Brevet FR2738395A1 — publié le 19970307

DISPOSITIF AUTOPORTE POUR LA PROPAGATION D'ONDES HYPERFREQUENCES ET PROCEDES DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif pour la propagation d'ondes hyperfréquences. Ce type de dispositif est notamment utilisé en microélectronique, o la demande de dispositifs à très hautes vitesses de propagation des ondes électriques est croissante, en particulier du fait de l'avancée des technologies sur GaAs ou sur d'autres semi-conducteurs rapides, qui permettent de mettre en oeuvre des fréquences de l'ordre du GigaHertz. Les applications peuvent également concerner le domaine des antennes intégrées directement sur silicium, o Les fréquences peuvent atteindre le téraHertz. Le point critique, pour toutes ces technologies, est le transport du signal haute fréquence (encore appelé micro-onde), depuis l'antenne vers un circuit de traitement, ou entre deux circuits intégrés rapides, ce transport devant avoir lieu avec le moins d'altérations ou de dégradations possibles. Les causes d'altérations sont, en particulier, des couplages parasites entre lignes, des dispersions par émission ou la perte par charge ohmique. Pour lutter contre ces pertes, il est nécessaire d'adapter les lignes électriques, en diminuant leur résistance électrique et en améliorant la qualité des diélectriques utilisés dans les isolements interlignes. B 12272.3 PM Etat de la technique Depuis quelques années, on a vu se développer des structures sur silicium, présentant des lignes électriques adaptées aux très hautes fréquences. Une telle structure est décrite dans l'article de L.P.B. KATEHI, intitulé "Michromachined circuit for millimeter-and sub-millimeter-wave Applications" paru dans IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 35, n 5, pages 9 à 17, octobre 1993. Dans ce dispositif, l'air est utilisé comme diélectrique et un substrat en silicium micro-usiné est utilisé comme cavité de blindage électrique. Plus précisément, un tel dispositif est illustré sur la figure 1A, o les références 2 et 4 désignent des substrats en silicium haute résistivité. Le substrat 4 est usiné de façon à y ouvrir une cavité 6 qui débouche sur la face supérieure du substrat. Cette cavité est fermée, du côté de cette face supérieure, par une membrane 8, composée de couches SiO2-Si3N4- SiO2. Cette membrane sert de couche d'arrêt lors de la gravure de la cavité 6. Cette gravure est par exemple une gravure KOH. Sur les parois de la cavité, est déposée une couche 10, 12 de blindage CrAu. Une ligne micro-onde 14, apte à propager des ondes hyperfréquences est déposée sur la membrane 8. La membrane est en général la plus fine possible pour être transparente aux signaux hyperfréquences. Elle a une épaisseur de l'ordre du micromètre, pouvant atteindre au maximum quelques micromètres. Dans une telle configuration, le champ électrique est confiné entre la ligne 14 et les parois métallisées de la cavité 6. On obtient donc des vitesses de propagation rapide, une dispersion et des pertes diélectriques faibles. La figure lB, sur laquelle des références numériques identiques à celle de la figure 1A y B 12272.3 PM désignent des mêmes éléments, représente une variante. Un capot 16, en silicium, est rapporté sur la face avant du dispositif. Ce capot comporte également une cavité 18 dont les parois présentent une métallisation 20, 22. On obtient ainsi un blindage complet, des deux côtés de la membrane et de la ligne micro-onde. Dans les deux cas, la ligne micro-onde bénéficie de la présence de la cavité 6 pour éviter tout couplage parasite avec d'autres conducteurs. La cavité elle-même est reliée entièrement à la masse, ce qui procure un blindage efficace. Dans ce genre de structure, la membrane doit, pour pouvoir être efficace, avoir une épaisseur au maximum de quelques micromètres. De telles membranes peuvent être réalisées par dépôt de couches oxyde-nitrure- oxyde: une telle composition permet d'éviter toute contrainte à l'intérieur de la membrane, qui conduirait à sa destruction lors de sa libération, c'est-à-dire lors de la gravure du substrat 4 pour réaliser la cavité 6. On sait, à l'heure actuelle, réaliser des membranes sur des surfaces moyennement importantes, limitées en largeur à quelques millimètres. Ainsi, il est déjà très difficile d'obtenir une membrane de dimensions 20 mmx3 mm. On peut, de manière alternative, utiliser une membrane polyimide, qui, par nature, est en principe moins fragile. Néanmoins, la membrane obtenue reste fragile car suspendue, au-dessus