Brevet FR2986912A1 — publié le 20130816

Microcommutateur hyperfréquences et son procédé de fabrication La présente invention concerne entre autre le domaine des micro-commutateurs hyperfréquences dits MEMS RF (radio frequency micro-electro-mechanical system). Ces MEMS RF permettent de réaliser des fonctions de commutation dans le domaine des hyperfréquences (1 à 100 GHz), des fonctions d'accord en bande ou en fréquence de composants tels que des filtres, mais pourront aussi, à terme, être utilisés pour des fonctions d'amplificateurs de puissance ou d'antennes. Les MEMS RF sont constitués par un substrat de forte résistivité (par exemple en silicium HR, verre, céramique, GaN) sur lequel est placée une ligne coplanaire généralement en or dans laquelle circule le signal RF que l'on veut transmettre ou bloquer. Cette ligne coplanaire comporte une ligne centrale et deux lignes de masse situées de part et d'autre de la ligne centrale. Au-dessus de la ligne centrale est suspendue une membrane généralement réalisée en or, aluminium ou tungstène, qui peut être activée par l'application d'une tension. Le matériau et les dimensions de la membrane doivent conférer à celle-ci des propriétés conductrices dans le domaine des hyperfréquences, et des propriétés mécaniques permettant sa déformation lors du fonctionnement du MEMS RF. Un diélectrique (Si3N4, SiO2, TiO2 ou d'autres isolants de forte permittivité, contrôlée en fonction des domaines de fréquences d'utilisation) est déposé sur la ligne centrale sous la membrane pour permettre l'obtention d'un contact capacitif quand la membrane est activée. Dans le cas d'un MEMS-RF de type parallèle (respectivement MEMS-RF de type série) lorsque la membrane n'est pas activée le signal RF est transmis (respectivement bloqué) et la situation est inversée lorsque la membrane est activée. En effet, pour une configuration de type parallèle lorsqu'une tension est appliquée entre la membrane (qui constitue une électrode haute du MEMS RF) et la ligne (qui constitue une électrode basse du MEMS RF), la membrane se déforme et vient au contact du diélectrique. En fonction de l'épaisseur du diélectrique et de sa constante diélectrique, un domaine fréquentiel du signal est transmis à la masse à laquelle la membrane est reliée. Pour une configuration de type série, on se trouve dans la situation inverse. Généralement, la membrane repose sur deux piliers qui, dans le cas d'un MEMS RF de type parallèle, sont constitués par les lignes de masse de la ligne coplanaire, et dans le cas des MEMS RF de type série sont indépendants de la ligne coplanaire. Une des principales limitations à l'utilisation des MEMS RF est, dans l'état actuel de la technique, lié au fait que leur durée de vie dépend largement de la charge qui s'accumule dans le diélectrique au fil de son utilisation. Cette charge modifie la tension d'activation du MEMS RF. Elle peut aussi conduire à une défaillance du MEMS RF. Cette charge peut avoir une origine intrinsèque : électrons, trous ou dipôles. Elle peut avoir aussi une origine extrinsèque, c'est-à-dire être constituée de trous ou d'électrons injectés par les électrodes lorsque le MEMS RF est activé. Les charges accumulées dans la partie du diélectrique proche de l'électrode basse, constituée par la ligne, peuvent être facilement évacuées dans l'électrode basse lorsque la tension aux bornes du MEMS RF est supprimée. Mais ce n'est pas le cas pour les charges accumulées dans la partie du diélectrique la plus proche de l'électrode haute, car cette électrode, autrement dit la membrane, est mobile. Lorsque la tension aux bornes du MEMS RF est supprimée, la membrane se replace dans sa position nominale où elle n'est pas au contact du diélectrique. Les charges de la partie du diélectrique la plus proche de la membrane ne peuvent alors s'évacuer que par l'électrode basse, en traversant l'ensemble du diélectrique. Ce processus est très lent, sa constante de temps est de l'ordre du jour. On a tenté à de nombreuses reprises d'éviter ce phénomène de chargement du diélectrique des MEMS RF. Notamment on a étudié la possibilité de doper le diélectrique à l'aide de nanotubes de carbone. Ces nanotubes augmentent la conductivité du diélectrique, donc la rapidité d'évacuation de la charge, ce qui améliore la fiabilité du MEMS RF. Cependant, les nanotubes de carbone favorisent l'injection de la charge lorsque la membrane est en contact avec le diélectrique. De plus, cela provoque une rugosité de la surface du diélectrique destinée à venir au contact de la membrane. Cette