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7/23/2019 Giraud Sylvain http://slidepdf.com/reader/full/giraud-sylvain 1/206 UNIVERSITE DE LIMOGES ÉCOLE DOCTORALE SCIENCE  – TECHNOLOGIE  – SANTE FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES Laboratoire Xlim (UMR 6172), équipe MINACOM Thèse N° [69-2007] Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES Discipline : Electronique des Hautes fréquences et Optoélectronique Spécialité : Communications optiques et micro-ondes présentée et soutenue par  Sylvain GIRAUD le 5 Décembre 2007 Thèse dirigée par Dominique CROS Jury : Michel PRIGENT Professeur à l’Université de Limoges - Xlim Président Sylvain BALLANDRAS Directeur de Recherche – LPMO Besançon Rapporteur Bertrand DUBUS Directeur de Recherche – IEMN/ISEN Lille Rapporteur Didier ALBRECHT Ingénieur DGA Examinateur Claude MULLER Ingénieur CSEM Neuchâtel Examinateur Daniel CHEBANCE Ingénieur CNES Examinateur Michel AUBOURG Chargé de Recherche Xlim Examinateur Dominique CROS Professeur à l’Université de Limoges – Xlim Examinateur Roger PETIT Ingénieur DGA Invité Stéphane BILA Chargé de Recherche Xlim Invité  Étude, conception et réalisation de résonateurs  piézoélectriques pour des applications hautes fréquences

Giraud Sylvain

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    UNIVERSITE DE LIMOGES

    COLE DOCTORALE SCIENCE TECHNOLOGIE SANTE

    FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES

    Laboratoire Xlim (UMR 6172), quipe MINACOM

    Thse N [69-2007]

    Thse pour obtenir le grade de

    DOCTEUR DE LUNIVERSITE DE LIMOGES

    Discipline : Electronique des Hautes frquences et

    Optolectronique

    Spcialit : Communications optiques et micro-ondes

    prsente et soutenue par

    Sylvain GIRAUD

    le 5 Dcembre 2007

    Thse dirige par Dominique CROSJury :

    Michel PRIGENT Professeur lUniversit de Limoges - Xlim Prsident

    Sylvain BALLANDRAS Directeur de Recherche LPMO Besanon RapporteurBertrand DUBUS Directeur de Recherche IEMN/ISEN Lille Rapporteur

    Didier ALBRECHT Ingnieur DGA Examinateur Claude MULLER Ingnieur CSEM Neuchtel Examinateur Daniel CHEBANCE Ingnieur CNES Examinateur Michel AUBOURG Charg de Recherche Xlim Examinateur Dominique CROS Professeur lUniversit de Limoges Xlim Examinateur

    Roger PETIT Ingnieur DGA Invit

    Stphane BILA Charg de Recherche Xlim Invit

    tude, conception et ralisation de rsonateurs

    pizolectriques pour des applications hautes frquences

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    REMERCIEMENTS

    Je tiens tout dabord remercier mon directeur de thse, M. Dominique CROS, qui

    ma support pendant ces trois annes de thse et qui ma laiss appliquer mes dcisions

    personnelles mme si elles navaient pas lair, premire vue, prometteuses.

    Je remercie la DGA et M. Didier ALBRECHT pour avoir financ et encadr ces trois

    annes de thse.

    Je suis trs honor que le M. Michel PRIGENT, Professeur au laboratoire Xlim, ait

    accept de prsider le jury au cours de ma soutenance.

    Jadresse mes plus sincres remerciements M. Sylvain BALLANDRAS, du

    laboratoire FEMTO-ST Besanon, et M. Bertrand DUBUS, du laboratoire IEMN Lille,

    davoir accept de rapporter ce travail de thse.

    Je remercie tous les autres membres de jury, M. Daniel CHEBANCE, M. Claude

    MULLER, et les invits M. Roger PETIT et M. Jean-Marc LESAGE.

    Jadresse ensuite mes remerciements mon matre penser , M. Michel

    AUBOURG, sans qui rien naurait t possible, et M. Stphane BILA, pour sa disponibilit

    et sa gentillesse.

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    SOMMAIRE

    INTRODUCTION GNRALE

    CHAPITRE I : LES RSONATEURS PIZOLECTRIQUES ET LEURS

    APPLICATIONS DANS LES METTEURS-RCEPTEURS RF

    I Introduction......................................................................................................................................17

    II Pizolectricit et rsonateurs .........................................................................................................18

    II.1 Rappels historique....................................................................................................................18II.2 Rsonateurs pizolectriques....................................................................................................19

    II.2.1 Rsonateurs SAW..............................................................................................................19

    II.2.2 Rsonateurs BAW Quartz ...............................................................................................21

    III Les rsonateurs BAW pour des applications hautes frquences......................................................22

    III.1 Rsonateur BAW lmentaire ou transducteur ........................................................................22

    III.2 FBAR (Film BAW Resonator)............................................................................................25

    III.3 SBAR (Solidly-mounted BAW Resonator) .........................................................................27IV Matriaux utiliss ..........................................................................................................................29

    IV.1 Caractristiques physiques......................................................................................................29

    IV.1.1 Matriaux pizolectriques...............................................................................................29

    IV.1.2 lectrodes ........................................................................................................................32

    IV.1.3 Autres matriaux employs ..............................................................................................36

    IV.2 Techniques de dpt ...............................................................................................................37

    IV.2.1 La pulvrisation cathodique DC .......................................................................................38

    IV.2.2 La pulvrisation par ablation laser....................................................................................39

    V Application et intgration des rsonateurs BAW dans les metteurs rcepteurs RF..........................40

    V.1 Applications des rsonateurs BAW dans les metteurs rcepteurs RF.......................................40

    V.1.1 Oscillateurs locaux ............................................................................................................41

    V.1.2 Filtres RF ..........................................................................................................................43

    VI Intgration des filtres BAW dans les chaines RF............................................................................53

    VI.1 Intgration hybride SiP (System in Package)...........................................................................53

    VI.2 Intgration monolithique SoC (System on Chip).....................................................................54

    VII Conclusion ...................................................................................................................................56

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    CHAPITRE II : MISE EN QUATION DU PROBLME PIZOLECTRIQUE

    I Introduction......................................................................................................................................59

    II Structure cristalline .........................................................................................................................61

    II.1 Structures lmentaires.............................................................................................................61

    II.1.1 Les ranges : reprage dune direction...............................................................................61

    II.1.2 Plans rticulaires : reprage dun plan................................................................................62

    II.1.3 Les mailles ........................................................................................................................63

    II.2 Structures atomiques dun cristal..............................................................................................64

    II.3 Symtries dorientation des cristaux .........................................................................................65

    III Mcanique des solides dformables ...............................................................................................68

    III.1 Contraintes..............................................................................................................................68

    III.2 Dformations ..........................................................................................................................70

    III.3 Relation Contraintes Dformations : loi de Hooke...................................................................72

    III.4 lasticit des matriaux isotropes et du systme hexagonal.....................................................73

    III.4.1 Matriaux isotropes..........................................................................................................74

    III.4.2 Matriaux du systme hexagonal 6mm.............................................................................75

    IV Couplage lectrique mcanique .....................................................................................................76

    IV.1 Solide pizolectrique.............................................................................................................76

    IV.2 Mise en quation des mcanismes physiques ..........................................................................79

    IV.3 criture tensorielle..................................................................................................................82V Rsolution en ondes planes : quation de Christoffel.......................................................................84

    V.1 Ondes planes lastiques de volume...........................................................................................84

    V.2 Approximation quasi statique...................................................................................................85

    V.3 quation de Christoffel gnralise ..........................................................................................86

    V.4 Cas des matriaux 6mm ...........................................................................................................88

    V.4.1 Propagation suivant laxe z................................................................................................88

    V.4.2 Surface des lenteurs...........................................................................................................90V.4.3 Rsonateurs BAW.............................................................................................................92

    VI Conditions aux limites...................................................................................................................93

    VI.1 Mcaniques.............................................................................................................................93

    VI.2 lectriques..............................................................................................................................94

    VII Les pertes dans les rsonateurs BAW ...........................................................................................95

    VII.1 Pertes mcaniques .................................................................................................................95

    VII.2 Pertes lectriques...................................................................................................................96

    VII.3 Pertes pizolectriques ..........................................................................................................96

    VIII Conclusion..................................................................................................................................97

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    CHAPITRE III : MODLISATION 1D DUN RSONATEUR BAW ET SYNTHSE

    DE FILTRES RF

    I Introduction....................................................................................................................................101

    II Approximation unidimensionnelle (1D) ........................................................................................ 103

    II.1 Partie active et conditions dapplication de lapproximation 1D..............................................103

    II.2 quations 1D dans un milieu stratifi .....................................................................................105

    II.2.1 Impdance caractristique et impdance acoustique.........................................................105

    II.2.2 Modlisation dune couche de matriau non-pizolectrique ...........................................106

    II.2.3 Modlisation dune couche de matriau pizolectrique...................................................108

    II.2.4 Conditions mcaniques aux limites et aux interfaces........................................................113

    III Modles unidimensionnels acoustiques ..................................................................................114

    III.1 Le modle de Mason .............................................................................................................114

    III.1.1 Couche de matriau non-pizolectrique ........................................................................114

    III.1.2 Couche de matriau pizolectrique ...............................................................................115

    III.1.3 Modle de Mason dun rsonateur SMR et tude du miroir de Bragg ............................ 116

    III.2 Modle de la permittivit pizolectrique..............................................................................120

    IV Le modle MBVD (Modified Butterworth Van-Dyke).................................................................125

    V Application du modle MBVD la synthse de filtre....................................................................129

    V.1 Mthodologie.........................................................................................................................129

    V.2 Dfinition de larchitecture du filtre ....................................................................................... 130

    V.3 Synthse du filtre ...................................................................................................................131

