La majorité des MEMS RF (Micro Electro Mechanical Systems Radio Fréquence) sont actionnés en utilisant une force électrostatique. La distance entre les deux électrodes est ainsi modifiée pour transmettre ou couper le signal RF. Ce type d'actionnement, malgré ses avantages, a un défaut majeur qui concerne le chargement des diélectriques. Ce dernier mène à terme à la défaillance du dispositif. Pour résoudre ou minimiser ce problème, nous avons travaillé dans deux directions. La première consiste à utiliser l'actionnement piézo-électrique à la place de l'actionnement électrostatique. La seconde direction concerne l'amélioration du comportement mécanique de la structure en augmentant la force de rappel sans modifier la tension d'actionnement. Les designs proposés ont été validés en utilisant une plateforme de simulation multi-physique.

L'insertion des microcommutateurs MEMS RF nécessite une tension d'actionnement et des dimensions toujours plus petites, ce qui confère davantage d'importance aux effets de surfaces, si bien qu'une des principales limitations des performances des microcommutateurs est la qualité du contact et sa fiabilité. Dans ce contexte, nous avons développé un outil de calcul de la résistance de contact électrique de microcommutateurs MEMS RF à contact ohmique. La finalité de l'outil sera l'étude de l'impact des matériaux, de l'état de surface, de la topologie de contact pour augmenter les performances de contact. Un tour d'horizon des différentes méthodes existantes (analytique, numérique, expérimentale) pour analyser le contact mécanique puis électrique de surfaces rugueuses a tout d'abord été réalisé. Puis nous avons conçu et fabriqué deux types de véhicules de test, à actionnement mécanique et à actionnement électrostatique afin de pouvoir tester la méthodologie de modélisation du contact mise en oeuvre. L'originalité de cette méthodologie repose sur une nouvelle approche utilisant la méthode d'ingénierie inverse pour générer la forme réelle de la surface. Les progrès apportés sur les logiciels de calcul rendent possible l'implantation de profils réels de surface issus de la caractérisation. L'analyse du contact mécanique est ensuite réalisée à travers des simulations numériques de contact avec le logiciel multiphysique éléments finis ANSYS 11. Cette analyse mécanique est suivie d'une analyse électrique, basée sur des formulations analytiques issues de la théorie du contact électrique et utilisant les résultats de l'analyse précédente. Les surfaces de contact des structures de test sont acquises à l'AFM afin de tester l'outil de calcul. Les résultats obtenus avec la nouvelle méthodologie restent éloignés des mesures expérimentales de résistance de contact. Ces écarts étaient prévisibles tant il est difficile d'une part de prendre en compte tous les paramètres affectant la val eur de la résistance (effet thermique, présence d'un film isolant sur l'interface de contact, phénomène de fluage) dans le modèle, et tant il est difficile d'autre part d'évaluer avec précision les propriétés des matériaux de contact.

