Conception et caractérisation de microsystèmes électromécaniques : étude et fiabilité des capacités accordables des MEMS RF

Design and characterisation of electromechanical microsystems : study of the reliability of RF MEMS tuneable capacitors

• Auteur / Autrice : Dimitrios Tsamados
• Direction : Alain Chovet, Jumana Boussey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Les microsystèmes électromécaniques radiofréquence (MEMS RF) sont devenus ces dernières années des composants très prometteurs pour l’amélioration des performances des circuits hyperfréquences. La possibilité de les intégrer avec des dispositifs classiques CMOS est aussi un avantage décisif. Par contre, la fiabilité des composants MEMS RF constitue le problème le plus important qui empêche souvent leur industrialisation. Dans ce mémoire une étude du fonctionnement des composants MEMS RF capacitifs est effectuée. Nous présentons la technologie compatible CMOS adoptée pour leur réalisation et les problèmes de fiabilité liés à cette technologie. Les outils de caractérisation spécifiques à l’étude de la fiabilité sont décrits. Nous proposons une modélisation analytique du comportement électromécanique qui est comparée aux analyses par éléments finis des modèles 3D des MEMS RF capacitifs. Les tests électriques des capacités accordables ont révélé divers problèmes de fiabilité, telle qu’une dépendance temporelle des caractéristiques électro-mécaniques et une forte sensibilité à la température. Le rôle de l’environnement de mesure et les difficultés qui en résultent sur l’interprétation des résultats expérimentaux sont également mise en évidence.

In the last years radio-frequency micro-electromechanical systems (RF MEMS) have become very promising components for the improvement of the performances of highfrequency circuits. The possibility of integrating them with standard CMOS devices is a decisive advantage. On the other hand, the reliability of these RF MEMS components still constitutes a major drawback that frequently inhibits their industrialisation. In this thesis, a study of the operation of capacitive RF MEMS is carried out. We present the CMOS-compatible technology adopted for the fabrication and the reliability problems related to it. Specific characterisation tools for the reliability study are also presented. We propose an analytical modelling of the electromechanical behaviour of capacitif RF MEMS which is then compared to finite element 3D analysis. The electrical tests of the tuneable capacitors have revealed various reliability problems, like time-dependent electromechanical characteristics as well as their strong dependence on temperature. The role of the test environment and the resulting difficulties in the interpretation of the experimental data are also demonstrated.