    V.4 Considrations logicielles....................................................................................................... 132

    V.4.1 Paramtres et variables doptimisation.............................................................................132

    V.4.2 Analyse du filtre..............................................................................................................133

    V.4.3 Fonction doptimisation...................................................................................................134

    V.4.4 Optimisation multi-variables contrainte...........................................................................134

    V.5 Exemple de synthse dun filtre rpondant la norme UMTS ................................................ 134VI Conclusion ..................................................................................................................................141

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    CHAPITRE IV : MODLISATION 3D DES RSONATEURS BAW PAR LA

    MTHODE DES LMENTS FINIS

    I Introduction....................................................................................................................................145

    II La mthode des lments finis.......................................................................................................147

    II.1 Modlisation mathmatique et formulation variationelle.........................................................149

    II.1.1 Formulation en champ lectrique et dplacement mcanique ........................................... 150

    II.1.2 Formulation en potentiel lectrique et dplacement mcanique........................................152

    II.2 Choix du type dlment ........................................................................................................ 154

    II.3 Paramtrisation en frquence [45] ..........................................................................................158

    III Analyse dun rsonateur suspendu (FBAR)..................................................................................160

    III.1 Description de la structure.....................................................................................................160

    III.2 Analyse de la rponse lectrique ...........................................................................................162

    III.3 Visualisation et analyse des modes parasites .........................................................................163

    IV Optimisation de la qualit de la rponse lectrique.......................................................................166

    IV.1 Oscillateur et bruit de phase ..................................................................................................166

    IV.1.1 Bruit de phase ................................................................................................................166

    IV.1.2 Impact du bruit de phase dans les circuits RF ................................................................. 167

    IV.2 Optimisation du coefficient de qualit Q ...............................................................................169

    IV.3 Solution n1 : lectrode suprieure apodise.........................................................................172

    IV.4 Solution n2 : lectrode suprieure charge sur les bords......................................................175

    V Analyse dun rsonateur SMR ......................................................................................................179

    V.1 Description de la structure...................................................................................................... 179

    V.2 Analyse de la rponse lectrique ............................................................................................181

    V.3 Visualisation et analyse des modes parasites ..........................................................................182

    VI Conclusion ..................................................................................................................................186

    CONCLUSION GNRALE

    ANNEXE I : CALCUL TENSORIEL

    ANNEXE II : ELEMENTS FINIS P2EN DIMENSION N=1

    BIBLIOGRAPHIE

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    INTRODUCTION GENERALE

    GSM, UMTS, GPRS, EDGE, Wi-Fi, Bluetooth, GPS sont autant de normes de

    tlcommunication que les derniers tlphones portables sont capables de grer. La

    convergence des appareils mobiles a transform nos anciens tlphones mobiles en

    terminaux universels de tlcommunication capables dhberger de trs nombreuses

    applications [1]. Ces smartphones (tlphones intelligents) sont devenus quadribandes

    (GSM 800MHz, 900MHz, 1800MHz et 1900MHz) et permettent de communiquer dans

    nimporte quel pays en saffranchissant des contraintes de compatibilit. Ils intgrent un

    microprocesseur et un systme dexploitation, digne dun micro-ordinateur, permettant de

    surfer sur Internet, soit en utilisant une connexion Wi-Fi disponible dans les nombreux Hot

    Spots prsents maintenant dans toutes les gares et les aroports, soit en se connectant au

    rseau de tlphonie mobile de troisime gnration (UMTS, CDMA2000 ou TD-SCDMA).

    Certains possdent mme une interface Bluetooth pour lutilisation dune oreillette sans fil ou

    pour la communication inter priphriques, et dautres, un capteur GPS pour la

    golocalisation.

    Les smartphones de demain supporteront la norme WiMax, pour une connexion Internet

    haut dbit sur des distances pouvant atteindre une cinquantaine de kilomtres, lultra large

    bande (UWB) pour une connexion USB sans fil ou la norme DVB-H (Digital Video

    Broadcast for Handheld) pour recevoir la tlvision [2]. Ils seront alors capables de

    communiquer sans fils sur une gamme de frquences de prs de 6 GHz (Figure 1) [1].

    Figure 1 :

    Encombrement spectral pour un tlphone mobile multi standard de demain

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    La figure 2 montre que la complexit des terminaux mobiles ne cesse de crotre. Le

    dveloppement dun tlphone multi standard est un dfi technologique important. Lajout de

    fonctionnalits supplmentaires doit se faire sans augmentation de la taille, du cot et surtout

    de la consommation lectrique. Il est donc ncessaire dutiliser des lments passifs, slectifs

    en frquence et totalement intgrables sur silicium.

    Figure 2 :

    Exemple de terminal radio pour un tlphone mobile multi standard [1]

    lheure actuelle, deux technologies se partagent les fonctions hyperfrquences dans

    les metteurs-rcepteurs. La technologie cramique est gnralement employe pour les filtres

    duplexeurs o des niveaux de puissance levs sont ncessaires et la technologie SAW

    (Surface Acoustic Wave), pour les filtres inter-tages o la slectivit est trs importante.

    Leurs inconvnients sont lencombrement pour la technologie cramique et les limites

    physiques du motif dexcitation, en termes de tenue en puissance et de monte en frquence,

    pour la technologie SAW. De manire palier ces points ngatifs et ventuellement

    amliorer les performances de systmes RF, des axes de recherches sont en cours. Parmi

    ceux-ci, lutilisation dondes acoustiques de volume gnre grce un matriau

    pizolectrique semble tre une solution intressante qui a dj sduit de nombreux

    quipementiers du secteur de la tlphonie mobile. Plusieurs configurations sont possibles

    pour lutilisation de ces ondes et sont regroupes sous le terme gnrique BAW (Bulk

    Acoustic Wave). Ce travail de thse sinscrit donc dans le cadre de cette technologie.

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    Les rsonateurs BAW semblent tre de bon candidats pour remplacer les technologies

    cramique et SAW. En effet, seule la technologie BAW est compatible avec les techniques

    dintgration CMOS sur substrat bas cot Silicium. De plus, le fait dutiliser la propagation

    des ondes acoustiques suivant lpaisseur dun empilement de couches minces permet de

    rduire de manire considrable la surface occupe par ces composants. La structure de ces

    rsonateurs permet, de plus, denvisager une bonne tenue en puissance tout en gardant une

    slectivit importante des frquences leves.

    Le sujet de cette thse porte sur le dveloppement doutils informatiques permettant de

    concevoir et de raliser des rsonateurs bass sur la technologie BAW et fonctionnant dans le

    domaine des micro-ondes (f > 1GHz). Ces outils font appel certaines approximations

    justifies par le comportement physique des rsonateurs, par lapplication vise (1D) ou par letraitement informatique du problme (3D). Ce mmoire prsente, en quatre chapitres, ces

    outils et les premiers rsultats obtenus.

    Le premier chapitre dcrit, aprs un bref historique et une prsentation des rsonateurs

    SAW (Surface Acoustic Wave) et Quartz, lintrt de la technologie BAW dans les

    applications RF. Le bond technologique concernant les techniques de dpt et notamment la

    matrise des dpts en couches minces a permis de concevoir des structures couches

    pizolectriques fonctionnant sur un mode dpaisseur hautes frquences. Le choix des

    matriaux est une donne essentielle dans la technologie BAW car il est ncessaire de trouver

    un compromis entre performance et compatibilit technologique dintgration. Actuellement,

    le Nitrure dAluminium (AlN) est le matriau le plus utilis pour la fabrication des structures

    BAW. Cependant, ses performances acoustiques et lectriques dpendent du matriau sur

    lequel il est dpos et de la technique de dpt employe. Les rsonateurs BAW ont pour but

    dtre utiliss dans les metteurs-rcepteurs RF comme rfrence de frquence dans le circuit

    doscillateur local et comme composant lmentaire dans les filtres duplexeur et inter-tages.

    Lintrt principal est de rduire considrablement la consommation lectrique et la taille de

    ces circuits, pour des performances gales voire suprieures.

    Le deuxime chapitre prsente la mise en quation du problme pizolectrique.

    Certaines notions de cristallographie ncessaires la comprhension du comportement

    lastique des matriaux (anisotropie) et lexplication de lorigine physique du phnomne

    pizolectrique sont dabord rappeles. Les matriaux pizolectriques ont la capacit de se

    polariser lectriquement sous laction dune pression et de se dformer sous laction dun

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    champ lectrique. La pizolectricit constitue donc un couplage entre le comportement

    lastique et lectrique des solides. Laspect mcanique des solides dformables en petites

    dformations est modlis par la loi de Hooke. La pizolectricit peut tre vue comme une

    gnralisation du problme de llasticit coupl au problme lectromagntique. Les

    quations constitutives de la pizolectricit relient donc la loi de Hooke et les quations de

    Maxwell. La rsolution du problme par une approximation en ondes planes (quations de

    Christoffel) et la formulation des conditions aux limites mcaniques et lectriques permettent

    de mettre en vidence certaines proprits exploites dans les rsonateurs BAW.

    Lapproximation du comportement unidimensionnel du rsonateur BAW est explicite

    au dbut du chapitre III. Les conditions ncessaires sa validit viennent du

    dimensionnement des structures BAW et des contraintes technologiques. Lorsque cesconditions sont respectes, une simplification des quations peut tre effectue. Ceci permet

    alors de formuler des modles qui facilitent la conception des rsonateurs. En fonction de

    ltude vise, certains modles seront plus appropris que dautres. Ainsi, le modle de Mason

    permet une analyse du point de vue acoustique en considrant une excitation lectrique.

    linverse, le modle de la permittivit pizolectrique peut tre intgr dans un logiciel de

    simulation lectromagntique et permet dintroduire le comportement acoustique du

    rsonateur dans une analyse lectrique. Enfin, le modle MBVD (Modified Butterworth-VanDyke) modlise directement la rponse lectrique du rsonateur grce un circuit lectrique

    quivalent. Ce modle est utilis pour la synthse de filtres rsonateurs BAW dans une

    procdure doptimisation dcrite la fin du chapitre III. Cette dernire permet de dterminer

    les valeurs optimales de chaque lment du circuit quivalent pour rpondre une

    spcification lectrique donne (gabarit). Le modle MBVD permet ensuite deffectuer une

    cosimulation du filtre global dans Momentum.

