Innovations en microfabrication pour la production de circuits à très hautes fréquences et ajustables

Au cours des dernières années, deux tendances importantes dans le domaine des micro-ondes ont été l'augmentation de la fréquence d'opération et l'intégration de plusieurs fonctionnalités dans un même dispositif. Ces changements ont généré des défis nouveaux, principalement liés à l'utilisation d'éléments ajustables intégrés et à la difficulté de fabrication de circuits dont les dimensions critiques sont très fines. Deux pistes de solution sont présentées dans cette thèse : le recours à des éléments ajustables à base de matériaux ferroélectriques intégrés au substrat et l'utilisation d'un procédé de fabrication innovateur à base de pâtes photoimageables mises en forme en couches épaisses pour la fabrication de circuits en trois dimensions. Le matériau ferroélectrique choisi est le titanate de baryum et strontium, noté BaxSr1-xTiO3, ou plus simplement BST. Comme tous les ferroélectriques, sa permittivité varie en fonction d'un champ électrique externe appliqué. Pour déposer ce matériau, la pulvérisation RF est utilisée. L'analyse par diffraction rayons X confirme la nature cristalline des couches minces de BST, alors qu'une mesure par rétrodiffusion de Rutherford semble indiquer une légère déviation par rapport à la stœchiométrie prévue. Une lacune en titane est identifiée comme étant la source probable de cette variation. En ajoutant du titane comme dopant diffusé dans la couche de BST, ses propriétés électriques se trouvent améliorées pour des concentrations de titane excédentaire de 2-5 % en volume. Les couches minces de BST optimisées présentent une ajustabilité de 35 % sous un potentiel de 20 V. Pour réaliser ces mesures, des condensateurs à plaques parallèles sont utilisés. La dépendance de la tangente des pertes en fonction du champ appliqué est aussi mise en évidence. Une fois les couches minces de BST suffisamment performantes, un déphaseur variable est conçu et fabriqué. Ce déphaseur prend la forme d'un filtre passe-bas en technologie de guides coplanaires chargé de condensateurs ajustables en parallèle. Le déphaseur variable présente une figure de mérite de 36 º/dB avec un potentiel d'activation de 20 V, ce qui le place en milieu de peloton pour la figure de mérite, mais parmi les premiers pour le potentiel utilisé. Toutefois, un grand déplacement de la fréquence d'opération indique que les propriétés électriques du BST changent en variant l'épaisseur du dépôt. Les pâtes photoimageables permettent des résolutions latérales d'environ 20 µm et des épaisseurs du même ordre.

Abstract

In recent years, the microwave field has seen two important trends: the increase in the operation frequency and the integration of several functions in one device. These changes have brought new challenges, mainly related to the use of integrated tunable elements and fabrication problems caused by the increasingly small critical dimensions required for high frequency operation. Two possible solutions are presented in this thesis: the use of ferroelectric-based adjustable elements integrated onto the substrate and the fabrication of three dimensional circuits using an innovative manufacturing process called photoimageable thick films. The ferroelectric material chosen is barium and strontium titanate noted BaxSr1-xTiO3, or simply BST. As all ferroelectrics, its permittivity can be changed by applying an external electric field. RF sputtering is used to deposit this material. X-ray diffraction analysis confirms the crystalline nature of the BST thin films while a measurement by Rutherford backscattering spectroscopy suggests a slight deviation from the expected stoichiometry. A titanium deficiency is identified as the likely source of this variation. The addition of titanium as a dopant diffused into the BST film is shown to have important impact on its electrical properties. Optimum concentration of titanium dopant is determined to be 2-5% by volume. The optimized BST thin films have an adjustability of 35% with a potential of 20 V. To achieve these measures, parallel plate capacitors are used. The dependence of the tangent loss as a function of the applied field is also highlighted. Once BST thin films demonstrate satisfactory performances, a variable phase shifter is designed and fabricated. This phase shifter is implemented as a low-pass filter in coplanar guides technology loaded with adjustable capacitors. The variable phase shifter has a figure of merit of 36 °/dB with an activation potential of 20 V, which places it in the midfield for the figure of merit, but among the first for the small potential used. However, a large shift in the operating frequency indicates that the electrical properties of BST are thickness dependant. Photoimageable pastes allow lateral resolutions of about 20 microns and thicknesses of the same order. Since this process is multi-layered in nature, it is suitable for the realization of millimeter wave circuits of complex geometry, such as waveguides. This approach has been explored by only one research group to this day. However, these materials were not designed for use with high frequency, so it is necessary to characterize their microwave properties.