Les micro-ondes
Historique de l’électromagnétisme et des micro-ondes
C’est en 1873 que naquit la base théorique de l’électromagnétisme par la publication du ’’Traité sur l’électricité et le magnétisme’’ de James Clerk Maxwell où il posa ses 4 équations. Suite à ce premier fondement, la fin du dix-neuvième siècle connut de nombreuses recherches qui permirent le développement de la télégraphie sans fil. Ainsi vers 1887, Heinrich Hertz produit et détecte pour la première fois des ondes électromagnétiques vers 1 GHz, et Marconi démontre la possibilité de propager des ondes radioélectriques en espace libre. Juste avant le début du siècle Lord Raleigh démontre théoriquement la possibilité de faire propager des ondes dans des guides d’ondes à section rectangulaire ou circulaire, et Kenelly et Heaviside montrent les propriétés réfléchissantes de certaines couches de l’ionosphère sur des ondes 3-30 MHz [Com. 91j]. Avec la première guerre mondiale, les premières émissions de radiodiffusion se développent, puis en 1930 le premier tube hyperfréquence (le magnétron) et le premier réflecteur parabolique sont mis au point, donnant naissance au radar. Au cours du dernier demi-siècle, 3 événements ont marqué le développement de la micro-électronique pour les micro-ondes : – vers 1955 : le début de l’utilisation des semi-conducteurs en électronique, – vers 1965 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes, – vers 1985 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes monolithiques.
Place des micro-ondes dans le spectre électromagnétique
Comme il est indiqué Figure I.1 [Dds. 92a], les micro-ondes couvrent environ la plage 1 GHz – 1 THz. Pour être plus précis on parle : – d’ondes centimétriques pour la plage 3-30 GHz, – d’ondes millimétriques pour la plage 30-300 GHz, – d’ondes sub-millimétriques au-delà de 300 GHz.
Les structures micro-ondes
En hyperfréquences, la structure géométrique et physique des connexions influe sur le fonctionnement du circuit, au même titre que les éléments actifs (transistors) et les éléments passifs localisés (résistances, inductances, capacités). L’étude d’un circuit hyperfréquence implique donc aussi bien l’étude des éléments du circuit que celle des lignes de transmission entre ces éléments. Dans les circuits intégrés micro-ondes (MIC) la ligne de transmission constitue donc l’élément de base du circuit, servant à raccorder tous les composants localisés ou à réaliser par elle-même des composants passifs distribués. C’est pourquoi nous désignons les lignes utilisées dans les MIC, et les composants passifs qui en dérivent, par le terme de structures micro-ondes.
Méthodes d’étude et de modélisation
Les méthodes d’étude et de modélisation des lignes dépendent du mode de propagation des ondes. L’étude théorique des lignes de transmission peut se faire par l’intermédiaire d’une analyse quasi statique ou d’une analyse électromagnétique. Après des rappels théoriques, nous présenterons les deux catégories d’approche.
Différents modes de propagation sur une ligne
Les lignes se classent en 3 catégories selon le mode de propagation des ondes. • Lignes TEM (Transverse Electric and Magnetic) : les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation. La ligne fonctionne sans dispersion fréquentielle. La ligne coaxiale et la ligne triplaque peuvent être considérées comme des lignes TEM. Leur fonctionnement est décrit par un modèle relativement simple. • Lignes non TEM : l’un des deux champs au moins possède une composante longitudinale ; la ligne fonctionne selon un ou plusieurs modes possédant une fréquence de coupure inférieure. Pour chaque mode la vitesse de propagation dépend de la fréquence (dispersion). La théorie est complexe et peut requérir une grande puissance de calcul. • Lignes quasi TEM : les circuits intégrés micro-ondes utilisent de préférence des lignes de structure plane, constituées de rubans conducteurs déposés sur un substrat diélectrique. Ces lignes ne sont pas TEM parce que le milieu de propagation est inhomogène. Il est composé pour partie d’un diélectrique et pour partie d’air. Cependant la présence de deux conducteurs se traduit par l’existence d’un mode à fréquence de coupure nulle et à faible dispersion, dont la configuration est très proche de celle d’un mode TEM. On dit que ce sont des lignes quasi TEM. Elles se comportent comme des lignes TEM pourvu que la fréquence ne soit pas trop élevée, ce qui a longtemps limité leur emploi aux fréquences inférieures à une dizaine de GHz. Lorsque la fréquence s’élève leur dispersion devient sensible et des modes de propagation non TEM apparaissent, susceptibles de perturber le mode quasi TEM.