    Le quatrime et dernier chapitre est consacr au dveloppement de loutil de

    simulation tridimensionnelle EMXD et ltude 3D des rsonateurs BAW. Cet outil permet

    deffectuer une analyse 3D de structures gomtries complexes intgrant des matriaux

    pizolectriques et dont les caractristiques physiques peuvent dpendre de la frquence. Pour

    ce faire, il utilise la mthode des lments finis. Cette technique numrique fait intervenir la

    formulation variationnelle du problme et permet de le rsoudre en se plaant dans un espace

    de solutions de dimensions finis. La construction de cet espace est effectue grce au maillage

    de la structure par des lments gomtriques (ttradres, pentadres ou hexadres). Lanalyse3D des rsonateurs BAW permet de mettre en vidence des phnomnes physiques dont les

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    modles 1D ne tiennent pas compte, en particulier, la propagation des ondes acoustiques dans

    les dimensions latrales et lventuelle apparition dondes stationnaires dues aux limites

    physiques de la structure. Ces dernires peuvent tre lectriquement couples et peuvent

    dtriorer la forme de la rponse en frquence. Ceci a un impact non ngligeable sur les

    performances des circuits RF rsonateurs BAW. Notre logiciel de simulation EMXD permet

    alors dtudier plusieurs solutions pour supprimer les modes parasites de la rponse

    lectrique. La technique de paramtrisation en frquence et lutilisation dun solveur

    multifrontal ultra parallle en font un outil de calcul puissant.

    Dans la conclusion gnrale, nous voquerons les perspectives envisages pour ce

    travail de thse. En effet, les outils de simulation 1D coupls notre outil 3D vont maintenant

    nous permettre de dvelopper une procdure de conception complte dun rsonateur BAW,depuis le choix des matriaux, de lpaisseur des couches jusqu la forme des lectrodes et

    du motif dexcitation. EMXD constitue un outil particulirement pratique et rapide pour

    optimiser les diffrentes tapes de cette procdure. Il rend aussi possible ltude des couplages

    acoustiques et lectriques pouvant exister entre rsonateurs. Nous envisageons donc, plus

    long terme, la simulation de structures rsonateurs comme des filtres. Enfin, le chanage

    dune analyse statique et dun analyse dynamique pourrait tre intressant pour tudier des

    structures polarise avec une tension continue et ventuellement dvelopper des circuits agilesen frquence.

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    CHAPITRE I :

    LES RESONATEURS PIEZOELECTRIQUES ET

    LEURS APPLICATIONS DANS LES

    EMETTEURS-RECEPTEURS RF

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    Chapitre I 17

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    I INTRODUCTION

    La pizolectricit est un phnomne physique exploit dans de nombreux domaines

    dapplication. titre dexemple, le briquet lectronique ou lallume gaz sont des systmes qui

    transforment une pression en une dcharge lectrique. linverse, le gnrateur ultrason

    pour lchographie ou linjecteur lectronique des voitures transforment une commande

    lectrique en dplacement mcanique. Le secteur des tlcommunications est le plus gros

    consommateur de circuits pizolectriques (filtres ondes de surfaces, oscillateurs Quartz,

    lignes retard). Lessor grandissant des systmes sans fils na fait quacclrer cette tendance.

    Lintgration de plus en plus pousse et laugmentation de la capacit des appareils de

    tlcommunications portatifs sont des dfis majeurs pour les fabricants de composantsmicrolectroniques [1]. La monte en frquence et laugmentation de la bande passante

    permet daugmenter le dbit des donnes. Cependant, lencombrement des bandes de

    frquences pousse aussi une canalisation de linformation. Il faut donc dvelopper des

    composants de plus en plus petits, slectifs en frquence et qui consomment peu. La recherche

    de solutions permettant de repousser les limites des technologies actuelles et la matrise des

    techniques de dpts en couches minces ont permis denvisager lutilisation de matriaux

    pizolectriques dans le domaine des micro-ondes. Ces derniers permettent une diminution de

    la taille des composants et sont compatibles avec les techniques de fabrications actuelles [3].

    Les filtres ondes de volumes (Bulk Acoustic Waves : BAW) commencent

    simposer sur le march de la tlphonie mobile car ils ont permis de lever les verrous

    technologiques des filtres ondes de surface (Surface Acoustic Waves : SAW). Dbut janvier

    2004, Agilent Technologies annonait qu'il avait produit son 100 millionime filtre FBAR

    (Film Bulk Acoustic Waves Resonator) depuis la mise en production du produit en dcembre

    2001. La demande a t si forte qu'Agilent a d augmenter sa production six millions defiltres par mois. Depuis, plusieurs industriels comme Infineon, EPCOS ou ST-

    Microelectronics ce sont lancs sur ce march en pleine expansion. Les performances

    lectriques, mcaniques et la fiabilit des filtres BAW dpendent de la structure employe

    pour les rsonateurs, des matriaux et des techniques de dpts. De plus, plusieurs types de

    couplage permettent de synthtiser des rponses de filtres. Le choix dfini sur chaque critre

    est dtermin par lapplication vise. Les rsonateurs BAW sont employs dans plusieurs

    fonctions RF et pourront mme, terme, tre intgrs avec les organes actifs de la chanedmission rception.

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    Chapitre I 18

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    II PIEZOELECTRICITE ET RESONATEURS

    La pizolectricit est la proprit physique que possdent certains matriaux se

    polariser lectriquement lorsquils sont soumis une contrainte mcanique (effet direct) et

    se dformer mcaniquement lorsquils sont soumis un champ lectrique (effet indirect).

    Lapplication dun champ lectrique alternatif entrane lapparition dune onde lastique et

    vice-versa.

    II.1 RAPPELS HISTORIQUE

    Ce phnomne physique fut mis en vidence en 1880 par les frres Pierre et Jacques

    Curie qui tudiaient les proprits cristallines du Quartz. Cette dcouverte ouvrit alors la voie

    la gnration contrle dondes lastiques jusqualors connues et tudies par les

    gophysiciens lors des tremblements de Terre. la fin du XIXe sicle, il tait connu que les

    ondes sismiques se propageaient en volume sous la forme dondes longitudinales et dondes

    transversales. Ce nest quen 1885 que Lord Rayleigh dmontra la propagation des ondes

    sismiques sous la forme dondes de surface plus lentes que les ondes de volume. Viendront

    ensuite les ondes de Lamb, dites ondes de plaques , les ondes dinterfaces dmontres par

    Stoneley ou les ondes de Love, dans les milieux stratifis.

    La premire ralisation utilisant le phnomne pizolectrique fut une balance quartz.

    La masse mesurer, dpose sur la surface du cristal, perturbe la frquence de rsonance du

    Quartz de manire proportionnelle son poids. Mais, il faudra attendre 1915 et la premire

    guerre mondiale pour voir apparatre des composants lectroniques intgrant un cristal de

    Quartz. Le premier SONAR (Sound Navigation And Ranging) constitu dun gnrateur

    dondes lastiques et dun capteur pizolectrique fut mis au point par Paul Langevin pour

    dtecter la prsence de sous-marins allemands. Londe acoustique (40 kHz) se propage dans

    leau et se rflchit sur les obstacles se trouvant sur sa course. Lcho renvoy est dtect par

    le capteur pizolectrique et le temps coul entre lmission et la rception permet de

    connatre la distance sparant lmetteur de lobstacle. Ce principe fondamental est toujours

    utilis, mais les techniques, les matriaux utiliss et llectronique de commande ont t

    amliors. Au cours de la seconde guerre mondiale, la transposition de ce principe aux ondes

    lectromagntiques a donn naissance au RADAR (Radio Detection And Ranging).

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

    19/206

    Chapitre I 19

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Lintroduction de rsonateurs Quartz grand coefficient de qualit dans les circuits

    lectroniques a considrablement amlior la stabilit des oscillateurs dans les metteurs-

    rcepteurs de radiodiffusion. Le dveloppement de modles lectriques quivalents (Van

    Dyke en 1925) des rsonateurs pizolectriques a permis leur emploi pour la synthse de

    filtres.

    II.2 RESONATEURS PIEZOELECTRIQUES

    Les matriaux pizolectriques constituent un lien, une passerelle, entre deux domaines

    de la physique : lacoustique et llectromagntisme. Ils permettent de convertir un signal

    hyperfrquence en une onde acoustique progressive. La structure du rsonateur et celle du

    motif dexcitation dterminent la manire dont cette onde va se propager. Pour une

    propagation sur la surface de la couche du matriau pizolectrique, londe est appele onde

    de surface (SAW : Surface Acoustic Wave) et pour une propagation suivant lpaisseur,

    londe est appele onde de volume (BAW : Bulk Acoustic Wave). Ces deux possibilits

    sont exploites dans les structures suivantes.

    II.2.1 RESONATEURSSAW

    Les premiers rsonateurs SAW intgrs peignes inter digits ont t fabriqus en 1965

    par White et Voltmer [4] sur un substrat de Quartz. La structure (Figure I-1), toujours utilise

    lheure actuelle, est constitue dun substrat pizolectrique sur lequel est dpos un motif

    dexcitation en forme de peigne inter digit (IDT). Depuis, plusieurs matriaux ont t

    exploits sous forme massive (niobate de Lithium, Tantalate de Lithium, Quartz) ou stratifie

    (Oxyde de Zinc sur Silicium, Nitrure dAluminium sur Diamant ou Saphir).

