Filtres pour télécommunications radio

CFA 2006
Filtres pour télécommunications radio-fréquences par couplage acoustique de résonateurs
Alexandre Volatier1, Emmanuel Defaÿ2, Amy N'hari3, Pascal Ancey1, Marc Aïd2, Bertrand Dubus4
1
STMicroelectronics, CMCC Crolles, France, courriel : [email protected]
2
CEA-DRT LETI/DHS CEA/GRE, Grenoble, France
3
STMicroelectronics, Tours, France
4
IEMN, département ISEN, UMR CNRS 8520, Lille, France
Le travail présenté concerne la conception, la réalisation et la
caractérisation d’un filtre CRF pour le standard W-CDMA
(2,14 GHz).
Résumé
Le travail présenté concerne la conception, la réalisation et la
caractérisation d’un filtre CRF (Coupled Resonator Filter)
mettant en oeuvre le couplage acoustique de résonateurs
BAW (Bulk Acoustic Wave) pour le standard W-CDMA
(2,14 GHz). La conception est conduite à l’aide d'un modèle
1D de type Mason. Les résonateurs sont réalisés en nitrure
d’aluminium avec des électrodes en molybdène. Ils sont
couplés par un multicouche spécifique et isolés du substrat
par un réseau de Bragg. Les performances obtenues pour le
filtre sont conformes au standard W-CDMA en termes de
bande passante et de réjection hors bande.
1. Principe de filtre par couplage
acoustique de résonateurs (CRF)
La géométrie d'un filtre CRF est présenté à la figure 1a, le
réseau de Bragg servant à découpler le filtre du substrat étant
omis par souci de simplification. Ce dispositif peut être
décrit par le schéma à constantes localisées de la figure 1b
où C0, Cm, Lm, Rm et N sont les éléments classiques
(respectivement, capacité bloquée, capacité motionnelle,
inductance motionnelle, résistance motionnelle et rapport de
transformation électro-mécanique) de représentation d'un
résonateur piézoélectrique au voisinage de la résonance [4]
et Cc décrit la souplesse de la structure de couplage (la masse
dynamique de cette structure étant supposée négligeable). Z0
représente l'impédance de ligne en entrée et en sortie du
filtre.
Introduction
L’évolution des standards de radio-communications (UMTS,
Bluetooth) fait apparaître un besoin de filtres dans la gamme
radio-fréquence (> 1GHz). Comparativement aux filtres
SAW, les résonateurs à ondes acoustiques de volume (Bulk
Acoustic Wave ou BAW resonators) permettent de réaliser
des filtres ayant des propriétés particulièrement intéressantes
en terme de tenue en puissance et d’intégration sur
circuit [1]. Dans un résonateur BAW, une couche
piézoélectrique ultra-mince (< 2 µm) déposée entre deux
électrodes est mise en résonance dans son mode d’épaisseur
longitudinal. Pour conserver un coefficient de qualité élevé,
ce résonateur est réalisé sur membrane ou découplé du
substrat par un réflecteur de Bragg. Généralement, les
résonateurs BAW sont couplés électriquement dans un
montage en échelle ou en treillis pour constituer un filtre.
(a)
Résonateur supérieur
Structure de couplage
Résonateur inférieur
Réflecteur de Bragg
Substrat
Le filtre à couplage acoustique de résonateurs (Coupled
Resonator Filter ou CRF) reprend l’idée du Stacked Crystal
Filter ou SCF [2] qui utilise un empilement deux
résonateurs, l’un des résonateurs servant d’entrée et l’autre
de sortie. Un tel dispositif présente une réponse de filtre au
voisinage du mode d’épaisseur en longueur d’onde de
l’ensemble. Dans un CRF, le couplage entre les résonateurs
est ajusté par l’insertion de couches intermédiaires ce qui
permet de contrôler la largeur de la bande passante du filtre
[3]. Pour des applications radio-fréquences, un CRF permet
d’atteindre des performances similaires aux filtres BAW à
couplage électrique avec une réduction importante
d’encombrement. De plus, des fonctions supplémentaires
(transformateur d’isolation, transformation d’impédance
électrique) peuvent être directement intégrées.
(b)
1:N
Cm
Lm
Cm
Rm
Lm
Rm
N:1
Z0
C0
~
e
C0
Cc
Figure 1 : Filtre CRF (a) géométrie (b) schéma électrique
équivalent à constantes localisées
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Z0
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Fréquence centrale
Pertes d'insertion
Bande passante à –3,5dB
Bande passante à –20 dB
Réjection hors-bande (dB)
2,14 GHz
-3,5 dB
60 MHz
160 MHz
30 dB
Tableau 1 : spécifications requises pour le filtre de
réception dans le cas de la norme W-CDMA
Figure 2 : variation de la réponse en transmission du filtre
pour différentes souplesses de la structure couplant les
résonateurs.
