Evolution des paramètres électromécaniques et physiques des microcommutateurs

LA PROBLEMATIQUE DE LA FIABILITE DES MEMS RF

Malgré de constantes améliorations en terme de conceptions et de performances micro-ondes, divers aspects ne sont pas encore maîtrisés et sont en cours d’investigations.
C’est notamment le cas de la fiabilité. Nous allons détailler dans cette partie les différents problèmes conditionnant la durée de vie des MEMS RF.

Défaillances dues aux conditions environnementales

Un MEMS, comme tout composant électrique, doit pouvoir fonctionner dans des conditions environnementales très difficiles : températures, chocs, humidité. Ces différentes agressions ont un impact d’autant plus grand sur le fonctionnement du micro-commutateur que ce type de composant possède une partie mobile dont le comportement est susceptible d’être modifié par l’environnement dans lequel il est placé. Il est alors nécessaire de protéger le MEMS en le mettant en boîtier, évitant ainsi tout risque d’altération des a fonctionnalité. Le packaging doit donc être hermétique et ne doit pas dégrader les propriétés avantageuses du microsystème en terme de poids, de volume, de coût et de performances hyperfréquences.
La mise en boîtier se décompose en 2 parties : l’anneau de scellement qui doit réaliser la cavité hermétique dans laquelle sera placée le MEMS et les interconnexions qui doivent amener le signal micro-onde.
Un exemple de cavité réalisée grâce à un anneau de scellement est montré en Figure 1.9. Ce niveau de packaging est réalisé au moyen de la technique IRS (Indent Reflow Sealing) mise au point par l’IMEC [7]. Cettetechnique permet de réaliser le vide ou d’insuffler un gaz inerte à l’intérieur de la cavité pour optimiser le fonctionnement du MEMS dans une ambiance neutre. Cependant, il est difficile d’obtenir une cavité totalement hermétique. Des études sont actuellement en cours pour améliorer l’herméticité comme par exemple le dépôt d’un matériau par-dessus le boîtier évitant toute craquelure de l’anneau de scellement ou encore l’ajout de « getters », matériaux absorbeurs d’humidité.

Contrôle de conditions environnementales

Les mesures sont effectuées dans la station sous pointes Suss-Microtec PAV150 présentée en Figure 1.16 [14]. Cette station de mesures permet d’effectuer des tests sous ambiance contrôlée, sous vide et possède un chuck contrôlé en température. Il est très intéressant d’étudier la fiabilité des MEMS dans une telle enceinte pour s’affranchir des problèmes dus à l’humidité et aux poussières et ainsi séparer les différents phénomènes pouvant être causes de défaillances.

Analyse optique de l’état mécanique des micro-commutateurs

Les mesures électriques sont associées à des mesures optiques au moyen d’un système d’holographie laser (Micromap 5000 d’Optonor) présenté en Figure 1.17(a). Ceci permet d’observer le mouvement d’un MEMS et ainsi de détecter et d’analyser les modes de défaillances. Cet instrument est basé sur l’interférence d’un faisceau laser dirigé sur le MEMS et la réflexion de ce laser sur un miroir de référence. Ces lignes d’interférences sont ensuite détectées par un capteur CCD (Cf. Figure 1.17(b)). Des mouvements lents (<10Hz) peuvent être étudiés sur quelques micromètres de déplacement avec une résolution de 10nm et des mouvements plus rapides jusqu’à 15MHz sur 80nm de déplacement peuvent être analysés avec une résolution de 3nm. Chaque mouvement du dispositif testé résulte en un changement des lignes d’interférence (Cf. Figure 1.17(c))