    Figure I-1 : Rsonateur SAW

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    Chapitre I 20

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Le motif dexcitation (Figure I-2) est constitu de deux lectrodes inter digites (IDT).

    Ce type de structure permet de fixer la frquence pour laquelle une onde acoustique est

    gnre. Les doigts sont priodiquement placs toutes les demi-longueurs dondes acoustique

    (!/2). Lpaisseur de chaque doigt dtermine la frquence de couplage par la relation :

    frsonance =vacoustique

    2(A +B). Ainsi, pour une frquence de 800MHz, la valeur de A doit tre fixe

    1,2 m et pour une frquence de 2GHz, A est fix 0,5 m. Londe acoustique gnre se

    propage la vitesse vacoustiquesur la surface du substrat jusquaux rflecteurs. Ces derniers sont

    aussi des motifs inter digites mais court-circuits lectriquement. Lespace entre les doigts

    est choisi de manire rflchir londe acoustique de longueur donde correspondante.

    Lensemble constitue alors une cavit rsonante acoustique. une frquence donne,lnergie lectrique envoye sur le motif dexcitation est convertie en nergie acoustique et

    reste confine dans le rsonateur.

    Figure I-2 : Principe du transducteur inter digit

    Les filtres et sources ondes de surface sont trs largement employs dans les

    terminaux radio des appareils portables actuels. Les rsonateurs SAW permettent de runir de

    bonnes performances pour un encombrement rduit. Nanmoins, la monte en frquence et le

    besoin de puissance dmission ont pouss les concepteurs envisager dautres solutions

    (SAW passivs). En effet, la frquence dutilisation des rsonateurs SAW est principalement

    limite par la rsolution des procds de photolithographie employs lors de la fabrication des

    motifs inter digits. La tenue en puissance est directement lie lpaisseur des doigts et

    leur cartement. Des courants trop levs entranent un chauffement du mtal et un

    phnomne dlectromigration [5] qui dtriore la structure des liaisons mtalliques. Des

    tensions trop importantes entranent des phnomnes de claquage dans lair entre les

    lectrodes. La fiabilit des applications SAW limite donc leur utilisation des niveaux de

    puissance infrieurs 1W, voire 3W grce aux nouvelles techniques de passivation.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 21

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    II.2.2 RESONATEURSBAWA QUARTZ

    Le matriau pizolectrique le plus utilis en configuration BAW est le Quartz. Le

    rsonateur est constitu dun cristal de quartz, taill suivant un axe cristallographique

    particulier et plac entre deux fines lectrodes mtalliques (Figure I-3).

    Figure I-3 : Rsonateur Quartz

    Lapplication dune tension alternative entre les lectrodes entrane la gnration dune

    onde acoustique qui se propage suivant lpaisseur de la couche pizolectrique. Les

    interfaces matriaux air constituent des miroirs acoustiques naturels sur lesquels londe se

    rflchit. Lnergie acoustique reste alors confine dans le rsonateur. Ce systme possde

    une frquence particulire trs prcise appele : frquence de rsonance pour laquelle les

    multiples rflexions aux interfaces se recombinent de manire constructive et donnentnaissance une onde stationnaire. La polarisation de cette onde dtermine le mode de

    vibration du rsonateur (Tableau I-1).

    Axe de taille Mode de vibration Dforme Gamme de frquence

    XY,NT

    X, X+5

    CT,DT

    AT, BT, FC, SC

    Flexion

    longation

    Cisaillement de surface

    Cisaillement dpaisseur

    1 100 kHz

    50 200 kHz

    150 800 kHz

    1 300 kHz

    Tableau I-1 : Modes de vibrations des rsonateurs Quartz

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 22

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Pour un mode dlongation dpaisseur (Thickness Extensional Mode), la frquence de

    rsonance est donne par la relation : frsonance =vacoustique / 2d. Elle est inversement

    proportionnelle lpaisseur de la couche pizolectrique d et dpend de la vitesse de

    propagation vacoustique de londe mcanique dans ce matriau. Laugmentation de la frquenceest donc conditionne par une diminution de lpaisseur de la couche pizolectrique. Pour

    atteindre des frquences de lordre du GHz, une paisseur de quelques micromtres est

    ncessaire. Tailler un cristal massif devient alors trs difficile. De plus, lpaisseur des

    lectrodes, jusquici considre comme ngligeable par rapport celle du quartz, commence

    devenir prpondrante dans le calcul de la frquence de rsonance. Les techniques issues de la

    microlectronique comme la pulvrisation cathodique DC ou lablation Laser permettent de

    dposer des matriaux cramiques pizolectriques (AlN, ZnO, PZT) en couches minces (100

    nm 1m) et donc de rsoudre le problme de lpaisseur.

    III LES RESONATEURS BAW POUR DES APPLICATIONS HAUTES FREQUENCES

    Il existe deux familles de rsonateurs utilisant les ondes acoustiques de volume : les

    structures suspendues (FBAR) et les structures solidaires du substrat (SBAR). Chacune

    prsente des avantages et des inconvnients suivant lapplication vise. Dans les deux cas, le

    rsonateur est constitu dun rsonateur lmentaire soutenu mcaniquement par un support.

    III.1 RESONATEUR BAW ELEMENTAIRE OU TRANSDUCTEUR

    Le rsonateur BAW lmentaire est constitu dune couche de matriau

    pizolectrique dont les deux faces sont mtallises (Figure I-4). Comme pour le rsonateur

    Quartz, lexcitation lectrique applique entre les lectrodes cre une onde acoustique qui se

    rflchit aux interfaces matriau air.

    Figure I-4 : Rsonateur BAW lmentaire

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    Chapitre I 23

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    certaines frquences, ces multiples rflexions se recombinent en phase ou en

    opposition de phase. Dans le premier cas, linterfrence est constructive et donne naissance

    une onde stationnaire dont le dplacement mcanique est maximum. Cette frquence

    particulire est appele : frquence de rsonance ou frquence de rsonance srie .

    Limpdance lectrique du rsonateur passe alors par un minimum. Dans le second cas,

    linterfrence est destructive et limpdance lectrique est maximale puisque le dplacement

    mcanique et la polarisation lectrique sont en opposition de phase. Cette frquence est

    appele : frquence danti-rsonance ou frquence de rsonance parallle . La

    rsonance du mode fondamental stablit lorsque la demi-longueur donde acoustique

    correspond lpaisseur totale du rsonateur (Figure I-5). Les rsonances harmoniques

    stablissent pour des multiples impairs de la demi-longueur donde. Les modes pairs ne

    peuvent tre excits puisque le couplage pizolectrique ne seffectue que lorsque les

    lectrodes sont portes des potentiels diffrents. En dehors des frquences de rsonances, le

    rsonateur se comporte comme une capacit. Le matriau pizolectrique possde une

    permittivit non nulle et se comporte comme un dilectrique.

    Figure I-5 : Modes de rsonance du rsonateur BAW lmentaire

    Le module de limpdance dun rsonateur BAW est donc trs lev aux basses

    frquences, diminue au fur et mesure que la frquence augmente et prsente des singularits

    aux frquences de rsonances sries et parallles (Figure I-6). La phase sinverse chaque

    singularit.

    Figure I-6 : Module et phase de limpdance dun rsonateur BAW

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    Chapitre I 24

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Lcart relatif entre la frquence de rsonance srie et la frquence de rsonance

    parallle du mode fondamental est une caractristique frquentielle supplmentaire des

    rsonateurs BAW. Il reprsente le coefficient de couplage lectromcanique effectif (keff2) de

    la structure cest--dire le degr dinteraction entre le domaine mcanique et le domaine

    lectrique. Il exprime le rapport entre lnergie convertie dans le rsonateur et lnergie totale

    [6].

    keff2=

    Uem2

    Um .Ue

    avec : Uem= nergie dinteraction lectromcanique

    Um = nergie mcanique

    Ue = nergie lectrique

    En pratique, les valeurs des nergies sont difficilement accessibles. Ce coefficient est

    donc dtermin partir des valeurs des frquences de rsonances srie et parallle par

    lexpression :

    keff2=

    !2

    4

    fp" fs

    fp

    avec : fs= frquence de rsonance srie

    fp= frquence de rsonance parallle

    Pour caractriser les pertes lectriques et mcaniques intrinsques des rsonateurs

    BAW, deux coefficients de qualit (Qs et Qp) sont utiliss. Qs est dfini la rsonance srie

    et Qp, la rsonance parallle [7]. Ils mesurent la slectivit du rsonateur.

    Qs =f2

    !"z

    !ff= fs

    Qp =f2

    !"z

    !ff= fp

    avec : "z= phase de limpdance du rsonateur

    Le rsonateur lmentaire doit tre soutenu mcaniquement par un support. Lobjectif

    dintgration des rsonateurs BAW, grce aux technologies CMOS, avec des fonctions

    actives ou passives hautes frquences impose lutilisation dun substrat commun. Le

    rsonateur lmentaire sera donc soutenu par une structure issue dun substrat silicium avanc(Si Haute Rsistivit, SiGe, ).

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 25

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    III.2 FBAR(FILM BAW RESONATOR)

    Le support de la structure FBAR est constitu dune membrane, gnralement

    dpaisseur infrieure ou gale celle de la couche pizolectrique, et dun substrat. Le

    rsonateur lmentaire et sa membrane sont ensuite suspendus dans lair par micro usinage de

    volume (Figure I-7) ou de surface (Figure I-8).