Le packaging des MEMS-RF est un sujet de recherche qui a été étudié de manière intensive ces dernières années. En effet, la fiabilité des composants micromécaniques est directement dépendante de l’humidité et de la poussière avoisinant la structure. C’est pourquoi la recherche d'un package parfaitement hermétique à très faible coût, sans influence sur les performances RF reste d’actualité, même si un grand nombre de publications et de solutions ont été présentées auparavant. Ces travaux de recherche porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de commutateurs MEMS-RF ohmiques packagés par deux techniques différentes. La première partie de cette thèse a été consacrée d’étudier une encapsulation par film mince. Une couche métallique d’or électrolysée est utilisée pour former le capot, ensuite le nitrure de silicium est utilisé pour sceller le capot. Cette technique a présenté plusieurs avantages où nous obtenons une petite taille, l’augmentation du nombre de composants par substrat tout en réduisant le cout de fabrication. Malgré tous ces avantages, cette technique engendre aux composants des faibles effets parasites sur leurs performances RF. La deuxième technique qui a été étudié dans ce travail, est l’encapsulation par collage de tranche. Le principe de cette encapsulation est de sceller un substrat de capots micro-usinés en silicium avec un substrat contenant les composants MEMS-RF. Ensuite, une découpe de deux substrats est nécessaire pour obtenir les commutateurs MEMS-RF encapsulés. Le scellement utilisé durant cette thèse était le glass frit qui garantit une très bonne herméticité. Des mesures d’herméticité sont faites par le cnes montrent que les commutateurs mems-rf sont encapsulés hermétiquement en indiquant un taux de fuite de 8.8e-12 atm.cc/s. Les performances RF du commutateur MEMS-RF sont déjà présentées et qui montrent que cette technique d’encapsulation ne présente aucune influence sur ces performances. / RF MEMS packaging is an important research topic that is intensively studied for years. Indeed, Micro-mechanical devices that are protected from humidity, dust and working in a clean controlled atmosphere consequently improve their reliability. Meanwhile, the search for a perfectly hermetic package at very low cost with no influence on the RF performances is still a challenge even if a lot of publications and solutions have been presented so far. This research focuses on the design, realization and characterization of encapsulated RF MEMS switches using two different techniques. The first part of this thesis has been to study a Wafer Level Thin Film Packaging (WLTFP) using a metallic cap, then we have utilize the silicon nitride to seal this cap. This encapsulation technique presents several advantages where we have extremely small volume cavity, no double-wafer alignment required, and substantial increase in the number of devices per wafer reducing cost. Despite all these advantages, this technique generates to the components a low parasitic effects on their RF performances. Another type of packaging has been studied during this thesis is Wafer to Wafer Packaging. The principle of this encapsulation is to seal a micro-machined wafer of caps on the wafer containing RF MEMS switches to be protected. The both wafers are then cut together and we obtain directly the packaged switches. The RF MEMS packaging using this technique permits to obtain a hermetic package (leak rate of 8.8e-12 atm.cc/s measured by the French Space Agency-CNES) with no influence on the device characteristics. The RF characterization of the switch having a silicon cap bonded using a dielectric sealing paste have shown that the insertion loss in the ON state and the isolation in the OFF state is practically the same before and after capping.

Les systèmes d'information actuels reposent fortement sur les technologies micro-ondes utilisées pour les communications hertziennes. L'amélioration des performances des MEMS radio fréquence aptes à fonctionner dans la bande X (8 GHz et 12 GHz) est un enjeu important pour des applications de télécommunications mais aussi pour les applications radar. Pour y parvenir l'intégration de matériaux ferroélectriques à haute constante diélectrique est requise. Les matériaux qui possèdent de telles propriétés et qui sont les plus adaptés, sont les composés qui dérivent de la structure pérovskite. Intégrer ce type de matériaux dans des commutateurs radio-fréquence (MEMS-RF) pose de nouveaux chalenges en termes de maîtrise du matériau et de compatibilité avec les technologies MEMS existantes. Cette thèse s'est portée sur le composé PMN-PT avec la composition 65/35 qui possède une permittivité relative supérieure à 10000 sous forme de matériau massif.Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de l'intégration du composé PMN-PT dans des composants passifs que sont les commutateurs MEMS. Dans la gamme de fréquence d'intérêt, de 500 MHz jusqu'à 20 GHz, les propriétés de ces matériaux ont été peu étudiées sur les matériaux massifs et encore moins sous forme de films minces. L'objectif de cette thèse était de réaliser les couches minces ferroélectriques et de tester leur compatibilité dans l'ensemble du fonctionnement d'un composant MEMS mais aussi de mener une étude réciproque : l'analyse des FeMEMS (MEMS basé sur les ferroélectriques) permettant de compléter les connaissances de ces matériaux dans cette gamme de fréquence. Ce travail est d'intérêt pour l'industrie de la technologie MEMS mais aussi pour la science des matériaux ferroélectriques mais aussi par la compréhension des mécanismes physiques gouvernant aux propriétés diélectriques en termes de pertes notamment dans ce domaine de fréquences.Les caractérisations des MEMS-RF présentées dans cette thèse ont démontré la compatibilité du MEMS PMN-PT dans la gamme de fréquence entre 500MHz et 10 GHz avec de très bonnes performances. En utilisant cette adaptation, la technologie actuelle est ainsi capable de couvrir tous les bandes de fréquence les plus importantes : la bande de télécommunication civile de 1 GHz à 5 GHz en utilisant le PMN-PT, la bande X pour les satellites entre 5 GHz et 15 GHz avec PZT et la bande de haute fréquence de 15 GHz à 40 GHz pour la défense avec les diélectriques traditionnels (Si3N4).