Analyse critique du banc de tests : avantages et inconvénients

Le principal avantage de ce banc de tests est qu’il est possible d’évaluer simultanément la durée de vie de plusieurs commutateurs. En effet, le signal mélangé peut être appliqué à plusieurs MEMS et un multiplexeur placé avant le filtre 3 permet de choisir quel commutateur sera mesuré. Un autre avantage par rapport au banc détaillé dans la section précédente est la possibilité de mesurer l’évolution des différents états mécaniques du commutateur. Ceci permet une meilleure compréhension des phénomènes de défaillance des micro-commutateurs capacitifs. En revanche, ce banc de tests ne permet pas d’effectuer des mesures micro-ondes et donc de placer les micro-commutateurs dans leur utilisation future.
Un autre inconvénient de ce banc de tests est la valeur maximale de la tension qu’il est possible d’appliquer au MEMS, soit 50V, ce qui constitue une limite car la tension est un facteur accélérateur de défaillance et il peut être intéressant d’appliquer des tensions plus élevées.

RESULTATS IMPORTANTS SUR LA FIABILITE DES MICROCOMMUTATEURS MEMS RF

Le premier résultat de fiabilité pour un MEMS RF apparaît en 1999 [15]. Z.J.Yao donne le nombre de cycles effectué par un micro-commutateur comme paramètre de durée de vie. D’autres résultats de ce type suivront etce paramètre est encore largement utilisé des nos jours [16], [17], [18]. Cependant, il est important d’effectuer des études plus détaillées sur le sujet pour détecter les modes de défaillances, analyser les mécanismes qui en sont la cause, les modéliser et enfin améliorer la durée de vie de ces composants. Nous allons résumer dans cette dernière partie les différents résultats qui ont contribué à une meilleure compréhension de la fiabilité des MEMS RF.

EVOLUTION DES PARAMETRESELECTROMECANIQUES ET PHYSIQUES DES MICRO-COMMUTATEURS

Evolution des tensions d’activations

Le chargement du diélectrique, qui est la principale cause de défaillance des microcommutateurs capacitifs, entraîne un décalage des tensions d’activation du microcommutateur. Cette signature du chargement du diélectrique a été démontré pour la première fois sur une poutre en polysilicium et grâce à des mesures C(V) réalisées au moyen d’un capacimètre [19]. Ces résultats ont ensuite été retrouvés par J.R. Reid [20] qui a effectué des mesures C(V) sur un micro-commutateur capacitif parallèle en métal. La mesure de capacité est effectuée en mélangeant un signal micro-ondeau signal d’activation.Le signal obtenu est ensuite modulé par le micro-commutateur, puis démodulé par un mixeur micro-onde. En sortie du mixeur, le signal obtenu correspond à l’état du pont pour différentes tensions appliquées. La Figure 1.18(a) montre le décalage des tensions d’activation grâce aux mesures C(V) avant et après stress et la Figure 1.18(b) prouve que ce décalage est la signature du phénomène de chargement du diélectrique car la mesure correspond à la simulation (modèle analytique) d’une feuille de charges placée au milieu du diélectrique.

FACTEURS RENDANT COMPTE DE LA DUREE DE VIE DES MICROCOMMUTATEURS

Evaluation de la durée de vie par le nombre d’activations avant défaillance

Description de la mesure

Une technique de détection de défaillance très simple à mettre en œuvre consiste à mesurer le nombre de cycles effectués par le MEMS avant défaillance au moyen d’un compteur d’impulsions. Cette méthode est utilisée par Raytheon, l’Université de Lehigh et MEMtronics, au moyen du banc de tests décrit au paragraphe 2.1. Pour cela, il est nécessaire d’appliquer au MEMS un signal micro-onde, qui va être modulé par l’action du microcommutateur, puis démodulé par la diode de détection. Le signal ainsi détecté représente les variations de l’état du pont et chaque variation est enregistrée par le compteur d’impulsions.
Le nombre de cycles effectués par le MEMS devient alors le paramètre pour quantifier sa durée de vie. La Figure 1.21 donne le nombre de cycles effectués par des micro-commutateurs jusqu’à défaillance pour différentes tensions appliquées. Les résultats montrent une dépendance exponentielle du nombre de cycles par rapport à la tension appliquée. Plus la tension utilisée pour abaisser le pont est élevée, plus le nombre de cycles est faible et donc moins bonne est la durée de vie du composant. En effet, pour une augmentation de 5V à 7V de la tension, on observe une diminution d’une décade du nombre de cycles. Les concepteurs et les technologues auront donc un grand intérêt à concevoir et fabriquer des MEMS ayant une tension de pull-down laplus faible possible.