rugosité dégrade la qualité du contact diélectrique/membrane, et favorise l'accumulation des charges, ce qui peut altérer les performances hyperfréquences du MEMS RF. Egalement, les nanotubes de carbone modifient la capacité du dispositif du fait de leur caractère métallique, et ils forment un prolongement de l'électrode basse, ce qui influe sur le domaine fréquentiel de fonctionnement du MEMS RF. Le but de l'invention est de proposer une nouvelle conception de MEMS RF qui permette de supprimer les inconvénients des diélectriques logés aux nanotubes de carbone en conservant leurs avantages en matière d'évacuation des charges du diélectrique. A cet effet, l'invention a pour objet un microcommutateur hyperfréquences, comportant un substrat, une ligne coplanaire dans laquelle est destiné à circuler un signal à transmettre et comportant une ligne centrale et deux lignes de masse, un diélectrique déposé sur la ligne centrale, et une membrane placée au-dessus du diélectrique, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne, caractérisé en ce que ledit diélectrique est constitué, au moins en partie, par au moins un matériau à transition de phase isolant/métal (MIT). Ledit au moins un MIT peut être de l'oxyde de vanadium V02. La totalité dudit diélectrique peut être constituée par ledit au moins un matériau MIT. Ledit diélectrique peut être constitué par une hétérostructure composée dudit au moins un MIT et d'une matrice en un matériau diélectrique dans laquelle ledit au moins un MIT est noyé, une partie au moins des structures MIT étant en contact avec la ligne. Ledit au moins un MIT peut alors être présent sous forme de nanofils. Ledit au moins un MIT peut aussi être présent sous forme de micro-colonnes. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un microcommutateur hyperfréquences comportant un substrat, une ligne coplanaire dans laquelle est destiné à circuler un signal à transmettre, un diélectrique déposé sur la ligne, et une membrane placée au-dessus du diélectrique soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne, et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne, caractérisé en ce qu'on incorpore au diélectrique au moins un matériau à transition de phase isolant/métal (MIT). On peut réaliser la totalité dudit diélectrique avec au moins un matériau MIT. On peut incorporer ledit MIT dans ledit diélectrique sous forme de nanofils, en déposant sur la ligne une ou des couches desdits nanofils, enchevêtrés ou orientés, et après chaque dépôt de couche de nanofils, on dépose un diélectrique pour y noyer ladite couche. On peut incorporer ledit MIT dans ledit diélectrique sous forme de micro-piliers en déposant sur la ligne successivement une couche de diélectrique, une couche de protection du diélectrique et une couche de résine, en gravant le diélectrique pour le mettre sous forme de plages recouvertes par la couche de protection, entre lesquelles la ligne est mise à nu, en noyant le diélectrique dans un dépôt de MIT, et en gravant le MIT de façon à araser l'ensemble en ne laissant subsister sur la ligne que les plages de diélectrique séparées par des piliers de MIT. Comme on l'aura compris, l'invention repose sur l'utilisation, pour constituer l'élément diélectrique recouvrant la ligne du MEMS RF, d'un matériau à transition de phase isolant/métal (MIT). Il peut être utilisé seul, ou comme composant d'une hétérostructure composée : - dudit MIT ; - et d'une matrice de matériau diélectrique dans laquelle ledit matériau à transition de phase est noyé, avec une densité maîtrisée du matériau à transition de phase dans la matrice. Dans ce dernier cas, une partie, au moins, des structures MIT doit être en contact avec la ligne, afin de permettre l'écoulement rapide des charges dans celle-ci, y compris, donc, des charges présentes dans les zones du diélectrique opposées à la ligne, donc les plus proches de la membrane. Pendant l'activation du MEMS RF, le matériau MIT est dans sa phase isolante, et en conséquence il n'introduit pas de charges supplémentaires contrairement à un diélectrique classique comportant des inclusions métalliques (nanotubes de carbone). Et lorsque des charges se sont accumulées dans l'élément diélectrique, il suffit d'utiliser un des moyens d'activation faisant passer le matériau MIT de l'état d'isolant à un état métallique pour qu'il permette l'évacuation des charges vers la ligne. Cette opération peut être effectuée à des intervalles de temps choisis par l'utilisateur, par exemple de façon régulièrement espacée ou de façon systématique pendant