de la cavité, sur une surface importante. D'une façon générale, il n'existe pas de solution permettant de réaliser une membrane qui soit suffisamment fine pour être transparente aux ondes, et qui, en même temps, soit suffisamment résistante, notamment aux chocs et aux vibrations, lors de B 12272.3 PM l'utilisation du composant. Ceci étant d'autant plus vrai que la membrane présente une surface importante. Un autre problème se présente lorsqu'on veut intégrer des circuits intégrés actifs haute fréquence au type de structure déjà présenté. Un exemple d'une telle intégration est représenté sur la figure 1C, sur laquelle les références numériques identiques à celles de la figure lA y désignent des mêmes éléments. Un circuit intégré 24 est relié à la ligne 14 par l'intermédiaire de fils 26 de montage. Ces fils de montage introduisent une limitation dans la vitesse de propagation des signaux haute fréquence. Exposé de l'invention La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif de propagation de micro-ondes, en particulier d'ondes hyperfréquences, ainsi que son procédé de réalisation, dans lequel la membrane, quoique fine, présente néanmoins une certaine résistance aux chocs et aux vibrations, lors de l'utilisation du dispositif. En outre, lorsque ce dispositif est combiné avec un circuit actif haute fréquence, la liaison dispositif de propagation-circuit actif présente une influence très limitée sur la propagation des ondes. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de propagation de micro-ondes, en particulier d'ondes hyperfréquences comportant: - un substrat dans lequel est réalisée une cavité ouverte sur un des côtés du substrat, - une membrane, déposée sur le substrat, au-dessus de la cavité, - au moins une ligne de transmission située sur la membrane, apte à propager une onde hyperfréquence, B 12272.3 PM caractérisé en ce que des moyens pour rigidifier la membrane sont fixés au moins sur la ligne et/ou sur la membrane, du côté o est située la ligne. La cavité peut être blindée. Les moyens pour rigidifier la membrane peuvent comporter au moins un circuit actif, par exemple un circuit intégré. Il peut être fixé par des éléments conducteurs, par exemple des microbilles métalliques. Une liaison par l'intermédiaire de billes présente d'excellentes propriétés électriques, notamment une faible capacitance et une faible résistivité, une longueur de connexion ultracourte et surtout une influence très limitée du circuit intégré sur les lignes conductrices micro-ondes. Les moyens pour rigidifier la membrane peuvent comporter, de manière alternative, un substrat passif, par exemple un substrat isolant ou une puce, relié à la ligne et/ou à la membrane par l'intermédiaire d'éléments d'ancrage isolants, par exemple par collage d'ancrages polymères ou de billes en plastique à la membrane et/ou à la ligne de transmission. De façon avantageuse, les moyens permettant de rigidifier la membrane sont fixés en outre au substrat (recouvert ou non par la membrane), par l'intermédiaire d'éléments d'ancrage qui peuvent être conducteurs ou isolants, dans une zone située au-delà de l'ouverture définie par la cavité sur un des côtés du substrat. Cette dernière caractéristique assure une meilleure tenue mécanique de l'ensemble. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif pour la propagation de micro-ondes, comportant: - une étape de dépôt d'une membrane sur un substrat, B 12272.3 PM - une étape de micro-usinage du substrat, afin de dégager une cavité sous la membrane, - une étape de formation, sur la membrane, d'au moins une ligne de transmission, apte à propager une onde hyperfréquence, cette étape suivant ou précédant l'étape de micro-usinage, - une étape de fixation, sur la ligne et/ou sur la membrane, du côté o est formée la ligne, de moyens pour rigidifier la membrane. L'étape de fixation peut avoir lieu après l'étape de micro-usinage. Cependant, la taille de la cavité est alors un peu limitée, car il y a toujours risque de rupture de la membrane lors des manipulations ayant lieu avant l'hybridation des moyens pour rigidifier la membrane. De manière avantageuse, on peut donc réaliser l'étape de fixation avant l'étape de micro-usinage. Dans ce cas, la limitation de la taille de la cavité n'existe plus, la membrane étant en effet libérée après réalisation des renforts ou moyens de rigidification. