Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire d'électronique générale 2 LEG2)

Capacités variables et inductances MEMS RF pour une intégration "Above-IC"

Mehdaoui, Alexander ; Ionescu, Mihai Adrian (Dir.) ; Ancey, Pascal (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3790.

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    Summary
    This work was carried out in a collaborative framework between Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne and an industrial partner ST Microelectronics. RF MEMS passives are key devices for the RF front-end in modern transceiver and receiver architectures, offering significant gains in compactness, performance at GHZ frequency and low power consumption. In this context, our work deals with the development of RF MEMS tunable capacitors for above-IC integration, and the co-integration with high-Q MEMS inductors. The possibility to co-integrate L and C functions in the same platform enables the use of this technology in a number of applications such as VCOs and tunable filters. This work addresses the design, simulation and fabrication of tunable capacitors with fragmented metal (AlSi) that are laterally driven by electrothermal and electrostatic actuators. All of MEMS passives components are made with a low-temperature process (above-IC compatible) using polyimide as sacrificial layer, 4 µm AlSi as metal layer and copper. The copper layer is used for a double purpose: (i) to design and fabricate vertically integrated high Q inductors and (ii) to define lateral electrostatic actuators for the MEMS capacitors. To increase the tuning range of MEMS capacitors, we investigate solutions by varying the effective area. First, electro-thermal actuators have been demonstrated for driving suspended electrodes of tunable capacitors such as rotational and lateral actuator. We demonstrated a tuning range of 70% and 25% at 2GHz in case of MEMS capacitors with rotational and lateral actuators, respectively. These solutions evade the pull-in effect but the tuning range is less than 100% and the power consumption is high. For the purpose of power reduction, we develop tunable capacitors with fragmented electrodes that are laterally driven by electrostatic actuator: however, the fabrication process associated with these architectures appears to be very difficult and, finally, it was not possible to show full functional devices. It is worth noting that the design of MEMS capacitors has been supported by electromechanical ANSYS simulations and modeling of the fringing effects, for an optimal device design. In the AlSi layer, we also demonstrate inductors with quality factor in excess of 10 at 2GHz. Basic LC blocks are realized and characterized with a tunable frequency of 25% at 2GHz. Another particular realization are the vertically integrated, thick copper inductors, which have been successfully fabricated and measured (L = 2.5 nH, Q = 15 at 2GHz). Finally, in the same process, we fabricated and characterized WLAN and DCS bandpass filters for a demonstrator dealing with a reconfigurable radio front-end. These components are fabricated with thick copper of 10 µm
    Résumé
    Ce travail a été réalisé en collaboration entre l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et un partenaire industriel STMicroelectronics. Les composants passifs MEMS RF sont des éléments importants du "front end" RF dans les architectures modernes de transmetteurs et récepteurs. Leurs avantages sont de grandes performances aux fréquences du GHz, de faibles puissances de consommation et ils permettent une miniaturisation des circuits et systèmes. Dans ce contexte, le travail proposé consiste à développer des composants capacités variables MEMS RF pour une intégration "Above-IC", et la co-intégration avec d'autres composants passifs MEMS. La possibilité de co-intégrer les fonctions L et C sur le même design permet d'utiliser cette technologie dans un grand nombre d'application, qui inclut des VCO, des filtres variables. Ce projet présente le design, la simulation et la fabrication des capacités variables à électrodes fragmentées (AlSi) qui se déplacent latéralement à l'aide d'actionneurs électrothermique et électrostatique. Tous les composants passifs MEMS sont réalisés à de faibles températures (compatible "Above-IC"), en utilisant, une couche sacrificielle polyimide, 4 µm d'AlSi comme couche structurelle et du cuivre épais. Le cuivre est utilisé à la fois pour le design et la fabrication des inductances à fort facteur de qualité et pour définir les actionneurs électrostatiques pour les capacités variables MEMS. Pour augmenter la variation de capacité, nous nous sommes concentrés sur la variation de surface. D'abord, les actionneurs électrothermiques ont été fabriqués pour déplacer les électrodes suspendues de la capacité, tels que les actionneurs rotationnel et latéral. Nous avons obtenus des variations de capacité de 70% et 25% à 2GHz dans les cas des actionneurs rotationnel et latéral, respectivement. Ces solutions évitent l'effet "pull-in" mais la variation de la capacité reste inférieure à 100% et la consommation en puissance est forte. Nous avons alors choisi de développer une autre capacité variable à électrodes fragmentées et par actionnement latéral électrostatique. Cependant, le procédé de fabrication associé à ce nouveau prototype semble être difficile et finalement il n'a pas été possible de montrer le principe de fonctionnement. Un facteur de qualité des inductances AlSi supérieur à 10 à 2GHz a été mesuré. Des circuits LC ont été réalisés et caractérisés, avec une variation de fréquence de 25% à 2GHz. Les inductances en cuivre ont été fabriquées avec succès et mesurées (L = 2.5 nH, Q = 15 à 2GHz). Enfin, dans le même procédé, nous avons fabriqué et caractérisé des filtres passe-bande WLAN et DCS pour un démonstrateur reconfigurable "front end". Ces composants ont été fabriqués avec du cuivre épais 10 µm.