Analyse critique du résultat

Cette étude montre donc que le nombre de cycles effectués par un micro-commutateur avant défaillance n’est pas un paramètre de fiabilité adéquat. De nombreux laboratoires de recherches quantifient la durée de vie des MEMS capacitifs avec le paramètre nombre de cycles avant défaillance donnant ainsi des informations erronées ou incomplètes sur la durée de vie des composants. Il est alors impossible de comparer les différents MEMS puisque le nombre de cycles avant défaillance dépend de la fréquence de cyclage. Le temps de contact entre le pont et le diélectrique est par conséquent une donnée essentielle pour réellement rendre compte de la durée de vie des micro-commutateurs capacitifs. L’introduction d’un tel paramètre s’inscrit donc dans une démarche de comparaison de la durée de vie des MEMS et de compréhension des phénomènes liés à leur fiabilité en utilisant les paramètres adéquats. Dans le même esprit, nous verrons dans la partie 2.3 du Chapitre 3 de ce manuscrit qu’il est nécessaire de prendre en compte d’autres facteurstels que la tension appliquée, l’épaisseur dudiélectrique et la qualité du contact entre le pont et le diélectrique.

MODELISATION STATIQUE DU CHARGEMENT DU DIELECTRIQUE

Nous avons démontré dans les parties précédentes l’influence du chargement du diélectrique sur la durée de vie des micro-commutateurs ainsi que sur leurs paramètres mécaniques. Nous avons ainsi observé dans la partie 3.1.1 que le chargement du diélectrique se traduisait par un décalage des tensions de pull-down et de pull-up des micro-commutateurs. Cette partie présente le modèle développé par l’IMEC [23], basé sur l’étude effectuée par l’Université de Chemnitz [24], qui permet d’appréhender de façon mathématique cette signature du chargement du diélectrique. Nous détaillerons toute la démarche analytique non présentée en [23] et que nous avons développée. Les variables et les signes seront différents mais le résultat restera identique.
Considérons deux plaques métalliques, l’une est fixe et recouverte d’un diélectrique d’épaisseur d et de permittivité relative εr, l’autre est mobile et située à une hauteur initiale g0 du diélectrique (Cf.Figure 1.24). Lorsqu’on applique une polarisation entre les deux plaques, un champ électrique se crée et une force électrostatique fait s’abaisser la membrane mobile.

LOGICIEL

Tous les appareils sont connectés par bus GPIB au PC. L’automatisation des mesures et des tests de fiabilité a été effectuée par programmation en High TechBasic (HTBasic 9.1). Nous allons détailler les deux interfaces développées : celle du programmeur et celle de l’utilisateur.

Interface programmeur

L’interface programmeur se présente sous laforme décrite en Figure 2.3. Le langage HTBasic est un langage textuel crée en 1990 par TransEra pour piloter des appareils de mesures. En 1995, il peut être utilisé sous Windows et devient en 2000 le langage de remplacement du HPBasic développé par Hewlet-Packard en proposant un environnement de développement entièrement graphique. La programmation s’organise en deux parties : le programme principal et les sous programmes. Le programme principal et les sous-programmes se décomposent en trois parties : les déclarations, les initialisations des variables et des appareils de mesures et les actions. Le langage en lui-même utilise les fonctions standards de la programmation : boucles, tableaux, fichiers…

Différents signaux de commandes réalisables

Les signaux obtenus en sortie de la carte peuvent donc être positifs, négatifs, de formes variées, de fréquence allant de 0.01Hz à 16MHz (en théorie car nous verrons à la fin de ce chapitre qu’il existe une limite en fréquence des signaux que l’on peut générer) et d’amplitude allant jusqu’à 100V, permettant de générer différents types d’activations des MEMS et d’en étudier leur impact sur la fiabilité.

MESURES MICRO-ONDES DU MICRO-COMMUTATEUR

Afin de suivre le comportement des micro-commutateurs MEMS RF dans leurs conditions de fonctionnement nominales, nous nous sommes attachés à effectuer les mesures micro-ondes de ces composants.

Analyseur de réseau et calibrage

L’analyseur de réseau vectoriel (ARV) utilisé est un Anritsu 39397C. Cet appareil permet de mesurer les performances micro-ondes de dispositifs pour des fréquences allant jusqu’à 40GHz. L’ARV est connecté au micro-commutateur au moyen de câbles, de transitions et de pointes spécifiques aux mesures hyperfréquences. Ces connexions engendrent des pertes et des déphasages qu’il est nécessaire de prendre en compte lors de la mesure des performances propres au MEMS grâce à un calibrage SOLT (Short, Open, Load, Thru) dont les motifs sont présentés sur la Figure 2.7.

Mesures micro-ondes

Une fois l’étape de calibrage effectuée,il est alors possible de mesurer les paramètres S des dispositifs. Le principe de la mesure des performances micro-ondes d’un micro-commutateur est décrit en Figure 2.8.Au moyen du bloc « activation du microcommutateur » présenté dans la partie précédente, nous appliquons une polarisation de manière à abaisser le pontpuis nous mesurons les paramètres S, appelés [S]on. Nous mesurons ensuite les paramètres S à l’état haut, appelés [S]off,sans appliquer de polarisation. Le mélange du signal micro-onde et de la polarisation s’effectue au moyen d’un té de polarisation permettant des mesures hyperfréquences jusqu’à 40GHz pour des tensions DC allant jusqu’à 100V. Un DC block 40GHz/100V protège le deuxième port de l’analyseur deréseau vectoriel du signal DC.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ETAT DEL’ART MONDIAL DES RECHERCHES SUR LA FIABILITE DES MICROCOMMUTATEURS MEMS RF
Introduction
1. Situation actuelle Des micro-commutateurs MEMS RF
1.1. Principe de fonctionnement
1.2. Etat de l’art des micro-commutateurs
1.3. La Problématique de la fiabilité des MEMS RF
2. Différents bancs développés pour l’étude de la fiabilité des MEMS RF
2.1. Mesures du nombre de cycles avant défaillance : banc de tests développé par Raytheon
2.2. Mesures de l’évolution des états haut et bas des micro-commutateurs : banc de tests développé par l’IMEC
3. Résultats importants sur la fiabilité des micro-commutateurs MEMS RF
3.1. Evolution des paramètres électromécaniques et physiques des microcommutateurs
3.1.1. Evolution des tensions d’activations
3.1.2. Evolution des états mécaniques des micro-commutateurs
3.2. Facteurs rendant compte de la durée de vie des micro-commutateurs
3.2.1. Evaluation de la durée de vie par le nombre d’activations avant défaillance
3.2.2. Evaluation de la durée de vie par le temps de contact entre le pont et le diélectrique
3.3. Modélisation statique du chargement du diélectrique
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 1
CHAPITRE 2 : BANC DECARACTERISATIONS SPECIFIQUE POUR L’ETUDE DE LA FIABILITE DES MICRO-COMMUTATEURS MEMS RF
Introduction
1. Banc de caractérisations des propriétés des MEMS RF
1.1. Logiciel
1.1.1. Interface programmeur
1.1.2. Interface utilisateur
1.2. Activation du micro-commutateur
1.3. Mesures micro-ondes du micro-commutateur
1.4. Mesures des propriétés dynamiques du micro-commutateur
1.5. Mesure des tensions de seuil des micro-commutateurs