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - les figures lA, lB, 1C représentent des réalisations de l'art antérieur, - la figure 2 représente la réalisation d'un dispositif de propagation d'ondes hyperfréquences, conforme à l'invention, - les figures 3A à 3G représentent des étapes d'un procédé pour réaliser un dispositif selon l'invention, B 12272.3 PM - les figures 4A à 4E représentent des étapes d'un autre procédé pour réaliser un dispositif selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 2 représente, en perspective, un dispositif conforme à la présente invention. Ce dispositif comporte tout d'abord une structure, qui est similaire à celle qui a été décrite ci-dessus en liaison avec la figure 1A. Cette structure comporte un substrat 30 sur lequel est déposée une couche 32 (ou second substrat), ce substrat et cette couche étant tous deux de préférence en silicium. La couche 32 est usinée ou micro-usinée et présente donc une cavité 34 dont les parois 36, 38 peuvent être métallisées, par exemple à l'aide d'un dépôt CrAu formant blindage. Une membrane 40 est déposée sur la tranche 32, au-dessus de la cavité 36. Elle ferme donc cette dernière sur un côté. Cette membrane peut être une membrane minérale ou organique de quelques micromètres d'épaisseur. L'épaisseur est adaptée de façon à ce que la membrane soit transparente au moins aux signaux hyperfréquences, pour la gamme de longueurs d'onde utilisée. Sur la membrane sont déposées par exemple trois lignes 42, 44, 46 aptes à la propagation d'ondes hyperfréquences. Ces lignes sont reliées à un dispositif hyperfréquence, par exemple par l'intermédiaire d'une entrée 48 et de deux sorties 50, 52. Ces lignes ont par exemple une largeur de 1 à 20 pm et une longueur de 20 à 2000 nm. Conformément à l'invention, deux circuits intégrés 54, 56 sont hybridés, du côté de la membrane sur lequel les lignes 42, 44, 46 sont formées. L'hybridation est réalisée à l'aide de microbilles conductrices B 12272.3 PM d'interconnexion qui réalisent une liaison entre chacun des circuits et les lignes de transmission de la membrane 40. Chacun des circuits intégrés est relié à d'autres éléments non représentés sur la figure, par l'intermédiaire d'entrées-sorties basses fréquences 58, , 62, 64. Dans le dispositif représenté sur la figure 2, ce sont les circuits intégrés 54, 56 eux-mêmes qui permettent de rigidifier la membrane 40. En outre, une liaison hyperfréquence est établie entre les deux circuits intégrés, par l'intermédiaire des microbilles de connexion et des lignes de transmission 42, 44, 46. Les circuits intégrés sont hybridés, au-dessus de la cavité 36, ce qui assure une bonne tenue mécanique de la membrane. Sur la figure 2, ont été représentés trois lignes de transmission et deux circuits intégrés. Il est clair que l'invention n'est pas limitée à ce nombre de lignes, mais concerne un dispositif comportant un nombre quelconque de lignes (1, 2, 4 ou plus) et un nombre quelconque de circuits (l'effet de renfort obtenu par circuit hybridé se manifeste déjà pour un seul circuit, à l'endroit o ce dernier est hybridé). Par ailleurs, l'effet de renfort est également obtenu si on hybride, non pas un circuit intégré, mais un substrat quelconque, par exemple un substrat passif isolant, ou une puce silicium. Cette hybridation peut avoir lieu par collage à l'aide d'ancrages polymères ou à l'aide de billes ou de microbilles, par exemple de billes plastiques, collées sur la membrane et/ou sur les lignes de transmission hyperfréquences. Une telle structure peut être réalisée si aucune puce ou circuit actif n'est nécessaire au dispositif, par exemple dans le cas d'antennes intégrées. B 12272.3 PM Par conséquent, d'une façon générale, il y a, dans la structure selon l'invention, un renfort ou une aide à la tenue mécanique de la membrane qui supporte les lignes micro-ondes. De ce fait, il est possible de réaliser des surfaces de membranes libres (c'est-à-dire passant par dessus une cavité micro-usinée) beaucoup plus importantes que dans les structures connues et, surtout, présentant une tenue ou résistance plus importante aux chocs, aux vibrations mécaniques et aux chocs thermiques. La structure de la figure 2 montre que, si on a besoin de réaliser une liaison micro-onde entre circuits intégrés, la liaison circuit intégré/ligne micro-onde se fait avantageusement par l'intermédiaire de microbilles conductrices d'interconnexion. Ces dernières présentent en effet d'excellentes propriétés électriques: faible capacitance, faible résistivité, longueur de connexion ultracourte. En outre, on obtient une influence très limitée du circuit intégré