    Figure I-7 : Rsonateurs micro usinage de volume

    Dans le cas dun micro usinage de volume, le substrat est grav localement par

    gravure humide (TMAH ou KOH) ou sche (Deep RIE). La gravure humide impose des flans

    de 54 pour le Silicium (Figure I-7a) et donc un encombrement important alors que la gravure

    sche permet dobtenir des flans parfaitement droits. Nanmoins, elle est plus difficile

    mettre en oeuvre. La gravure ncessite lutilisation dune couche darrt que lon peut garder

    comme membrane ou supprimer la fin du processus, llectrode infrieure pouvant

    constituer un support suffisamment rigide. Loxyde de Silicium (SiO2) ou le nitrure de

    Silicium (SiN) sont les matriaux les plus frquemment utiliss pour la couche darrt. Cette

    structure est intressante car elle ncessite peu dtapes de fabrication. Cependant, elle est

    relativement fragile et dlicate fabriquer. En effet, la membrane est soumise des

    contraintes mcaniques et a tendance se dformer ou se dchirer. Le micro usinage de

    volume par la face arrire du substrat impose lutilisation dun wafer possdant un bon tat de

    surface et une bonne planit. De plus, un alignement double face des masques de gravure est

    ncessaire. Le micro usinage dune cavit dair par le biais de trous permet dviter ces

    contraintes, mais fragilise encore plus la structure (Figure I-7b).

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 26

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Figure I-8 : Rsonateurs micro usinage de surface

    Dans le cas dun micro usinage de surface (Figure I-8), lensemble rsonateur

    lmentaire membrane est dpos sur une couche sacrificielle gnralement constitue

    doxyde de Silicium (SiO2) ou de rsine. Comme son nom lindique, cette couche est

    supprime la fin du processus de fabrication par gravure humide et laisse place une lame

    dair. Cette structure est intressante car elle peut tre employe sur un large choix de substrat

    et sans en diminuer la rsistance mcanique. Ainsi, son intgration sur des wafers du

    commerce est facilite. Nanmoins, ce type de rsonateur reste fragile et sa conceptionncessite une parfaite matrise des contraintes mcaniques. De plus, le choix des techniques

    de dpt et des matriaux employs pour les lectrodes et pour la couche pizolectrique est

    conditionn par le matriau de la couche sacrificielle. Lutilisation de loxyde de Silicium

    (SiO2) impose le choix de matriaux insensibles son attaque acide et lutilisation de rsine

    demande des conditions de temprature incompatibles avec certaines techniques de dpt.

    Les structures sur membrane permettent de se rapprocher du comportement du

    rsonateur lmentaire seul en minimisant les pertes acoustiques dans le substrat. Londe

    acoustique, gnre dans la couche pizolectrique, se propage dans les lectrodes et la

    membrane, se rflchit aux interfaces matriau air et reste confine dans le rsonateur. La

    membrane constitue leur gros point faible puisque quelle doit la fois jouer son rle de

    support mcanique et ne pas trop influencer le comportement du rsonateur. Sa conception

    ncessite donc une attention particulire et sa fabrication reste dlicate.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 27

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    III.3 SBAR (SOLIDLY-MOUNTED BAW RESONATOR)

    Le rsonateur lmentaire peut aussi tre solidaire du substrat, en tant soit

    directement dpos sur sa surface (Figure I-9a), soit dpos sur un ensemble de couches

    disolation acoustique (Figure I-9b). Dans le premier cas, le rsonateur lmentaire se

    comporte comme un transducteur excitant une cavit sur un mode harmonique du mode

    fondamental (HBAR : Harmonic BAW Resonator) et dans le second cas, il est isol du

    substrat (SMR : Solidly Mounted Resonator).

    Figure I-9 : Rsonateurs solidaires du substrat

    Un rsonateur HBAR est constitu du rsonateur lmentaire (Mtal-pizolectrique-Mtal) dpos directement sur un substrat faible pertes (diamant, saphir, Niobate de Lithium

    LiNbO3) et possdant un bon tat de surface sur sa face arrire. Une partie de londe

    acoustique gnre dans la couche pizolectrique se propage dans le substrat et se rflchit

    sur sa face arrire. Le substrat constitue alors une cavit acoustique dont le facteur de qualit

    dpend de lattnuation de londe lors de la propagation et de sa dispersion lors de la

    rflexion. Jusqu maintenant, le meilleur produit Q.f obtenu est de 1,1.1014, soit un

    coefficient de qualit Q=68000 1,6GHz en utilisant une couche dAlN dpose sur unsubstrat de saphir [8]. Cette valeur est largement suprieure aux facteurs de qualit obtenus

    pour les autres types de rsonateurs. Cependant, lencombrement excessif du spectre autour

    de la frquence de rsonance choisie, le faible coefficient de couplage pizolectrique effectif

    (kt2) et lincompatibilit des substrats faible pertes avec la technologie CMOS font que cette

    structure HBAR sera principalement employe dans les oscillateurs et non dans les

    applications de filtrage hautes frquences. Le meilleur produit Q.fobtenu grce un substrat

    Silicium et une couche pizolectrique de Niobate de Lithium est de 4,2.1012 soit un

    coefficient de qualit Q=2800 1,507GHz [9].

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 28

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    De manire obtenir une structure plus robuste, plus adapte aux techniques de

    fabrication industrielles des circuits intgrs et pour tenter de limiter lapparition de modes de

    plaques dans les membranes, K.M. Lakin et al proposent, en 1995, une structure solidaire du

    substrat (Solidly Mounted Resonator) [10]. Le support de cette structure est plus complexe

    que celui dune structure suspendue, mais le but est toujours de confiner londe acoustique

    dans le rsonateur lmentaire de manire minimiser les pertes acoustiques. Le principe,

    dj formul par Newell, en 1965, pour une application aux rsonateurs Quartz, consiste

    modifier limpdance acoustique vue par le rsonateur lmentaire, au bas de llectrode

    infrieure. En empilant des couches de matriaux dimpdances acoustiques trs diffrentes et

    en faisant en sorte que leurs paisseurs correspondent un quart de la longueur donde

    acoustique la frquence de rsonance, lensemble de ces couches constitue un miroir de

    Bragg acoustique sur lequel se rflchit londe issue du rsonateur lmentaire.

    Cette structure est donc plus fiable quune structure suspendue, elle est compatible avec

    un grand nombre de substrat et permet une meilleure dissipation de la chaleur par conduction.

    Cependant, elle ncessite plus dtapes de fabrication. De plus, la conception et la fabrication

    du miroir de Bragg demande un trs grand soin pour ne pas introduire de modes parasites.

    Plusieurs couples de matriaux peuvent tre employs pour le miroir de Bragg. La

    technologie dveloppe par Infineon [11] utilise des couches alternes dOxyde de Silicium et

    de Tungstne (SiO2/W). Elle est compatible avec les techniques de fabrication BiCMOS et

    permet dobtenir des coefficients de couplage pizolectrique effectifs suprieurs 6,7% et

    des coefficients de qualit compris entre 1200 et 1500 autour de 2GHz. Les couples

    mtal/oxyde sont souvent employs, mais ils ncessitent un changement de bti lors du dpt

    du rsonateur lmentaire. La fabrication dun rsonateur SMR en un seul run peut tre

    effectue en utilisant le matriau pizolectrique du rsonateur lmentaire la place du

    mtal. Des structures SMR rflecteur de Bragg AlN/ SiO2ont permis dobtenir des facteurs

    de qualit denviron 670 5GHz [12] et 520 8GHz [13].

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 29

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    IV MATERIAUX UTILISES

    Le choix des matriaux dans les rsonateurs BAW dpend des techniques employes

    pour la fabrication. Les cramiques pizolectriques les plus frquemment utilises sont le

    nitrure dAluminium (AlN), loxyde de Zinc (ZnO) ou le Zirconate Titanate de Plomb (PZT).

    Nanmoins, lemploi de matriaux possdants de meilleures caractristiques acoustiques,

    comme le Niobate de Potassium (KNbO3), constitue toujours un axe de recherche important.

    Les mtaux ou alliages constituant les lectrodes et la qualit de leur dpt influencent la

    croissance de la couche pizolectrique et donc le fonctionnement des rsonateurs.

    IV.1 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES

    IV.1.1 MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES

    Les rsonateurs BAW utilisent une couche de matriau pizolectrique pour convertir

    lnergie lectrique en nergie mcanique. Elle constitue le cur de la structure et a un impact

    majeur sur les performances finales du rsonateur.

    Figure I-10 : Proprits des classes cristallines

    Tous les matriaux pizolectriques ont une structure cristalline qui ne possde pas de

    centre de symtrie (Figure I-10). Dans certains cas, cette absence de symtrie cre un

    dsquilibre de charges dans la maille lmentaire et entrane lapparition dune polarisation

    lectrique spontane. Les cristaux correspondants sont dits polaires. Si cette polarisation varie

    avec la temprature, ces cristaux sont pyrolectriques, de plus, si cette polarisation peut tre

    inverse sous laction dun champ lectrique externe, ils sont ferrolectriques.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 30

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Pour les applications hautes frquences, lintrt sest surtout port sur des matriaux

    non polaires, de classe cristalline wurtzite maille hexagonale, tels que le nitrure

    dAluminium (AlN), loxyde de Zinc (ZnO) et le Sulfure de Cadmium (CdS). Certains

    lments pyrolectriques de la famille des oxydes structure cristalline perovskite, comme le

    Niobate de Lithium ou de Potassium (LiNbO3, KNbO3) et le Zirconate ou Titanate de Plomb

    (cramiques PZT), nont t que rarement utiliss. En effet, la variation de leurs proprits

    pizolectriques avec la temprature ou le champ lectrique les rend difficilement compatibles

    avec les technologies dintgration CMOS.

    Les caractristiques physiques du matriau pizolectrique employ (Tableau I-2)

    dterminent les performances finales du rsonateur. De plus, les contraintes de fabrication et

    dintgration doivent tre prises en compte. Les critres de choix ne sont donc pas bass quesur les aspects lectriques et mcaniques, mais aussi sur laspect technologique, et ils doivent

    permettre de dterminer le meilleur compromis pour lapplication vise.

