Les épaisseurs de couches du réflecteur influencent aussi la fréquence de résonance qui diminue lorsque ces épaisseurs augmentent [23]. La sensibilité de la fréquence par rapport aux variations d’épaisseur de couche est d’autant plus élevée que cette dernière est proche du résonateur [23, 24]. Autrement dit, les couches qui se trouvent juste sous le résonateur ont beaucoup d’influence alors que les dernières couches ont moins d’influence voire une influence complètement négligeable. Par conséquent, il y a lieu d’en tenir compte lors du dimensionnement des résonateurs. De la même façon, le nombre de paires ainsi que le rapport d’impédance des matériaux du réflecteur déterminent la bande passante du coefficient de réflexion, et donc

Chapitre 2 : Résonateurs à ondes acoustiques de volume

41 celle du résonateur. La déviation de l’épaisseur des couches de λ/4 influence le coefficient de couplage et la fréquence de résonance du résonateur [25]. Cependant, cette déviation n’est pas aussi cruciale que la variation de la densité et des contraintes de ces couches [25]. Des filtres SMR discrets sont actuellement introduits sur le marché par Infineon [26], Philips [27] et Epcos [28]. L’utilisation de SiO₂ qui a un coefficient de température positif permet de compenser les coefficients de température négatifs du matériau piézoélectrique et de l’autre matériau (AlN, W) du réflecteur.

Les coefficients de couplage et de qualité d’un SMR sont inférieurs à celui d’un FBAR. Ceci est dû à la fraction de l’énergie piégée dans les couches du réflecteur les plus proches de la couche piézoélectrique [5]. Néanmoins les SMR sont plus robustes et peuvent être maniés plus facilement lors de l’assemblage. Le SMR évacue plus facilement la chaleur via le réflecteur vers le substrat. [29]. Par conséquent, le SMR peut traiter des puissances plus élevées que le résonateur FBAR.

Figure 2.5: Résonateur à réflecteur acoustique de Bragg. 2.1.4.2 Résonateurs FBAR

Les résonateurs FBAR quant à eux s’affranchissent des pertes acoustiques dans le substrat par la réalisation de l’empilement résonateur (Electrode-Piézoélectrique-Electrode) sur une membrane séparée du substrat par de l’air. La membrane peut être réalisée par micro usinage de volume ou de surface comme l’illustre les Figure 2.6 et 7 respectivement. Dans le cas de micro usinage de volume, la membrane de support est réalisée en gravant par la face arrière le substrat. Cette technique nécessite l’utilisation d’une couche d’arrêt pour la gravure face arrière. Cette gravure se fait par gravure humide (KOH) ou sèche (Deep Reactive Ion Etching). La couche d’arrêt peut être gardée comme support ou éliminée par gravure à la fin du process et l’empilement résonateur (électrode-piézoélectrique-électrode) se trouve ainsi posé sur le substrat par le biais de son électrode inférieure. [30]. Le silicium dopé P⁺, l’oxyde de silicium (SiO2), et le nitrure de silicium (SiN) sont parmi les matériaux utilisés comme couche d’arrêt [31]. Le micro-usinage de volume peut fragiliser le substrat si le nombre de résonateurs sur la plaquette est élevé. Ceci et la gravure face arrière rendent ce type de FBAR peu compatible avec l’intégration en « above-IC » avec des circuits CMOS. De plus, un alignement double face (face avant et face arrière) est nécessaire pour l’intégration de ce type de résonateur avec d’autres circuits intégrés.

Chapitre2 : FBARs et leurs applications dans les émetteurs et les récepteurs

Figure 2.6: Résonateur FBAR à micro-usinage de volume.

Figure 2.7: Résonateur FBAR à micro-usinage de surface.

La membrane joue un rôle très important, elle influence directement les caractéristiques du résonateur [32]. Les fréquences de résonance série et parallèle diminuent lorsque l’épaisseur de la membrane augmente [30]. Le coefficient de couplage et le facteur de qualité varient également avec l’épaisseur de la membrane Par conséquent, il est nécessaire de l’optimiser afin d’avoir de bons coefficients de couplage et de qualité [30].

Le deuxième type de FBAR consiste à réaliser une membrane sur laquelle est déposé le résonateur. Son principe de réalisation est basé sur le dépôt de la membrane et de l’empilement électrode-piézoélectrique-électrode sur une couche sacrificielle qui est enlevée par gravure une fois le process terminé. La fréquence de résonance de résonateurs destinés aux bras parallèles de filtres est généralement ajustée par le dépôt d’une couche supplémentaire d’oxyde sur l’électrode supérieure. L’ajustement de la fréquence de

résonance peut se faire aussi par le « lift-off » sur l’électrode supérieure. Il est

indispensable de contrôler les contraintes de la membrane lors de la réalisation. Des filtres duplexeurs discrets à résonateur FBAR sont commercialisés depuis 2001 par Agilent Technology [33]. C’est cette approche qui a été choisie pour l’intégration « above-IC » dans le cadre du contrat MARTINA. La Figure 2.8 montre l’image obtenue par microscopie électronique à balayage d’un résonateur 5 GHz réalisé dans le cadre de ce projet.

Comme il a été mentionné auparavant, les FBAR ont des coefficients de couplage et de qualité plus élevés que les SMR. Deux caractéristiques essentielles qui sont déterminantes pour les performances des filtres et des oscillateurs. De plus, ils nécessitent moins d’empilement de couche. Cependant, ils exhibent des modes latéraux parasites qui peuvent détériorer les pertes d’insertion dans la bande passante des filtres. Pour diminuer ou limiter

Chapitre 2 : Résonateurs à ondes acoustiques de volume

43 ces modes parasites, les FBARs doivent être « apodisés » [34] et les ratios dimensions latérales sur épaisseur du résonateur doivent être élevés. « Apodiser » les résonateurs consiste à garder toujours deux cotés opposés du résonateur non parallèles afin de contribuer à la suppression des modes latéraux.

Figure 2.8: Image microscopie électronique à balayage d’un résonateur FBAR.