La mise sur le marché de Micro Systèmes Electro Mécaniques Radio-Fréquences (MEMS RF) est freinée par leurs manques de maturités au niveau du flot de conception, de la mise en boîtier (packaging) et de la fiabilité. Dans ce contexte, nous mettons en évidence, une solution d'assemblage par report d'un capot avec un scellement en polymère adaptée aux micro-commutateurs RF. Afin de répondre aux enjeux de conception, nous avons identifié des besoins en terme de modélisation éléments finis (EF) multi-physique, permettant de générer des macro-modèles comportementaux. Ainsi, nous discutons des possibilités offertes par deux logiciels EF réellement multi-physique : ANSYS et COMSOL. Finalement, nous proposons une solution (boîtier micro-usiné en Foturan et scellement en polymère BCB) compatible avec les spécifications du cahier des charges. La fabrication et la caractérisation électrique d'un démonstrateur ont permis de valider cette technique simple de packaging quasi-hermétique.

Les micro- et nanotechnologies (MNT) connaissent aujourd'hui un essor important dans des domaines très variés. On observe en particulier un développement des filières de micro-interrupteurs. En effet, les interrupteurs MEMS ont démontré un gain de performances significatif en comparaison avec les systèmes de commutation actuels. Ces composants sont donc devenus très attractifs pour de nombreuses applications grand public et haute fiabilité, notamment en raison de la facilité d'intégration des microsystèmes à d'autres composants passifs ou issus de la filière microélectronique. L'énorme potentiel de cette technologie a poussé la communauté scientifique à envisager les micro-interrupteurs comme technologie de substitution aux systèmes de commutation actuels pour les applications faibles à moyennes puissances. Cependant, ces interrupteurs MEMS n'ont pas encore atteint un niveau de fiabilité convenable pour entrer en phase d'industrialisation poussée. L'une des principales défaillances observées durant le fonctionnement du composant se traduit soit par l'augmentation de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles, allant jusqu'à atteindre une résistance infinie, soit par le collage irrémédiable des deux électrodes de contact au cours des cycles de commutations, annihilant la commande du composant. Ces deux phénomènes limitent de manière drastique la durée de vie du micro-interrupteur. La fiabilité du microcontact électrique, demeure ainsi le point critique dans ce type de composant, en raison des forces de contact bien souvent très faibles, entrainant des aires de contact effectives extrêmement réduites et des températures à l'interface de contact relativement élevées. C'est pourquoi de nouvelles techniques de caractérisation du microcontact ont été développées pendant cette thèse afin d'étudier l'évolution de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles et de la force appliquée. Ces bancs de test nous permettent d'analyser le comportement électromécanique et électrothermique du microcontact, afin de comprendre l'origine des mécanismes de défaillance à travers une approche physique. L'originalité des travaux réalisés dans cette thèse réside dans l'étude de la température à l'interface de contact, considérée ici comme le principal vecteur de défaillance des contacts dans les interrupteurs MEMS ohmiques. En effet, la hausse de la température de contact engendre les principaux mécanismes de défaillance du microcontact, à savoir l'adhésion, le transfert de matière et la croissance de films isolants en surface du contact. Plusieurs types de contact seront étudiés afin d'accroitre la compréhension des phénomènes physiques à l'origine des défaillances pour finalement proposer une configuration fiable, fonctionnant malgré les contraintes thermiques à l'interface de contact.

Les commutateurs capacitifs MEMS (MicroElectroMechanical System) RF présentent un intérêt maintenant bien connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, automobiles, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs (fortes pertes, isolation limitée, bruit ...). Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus comme la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. De ce fait, ils ralentissent l'industrialisation de tels composants. De fortes connaissances dans les domaines multi-physiques (micro-onde, mécanique, thermique, procédé) sont essentielles afin d'améliorer les commutateurs MEMS RF capacitifs. Des efforts ont déjà été réalisés au niveau de la topologie, de la fiabilité des diélectriques et du procédé technologique. Ce dernier n'est pas encore assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de meilleures performances et reproductibilité. Le sujet principal de ce travail de thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et également de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La première partie montre le procédé classique de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques (fluorure de strontium et nitrure de silicium dopé par des nanotubes de carbone) ont été testés dans le but d'accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le second chapitre. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance ou par un environnement hostile. Grâce à une caméra infrarouge (IR), l'échauffement dû à la puissance a été déterminé. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Finalement, toutes ces optimisations et ces études ont été appliquées à un circuit de puissance : un tuner d'impédance, qui est composé de six commutateurs. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constitue le troisième et dernier chapitre.