sur les lignes conductrices micro-ondes. En effet, il existe toujours un intervalle d'air entre un circuit, tel que le circuit 54, et la membrane 40, du fait de la présente des microbilles. Ceci permet d'éliminer les effets de couplage, par rapport au montage par fils. De plus, la possibilité d'hybrider un circuit sur la membrane, en conservant un intervalle d'air, donc sans pénaliser les performances des lignes hyperfréquences, est un net avantage pour une intégration maximale. Des procédés de réalisation d'un dispositif selon l'invention vont maintenant être décrits. Un premier procédé est décrit en liaison avec les figures 3A à 3G. Dans une première étape (Fig. 3A), un masque 66 pour lithographie est positionné sur la face arrière d'un substrat 68, par exemple un substrat en B 12272.3 PM silicium. Une membrane 70 est ensuite déposée sur la face avant de ce substrat (Fig. 3B). Cette membrane peut être une membrane composite SiO2-Si3N4-SiO2 obtenue par exemple par oxydation thermique et CVD. Des lignes 72, 74 pour la propagation d'ondes hyperfréquences, ainsi qu'éventuellement des connexions latérales 76, 78, peuvent ensuite être réalisées sur la membrane 70, par exemple par masquage et évaporation métallique (Fig. 3C). Une cavité 80 peut ensuite être gravée ou micro-usinée dans le substrat 68 à partir de la face arrière de ce dernier, par exemple par gravure en KOH, le masquage 66 permettant de définir la zone de gravure et permettant d'ouvrir une cavité. Dans cet exemple, la gravure définit une cavité dont les parois latérales 82 se resserrent depuis la face arrière du substrat 68, en direction de sa face avant (Fig. 3D). Après avoir éliminé le masquage 66 (Fig. 3E) par gravure de la face arrière du substrat 68, un blindage 84 des parois latérales 82 de la cavité 80 peut être réalisée, par exemple par dépôt de CrAu par évaporation (Fig. 3F). Par ailleurs, un capot 86, par exemple lui aussi en silicium, présentant également une surface 88 métallisée, est soudé au substrat 68. Les références , 92 désignent les zones de soudure, entre le capot 86 et le substrat 68, qui sont réalisées par exemple par brasure de métal fusible ou par compression thermo- métallique de métaux. La cavité 80 est alors, dans le plan de la figure 3F, complètement fermée, sur trois côtés par une métallisation 84, 88 et sur un côté par la membrane 70. Enfin (Fig. 3G), un circuit intégré 94 est hybridé sur les lignes 72, 74 et sur les connexions 76, 78 à l'aide de microbilles 96, 98, 100, 102. La liaison se fait par hybridation classique en "Solder Reflow": la puce ou, plus généralement, le raidisseur est placé par l'intermédiaire de microbilles fusibles B 12272.3 PM au-dessus de la membrane et la soudure se fait préférentiellement à haute température, sans application de pression, ce qui ne génère aucune contrainte sur la membrane. On voit qu'il est donc possible d'obtenir un dispositif conforme à l'invention à l'aide d'un procédé compatible avec les techniques utilisées en micro- électronique, permettant une mise en oeuvre collective. La succession d'étapes décrites ci-dessus en liaison avec les figures 3A à 3G pose cependant un problème: cette manière de procéder limite un peu la taille de la cavité 80, car on court toujours le risque d'une rupture de la membrane 70 lors des manipulations avant l'hybridation de l'élément de renfort 94. Afin de remédier à cet inconvénient, un autre procédé est proposé, qui va être maintenant décrit en liaison avec les figures 4A à 4E. Dans ce procédé, on réalise tout d'abord, comme précédemment, un masquage 106 d'un substrat 108, puis le dépôt d'une membrane 110 et la formation de lignes 112, 114 pour la transmission des ondes hyperfréquences, ainsi que, éventuellement, la formation de connexions latérales 116, 118 (Fig. 4A). Puis, on réalise immédiatement l'hybridation de l'élément de renfort 120, par exemple à l'aide de microbilles 122, 124, 126, 128. La membrane 110 peut ensuite être libérée par micro-usinage ou gravure, à partir de la face arrière du substrat 108, par exemple par gravure KOH. On obtient ainsi une cavité 130 (Fig. 4C). La face arrière du substrat 108 est ensuite gravée de manière à éliminer les éléments de masquage 106. Puis, une métallisation est déposée sur les parois latérales 132 de la cavité 130 (Fig. 4D). Enfin, on réalise la jonction avec un capot 134 présentant une métallisation 136, les références 138, 140 désignant B 12272.3 PM les zones de soudage entre le substrat 108 et le capot 134 (Fig. 4E). Ce