Brevet FR2930370A1 — publié le 20091023

Composants microsystèmes comportant une membrane comprenant des nanotubes Le domaine de l'invention est celui des composants microsystèmes encore appelés MEMS (acronyme pour Micro Electro Mechanical Systems) et plus particulièrement des microcommutateurs radiofréquence ou hyperfréquence intégrant une membrane déformable sous l'action d'un champ électrostatique. Les domaines d'applications principaux sont les systèmes de télécommunications sans fils et les radars. Les composants microsystèmes se sont développés depuis quelques années à partir des technologies mises en oeuvre pour la 10 réalisation des circuits électroniques. Ils comprennent généralement une membrane ou une poutre métallique de faible épaisseur, maintenue suspendue par des supports au-dessus de surfaces conductrices isolées entre elles. Une électrode de commande placée sous les surfaces conductrices et éventuellernent séparée 15 desdites surfaces conductrices par une couche isolante complète le dispositif. L'ensemble membrane û électrode de commande est soumis à une tension électrique au moyen de l'électrode de commande. En l'absence de tension appliquée, la membrane est suspendue au-dessus des surfaces 20 conductrices et il n'y a aucun contact électrique entre celles-ci (Etat OFF). Dans ce cas, aucun signal électrique ne peut passer entre les surfaces conductrices. Lorsque l'on soumet l'ensemble membrane - électrode à une tension croissante, la membrane est soumise à une force électrostatique qui la déforme jusqu'à ce que la membrane entre en contact avec les surfaces 25 conductrices pour une tension caractéristique, permettant de faire passer un signal électrique (Etat ON). En général, on n'utilise pas les microcommutateurs MEMS radiofréquence ou hyperfréquence en interrupteur simple. En effet, le contact direct entre la membrane et les surfaces conductrices ou l'électrode de 30 commande diminue notablement la durée de vie du dispositif. On interpose entre les surfaces et la membrane une couche de diélectrique. On transforme ainsi la fonction simple ON/OFF en variation de capacité d'un condensateur dont les armatures sont constituées d'une part de la membrane et d'autre part de l'électrode de commande en regard. La capacité varie alors d'une valeur Coä à une valeur Coff. Les principaux avantages de ce type de dispositif sont 5 essentiellement : • Les techniques de réalisation qui sont dérivées des technologies classiques de fabrication de circuits intégrés électroniques. Elles permettent de simplifier la réalisation et l'intégration et par conséquent, d'obtenir des coûts de fabrication faibles comparés à creux d'autres 10 technologies, tout en garantissant une fiabilité élevée ; • Les très faibles puissances électriques consommées, quelques nanojoules étant nécessaires à l'activation ; • L'encombrement. On réalise ainsi un microcommutateur dans une surface de l'ordre du dixième de millimètre carré, permettant d'atteindre 15 une forte capacité d'intégration ; • Les performances en utilisation hyperfréquence. Ce type de microcommutateur présente des pertes d'insertion très faibles, de l'ordre du dixième de déciBel, bien inférieures à celles de dispositifs assurant les mêmes fonctions. 20 En général, la membrane supérieure déformable est réalisée par dépôt sur un substrat de base d'une ou plusieurs couches de matériaux, au moins l'une de ces couches étant un matériau conducteur. Ces matériaux sont ceux habituellement utilisés en micro-électronique. Une application particulièrement intéressante de ces 25 microsystèmes réside dans leur utilisation en tant que commutateurs hyperfréquences à haute puissance. Le fonctionnement de ce type de commutateur est notamment illustré en figure 1, 2 et 3. Dans la position initiale, la membrane 11 se trouve à une distance d par rapport à une ligne RF 12, sur laquelle une couche de nitrure 13 est 30 déposée comme illustré en figure 1. En supposant que la ligne RF soit également utilisée comme électrode, les deux extrémités de la membrane sont à la masse 14 comme illustré en figure 2. Si on applique une différence de potentiel V entre l'électrode et la membrane, les deux parties sont rapprochées en attirant la membrane vers 35 l'électrode inférieure (la piste RF). Il est à noter que d'autres actionnements sont envisageables tels que les actionnements thermiques, piézoélectriques, magnétostatiques ou hybrides. A une valeur V de la tension, le déplacement de la membrane dépasse le tiers du gap initial. Ainsi la membrane s'effondre sur l'électrode inférieure comme illustré en figure 3. Le switch est dit en position basse et cette valeur de tension est dénommée tension d'activation. Quand la membrane est en position haute, illustrée en figure 1, le signale RF passe dans la ligne RF sans être perturbé. Quand la membrane est en position basse le signal passe dans la ligne RF et est court-circuité par la membrane ce qui crée une réflexion de l'onde EM (signal hyperfréquence) sur la membrane, le signal ne traverse pas le switch MEMS RF. A partir de simulations effectuées pour analyser le passage du signal RF dans la membrane, il est possible d'observer que ce même signal se propage en restant sur le bord de la membrane. Cette bande de préférence pour la propagation du signal est d'environ 10% par rapport à la totalité