les plages de repos du MEMS RF. Il faut simplement veiller à procéder à cette opération avant la défaillance du MEMS RF, qui survient habituellement au bout de 1010 commutations environ. En choisissant correctement le matériau MIT et sa concentration dans le diélectrique, en fonction de la nature de celui-ci, on parvient à ne pas altérer sensiblement les propriétés de l'élément diélectrique, donc à ne pas modifier la gamme de fréquences de fonctionnement du MEMS RF. Les matériaux MIT, selon l'invention, se substituent donc aux nanotubes de carbone qu'il était connu d'incorporer aux diélectriques des MEMS RF. Les matériaux à transition de phase isolant/métal sont connus depuis plusieurs décennies. Ils sont étudiés pour aider à la compréhension des mécanismes intervenant dans cette transition de phase. L'oxyde de vanadium VO2 est un exemple privilégié mais non exclusif d'un tel matériau, dont il apparaît qu'il est bien adapté à l'usage selon l'invention. En effet, sa transition de phase s'effectue à une température de 68t. Or, pour l'application visée, il est indispensable que la transition isolant/métal s'effectue à une température supérieure à celle normalement atteinte par le MEMS RF lorsqu'il est en état d'activation. L'utilisation du VO2 répond à ce critère, d'autant plus qu'il est encore possible d'augmenter la température de transition du VO2 en le dopant, par exemple avec des cations trivalents Cr3+ ou Al3+. La transition de phase isolant/métal du VO2 peut donc être contrôlée par voie thermique, mais elle peut aussi être contrôlée par des voies électriques ou optiques. C'est la voie thermique qui a été la plus utilisée jusqu'à ce jour, car c'est la plus simple à mettre en oeuvre. Mais le contrôle par voie électrique ou optique présente l'avantage de permettre un meilleur contrôle de la transition, et de diminuer considérablement sa durée. Celle-ci peut être de l'ordre de la milliseconde par la voie thermique, de la nanoseconde par la voie électrique, et de la femtoseconde par la voie optique . La constante diélectrique du VO2 est élevée, de l'ordre de 20. On peut donc incorporer le VO2 aux matériaux diélectriques habituellement utilisés dans les MEMS RF à de fortes concentrations, sans que le contact capacitif entre la membrane et la ligne coplanaire soit détérioré. Le domaine fréquentiel du MEMS RF n'est donc pas modifié par rapport à un MEMS RF dont le diélectrique aurait une composition classique. Alternativement, on peut envisager de constituer l'élément diélectrique entièrement en VO2. Les propriétés comparées du VO2 dans ses états isolants (à moins de 68`C) et métallique (au-dessus de 68`C) sont les suivantes. A l'état isolant, le VO2 a une structure cristallographique monoclinique du groupe P21/C, alors qu'il a une structure quadratique du groupe d'espace P42/mnm à l'état métallique. A l'état isolant, le VO2 est semi-conducteur avec un gap de 0,8 eV. A l'état métallique, sa conductivité électrique est supérieure à 105 Q.cm-1. A l'état isolant, le VO2 est transparent dans la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge aux hyperfréquences. A l'état métallique, il est opaque, et fortement absorbant et réfléchissant dans la gamme de longueurs d'onde allant de l'infrarouge aux hyperfréquences. Le VO2 dans le diélectrique peut se présenter sous la forme de nanofils, dont des méthodes de synthèse sont décrites, notamment, dans les références : - B.S. Guiton et al. « Single Crystalline Vanadium Dioxide Nanowires with Rectangular Cross Sections » J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 498-499 ; - Markus Niederberger « Synthesis and characterization of novel micro-and nanostructured vanadium, molybdenum, and iron oxides », these de doctorat du Swiss Federal lnstitute of Technology, Zurich, 2000 ; - K.C. Kam et al; « Thermochromic VO2 nanorods and other vanadium oxides nanostructures » Mat. Res. Bull. 41 52006°1015-102 1 ; - J. Cao et al. « Strain engineering and one-dimensional organization of metalinsulator domains in single-crystal vanadium dioxide beams » Nature Nanotechnology, 4, 732 (200). Le plus couramment, la synthèse des nanofils est réalisée par voie hydrothermale, mais on peut également utiliser, notamment, le procédé par faisceau d'ions localisé (focused ion beam) pour faire croître des nanofils de VO2. Lors de la fabrication du MEMS RF, pour réaliser le diélectrique incorporant les nanofibres, on peut déposer sur la ligne une ou des couches successives de nanofibres enchevêtrées ou orientées, et entre chaque dépôt de couche de