Table des matières
Introduction générale
I/ Les structures micro-ondes coplanaires
I.1/ Les micro-ondes
I.1.1/ Historique de l’électromagnétisme et des micro-ondes
I.1.2/ Place des micro-ondes dans le spectre électromagnétique
I.1.3/ Les structures micro-ondes
I.2/ Méthodes d’étude et de modélisation
I.2.1/ Différents modes de propagation sur une ligne
I.2.2/ Eléments de théorie des lignes TEM
I.2.3/ Analyse quasi statique
I.2.4/ Analyse électromagnétique et simulations logicielles
I.3/ Les structures micro-ondes micro-ruban et coplanaire
I.3.1/ La structure micro-ruban
I.3.2/ La structure coplanaire
I.3.3/ Comparaison coplanaire / micro-ruban
I.4/ Perspectives d’amélioration des structures coplanaires – Orientation de nos travaux
I.4.1/ Les 2 voies d’amélioration des structures
I.4.2/ Orientation des travaux présentés dans ce mémoire
II/ Développement d’une filière de réalisation de membranes diélectrique
II.1/ Conception générale et choix des matériaux
II.1.1/ Le substrat
II.1.2/ La membrane
II.1.3/ Etudes effectuées
II.2/ Le film monocouche d’oxyde de silicium
II.2.1/ Caractéristiques physiques de l’oxyde de silicium
II.2.2/ Technologie de la croissance d’oxyde
II.2.3/ Essais préliminaires
II.2.4/ Procédé de référence pour le film d’oxyde
II.2.5/ Reproductibilité des caractéristiques du film monocouche d’oxyde
II.3/ Le film monocouche de nitrure de silicium
II.3.1/ Caractéristiques physiques du nitrure de silicium
II.3.2/ Technologie du dépôt de nitrure
II.3.3/ Essais préliminaires
II.3.4/ Procédé de référence pour le film de nitrure
II.3.5/ Reproductibilité des caractéristiques du film monocouche de nitrure (Si3,2N4)
II.4/ Le film bicouche oxyde/nitrure de silicium
II.4.1/ Problématique du bicouche
II.4.2/ Méthode de caractérisation du bicouche et choix des épaisseurs
II.4.3/ Résultats obtenus sur un film bicouche oxyde/nitrure
II.5/ Le micro-usinage du substrat
II.5.1/ Problématique du micro-usinage
II.5.2/ La gravure du film diélectrique de la face arrière
II.5.3/ Le micro-usinage du silicium
II.5.4/ Rendement de fabrication
II.5.5/ La tenue mécanique et thermique de la membrane
II.5.6/ Tenue en température
II.6/ Conclusion
III/ Développement de filières de circuits coplanaires sur membrane
III.1/ Problématique de conception des circuits micro-ondes
III.1.1/ Matériau
III.1.2/ Précision de forme
III.2/ Les techniques de dépôt d’or
III.2.1/ Le dépôt physique en phase vapeur
III.2.2/ Le dépôt d’or électrochimique
III.3/ Les techniques de mise en forme des conducteurs
III.3.1/ Mise en forme par photolithographie
III.3.2/ Fabrication des conducteurs par dépôt localisé
III.4/ Les filières de fabrication
III.4.1/ Introduction aux filières
III.4.2/ Procédés constitutifs des filières
III.4.3/ Filière par photolithographi
III.4.4/ Filière par dépôt électrochimique localisé
III.5/ Conclusion
IV/ Conception de lignes micro-ondes sur membrane
IV.1/ Introduction
IV.2/ Contraintes de conception et choix préliminaires
IV.2.1/ Gamme de fréquences
IV.2.2/ Accès et transitions
IV.2.3/ Epaisseur du substrat de silicium
IV.2.4/ Topologie de référence
IV.3/ Paramètres de conception par analyse quasi statique
IV.3.1/ Bases de conception par la transformation conforme
IV.3.2/ Dimensionnement des lignes sur membrane
IV.3.3/ Dimensionnement des accès sur substrat massif
IV.3.4/ La transition entre le silicium massif et la membrane
IV.4/ Modélisation des dispositifs en vue de la simulation électromagnétique
IV.4.1/ Intérêt de la simulation électromagnétique
IV.4.2/ Procédure de simulation
IV.4.3/ Modèle physique des dispositifs à simuler
IV.5/ Analyse paramétrique des lignes sur membrane
IV.5.1/ Valeurs nominales des paramètres de conception .