La figure 2 présente l'évolution de la réponse en
transmission du filtre (paramètre hyperfréquence s21) au
voisinage de la fréquence de résonance en demi-longueur
d'onde des résonateurs pour différentes valeurs de souplesse
de la structure de couplage. Le couplage des deux
résonateurs introduit une levée de dégénérescence des modes
propres des résonateurs isolés. Le mode de plus basse (resp.
haute) fréquence correspond à une vibration en opposition de
phase (resp. en phase) des deux résonateurs. Lorsque le
couplage entre les résonateurs est optimal (ou critique), la
bande passante du filtre est maximale.
Figure 3 : Géométrie et matériaux du filtre CRF pour
standard W-CDMA
3. Procédé de fabrication
Sur le plan technologique, la fabrication d'un tel dispositif
fait apparaître plusieurs points critiques :
2. Conception d'un filtre CRF pour
standard W-CDMA
Les spécifications d'un filtre de réception pour le standard
W-CDMA sont rappelées dans le tableau 1. Le filtre est
réalisé par un empilement de couches (Fig. 3) ayant les
fonctions suivantes :
-
les résonateurs sont constitués de couches de nitrure
d'aluminium (AlN) et d'électrodes en molybdène (Mo) ;
-
la structure de couplage entre résonateurs est un
multicouche constitué de matériaux présentant un fort
contraste d'impédance acoustique, ajusté de manière à
obtenir un couplage optimal ;
-
le découplage du substrat est assuré par un réflecteur de
Bragg constitué de deux bi-couches SiOC/SiN(matériaux
présentant également un fort contraste d'impédance
acoustique);
-
deux filtres CRF sont réalisés côte à côte et mis en série
par l'intermédiaire des résonateurs inférieurs. Il est ainsi
possible d'accroître la sélectivité du filtre afin de pouvoir
répondre au besoin de réjection. Par ailleurs cette
géométrie simplifie considérablement la réalisation
technologique en situant les ports d'entrée et de sortie au
niveau des résonateurs supérieurs.
-
la réalisation du résonateur inférieur qui fixe la fréquence
centrale du filtre mais aussi le choix des épaisseurs pour
le résonateur supérieur ;
-
la réalisation de la couche supérieure du multicouche de
couplage dont la rugosité conditionne la croissance de la
couche piézoélectrique du résonateur supérieur ;
-
La réalisation du deuxième résonateur dont la réponse
doit être identique à celle du résonateur inférieur sous
peine de devoir à ajuster sa fréquence de résonance.
Le procédé de fabrication du filtre CRF est décrit ci-après.
Les quatre couches de SiN et de SiOC sont déposées
successivement sur substrat silicium. La couche supérieure
de SiOC fait l'objet d'un polissage mécanique et chimique
(CMP) visant à réduire sa rugosité, paramètre critique pour
la croissance de l'AlN. L'électrode inférieure en molybdène
est déposée puis gravée. Le dépôt d'AlN est suivi d'un
nouveau dépôt de molybdène et de sa gravure. A ce stade, la
réalisation des résonateurs inférieurs est terminée et une
première caractérisation est effectuée. La fréquence
d'antirésonance moyenne est mesurée à 2,027 GHz et le
carré du coefficient de couplage moyen est de 6,76%. Le
multicouche de couplage spécifique est ensuite réalisé par
étapes successives de dépôt de trois couches respectivement
de faible, forte puis faible impédance acoustique. Cette
dernière couche est de nouveau lissée par CMP afin de
permettre une bonne croissance de l'AlN supérieur. Le
résonateur supérieur est ensuite réalisé suivant le même
procédé que le résonateur inférieur avec des épaisseurs
ajustées suite à la mesure des résonateurs inférieurs. Un
exemple de filtre réalisé est présenté à la figure 4.
Le dimensionnement du filtre CRF est effectué à partir du
modèle de Mason implémenté sous le logiciel ADS. Ce
modèle, bien que restreint à une dimension, est valable sur
une bande de fréquence plus large que le schéma à
constantes localisées du paragraphe 1.
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comparable aux résultats à l'état de l'art dans le domaine,
publiés par les sociétés TFR et Infineon [5, 6]. Cependant, la
bande passante n'est pas plate et la spécification en perte
d'insertion n'est pas vérifiée sur la bande requise (60 MHz).
Enfin, on observe un phénomène d'ondulation sur la réponse
du filtre à partir de 2 GHz qui dégradent fortement les
performances. Il provient de résonances parasites d'ondes
pseudo-Rayleigh se propageant latéralement dans le
dispositif. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour
résoudre ce problème comme l'apodisation de la géométrie
[7] ou l'ajout d'un "frame" [8]. Une étude plus approfondie
permettant de supprimer ces parasites et d'augmenter ainsi le
niveau de pertes d'insertion est actuellement en cours.
Figure 4 : vue de dessus (a) et vue en perspective par
profilomètre interférométrique (b) du filtre CRF réalisé
Figure 5 : variation large bande du paramètre s12 avec la
fréquence. Trait rouge : mesure, trait bleu : modèle de
Mason
4. Caractérisation du filtre CRF
La réponse en transmission mesurée du filtre est comparée
aux résultats issus du modèle de Mason (Fig. 5). L'allure
générale de la courbe est correctement prédite par le modèle
de Mason à l'exception du niveau de réjection hors bande qui
est dominé par des couplages parasites non pris en compte
dans la simulation 1D. Ainsi l'harmonique d'ordre 3, située à
3,65 GHz, présente une légère diminution de la réjection à
46 dB qui reste supérieure aux 30 dB requis par la
spécification. Pour le mode fondamental à 860 MHz, le
niveau de réjection décroît à 28 dB. Bien que la bande de
réflexion du miroir de Bragg soit très large dans le cas du
couple SiN/SiOC, la fréquence du mode fondamental est
située à l'extérieur de cette bande de réflexion. Cette
résonance provient donc d'une onde se propageant dans tout
le substrat et se réfléchissant sur la face arrière.
La figure 6 présente les réponses en transmission et en
réflexion du filtre CRF au voisinage de la bande passante. La
fréquence centrale est décalée par rapport à la spécification
(2,018 GHz au lieu 2,14 GHz), conséquence logique du
décalage en fréquence des résonateurs inférieurs. Le
paramètre de réflexion s11 dans la bande passante (critère
d'adaptation par rapport à la ligne) est inférieur à –10 dB
dans la bande, ce qui correspond à une adaptation
satisfaisante. Le niveau optimal de pertes d'insertion obtenu
pour ce filtre est de –2,9 dB (spécification à –3,5 dB), valeur
Figure 6 : variation bande étroite du paramètre s12 (trait
rouge) et du paramètre s11 (trait bleu) avec la fréquence
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Conclusion
Un filtre CRF a été réalisé pour le standard W-CDMA à
partir de résonateurs BAW en nitrure d’aluminium couplés
par un multicouche spécifique et isolés du substrat par un
réseau de Bragg. Les performances obtenues sont conformes
aux spécifications du standard W-CDMA en termes de
bande passante et de réjection hors bande. Des travaux
complémentaires sont en cours pour réduire les pertes
d'insertion et contrôler les modes latéraux qui engendrent
une ondulation dans la bande passante du filtre.
Remerciements
Ces travaux ont été conduits avec le soutien du Ministère de
la Recherche (bourse CIFRE, programme TAC), du
Ministère de l'Industrie (programme Nano2008), de la
Région Nord Pas de Calais (programme TAC) et de l'Union
Européenne (programme TAC).
References
[1] K.M. Lakin, Thin films resonator and filters, IEEE
Ultrason. Symp. (1999), 895-906.
[2] A. Ballato, T. Lukasek, A novel frequency selective
device: the Stacked Crystal Filter, Proc. 27th Ann. Freq.
Control Symp. (1973), 262-269.
[3] K.M. Lakin, Coupled Resonator bulk acoustic wave
Filter, US patent 6,720,844, (2001).
[4] O.B. Wilson, Introduction to the theory and design of
sonar transducers, Peninsula, Los Altos, CA, (1988).
[5] K.M. Lakin, Coupled Resonator Filter, IEEE Ultras.
Symp. (2002), pp 901-908
[6] G.C. Fattinger, J. Kaitila, R. Aigner, W. Nessler, Singleto-balanced filters for mobile phones using Coupled
Resonator BAW technology, IEEE Ultrason. Symp. (2004),
416-419
[7] R. Ruby, J. Larson, C. Feng, S. Fazzio, The effect of
perimeter on FBAR resonator electrical performance,
Microwave Symp. Digest, 2005 IEEE MTT-S Int. (2005).
[8] G.G. Fattinger, M.R. Fattinger, K. Diefenbeck, P. Müller,
R. Aigner, Spurious mode suppression in Coupled Resonator
Filters, IEEE Ultrason. Symp. (2005), 409-412.
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