second procédé permet de réaliser tout d'abord le renfort mécanique nécessaire de la membrane, avant de libérer celle-ci par gravure du substrat et formation de la cavité. Ainsi, il n'y a plus de limitation sur la taille de la cavité qui est réalisée. Les deux procédés décrits ci-dessus mettent en oeuvre l'hybridation d'un circuit 94, 120 par des microbilles 96-102 et 122-128. Cependant, ces deux procédés peuvent tout aussi bien être appliqués à un élément de renfort quelconque, par exemple un substrat passif ou isolant, la liaison avec la membrane 70, 110 ayant lieu de préférence à l'aide d'éléments d'ancrage polymères ou de microbilles, par exemple en plastique, qui sont collées. B 12272.3 PM REVENDICATIONS 1. Dispositif de propagation de micro-ondes, en particulier d'ondes hyperfréquences, comportant: - un substrat (38, 68, 108) dans lequel est réalisée une cavité (34, 80, 130) ouverte sur un des côtés du substrat, une membrane (40, 70, 110) déposée sur le substrat, au-dessus de la cavité, - au moins une ligne de transmission (42, 44, 46, 72, 74, 112, 114) située sur la membrane (40, 70, 110), apte à propager une onde hyperfréquence, caractérisé en ce que des moyens (54, 56, 94-112, 120- 128) pour rigidifier la membrane sont fixés sur la ligne de transmission et/ou sur la membrane, du côté o est située la ligne. 2. Dispositif de propagation de micro-ondes selon la revendication 1, la cavité étant une cavité blindée. 3. Dispositif de propagation de micro-ondes selon l'une des revendications 1 ou 2, les moyens pour rigidifier la membrane comportant au moins un circuit actif (54, 56, 94, 120). 4. Dispositif selon la revendication 3, au moins un circuit actif (54, 56, 94, 120) étant relié à la membrane par l'intermédiaire d'éléments conducteurs (96-102, 122-128). 5. Dispositif selon la revendication 4, les éléments conducteurs étant des microbilles conductrices (96-102, 122-128). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, les moyens pour rigidifier la membrane comportant au moins un substrat passif. 7. Dispositif selon la revendication 6, le substrat passif étant relié à la membrane et/ou à la B 12272.3 PM ligne par l'intermédiaire d'éléments d'ancrage isolants. 8. Dispositif selon la revendication 7, les éléments d'ancrage étant des billes en plastique. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, les moyens pour rigidifier la membrane étant en outre fixés, par l'intermédiaire d'éléments d'ancrage, conducteurs ou isolants, au substrat dans lequel est réalisée la cavité, dans une zone située au- delà de l'ouverture définie par la cavité sur un des côtés du substrat. 10. Procédé de réalisation d'un dispositif pour la propagation de micro-ondes, comportant: - une étape de dépôt d'une membrane (70, 110) sur un substrat (68, 108), - une étape de micro-usinage du substrat, afin de dégager une cavité (80, 130) dans le substrat, sous la membrane, - une étape de formation d'au moins une ligne (72, 74, 112, 114) de propagation, apte à propager une onde hyperfréquence, qui suit ou qui précède l'étape de micro-usinage, - une étape de fixation de moyens (94-102, 122- 128) pour rigidifier la membrane, la fixation ayant lieu sur la ligne et/ou sur la membrane, du côté o est formée la ligne de propagation. 11. Procédé selon la revendication 10, l'étape de fixation des moyens (120-128) pour rigidifier la membrane (110) ayant lieu avant l'étape de micro- usinage. 12. Procédé selon la revendication 10, l'étape de fixation de moyens (94102) pour rigidifier la membrane (70) ayant lieu après l'étape de micro-usinage. B 12272.3 PM 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, comportant en outre une étape de métallisation de la cavité. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, les moyens pour rigidifier la membrane comportant au moins un circuit actif (94, 120). 15. Procédé selon la revendication 14, au moins un circuit actif (94, 120) étant relié à la ligne par l'intermédiaire d'éléments conducteurs (96-102, 122- 128). 16. Procédé selon la revendication 15, les éléments conducteurs étant des microbilles métalliques (96-102, 122-128). 17. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, les moyens pour rigidifier la membrane comportant au moins un substrat passif. 18. Procédé selon la revendication 17, le substrat passif étant relié à la ligne et/ou à la membrane par l'intermédiaire d'éléments d'ancrage isolants. 19. Procédé selon la revendication 18, les éléments d'ancrage étant des billes en plastique. B 12272.3 PM