Étude du contact électromécanique Au−Ru/AlCu pour les MEMS RF ohmiques : modélisation, intégration et caractérisation

Abstract

Aujourd'hui les systèmes de télécommunication sont le plus souvent construits à partir (i) d'électronique à l'état solide utilisant la technologie des semi-conducteurs telles les diodes PIN et les transistors FET ou (ii) de relais électromagnétiques. Chacune de ces technologies offre un compromis entre la fréquence d'opération, la linéarité, la capacité à transporter la puissance RF, les pertes d'insertion, l'isolation, le temps de commutation, la consommation électrique, la fiabilité, l'intégration à grande échelle, la masse et le coût. Par ailleurs, le besoin d'opérer à hautes fréquences est plus marqué avec l'arrivée de la 5G. Les MEMS RF sont à priori adaptés pour répondre aux nombreux défis des nouvelles générations de systèmes de télécommunication, cependant le principal obstacle reste leur fiabilité. Cette thèse s'inscrit dans un contexte d'amélioration des performances et de la fiabilité des micro-commutateurs MEMS RF à contact ohmique.

L'encapsulation des MEMS RF aux niveau du wafer est nécessaire pour leur intégration dans des systèmes plus complets telles les matrices de commutations et les antennes configurables. En plus de permettre un contrôle de l'environnement directe du MEMS, la solution d'encapsulation ne doit pas altérer les performances RF du composant. La fiabilité du contact électromécanique est l'une des limitations majeures intrinsèques des MEMS RF ohmiques. Le contact Au-Ru/AlCu est proposé comme une configuration compatible avec un procédé MEMS intégrant une étape d'encapsulation au niveau du wafer par collage eutectique Al-Ge. L'utilisation d'un contact Au-Ru permet de réduire les forces d'adhésion et le transfert de matière en comparaison de l'utilisation d'une paire de contact symétrique de métaux nobles. Par ailleurs, l'empilement Ru/AlCu assure une résistivité totale proche de celle de l'AlCu tout en bénéficiant des propriétés avantageuses du Ru à l'interface de contact.

Une étude fondamentale du contact électromécanique rugueux pour les applications MEMS RF a été conduite, et une méthodologie pour estimer la résistance électrique de contact en tenant compte de l'effet de la rugosité des surfaces a été développée. La fabrication d'un MEMS RF, sur une ligne de prototypage industriel 200 mm, encapsulé au niveau du wafer et intégrant le contact Au-Ru/AlCu a été réalisée avec succès. La solution proposée démontre un fort potentiel pour la fabrication d'une nouvelle génération de MEMS RF avec des performances accrues en comparaison des dispositifs actuellement sur le marché.