nanofibres, réaliser notamment par pulvérisation le dépôt du diélectrique dans lequel les nanofibres se retrouvent noyées. Une autre possibilité consiste à réaliser un diélectrique contenant des micro-piliers de VO2. On peut, à cet effet, déposer sur la ligne successivement une couche de diélectrique, une couche de SiO2 ou de métal pour protéger ultérieurement le diélectrique lors de la gravure, et une couche de résine. Puis on grave le diélectrique pour le mettre sous forme de plages recouvertes par la silice ou le métal, entre lesquelles la ligne est mise à nu. Puis on noie le diélectrique dans un dépôt de VO2. Puis on grave le VO2 de façon à araser l'ensemble en ne laissant subsister sur la ligne que les plages de diélectrique séparées par des piliers de VO2. Le système à base de micropiliers a pour avantages de permettre de contrôler précisément les paramètres géométriques ainsi que l'emplacement de ces derniers. Du point de vue de la fabrication, les micropiliers permettent une bonne reproductibilité. Enfin, comme on l'a dit, on peut réaliser l'ensemble du diélectrique par un dépôt de VO2, réalisé par des moyens classiques. Ce qui vient d'être dit à propos du VO2 s'applique, bien entendu, aux autres matériaux comparables susceptibles d'être utilisés comme MIT dans le cadre de l'invention. L'invention, comme on l'a vu, est applicable aussi bien au cas des MEMS RF de type série qu'au cas des MEMS RF de type parallèle. REVENDICATIONS1.- Microcommutateur hyperfréquences, comportant un substrat, une ligne coplanaire dans laquelle est destiné à circuler un signal à transmettre et comportant une ligne centrale et deux lignes de masse, un diélectrique déposé sur la ligne centrale, et une membrane placée au-dessus du diélectrique, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne, caractérisé en ce que ledit diélectrique est constitué, au moins en partie, par au moins un matériau à transition de phase isolant/métal (MIT). 2.- Microcommutateur hyperfréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un MIT est de l'oxyde de vanadium V02. 3.- Microcommutateur hyperfréquences selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la totalité dudit diélectrique est constituée par ledit au moins un matériau MIT. 4.- Microcommutateur hyperfréquences selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit diélectrique est constitué par une hétérostructure composée dudit au moins un MIT et d'une matrice en un matériau diélectrique dans laquelle ledit au moins un MIT est noyé, une partie au moins des structures MIT étant en contact avec la ligne. 5.- Microcommutateur hyperfréquences selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un MIT est présent sous forme de nanofils. 6.- Microcommutateur hyperfréquences selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un MIT est présent sous forme de micro-colonnes. 7.- Procédé de fabrication d'un microcommutateur hyperfréquences comportant un substrat, une ligne coplanaire dans laquelle est destiné à circuler un signal à transmettre, un diélectrique déposé sur la ligne, et une membrane placée au-dessus du diélectrique soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne, soit en se trouvant à distance du diélectrique lorsqu'une tension est appliquée entre elle et la ligne et pouvant venir au contact du diélectrique lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre elle et la ligne, caractérisé en ce qu'on incorpore au diélectrique au moins un matériau à transition de phase isolant/métal (MIT). 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on réalise la totalité dudit diélectrique avec au moins un matériau MIT. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on incorpore ledit MIT dans ledit diélectrique sous forme de nanofils, en déposant sur la ligne une ou des couches desdits nanofils, enchevêtrés ou orientés, et en ce qu'après chaque dépôt de couche de nanofils, on dépose un diélectrique pour y noyer ladite couche. 10.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on incorpore ledit MIT dans ledit diélectrique sous forme de micro-piliers en déposant sur la ligne successivement une couche de diélectrique, une couche de protection du diélectrique et une couche de résine, on grave le diélectrique pour le mettre sous forme de plages recouvertes par la couche de protection, entre lesquelles la ligne est mise à nu, on noie le diélectrique dans un dépôt de MIT, et on grave le MIT de façon à araser l'ensemble en ne laissant subsister sur la ligne que les plages de diélectrique séparées par des piliers de MIT.