    AlN ZnO PZT (MOCVD) KNbO3

    kt2(%)

    couche mince7 9 22 49

    #r 10.5 8.8 420 41.5

    vacoustique(m/s)

    (mode longitudinal)11050 6340 4619 7820

    $(dB/cm) @ 1GHz 8 25 1000 -

    TCF (ppm/C) -25 -60 - -

    Stabilit chimique Oui Non Non Oui

    Intgration CMOS Oui Non Non Non

    Rfrence [14] [14] [15] [16]

    Tableau I-2 : Caractristiques des matriaux pizolectriques les plus frquents pour desapplications hautes frquences

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 31

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Le coefficient de couplage lectromcanique kt2 reprsente la capacit du matriau

    convertir lnergie lectrique en nergie mcanique et vice-versa. Dans un rsonateur, les

    autres lments surchargent la couche pizolectrique et diminuent le dplacement

    mcanique. Ce coefficient de couplage diminue et devient le coefficient de couplage

    effectif (keff2). Lcart entre les frquences de rsonance srie et parallle et donc la bande

    passante des filtres rsonateurs BAW dpendent de ce paramtre.

    La permittivit rfixe la valeur de la capacit statique forme par les lectrodes et par la

    couche pizolectrique. Plus la permittivit est grande, plus la surface des lectrodes est

    petite.

    La vitesse de propagation acoustique (suivant lpaisseur) vacoustiquedtermine lpaisseur

    de la couche pizolectrique pour une frquence de rsonance fixe. Plus cette vitesse est

    faible, plus la couche est fine. Pour les matriaux, comme lAlN et le ZnO qui ont une

    croissance colonnaire, plus lpaisseur de la couche est faible, plus la qualit du dpt est

    matrise.

    reprsente lattnuation de londe acoustique lors de la propagation. Ces pertes

    acoustiques reprsentent la majeure partie des pertes dans les rsonateurs BAW et

    dterminent, avec les pertes lectriques, le coefficient de qualit (Q). Plus ce dernier est

    lev, plus la slectivit du rsonateur est importante.

    La drive frquentielle en temprature (TCF) exprime la variation des proprits

    physiques du matriau pizolectrique avec la temprature. La stabilit frquentielle du

    rsonateur dpend presque totalement de ce paramtre.

    Les tapes de gravure humide, lors de la fabrication des rsonateurs BAW, ncessitent

    lemploi dagents chimiques corrosifs. La stabilit chimique du matriau doit tre assure

    tout au long du processus de fabrication de manire prserver ses proprits physiques etmcaniques.

    Le fort taux dintgration promis par ces rsonateurs ne peut tre atteint quen fabriquant

    tous les circuits sur une mme puce. Cependant, tous les matriaux pizolectriques ne

    sont pas compatibles avec les technologies CMOS actuelles. En effet, certains composs

    volatiles, comme le Zinc (Zn), le Plomb (Pb) ou le Potassium (K), peuvent contaminer les

    matriaux semi-conducteurs et limiter la dure de vie des porteurs.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 32

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Dune manire gnrale, le Niobate de Potassium (KNbO3) parat tre le matriau le

    plus intressant pour la ralisation de rsonateurs BAW. Cependant, la valeur leve de son

    coefficient de couplage lectromcanique reste, pour linstant, thorique. En effet, les rsultats

    rapports jusqu prsent sont trs infrieurs, entre 2 et 3%. Ces faibles valeurs viennent

    essentiellement de lapparition de domaines dont la polarisation spontane nest pas oriente

    suivant laxe souhait. Les techniques et les conditions de dpt employes sont encore au

    stade exprimental [16], mais le Niobate de Potassium (KNbO3) reste un matriau prometteur.

    Les cramiques PZT prsentent de fortes valeurs de coefficient de couplage et de

    permittivit, ainsi quune vitesse acoustique assez faible. Nanmoins, les pertes acoustiques

    restent beaucoup trop importantes aux hautes frquences. De plus, ces matriaux sont trs

    difficiles intgrer du fait de leur instabilit chimique et du Plomb quils contiennent.

    Le ZnO possde un coefficient de couplage lectromcanique et une permittivit

    suprieures lAlN. Cependant, ses pertes acoustiques et sa drive frquentielle en

    temprature (TCF) sont plus leves, et il nest pas compatible avec les technologies de

    fabrication CMOS.

    premire vue, lAlN ne semblait pas tre le matriau idal pour une utilisation dans

    les dispositifs hautes frquences, mais lintgration de plus en plus pousse et la rduction descots de fabrication en ont fait un bon compromis. Cest pourquoi lAlN est le matriau le

    plus employ, lheure actuelle, dans les systmes commercialiss intgrants des rsonateurs

    BAW.

    IV.1.2 LECTRODES

    La qualit et lorientation du film dAlN dpendent de la technique de dpt

    employe, mais aussi du matriau de la couche sur laquelle il crot. En effet, les mailles desdeux couches doivent tre compatibles pour que la croissance se fasse et pour que la couche

    soit bien oriente. Dans les rsonateurs BAW, la couche pizolectrique crot directement sur

    la surface de llectrode infrieure. Plusieurs tudes ont montr [17 et 18] que la rponse

    finale du rsonateur dpend des caractristiques mcaniques, lectriques et technologiques du

    mtal employ (Tableau I-3).

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 33

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    AlN Proprits physiques Al Ti Cu Cr Mo Ru

    3255 %(kg/m3) 2700 4507 8920 7140 10280 12370

    11050 vacoustique(m/s) 5100 4140 3570 5940 6190 5970

    37,6 Za(MPa.s/m) 13,77 18,66 31,84 42,41 63,63 73,85

    8

    (dB/cm) @ 1GHz 236 -- -- -- 5 --

    - Conductivit&(.107S/m) 3,8 0,25 5,9 0,79 2 1,41

    4,2 Coefficient de dilatationthermique (.10-6/K)

    23,1 8,6 16,5 4,9 4,8 6,4

    - Dsaccord de maille avec lAlN (%) 23,15 -5,5 13,8 6,9 1,1 15

    Tableau I-3 : Proprits physiques de matriaux utiliss comme lectrodes

    La masse volumique %(kg/m3) doit tre la plus faible possible. La monte en frquence

    des rsonateurs impose lutilisation dlectrodes de plus en plus lgres . Pour unmatriau dense, lpaisseur de llectrode doit donc tre plus faible. Mais, plus cette

    paisseur est faible, plus les pertes lectriques sont importantes.

    Limpdance acoustique Za(Pa.s/m) reprsente la rsistance que le milieu oppose sa

    mise en mouvement. Plus elle est leve, moins le matriau se dforme. Si le rapport entre

    limpdance acoustique du mtal et celle du matriau pizolectrique est suprieur 1,

    londe incidente se rflchit linterface et reste confine dans la couche pizolectrique.

    Les pertes acoustiques dans les lectrodes ne jouent plus quun rle mineur et le

    coefficient de qualit est plus lev.

    Lattnuation doit tre la plus faible possible pour minimiser limpact des pertes

    acoustiques sur le coefficient de qualit. Comme dcrit prcdemment, en respectant

    certaines rgles, cette contrainte peut tre relche.

    La conductivit lectrique &(S/m) doit tre la plus leve possible pour minimiser les

    pertes lectriques dans les lectrodes et maximiser le coefficient de qualit du rsonateur.

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    Chapitre I 34

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Le matriau doit avoir une maille lmentaire et un coefficient de dilatation thermique

    compatibles avec ceux du matriau pizolectrique et un bon tat de surface pour

    minimiser la dsorientation et maximiser le coefficient de couplage lectromcanique.

    Il doit aussi tre stable chimiquement pour supporter les tapes restantes du processus defabrication.

    Dans le cas de lAlN, lAluminium (Al), le Titane (Ti), le Cuivre (Cu) et le Chrome

    (Cr) ne sont pas les matriaux idaux. Ils possdent une impdance acoustique trop faible.

    Pour que lnergie mcanique reste bien confine dans la couche pizolectrique, le rapport

    doit tre au moins gal 1,5 [18]. Ainsi, les pertes acoustiques dans les lectrodes sont

    minimises (Figure I-11 et I-12).

    Figure I-11 : Attnuation, la rsonance, en fonction du rapport dimpdance

    acoustique pour diffrents matriaux [18]

    Figure I-12 : Mesures dattnuation avec plusieurs mtaux [17]

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    Chapitre I 35

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Jusque rcemment, le Molybdne semblait tre le matriau idal pour les applications

    base dAlN. Il prsentait les meilleures performances sur lensemble des critres

    mcaniques, lectriques et technologiques. Il possde une impdance acoustique 1,7 fois

    suprieure celle de lAlN, une conductivit lectrique leve, un coefficient de dilatation

    thermique proche de celui de lAlN et un dsaccord de maille quasi nul.

    En 2004 [18], une nouvelle tude portant sur lutilisation du Ruthnium (Ru) a t

    publie. Ce mtal prsente une trs forte impdance acoustique et une conductivit leve. Il

    permet dobtenir de meilleures performances lectriques que le Molybdne (Mo).

    La mesure de la largeur du pic de diffraction aux rayons X (FWHM) dans la direction

    (002) a permis de mettre en vidence que ltat de surface de la couche de Ruthnium

    influence lorientation de la couche dAlN (Figure I-13). Une rugosit de surface de 2,5 nm

    entrane une valeur de FWHM (Full Width at Half Minimum) de 8,2 alors quune rugosit de

    1,9 nm donne un FWHM de 2,9. Pour obtenir des valeurs comparables (2,5 pour une

    rugosit de 2,3 nm) avec des lectrodes en Molybdne (Mo), une couche dAlN doit tre

    intercale entre le substrat et llectrode infrieure. Cette couche sert de vecteur de croissance

    et oriente correctement le Molybdne [19].