de la largeur de la membrane. En supposant qu'une puissance très élevée passe par la ligne RF, le 20 matériau qui constitue la membrane doit être le plus épais possible afin de supporter la puissance qui passe à travers le switch. En effet, cette puissance peut provoquer une dégradation très importante des caractéristiques mécaniques de la membrane et donc de ses performances. Ceci peut entraîner une forte réduction du temps de vie du 25 dispositif. Le problème pour la réalisation d'une membrane plus épaisse est lié à la forte augmentation de la tension . De manière plus précise, la membrane peut typiquement selon l'art 30 connu être réalisée par un empilement de deux couches métalliques. La membrane est soumise à des mouvements mécaniques lorsque le microcommutateur MEMS RF est activé et à des échauffements lorsque la puissance travers la membrane. Ces deux phénomènes sont cause de limitation en durée de vie du microcommutateur pour l'actionnement 35 mécanique et en tenue en puissance pour l'échauffement. Dans ce contexte et pour résoudre les limitations précitées la présente invention propose un nouveau type de microcommutateur. Plus précisément, la présente invention a pour objet un microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur composé de deux armatures dont la première est une membrane flexible et la seconde comporte au moins une électrode de commande, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz et au moins une couche d'au moins un matériau isolant caractérisé en ce que la membrane comporte une couche comprenant des nanotubes. Selon une variante de l'invention, les nanotubes sont des nanotubes de matériau de type carbone ou silicium ou cuivre ou nitrure de gallium. Selon une variante de l'invention, la membrane comporte un matériau composite comportant des nanotubes. Selon une variante de l'invention, le matériau composite comporte un 15 polymère dans lequel sont dispersés des nanotubes. Selon une variante de l'invention, la membrane comporte en outre une couche supérieure conductrice, recouvrant la couche comportant des nanotubes. Selon une variante de l'invention l'épaisseur de la membrane est 20 comprise entre environ 500 - 700 nanomètres. Selon l'invention, le microcommutateur comprend des lignes coplanaires en or ou en cuivre ou en alliage de titane et tungstèneTiW. Selon une variante de l'invention, l'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un microcommutateur comportant en outre le dépôt 25 de nanotubes de carbone effectué à partir d'une solution comportant un solvant de type DiMéthyl-M éthyl-Formamide (DMF) ou DiChiore-Ethane (DCE) ou N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou DiChloro-Benzene (DCB) ou un mélange d'eau et de Dodécylsulfate de sodium (SDS). 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : les figures 1, 2 et 3 illustrent le fonctionnement de ce type de commutateur de l'art connu en tant que microcommutateurs 35 hyperfréquences à haute puissance ; les figures 4a, 4b et 4c illustrent un premier exemple de microcommutateur selon l'invention ; la figure 5 illustre un second exemple de microcommutateur selon l'invention ; De manière générale, le microcommutateur de l'invention présente une membrane dont les propriétés physiques sont particulièrement performantes en raison même de la nature du matériau choisi à base de nanotubes. En effet, il est à noter que la conductivité thermique de l'alumium et de ses alliages, matériaux classiquement utilisés dans les membranes de microcommutateurs de l'art connu, est comprise dans un intervalle bordé par des valeurs de l'ordre de 75 W/mK et 235 W/mK et que les métaux, de façon plus générale, présentent des conductivités comprises entre environ 5 et 390 W/mK. Alors que des matériaux de type graphite ou diamant ou de type nanotubes présentent respectivement des conductivités de l'ordre de 155 W/mK, 1350 W/mK et 5000 W/mk. Par ailleurs, il est essentiel de constituer des membranes de bonne tenue mécanique. Le tableau ci-dessous illustre les propriétés mécaniques d'éléments usuellement utilisés pour la fabrication de microcommutateur MEMS RF. Acier Aluminium Cuivre Or Tungstène Module d' 210 Gpa 70 Gpa 124 Gpa 78 Gpa 406 Gpa Young Limite élastique 200-800 70 Mpa 60 Mpa 124 Mpa 1 Gpa Mpa Selon l'invention il est proposé d'utiliser des matériaux à base de nanotubes de type simple épaisseur encore dénommés � single walis nanotubes � : � SWNT � ou multi-épaisseur � multiwalls nanotubes � : � MW NT � Les propriétés mécaniques pouvant être obtenues sont alors les suivantes : SWNT MWNT Module d' 1.06 Tpa 4 Tpa Young Limite élastique 130 Gpa Il ressort des données ci-dessus que les nanotubes de carbone qu'ils soient de type SWNT ou de type MWNT, possèdent des propriétés mécaniques supérieures à celles obtenues avec des métaux actuellement utilisés pour la fabrication des membranes des switch MEMS RF. Ce type de matériaux permet ainsi de concevoir des membranes de microcommutateur présentant une meilleure tenue en puissance grâce à une meilleure conductivité thermique. Par ailleurs, grâce à ce type de matériaux et à leurs propriétés, le temps de commutation des microcommutateurs MEMS RF est diminué de manière significative et ce notamment par exemple comparativement notamment aux temps de commutation obtenus typiquement avec des