IV.5.2/ Sensibilité de εeff et Z0 aux largeurs de ruban et de fente
IV.5.3/ Sensibilité de εeff et Z0 aux caractéristiques de la membrane
IV.5.4/ Analyse des pertes ohmiques et influence de l’épaisseur de métallisation
IV.6/ Conclusion des travaux de conception des lignes
V/ Faisabilité de lignes micro-ondes sur membrane
V.1/ Introduction
V.2/ Réalisation des dispositifs
V.2.1/ Aperçu général des fabrications
V.2.2/ Schémas et cotes des dispositifs
V.3/ Mesure des dispositifs globaux
V.3.1/ Méthode de mesure
V.3.2/ Examen des réponses en module des paramètres S
V.3.3/ Examen des réponses en phase des paramètres S
V.3.4/ Examen des pertes des dispositifs globaux
V.3.5/ Bilan des enseignements tirés des mesures globales
V.3.6/ Complément d’étude sur les pertes dans les accès
V.4/ Extraction des caractéristiques des lignes sur membrane
V.4.1/ Méthodes d’extraction de la constante de propagation et de l’impédance caractéristique
V.4.2/ Caractéristiques obtenues par la méthode de Bianco et Parodi
V.4.3/ Caractéristiques des lignes 75 Ω obtenues après calibration TRL
V.5/ Conclusion sur la faisabilité des lignes sur membrane
V.5.1/ Résultats généraux
V.5.2/ Résultats spécifiques aux lignes sur membrane
VI/ Le micro-blindage des circuits sur membrane Application au filtrage
VI.1/ Introduction
VI.2/ La technologie du capot intégré
VI.2.1/ Principe et objectifs du capot
VI.2.2/ Architecture du capot
VI.2.3/ Réalisation technologique
VI.2.4/ Conclusion et perspectives
VI.3/ Le filtre passe-bande
VI.3.1/ Définition et simulation du filtre
VI.3.2/ Réalisation du filtre
VI.3.3/ Mesures des filtres avec leurs accès
VI.3.4/ Réponse du filtre après épluchage TRL Comparaison
VI.3.5/ Conclusion
VI.4/ Le filtre passe-bande micro-blindé
VI.4.1/ Introduction
VI.4.2/ Adaptation du capot au filtre
VI.4.3/ Influence du capot sur le filtre
VI.4.4/ Conclusion sur l’association du capot au filtre
VI.5/ Conclusion
Conclusion Général
Annexes au chapitre II « Développement de la filière technologique »
I/ Le nettoyage des substrats
II/ Méthodes et outils de caractérisation des films diélectriques
III/ Indice de réfraction, permittivité relative et composition atomique d’un milieu hétérogène
IV/ Dispersion de l’épaisseur d’oxyde sur une plaquette
V/ Dispersion de l’épaisseur de nitrure sur une plaquette
VI/ Dispersion de l’épaisseur du bicouche sur une plaquette
VII/ La sur gravure des angles saillants dans le silicium
VIII/ Résistance de divers matériaux aux bains de gravure du silicium
Annexes au Chapitre III « Développement de filières de circuits coplanaires sur membrane »
I/ Dispersion d’épaisseur de dépôt électrochimique sur une plaquette
Annexe au chapitre V « Faisabilité de lignes micro-ondes sur membrane»
I/ Pertes et affaiblissement d’un quadripôle passif
II/ L’association métal / semi-conducteur
Liste des références bibliographiques
Liste des publications
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