Brevet FR2728727A1 — publié le 19960628

CIRCUITS HYPERFREQUENCES AVEC LIGNES DE TRANSMISSION MICRO-GUIDE Le domaine de l'invention est celui des circuits hyperfréquences et plus précisément celui des lignes de transmission qui représentent un des maillons essentiels des circuits hyperfréquences monolithiques ou hybrides. Actuellement, les lignes micro-ruban constituent la solution la plus couramment utilisée dans les circuits hyperfréquences. Notamment dans le cas de circuits monolithiques hyperfréquences encore dénommés MMIC, utilisant un substrat semiconducteur, de type GaAs, les lignes de transmissions sont constituées par des rubans métalliques déposés à la surface du substrat semiconducteur, le plan arrière du substrat étant conducteur. La figure 1 illustre ce type de configuration de lignes microruban. L'épaisseur du diélectrique semiconducteur est généralement fixée à une centaine de microns afin de limiter la propagation de modes de surface à haute fréquence. Cependant, I'épaisseur ne peut être diminuée endeçà de 80 pm dans le cas des MMIC, pour assurer des rendements de fabrication suffisants en raison de la fragilité des substrats pour des épaisseurs inférieures. Pour une épaisseur de substrat donnée, la largeur W de la ligne micro-ruban est directement fixée par l'impédance que l'on souhaite obtenir. Ainsi pour obtenir des impédances caractéristiques Zc de respectivement 50 Q et 20 Q pour une épaisseur de substrat GaAs de 100 pm, il faut définir respectivement des largeurs W de 73 lim et 358 um. II apparaît alors immédiatement que si la première largeur est compatible avec la taille des éléments des circuits intégrés, la seconde largeur n'est plus du tout adaptée. Ceci constitue un réel problème dans la mesure où l'on cherche à connecter le plus souvent différents éléments passifs ou actifs qui présentent des impédances d'entrée et de sortie différentes. II est alors très avantageux d'élaborer des lignes d'impédance différente qui mises bout à bout permettent d'assurer l'adaptation d'impédance nécessaire à la connexion des différents éléments. Cela signifie typiquement pouvoir disposer d'impédance de lignes de 50 n, 20 Q ou moins. Parallèlement aux lignes de transmission micro-ruban, il existe également des lignes coplanaires particulièrement adaptées au fonctionnement à plus hautes fréquences, en raison de la récupération du champ électrique par les plans de masse, comme illustré en figure 2, car plus la fréquence augmente, plus la propagation des modes de surfaces du champ électrique est importante. Un micro-ruban de largeur W est déposé sur le substrat semiconducteur, ce micro-ruban métallique est isolé d'un film métallique à la surface du substrat par deux fentes de largeur S, un plan de masse étant disposé à l'arrière du substrat.Dans cette configuration, pour obtenir des impédances caractéristiques Zc de respectivement 50 Q et 20 Q les dimensions requises W et S doivent être respectivement pour une épaisseur de substrat d'environ 100 pm: W = 50 S = 59 pm pour 50 Q W = 6 000 ,um S = 5pm pour 20 Q Le problème de la compatibilité des dimensions des lignes coplanaires avec des impédances faibles avec la complexité des circuits est encore plus aigu que dans le cas de lignes micro-ruban. De plus, dans le cas de structure ouverte telle que celles décrites de l'art connu, il est souhaitable de ne pas rapprocher trop fortement deux lignes pour éviter les problèmes de couplage entre elles. Pour pallier les différents inconvénients précités (compatibilité de l'architecture des lignes avec la compacité et les dimensions des éléments de circuits intégrés, couplage entre lignes voisines), I'invention propose un nouveau type de lignes de transmission, blindées dont les dimensions et les impédances peuvent être particulièrement bien adaptées aux circuits hyperfréquences. Plus précisément, I'invention a pour objet un circuit hyperfréquence élaboré sur un substrat, comprenant des lignes de transmission pour alimenter et connecter des éléments actifs eVou passifs, caractérisé en ce que chaque ligne de transmission comprend un ruban métallique sur le substrat, chaque ruban