microcommutateurs comportant des membranes réalisées classiquement avec du TiW. En effet on obtient typiquement en première approximation du temps de commutation, l'équation suivante : ts 3.67 ~ avec = V V s nfo 27z- m Avec fo étant la fréquence de résonance mécanique de la membrane, Vp la tension d'activation, Vs la tension appliquée, m sa ruasse et k le coefficient de raideur de la membrane. Connaissant la formule de k : k = 2EWwt3 on se 813Wû612w2+w4 rend compte que pour des dimension égales, c'est la valeur du module 25 d'Young "E" qui crée la différence, W étant la largeur de la ligne hyperfréquence , w étant la largeur de la membrane. Le tableau ci-après montre que l'alliage titane/tungstène possède un module d'Young de 406 Gpa tandis que des nanotubes de carbones multicouches fournissent un module d'Young de l'ordre de 4 Tpa. 6 30 Matériau Module ken fonction Fréquence de Temps de dYoung du k TiW résonance mécanique commutation fo /forw TiW 406 Gpa 1 1 0.7-1 ps Matériau 4 TPa 10 5.67 0.1-0.2 ps composite Donc en conservant une topologie identique à celle d'une membrane avec une couche de TiW, on obtient un coefficient k environ 10 fois supérieur pour une réduction de la masse moyenne de la membrane d'un facteur 3.2 soit une augmentation de la fréquence de résonance mécanique de la membrane environ égale à 5.67, soit pour un rapport VANS constant une diminution approximative du temps de commutation par un facteur 5 à 6, les tensions Vp et Vs correspondant respectivement à tension nécessaire permettant d'abaisser la membrane et à la tension permettant de maintenir constante ladite membrane. Sans égaler les performances pures des nanotubes de carbone, des matériaux composites à base de nanotubes utilisés selon la présente invention, permettent d'améliorer les performances des microcommutateurs actuels comportant typiquement des membranes en Or ou en Aluminium/Titane-Tungstène. Nous allons décrire ci-après des exemples de microcommutateurs selon l'invention : Premier exemple de microcommutateur : Les figures 4a, 4b et 4c illustrent respectivement une vue en coupe, une vue de dessus avant réalisation de la membrane et une vue de 25 dessus après réalisation de la membrane. Sur un susbtrat de silicium 20, recouvert d'une couche 21 de diélectrique de type SiO2:, une ligne hyperfréquence 22 est réalisée typiquement en or, recouverte selon l'art connu d'une couche de diélectrique 23 de type PZT. Des piliers comportant des lignes de masse 24a et 24b supportent la membrane constituée d'une 30 couche de matériau composite 25 comportant des nanotubes de carbone. La20 figure 5b met en évidence la ligne hyperfréquence 22 recouverte d'une couche de matériau piézoélectrique 23, alors que la figure 4c met en évidence la membrane 25 surplombant ladite ligne hyperfréquence 22 recouverte de la couche diélectrique 23. Typiquement les épaisseurs des couches sont respectivement : couche 21 : de l'ordre de 2 microns ; - couche 22 : de l'ordre de 0,5 à 0,7 microns ; couche 23 : de l'ordre de 0.2 à 0.4 microns ; membrane 25 : de l'ordre de 500 à 700 nanomètres. Deuxième exemple de microcommutateur : Un substrat 30 supporte une couche de diélectique 31, une ligne hyperfréquence 32, recouverte d'une couche de diélectrique 33. Des piliers 34a et 34b supportent une membrane 35 constituée d'une couche de matériau composite 35a (permettant d'assurer de bonnes propriétés mécaniques et thermiques) et d'une couche conductrice 35b (permettant d'assurer de bonnes propriétés électromagnétiques et thermiques) comme illustré en figure 5. REVENDICATIONS1. Microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur composé de deux armatures dont la première est une membrane flexible (25) et la seconde comporte au moins une électrode de commande (22), les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz et au moins une couche d'au moins un matériau isolant (23) caractérisé en ce que la membrane comporte une couche comprenant des nanotubes. 2. Microcommutateur à actuation électrostatique selon la 10 revendication 1, caractérisé en ce que les nanotubes sont des nanotubes de matériau de type carbone ou silicium ou cuivre ou nitrure de gallium. 3. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane comporte un 15 matériau composite comportant des nanotubes. 4. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau composite comporte un polymère dans lequel sont dispersés des nanotubes. 5. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'épaisseur de la membrane est comprise entre environ 500 et 700 nanomètres. 25 6. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les nanotubes sont orientés au sein de la membrane. 7. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des 30 revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des lignes coplanaires en or ou en cuivre ou en alliage de titane/tungstène. 20 8. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane comporte en outre une couche supérieure conductrice à la surface de la couche comportant les nanotubes. 9. Microcommutateur à actuation électrostatique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ligne coplanaire comporte en outre une couche supérieure en matériau diélectrique. 10. Microcommutateur à actuation électrostatique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche diélectrique est: en PZT.5