    Figure I-13 : Mesure de diffraction aux rayons X pour la couche dAlN dpose sur

    Ruthnium [18]

    Le Ruthnium est donc un matriau parfaitement adapt la fabrication des

    rsonateurs BAW. Ces proprits lectriques et mcaniques sont mieux adaptes que celles

    des autres matriaux et, malgr un dsaccord de maille important, il permet dobtenir unebonne orientation de la couche dAlN.

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    Chapitre I 36

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    IV.1.3 AUTRES MATERIAUX EMPLOYES

    Le tableau I-4 regroupe les proprits physiques de quelques matriaux souvent

    utiliss dans les structures BAW. Le Silicium (Si) et le Silicium-Germanium (SiGe) sont des

    substrats employs par les technologies CMOS et BiCMOS. Le Carbure de Silicium (SiC),

    lOxyde de Silicium (SiO2) ou le Nitrure de Silicium (SiN) peuvent tre utiliss pour la

    membrane des rsonateurs FBAR ou pour les couches du miroir de Bragg acoustique des

    structures SMR.

    SiC SiO2 Si Si3N4 SiGe

    %(kg/m

    3

    ) 3200 2261 2332 3270 3827

    vacoustique(m/s) 9500 6886 2200 11000 6201

    Za(MPa.s/m) 30,4 15,57 19,67 36 23,73

    #r 10 4,5 11,7 7,5 14

    Rfrence [20] [21] [21] [22] [23]

    Tableau I-4 : Proprits physiques de quelques matriaux utiliss comme membranes ou

    substrats dans les rsonateurs BAW

    Ces tudes ont permis de dterminer certains paramtres prendre en compte pour la

    conception de rsonateurs BAW utilisant de lAlN. Le choix des matriaux a un impact

    crucial sur les performances des structures BAW. Des tudes similaires devront tre menes

    pour les autres matriaux pizolectriques, notamment pour lemploi du Niobate de Potassium

    (KnbO3). Laugmentation des performances des rsonateurs passe aussi par lamlioration des

    techniques de dpt.

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    Chapitre I 37

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    IV.2 TECHNIQUES DE DEPOT

    La ralisation dun rsonateur BAW fonctionnant hautes frquences ncessite la

    croissance dun film mince pizolectrique dont lpaisseur varie entre une centaine de

    nanomtres et 1 2 micromtres. Cette couche pizolectrique doit tre parfaitement pitaxie

    et monocristalline. LAlN est un matriau croissance colonnaire, cest--dire que la couche

    quil compose est constitue de colonnes. Les endroits o les colonnes prennent naissance

    sappellent des sites de nuclation. Ces sites ont une topologie et une densit diffrentes en

    fonction du matriau utilis et dterminent lorientation et la densit de la couche. Le

    coefficient de couplage diminue si la dsorientation de la couche pizolectrique est trop

    importante [24 et 25]. Les principales mthodes utilises pour fabriquer des films minces sous

    vide font appel aux techniques de dpt chimique, CVD (Chimical Vapor Deposition), ouphysique, PVD (Physical Vapor Deposition), en phase vapeur.

    Le dpt chimique en phase vapeur permet de raliser des dpts sur un substrat

    chauff partir dun prcurseur gazeux et dune raction chimique. Dans certains cas, cette

    raction ncessite dtre assiste par un plasma. Cette mthode sappelle alors dpt chimique

    en phase vapeur assist plasma ou PECVD (Plasma Enhanced Chimical Vapor Deposition).

    Ces techniques sont assez lourdes mettre en uvre, elles ne permettent pas dobtenir des

    films denses et les risques de contaminations par des gaz issus de la raction chimique sont

    relativement importants.

    Les techniques de dpt physique en phase vapeur (PVD) sont plus intressantes. Elles

    consistent vaporiser des matriaux par chauffage, les transporter dans un vide pouss (10-6

    107torrs) et les dposer sur un ou plusieurs substrats par condensation. Le chauffage des

    matriaux peut tre effectu grce une rsistance lectrique, un canon lectrons, au

    couplage avec un gnrateur hautes frquences (Pulvrisation cathodique Magntron), unarc lectrique (Pulvrisation cathodique DC) ou un faisceau Laser (Ablation Laser). Les

    films obtenus sont denses, les processus sont relativement faciles contrler et il ny a pas ou

    peu de contamination.

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    Chapitre I 38

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    IV.2.1 LA PULVERISATION CATHODIQUEDC

    La pulvrisation cathodique DC est largement employe dans lindustrie car sa

    temprature dopration infrieure 100C la rend compatible avec les filires technologiques

    silicium. Une cible, constitue du matriau dposer, et un substrat hte, sur lequel va crotre

    le film, sont placs dans une enceinte vide remplie dun gaz ractif. La cible est polarise

    ngativement (3 5 kV) et le substrat daccueil est reli la masse. Sous leffet du champ

    lectrique, quelques lectrons sont extraits de la cible et sont acclrs jusquau substrat

    crant ainsi une dcharge. Ces lectrons ionisent dans leur course les atomes du gaz prsent

    dans lenceinte et forment un plasma froid. Sous laction du champ lectrique, ces ions

    positifs sont alors acclrs vers la cible et la pulvrisent en lui arrachant des atomes ainsi que

    des lectrons qui participeront leur tour au processus dionisation. Les atomes librs de lacible se condensent en film mince sur les parois de lenceinte et sur le substrat (Figure I-14).

    Figure I-14 : Pulvrisation cathodique DC

    Cette technique prsente l'avantage d'tre trs simple mettre en oeuvre. Son

    inconvnient majeur est li la ncessit d'utiliser une enceinte vide pouss (10-1 10-2torr)

    pour entretenir une dcharge stable et limiter les impurets dans les films dposs. La

    prsence d'impurets dans l'enceinte se fait d'autant plus ressentir au niveau des couches que,

    par suite du phnomne de rtro diffusion des particules pulvrises, les vitesses de dpt sont

    relativement faibles (infrieures quelques micromtres par heure).

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 39

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    IV.2.2 LA PULVERISATION PAR ABLATION LASER

    La technique dablation laser nest pas encore entre dans sa phase dindustrialisation

    car les phnomnes dinteraction laser matire ne sont pas totalement matriss et font encore

    lobjet de recherches. Le systme est constitu dune cible et dun substrat chauff placs dans

    une enceinte vide (Figure I-15). Le faisceau dun Laser puls passe par une lentille pour tre

    concentr sur la surface de la cible. Lorsque la densit de puissance atteint quelque mga

    watts par centimtre carr, il se produit une jection de matire dans une direction

    perpendiculaire la surface irradie. Les atomes jects se condensent en un panache plasma,

    migrent vers le substrat et sy dposent. Lpaisseur du film dpend du nombre dimpact et de

    la densit dnergie fournie par le Laser lors de limpact (fluence). La qualit physico-

    chimique du dpt dpend de la pression dans lenceinte, de la temprature du substrat et dela puret atomique de la cible.

    Figure I-15 : Ablation Laser

    Malgr une vitesse de croissance faible, lablation Laser est une techniqueprometteuse. Son principal avantage est deffectuer des transferts stoechiomtriques de

    matire. Ceci permet dobtenir des dpts plus purs avec des espces chimiques plus

    complexes. Cette technique permet aussi damliorer ltat de surface des dpts en

    conservant la densit des sites de nuclations tout au long de la croissance de la couche. Les

    dernires avances technologiques ont permis de rduire le temps de commutation (10 ns) et

    daugmenter la puissance des Lasers (Laser femtoseconde). Ainsi, la technique dablation

    Laser rendra possible le dpt de films ultra-fins tout en diminuant la temprature dechauffage du substrat.

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    Chapitre I 40

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    V APPLICATION ET INTEGRATION DES RESONATEURS BAW DANS LES

    EMETTEURS RECEPTEURS RF

    Dans le contexte actuel de rduction de taille et de consommation des nouveaux

    systmes de tlcommunications sans fils, lintgration complte du terminal RF est fortement

    souhaite. Les dimensions des composants BAW sont trs infrieures celles des structures

    cramiques puisquils utilisent des ondes acoustiques dont la vitesse est 105 fois moins

    importante que celle des ondes lectromagntiques. Ils possdent une meilleure tenue en

    puissance que les composants SAW et sont compatibles avec les technologies de fabrication

    CMOS. Ils sont donc considrs comme tant les seuls pouvoir allier performances

    lectriques et intgration dans les terminaux RF de demain.

    V.1 APPLICATIONS DES RESONATEURS BAW DANS LES EMETTEURS RECEPTEURS RF

    Les rsonateurs BAW peuvent tre utiliss soit dans les oscillateurs, soit dans les

    filtres RF prsents dans les metteurs rcepteurs hautes frquences (Figure I-16). Ces deux

    fonctions sont trs importantes car elles dterminent la slectivit des rcepteurs et

    lencombrement spectral des metteurs.

    Figure I-16 : metteur-rcepteur conversion directe intgrant des rsonateurs BAW

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    Chapitre I 41

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    V.1.1 OSCILLATEURS LOCAUX

    Les rsonateurs BAW prsentent des facteurs de qualit assez levs, une bonne

    stabilit en frquence et une consommation assez faible permettant dobtenir des oscillateurs

    performants faible bruit de phase. Ils sont utiliss comme source de rfrence de frquence

    dans des montages doscillateurs locaux classiques (Pierce [26] ou Colpitts [27]), dans des

    boucles verrouillage de phase (PLL) (Figure I-17) ou pour des slecteurs de canaux [28].

    Figure I-17 : Boucle verrouillage de phase intgre

    Le gnrateur de frquence est au cur de tout systme RF de tlcommunications. En

    mission, il permet de gnrer le signal de la frquence porteuse et, en rception, le signal de

    loscillateur local. Ces performances en termes de stabilit frquentielle et de bruit de phase

    sont donc cruciales.