1.5.1. Mesure S21=f(V) au moyen de l’analyseur de réseau vectoriel
1.5.2. Mesure S21=f(V) au moyen de l’analyseur de réseau vectoriel, de la diode de détection et de l’oscilloscope
1.5.2.1. Méthodologie de la mesure
1.5.2.2. Conversion de la tension détectée enparamètre de transmission (en dB) du MEMS
1.5.3. Comparaison des deux méthodes de mesure S21=f(V)
2. Banc de caractérisations de la fiabilité des MEMS RF
2.1. Test de cyclage
2.2. Test de stress DC
3. Analyse et évolutions futuresdu banc detests
Conclusion
CHAPITRE 3 : METHODOLOGIE DE L’ETUDE DE LA FIABILITE DES MICRO COMMUTATEURS CAPACITIFS
Introduction
1. Mode de défaillance des MEMS RF capacitifs
1.1. Détection du mode de defaillance
1.2. Analyse du mode de défaillance
1.2.1. Décalage des tensions de seuil du micro-commutateur
1.2.2. Caractérisation « S21(V) en mode pulsé »
1.2.3. Etude des « états de fonctionnement » du micro-commutateur
1.2.3.1. Méthodologie d’analyse des états de fonctionnement
1.2.3.2. Conversion des mesures S21=f(V) en g/g0=f(V)
1.2.3.3. Définition et mesure du temps Toff*et valeur de la pente limite du front descendant du signal de commande
2. Mécanisme de défaillance des MEMS RF capacitifs
2.1. Méthodologie de caractérisation du chargement du diélectrique
2.1.1. Impact de la fréquence de cyclage
2.1.2. Proposition d’un protocole de test efficace
2.2. Etude de la cinétique du chargement du diélectrique
2.2.1. Décalage non symétrique des tensions de seuil des micro-commutateurs
2.2.2. Mesure de la cinétique dechargement diélectrique
2.2.3. Dépendance du paramètre VDTA enfonction du champ électrique
2.3. Paramètre électrique conditionnantle chargement du diélectrique
2.3.1. Définition du stress réeldans le diélectrique
2.3.2. Calcul de la capacité à l’état bas à partir de la mesure des paramètres S
2.3.3. Influence de champ effectif sur le paramètre VDTA
3. Modélisation du mécanisme de défaillance
3.1. Mécanismes de conduction dans les diélectriques
3.1.1. Les mécanismes de génération des charges
3.1.2. Les mécanismes de conduction contrôlés par l’interface métal/isolant
3.1.2.1. Conduction Schottky
3.1.2.2. Conduction Fowler-Nordheim
3.1.3. Les mécanismes de conduction contrôlés par le volume du diélectrique
3.1.3.1. Conduction Frenkel-Poole
3.1.3.2. Conduction ionique
3.1.3.3. Conduction limitée par charge d’espace
3.2. Identification du mécanisme de conduction dans le Nitrure de Silicium
3.2.1. Identification du mécanisme de conduction
3.2.2. Identification des propriétés intrinsèques du diélectrique
3.3. Modélisation de la cinétique de chargement du diélectrique
4. Extraction d’un facteur de mérite dela fiabilité des micro-commutateurs capacitifs
4.1. Facteur d’intensité de stress et facteur de mérite
4.2. Comparaison du facteur de mérite de deux types de micro-commutateurs
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 3
CHAPITRE 4 : AMELIORATION DE LA FIABILITE DES MICRO-COMMUTATEURS CAPACITIFS
Introduction
1. Optimisation technologique
2. Optimisation de la commande des MEMS
2.1. Signal de commande à front descendant optimisé
2.2. Signaux de commande bipolaires
2.2.1. Signal alterné : +Va/0V/-Va/0V
2.2.2. Signal haché : +Va/-Va/0V
2.3. Signal de commande à stress électrique réduit
3. Conception de micro-commutateurs optimisés pour la fiabilité
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 4
CONCLUSION GENERALE