étant placé à l'intérieur d'un guide d'onde métallique et séparé dudit guide par un diélectrique. Ce diélectrique peut avantageusement être de l'air ou un matériau isolant à faible constante diélectrique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 schématise un premier type de lignes de transmission pour circuit hyperfréquence selon l'art connu; - la figure 2 schématise un second type de lignes de transmission pour circuit hyperfréquence selon l'art connu; - la figure 3 schématise une ligne de transmission pour circuit hyperfréquence selon l'invention, vue en coupe; - la figure 4 illustre la densité de champ électrique au niveau d'une ligne de transmission selon l'invention; - la figure 5 illustre un procédé de réalisation de lignes de transmission selon l'invention; - la figure 6 schématise un élément actif connecté en entrée et en sortie à deux lignes de transmission selon l'invention;; * la figure 6a illustre une vue de dessus; la figure 6b illustre une perspective; * la figure 6c illustre une coupe AA' de la figure 6a. Les circuits hyperfréquences selon l'invention utilisent des lignes de transmission telles qu'illustrées en figure 3. La ligne micro-ruban (R) est insérée dans un guide métallique (G) et séparée du guide par un diélectrique (D), L'ensemble étant à la surface d'un substrat (S) sur lequel sont élaborés les différents composants actifs et passifs. Le substrat (S) comprend un plan de masse (M) en face arrière permettant grâce à des via de connecter au besoin certains composants à ia masse. Cependant, I'influence de ce plan de masse est pratiquement négligeable au niveau des lignes de transmission de l'invention comme l'illustre la figure 4. Cette demière met en évidence la densité du champ électrique dans le micro-guide et montre bien que pratiquement tout le champ électrique est confiné au niveau du diélectrique (D). Cela représente un avantage par rapport aux lignes micro-ruban de l'art antérieur qui rendaient nécessaires le contrôle et la finesse des substrats utilisés ainsi que l'utilisation de substrats le plus résistifs possible afin de limiter les pertes dans le milieu de propagation. De plus, dans le cas de circuit hyperfréquence dont le nombre de composants et la complexité n'exige pas trop de retour à la masse, il peut être très avantageux d'utiliser la surface des guides métalliques comme plan de masse. C'est pourquoi l'invention a aussi pour objet un circuit hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément actif connecté aux deux lignes micro-rubans de deux lignes de transmission d'entrée et de sortie et en ce que les guides métalliques des lignes de transmission sont confondus avec un plan de masse recouvrant le circuit hyperfréquence, ledit plan de masse présentant une ouverture laissant à nu l'élément actif. Typiquement avec la configuration de lignes de transmission selon l'invention, pour une hauteur h de 10 pm et une épaisseur de ligne de 2 pm, les dimensions requises pour élaborer des impédances caractéristiques respectivement de 50 Q et 20 Q sont les suivantes: n Wrn w W (IJm) | Lm 50 10 50 20 60 100 II apparaît ainsi immédiatement que de telles dimensions sont nettement mieux adaptées à la connexion d'un grand nombre de composants. Nous allons décrire un exemple de procédé permettant d'élaborer les lignes de transmission selon l'invention. Les différentes étapes de ce procédé sont illustrées en figure 5: - Dans une étape I, l'âme centrale des microguides est élaborée au niveau du substrat semiconducteur de type GaAs, par dépôt métallique au travers d'un masque (et notamment avec de l'or); - Une seconde étape de procédé (II) permet d'enrober les rubans métalliques avec une résine R1 de masquage couramment utilisée en microlithographie; - Une étape III consiste en la réalisation d'une fine couche métallique à base d'or d'environ 2 500 A d'épaisseur;; - Dans l'étape IV, on dépose localement de la résine R2, de part et d'autre des lignes micro-ruban préalablement enrobées - L'ensemble est alors plongé dans un bain de dorure permettant la réalisation du guide d'onde métallique d'environ 10 pm d'épaisseur par dépôt électrolytique (étape V); - Une étape ultérieure VI permet l'élimination de la résine R2 par insolation, puis l'élimination de la fine couche d'or sous la résine R2 par bombardement ionique Ar+; - Enfin l'étape VII conduit, grâce à l'existence d'ouvertures adéquates au niveau des parois du microguide, à l'élimination de la résine R1 par un solvant adéquat.En effet, lorsqu'on utilise des résines de masquage classiques, il est préférable d'éliminer ces dernières dont l'impédance est susceptible de fluctuer et qui présentent des pertes diélectriques non négligeables. On obtient ainsi des lignes de transmission micro-guide avec une cavité contenant de l'air. Ces lignes de transmission assurent la connexion entre les différents éléments de circuit hyperfréquence. A ce titre la figure 6 illustre la connexion d'une ligne d'entrée LE et d'une ligne de sortie LS, à un transistor bipolaire de puissance. Plus précisément, le dispositif des figures 6a, 6b et 6c comporte sur un substrat isolant ou semi-isolant SU, une ligne micro-ruban d'entrée RE et une ligne micro-ruban de sortie RS. L'ensemble est recouvert dune couche conductrice MA ou couche de masse. Comme décrit précédemment, cette couche conductrice est isolée des lignes micro-ruban par des couches de diélectriques (de l'air par exemple). Entre les deux lignes RE et RS, la couche conductrice possède une ouverture qui laisse libre le substrat SU. Dans cette ouverture, une zone ZC appelée zone de collecteur est dopée N. Sur cette zone ZC est prévue une couche de semiconducteur dopée p+ que nous appellerons zone de base ZB. Sur la zone de base ZB est prévue une couche de semiconducteur dopée N. La ligne d'entrée RE est connectée à la zone de base ZB par une connexion de base CB. Cette connexion passe au-dessus de la zone ZC tout en étant isolée de celle-ci. Comme représentée sur les figures 6a et 6b, cela peut se faire sous la forme d'une connexion réalisant un pont à air. La ligne de sortie RS est connectée à deux connexions de collecteur CC1 et CC2 situées sur la zone de collecteur ZC de part et d'autre de la zone de base ZB. Enfin, le plan de masse est connecté à la zone d'émetteur ZE par au moins une connexion d'émetteur CE1 (voire deux connexions d'émetteur CE1 et CE2). Les connexions d'émetteur sont isolées de la zone de base, de la zone de collecteur et des connexions de collecteur. Cela peut se faire sous la forme de ponts à air comme cela est représenté en figures 6a et 6b. REVENDICATIONS 1. Circuit hyperfréquence élaboré sur un substrat (S), comprenant des lignes de transmission pour alimenter et connecter des éléments actifs etlou passifs, caractérisé en ce que chaque ligne de transmission comprend un ruban métallique sur le substrat (S), chaque ruban étant placé à l'intérieur d'un guide d'onde métallique et séparé dudit guide par un diélectrique. 2. Circuit hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diélectrique est de l'air. 3. Circuit hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diélectrique est un polymère. 4. Circuit hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polymère est de type benzocyclobutène. 5. Circuit hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les rubans métalliques sont en or. 6. Circuit hyperfréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que les guides d'onde métalliques sont en or. 7. Circuit hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les rubans métalliques ont une épaisseur voisine de 2 pm. 8. Circuit hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les guides d'onde ont une forme de type parallélépipédique de hauteur h et de largeur L. 9. Circuit hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que la hauteur h est voisine de 10 pm, la largeur L étant voisine de 50 pm. 10. Circuit hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément actif connecté aux deux lignes micro-rubans de deux lignes de transmission d'entrée et de sortie et en ce que les guides métalliques des lignes de transmission sont confondus avec un plan de masse recouvrant le circuit hyperfréquence, ledit plan de masse présentant une ouverture laissant à nu l'élément actif.