    Le signal sinusodal de rfrence est le plus souvent obtenu par synthse de frquence,

    en multipliant la frquence de rsonance dun rsonateur Quartz grce une boucle

    verrouillage de phase (PLL). Bien que le rsonateur Quartz ait un fort coefficient de qualit

    basse frquence et un faible bruit de phase, les performances de ce systme sont assezfaibles. En effet, loscillateur contrl en tension et le diviseur de frquence ont une forte

    consommation lectrique et introduisent des pertes. La boucle de rtroaction rduit la bande

    passante et augmente le bruit de phase. Enfin, le temps de mise en marche des synthtiseurs

    de frquence est assez long. La monte en frquence ne fait quaugmenter ces problmes. Un

    synthtiseur dlivrant une sinusode 434 MHz avec un bruit de phase de 112dBc/Hz

    500kHz doffset consomme environ 400 W [26]. Pour un systme dlivrant un signal 900

    MHz avec un bruit de phase de -127dBc/Hz 330kHz doffset, la consommation passe 130mW. Lintgration totale des fonctions du synthtiseur permet de rduire la consommation,

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    Chapitre I 42

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    mais il ncessite toujours un rsonateur Quartz non intgrable. Ce dernier peut

    ventuellement tre remplac par un circuit rsonant LC passif et ainsi rduire le temps de

    mise en marche et la puissance consomme, mais les performances en termes de variation de

    frquence et de bruit de phase pour un tel systme sont importantes.

    Les rsonateurs BAW fonctionnent directement des frquences suprieures 1 GHz.

    Utiliss dans un oscillateur, ils permettent de saffranchir du circuit de synthse de frquence

    RF. Le rsonateur, plac dans la boucle de rtro raction dun montage Pierce [26] totalement

    intgr en technologie CMOS, a permis dobtenir un oscillateur fonctionnant 1,9 GHz,

    possdant une bonne stabilit en frquence, un bruit de phase de 120dBc/Hz 100kHz

    doffset, un temps de dmarrage infrieure 800ns et une consommation de 300W.

    Loscillateur montage Colpitts quilibr publi dans [27] gnre un signal 5,46 GHz et un

    bruit de phase de 121dBc/Hz 100kHz doffset. Cette structure (Figure I-18), tant dj

    quilibre, ne ncessite pas dtage de conversion et peut tre branche directement sur un

    mlangeur ou un diviseur. De plus, ce circuit peut tre adapt pour gnrer des frquences

    entre 10 et 20 GHz.

    Figure I-18 : Oscillateur Colpitts quilibr fonctionnant 5,46 GHz

    Les rsonateurs HBAR semblent tre les plus performants pour ce type de structures

    puisquils fonctionnent sur un mode harmonique pour lequel le coefficient de qualit est trs

    lev. Cependant, les oscillateurs dont les caractristiques ont t publis intgrent soit des

    structures FBAR, soit des structures SMR fonctionnant sur le mode fondamental. En effet, les

    contraintes technologiques imposes par le substrat des rsonateurs HBAR entranent une

    diminution du taux dintgration et une augmentation du cot. Son utilisation nest donc pas

    adapte une production de masse dun oscillateur totalement intgr.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 43

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    V.1.2 FILTRESRF

    Lmetteur-rcepteur conversion directe est la structure gnralement employe pour

    la norme WCDMA (UMTS). Elle permet une communication full-duplex et ncessite

    lutilisation de deux filtres RF en mission et en rception (Figure I-19). Le filtre inter-tages

    dmission permet de mettre en forme le signal modul avant amplification. Le filtre

    duplexeur, dans lequel passe le signal amplifi, doit tre capable de supporter des niveaux de

    puissance levs en mission, de recevoir de trs faibles signaux et de garantir une isolation

    importante entre les deux voies. Pour la norme WCDMA, cette isolation doit tre de 50 dB,

    sachant que lcart entre les bandes dmission et de rception, respectivement situes

    [1920-1980 MHz] et [2110-2170MHz], nest que de 130 MHz. Le filtre inter tage en

    rception permet dattnuer le signal coupl en entre du circuit de dtection et de rduire lescontraintes de non linarit sur les tages suivants.

    Figure I-19 : Filtres RF rsonateurs BAW

    Actuellement, les filtres inter-tages sont souvent mis en oeuvre grce la technologie

    SAW et les filtres duplexeur, grce la technologie cramique. Ces dernires doivent faire

    face un besoin dintgration et dautonomie de plus en plus pousses, une rduction des

    cots et une monte en frquence des systmes de tlcommunication. Grce aux progrs

    des techniques de dpt en couche mince, la technologie BAW apparat comme tant une

    bonne alternative. Elle permet dallier performances lectriques et intgration dont les

    systmes de tlcommunication de demain ont besoin.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 44

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Les filtres passe-bande miniatures rsonateurs BAW commencent dailleurs faire

    leur apparition sur le march. Ils prsentent les mmes performances lectriques que les filtres

    SAW, mais avec un encombrement rduit. Leur bonne tenue en puissance et leur forte

    slectivit en font des concurrents directs des filtres cramiques. Enfin, leur compatibilit

    technologique avec les techniques dintgration actuelles (CMOS ou Bi-CMOS) promet une

    intgration complte de la chane RF sur un mme substrat et donc une diminution du cot et

    de lencombrement.

    Ces filtres sont constitus de plusieurs rsonateurs lectriquement ou mcaniquement

    coupls. Chaque rsonateur reprsente un ple dans la rponse frquentielle finale. Le

    couplage lectrique peut tre effectu en configuration srie et parallle (filtre en chelle ou

    Ladder ) ou en configuration croise (filtre en treillis ou Lattice ). Le couplagemcanique est effectu par empilement direct de rsonateurs (filtres SCF) ou par

    lintermdiaire de couches (filtres CRF).

    V.1.2.1

    Couplage lectrique des rsonateurs

    V.1.2.1.a Les Filtres en echelle (Ladder)

    Les filtres en chelle (Figure I-20) sont constitus de rsonateurs relis lectriquement

    en srie ou en parallle. Cette association permet la ralisation de fonctions de filtrage simple

    ou diffrentielles, quilibres ou non.

    Figure I-20 : Topologie de filtres en chelle

    Chaque rsonateur reprsente un ple et un zro de transmission dans la rponse du

    filtre. Les pertes dinsertion dun tel filtre sont lies non seulement au facteur de qualit des

    rsonateurs, mais aussi la prcision des frquences de rsonance srie et parallle de chaque

    type de rsonateurs. la rsonance, un rsonateur BAW se comporte comme un court-circuit

    (Z est minimum) et lanti-rsonance, comme un circuit ouvert (Z est maximum). La mise en

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

    45/206

    Chapitre I 45

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    parallle dun rsonateur inverse ces comportements. Pour obtenir une rponse de filtre et

    minimiser les pertes dinsertions, il faut faire concider les frquences de rsonance des

    rsonateurs en srie avec les frquences danti-rsonances des rsonateurs en parallle (Figure

    I-21). La bande passante du filtre dpend donc directement du coefficient de couplage

    lectromcanique.

    Figure I-21 : Synthse de filtre pour une topologie en chelle 1 tage

    La rjection hors bande dun tage dpend du niveau dimpdance de chaque

    rsonateur et celle du filtre global, du nombre dtages (Figure I-22). Laugmentation du

    nombre dtage augmente les pertes dinsertions.

    Figure I-22 : Mesure de la variation de lattnuation hors bande pour une topologie enchelle en fonction du nombre dtage

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 46

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    Les filtres en chelles sont aujourdhui fabriqus pour des applications de tlphonie

    mobile couvrant la bande de frquence 500 MHz - 3.5 GHz. Les deux matriaux

    pizolectriques les plus employs sont lAlN et le ZnO, ce qui implique une bande passante

    troite comprise entre 0.5 et 5%. titre dexemple, la Figure I-23 prsente un filtre en chelle

    conu par Agilent pour une application rpondant la norme de communication U.S. PCS-

    1900 [29].

    Figure I-23 : Exemple de filtre BAW en chelle [29] [30]

    Ce filtre est compos de 9 rsonateurs qui constituent 3,5 tages en chelle. Les

    rsonateurs en srie ont une surface dlectrode double, de manire minimiser les pertes et

    optimiser lattnuation dans la bande. Ce sont des structures cavit dair sur un substrat de

    Silicium, constitus dune couche dAlN et dlectrodes en Molybdne. Le coefficient de

    couplage lectromcanique est de 6%. Le dcalage frquentiel entre les rsonateurs en srie et

    en parallle est donc de 3% et permet dobtenir la bande passante de 60 MHz ncessaire au

    respect de la norme U.S. PCS-1900.

    Les filtres BAW en chelle se caractrisent par une forte slectivit, mais une

    attnuation hors bande relativement faible. La bande passante est limite par le coefficient de

    couplage lectromcanique des matriaux utiliss. Cette topologie est largement utilise dans

    les filtres duplexeurs o lisolation entre les voies dmission et de rception demande defortes slectivits.

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 47

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    V.1.2.1.b Les filtres en treillis (Lattice)

    Les filtres en treillis ont une topologie croise constitue de rsonateurs relis

    lectriquement en srie ou en parallle (Figure I-24). Cette association permet la ralisation de

    fonctions de filtrage diffrentielles, quilibres ou non.

    Figure I-24 : Topologie de filtres en treillis

    Pour cette topologie, la position des ples dpend du niveau des impdances et non de

    la position des frquences de rsonance et danti-rsonance (Figure I-25). Un zro apparat sur

    le paramtre de transmission S21lorsque les impdances des rsonateurs sries et parallles

    sont gales (Zs=Zp). Cette condition impose une diffrence de potentielle nulle en sortie.

    Aucune puissance nest alors transmise la charge.

    Figure I-25 : Topologie de filtres en treillis

  • 7/23/2019 Giraud Sylvain

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    Chapitre I 48

    Les rsonateurs pizolectriques et leurs applications dans les metteurs-rcepteurs RF

    S21est maximum (S11minimum) lorsque le produit des impdances des rsonateurs

    srie