Daigle, Maxime (2012) Innovations en microfabrication pour la production de circuits à très hautes fréquences et ajustables. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal.
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Résumé
RÉSUMÉ
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.
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