Les systèmes d’information actuels reposent fortement sur les technologies micro-ondes utilisées pour les communications hertziennes. L’amélioration des performances des MEMS radio fréquence aptes à fonctionner dans la bande X (8 GHz et 12 GHz) est un enjeu important pour des applications de télécommunications mais aussi pour les applications radar. Pour y parvenir l’intégration de matériaux ferroélectriques à haute constante diélectrique est requise. Les matériaux qui possèdent de telles propriétés et qui sont les plus adaptés, sont les composés qui dérivent de la structure pérovskite. Intégrer ce type de matériaux dans des commutateurs radio-fréquence (MEMS-RF) pose de nouveaux chalenges en termes de maîtrise du matériau et de compatibilité avec les technologies MEMS existantes. Cette thèse s’est portée sur le composé PMN-PT avec la composition 65/35 qui possède une permittivité relative supérieure à 10000 sous forme de matériau massif.Ce travail de thèse a été consacré à l’étude de l’intégration du composé PMN-PT dans des composants passifs que sont les commutateurs MEMS. Dans la gamme de fréquence d’intérêt, de 500 MHz jusqu’à 20 GHz, les propriétés de ces matériaux ont été peu étudiées sur les matériaux massifs et encore moins sous forme de films minces. L’objectif de cette thèse était de réaliser les couches minces ferroélectriques et de tester leur compatibilité dans l’ensemble du fonctionnement d’un composant MEMS mais aussi de mener une étude réciproque : l’analyse des FeMEMS (MEMS basé sur les ferroélectriques) permettant de compléter les connaissances de ces matériaux dans cette gamme de fréquence. Ce travail est d’intérêt pour l’industrie de la technologie MEMS mais aussi pour la science des matériaux ferroélectriques mais aussi par la compréhension des mécanismes physiques gouvernant aux propriétés diélectriques en termes de pertes notamment dans ce domaine de fréquences.Les caractérisations des MEMS-RF présentées dans cette thèse ont démontré la compatibilité du MEMS PMN-PT dans la gamme de fréquence entre 500MHz et 10 GHz avec de très bonnes performances. En utilisant cette adaptation, la technologie actuelle est ainsi capable de couvrir tous les bandes de fréquence les plus importantes : la bande de télécommunication civile de 1 GHz à 5 GHz en utilisant le PMN-PT, la bande X pour les satellites entre 5 GHz et 15 GHz avec PZT et la bande de haute fréquence de 15 GHz à 40 GHz pour la défense avec les diélectriques traditionnels (Si3N4). / The current information systems depend strongly on the microwave technology used for wireless communications. The enhanced performance of MEMS radio frequency capacity in X-band (8 GHz and 12 GHz) is an important issue not only for Telecom applications but also for Radar applications. The integration of ferroelectric materials with high-k t is highly demanded to replace the traditional dielectrics. This high-k property is accessible for compounds derived from the perovskite structure. Incorporating such materials in switches radio-frequency (RF-MEMS) impose however new chalenges in terms of the compatibility with the existing MEMS technologies. This thesis is focused on the compound PMN-PT with composition 65/35, which has a relative permittivity greater than 10,000 in the form of bulk material.This thesis has been devoted to the study of the integration of PMN-PT thin films in passive components such as MEMS switches. In the frequency range of interest, 500 MHz to 20 GHz, the properties of these materials have not been studied in bulk materials and even less in the form of thin films. The aim of this thesis was to fabricate the ferroelectric thin films and test their compatibility in the overall operation of a MEMS component. This study provides a reciprocal analysis FeMEMS (MEMS based on ferroelectrics) to complete knowledge of these materials in this frequency range. This work makes interest to both the industry and MEMS ferroelectric materials science who is trying to understand the physical mechanisms governing the dielectric properties in terms of losses in this particular range of frequencies.The characterizations of RF-MEMS presented in this thesis have demonstrated the compatibility of MEMS PMN-PT in the frequency range between 500MHz to 10 GHz with very good performance. Using this adaptation, the current technology is able to cover the most important frequency bands: the civil band telecommunication 1 GHz to 5 GHz using the PMN-PT, the X-band satellites between 5 GHz and 15 GHz with PZT and high frequency band of 15 GHz to 40 GHz for the defense with traditional dielectric (Si3N4).

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence. / Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency.