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Jury. J-P. Bourgoin Directeur de thèse L. Duraffourg Co-directeur de thèse A. Lambrecht Rapporteur A. Bosseboeuf Rapporteur O. Cugat Examinateur B. Viala Examinateur L. Chiesi Examiteur. Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique. Lise Bilhaut. - PowerPoint PPT Presentation
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1
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Actionnement magnétique à l’échelle
nanométriqueLise Bilhaut
Soutenance de thèse – 26 novembre 2009
JuryJ-P. BourgoinDirecteur de thèse
L. DuraffourgCo-directeur de thèse
A. LambrechtRapporteur
A. BosseboeufRapporteur
O. CugatExaminateur
B. VialaExaminateur
L. ChiesiExamiteur
2
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Plan
1. Contexte de la thèse
2. Un nouveau système d’actionnement
3. Nano-commutateur magnétique
4. Nano-résonateur magnétique
5. Conclusion et perspectives
3
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives
4
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Enjeux de la thèse CEA/LETI
Génère et transfère d’innovations aux acteurs industriels LCMS = Laboratoire des Composants Microsystèmes
Les MEMS: Micro-Electro-Mechanical-Systems Années 80 : têtes d'impression, accéléromètres...
2008 : marché en mutation applications électronique grand publique (MEMS inertiels)
Acteurs industriels: HP, TI, ST Micro, Bosch… CA: 4,8 milliards € (2008) / ~ 9 milliards € (prévisions 2012)
Accéléromètre (airbag)
Capteur de pression (roues)
Microbuses
Accéléromètres (Wiimote, portable)
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
5
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Des MEMS aux NEMS
Les NEMS : Nano-Electro-Mechanical Systems Taille < 10s µm, avec au moins une dimension < µm
Surface < MEMS/100
Masse < MEMS/1000
Impact de la miniaturisation Très faible niveau de puissance
Capteurs ultrasentibles
Approche multicapteurs (More-than-Moore)
Convergence avec la microélectronique
Co-intégration
Applications : base de temps, interrupteurs, mémoires
Réduction des coûts
Porte vers le nano-monde
Problèmes liés à la réduction des dimensions Effets de surface, forces de proximité, bruits
Reproductibilité technologique
Accéléromètre MEMS
Cheveu
Accéléromètre NEMS
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
6
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Problématique de la thèse
Nano-commutateur bistable Applications: interrupteur, mémoire mécanique…
Bistabilité Équilibre Factionnement – Fproximité
Démontré à l’échelle nano
Difficilement industrialisable
Magnétisme
Magnétoconstriction
Bobine + matériaux magnétiques
Inexistant à l’échelle nanométrique
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
VLSI ≡ Very Large Scale Integration
(Intégration à très grande échelle)
Système d’actionnement à l’échelle nanométrique Assurant la bistabilité Approche VLSI
Ziegler et al, APL, 84, 2004
Chandler, Microwave Journal, 47, 2004
7
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives
8
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Mémoires magnétiques
Héritage des MRAM
Couche libre
Barrière tunnel
FM 1 Couche de référence
Résistivité faible « 1 » Résistivité importante « 0 »
FM 2
Couche de référenceBarrière tunnel
FM 1
FM 2
Couche libre
AF
FMAF
T ~ 170°CB ~ 100 Oe
MRAM ≡ Magnetic Random Access Memory
FM ≡ FerroMagnétique (FeNi, FeCo)
AF ≡ AntiFerromagnétique (IrMn, NiMn, FeMn)
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
i i
400 nm
400 nm
50 nm
Nano-aimant
JFeNi = 1 TJFeCo = 2,4 T
réversible
9
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Modélisation Équations basées sur la représentation coulombienne d’un aimant
Programme calculant Bx, By et Bz
J
Couches minces magnétiquesContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
+
Bx
Bz
++
+++
+
++
–
–
–
–
–
–
–
–
–
zy
x
JFeNi = 1 TJFeCo = 2,4 T
6 µm1,1 µm 56 nm
50 nm
JFeCo = 2,4 T
Bz [ T ]
10
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Couches minces magnétiques : effet de forme
Épaisseur << dimensions latérales
Bz
Bx
Distance par rapport à l’aimant
2,4 T1 µm
0,5 µm
80 nm
1 µm0,5 µm
80 nm
Bx
1 µm0,5 µm 25 nm
Bz
1 µm0,5 µm 25 nm
2,4 T
2,4 T
2,4 T
Bx
ma
x [ m
T ]
Bx
ma
x [ m
T ]
Bz
ma
x [ m
T ]
Bz
ma
x [ m
T ]
Épaisseur de l’aimant [µm]
2,5
2,5
500
500Gap [nm]
100
0
0
600
350 50
550
500
11
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
La nano-commutateur
Principe d’actionnement Interaction aimant/aimant Bistable Commutation: système électro-thermique
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Position ferméeAimant inférieur
N S
Substrat
NS
Aimant supérieur
Cantilever
Position ouverte
N S
N
S
Aimant supérieur
Cantilever
Aimant inférieur
Substrat
12
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Actionnement hors-plan(aimantation planaire)
Métal
Aimant
B
B
i()
( )F
Substrat
Actionnement hors-plan(aimantation planaire)
Métal
Aimant
B
B
i()
( )F
Substrat
Actionnement dans le plan(aimantation perpendiculaire)
B
B
i()
( )F
Actionnement dans le plan(aimantation perpendiculaire)
B
B
i()
( )F
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
Le nano-résonateur
Principe d’actionnement Force de Laplace Polyvalent
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
BILF poutreLaplace
)()(
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
Actionnement dans le plan(aimant planaire)
Si
B
B
i()
Lignes de champ magnétique
( )F
Actionnement dans le plan(aimant planaire)
Si
B
B
i()
Lignes de champ magnétique
( )F
13
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Démarche scientifique
Conception
/Modélisation
TechnologieMesures
Système
• Nano-indentation• U (i)• Tests électriques paramétriques• Optique
• Idée de base• Designs• Programmes de modélisation
• Empilement technologique• Réalisation (dépôt, litho, gravure)
Valid
atio
n
Dim
ensionnement
Contrôle
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
14
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives
15
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Principe d’actionnement
Preuve de concept Rfermé ~ quelques ohms
Rouvert ~ infini
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
16
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Interaction aimant/aimant
Déflexion du cantilever: équation d’Euler + conditions aux limites
Modélisation mécaniqueContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
)(2
2
jtfléchissan
xx
xdx
zdEI
j
z
BM
y
BM
x
BMF z
zz
yz
xz
zxxzy BmBm 1
xN
iiziy xFx
12 )(
BdgramF
).(
FrBm
zy
x
Fz Fz
Γy
Problème 3D
Problème 1D
Simplifications
E module d’Young
I moment d’Inertie
F force magnétique
Γ moment mécanique
m moment magnétique
B champ magnétique50 nm
17
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Système électro-thermiqueContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
Contraintes : limiter nombre de niveaux de masque 1 seul niveau de lignes métalliques
Lecture par la ligne T
Ligne H
Aimant inférieurThermistance
Substrat
Ligne TLigne T
Courant de chauffe
Courant d’aimantation
Courant de lecture
Ligne T ≡ Chauffage
Ligne H ≡ Champ mag.
µ0 100 Oe = 10 mT
Point de fonctionnement(FeMn/FeCo)
{TFeMn = 170°C ; HFeCo = 100 Oe}
FeMnFeCoFeMn
FeCo
FeMn
18
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
ContexteNouvel Actionnement
Nano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Système électro-thermique
Chauffage (ligne T) Champ magnétique (ligne H)
ÉcritureTFeMn > 170°C
Lecture TFeMn << 170°C
Pt
TLwt
t
Tmc thp
2
2
Simulation par éléments finis
Loi de Biot et Savart
wligne H = 5 µm
Champ magnétique dans le FeCo > 100 Oe
Matériau thermistanceTiN (épaisseur 100 nm)
Largeur ligne Hwligne H = Laimant + 2 µm
wligne H
Laimant
200°C
31,5°C
910
Hy
[Oe
]tligne H = 2,2 µm
Consommation estimée230 à 540 mW
19
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Empilement technologique : contraintes
Matériaux Fe (matériaux magnétiques)
Gravé par le HF (acide Hydro-Fluorhydrique)
procédé de libération XeF2
Limitation en température: 250°C
Choix des procédés de dépôt, stripping
Couche sacrificielle en titane
Taille Choix du procédé de lithographie Largeur latérale < 1 µm ultra-violet profond
Dimension critique : 250 nm
Désalignement : ± 125 nm
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
Matériaux magnétiques
NEMS
Couche sacrificielle
20
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
SiN
SiO2
AlCu
SiO2
TiN
Ti
SiN
Si
AlCuAlCuLigne T Ligne TLigne H
DimensionnementContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
6. Aimant supérieur
5. Cantilever 4. Aimant inférieur
3. Thermistance
1. Lignes T et H
2. Ouverture contact
AlCu/TiN
7. Ouverture plots
Pt
NiMnFeCo
NiMnPt
Rôle Largeur [µm] Longueur [µm]
Aimant supérieur 0,25 La = 2 à 9,73
Cantilever 0,5 3 à 10
Aimant inférieur 2,75 La
Thermistance 3 La + 3,5
FeMn
FeCo
FeMnPt
21
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Pad de contact ligne H
Pad de contact ligne H
Pad de contact ligne T/lecture
Pad de contact ligne T/lecture
Pad de contact ligne lecture
Pad de contact ligne H
Pad de contact ligne H
Pad de contact ligne T/lecture
Pad de contact ligne T/lecture
Pad de contact ligne lecture
Dimensionnement
100 µm
22
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Système complexe 7 niveaux de lithographie ~ 110 étapes temps de fabrication > 1 an Plusieurs briques technologiques à développer
Dispositifs en cours de fabrication Niveau 1 à 3 (système électro-thermique) : validés par des tests
électriques paramétriques
Réalisation technologiqueContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
AlCu
Si
AlCuAlCu
SiNTiN
23
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives
24
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Principe d’actionnement
Force de Laplace
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
BILF poutreLaplace
)()(
Actionnement hors-plan(aimantation planaire)
Métal
Aimant
B
B
i()
( )F
Substrat
Actionnement hors-plan(aimantation planaire)
Métal
Aimant
B
B
i()
( )F
Substrat
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
F
i(ω)
B
substrat
poutre aimant
25
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Conception : modélisation statique
Force distribuée uniformément sur un segment [a,b]
Équation d’Euler + conditions aux limites
Preuve de concept : mesure d’un déplacement
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
)(2
2
jtfléchissan
xx
xdx
zdEI
j
excitationexcitationLaplace VIFtz )(
Résolution de l’équation d’Euler
BILF poutreLaplace
)()(
Loi d’OhmU = RI
poutreaimant
ba
y
x
z
ba
Γ moment mécanique
E module d’Young
I moment d’Inertie
26
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Conception : modélisation dynamique
Équation d’Euler-Bernouilli (petits déplacements) Décomposition de Galkerkin : 1er mode propre
Modèle masse-ressort
Fréquence de résonance
Déplacement Z
Inuniformité du champ magnétique
masse efficace
À ω = ω0
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
*12
010
21
2
)()()(
m
Ftz
t
tz
Qt
tz
mm *
b
a
dyyL
)(2
1
11
PoutreLongueur LSection SDensité d
aimant
ba
y
x
z
B uniforme
y
x
z
0,2 statique
LZ QZ
F force de Laplace
λ1 = 4,73
Γ moment mécanique
L longueur de la poutre
Q facteur de qualitéE module d’YoungI moment d’Inertieω0 = 2πf0
2 2* 2 2 2 0
0 2( )
FZ
mQ
)()(),( 11 ytztyz
21
0 22
EIf
L dS
27
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
ρ Résistivité
Conception : modélisation statique
Force distribuée uniformément sur un segment [a,b]
Équation d’Euler + conditions aux limites
Preuve de concept : mesure d’un déplacement
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
)(2
2
jtfléchissan
xx
xdx
zdEI
j
excitationexcitationLaplace VIFtz )(
Résolution de l’équation d’Euler
BILF poutreLaplace
)()(
Loi d’OhmU = RI
poutreaimant
ba
y
x
z
ba
Γ moment mécanique
E module d’Young
I moment d’Inertie
28
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Résistivité en couche mince
3 1 71
8 5 1e e
f massive
p R
t d R
Pertes aux joints de grains
Pertes à la surface
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Grain cristallin
Surface
Substrat
Joints de grains
Électron i
p
R
Formule de Mayadas-Shatzke • ρ résistivité
• λe libre parcours moyen des électrons
• t épaisseur de la couche
• d diamètre moyen des grains (fonction de t)
• p fraction des électrons réfléchis élastiquement par la surface ( p ~ 0)
• R coefficient de réflexion des électrons aux joints de grain (0 ≤ R ≤ 1)
29
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Résistivité en couche mince
Au(λe = 38 nm)
Pt(λe = 19 nm)
ρ expérimental (50 nm) [Ω.m]
3.89.10-8 1,77.10-7
ρ formule (50 nm) [Ω.m]
3,80.10-8 1,70.10-7
ρ massif cristallin [Ω.m]
2,3.10-8 1,04.10-7
22ln,, dabccdab
f
RRt
Motifs de van der Paw
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
0,E+00
1,E-08
2,E-08
3,E-08
4,E-08
5,E-08
6,E-08
0 50 100 150 200 250 300 350t [nm]
Res
istiv
ité [Ω
.m]
ÉchantillonMayadas-ShatzkeOr massif
30
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Dimensionnement
Plusieurs types de structures
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Lpoutre [µm] wpoutre [µm] f0 [MHz] Déplacement à f0 [nm]
Pont 200 mm 1 à15 0,25 à 5 0,6 à 135 2,66 à 0,1491
U 200 mm 2 à 17 0,25 à 5 1,6 à 116 -
Pont 100 mm 2 à 10 1,6 et 2 1,35 à 34 2,66 à 2,58
Substrat
Platine
Aimant
z
yx
B
i(ω)
F(ω)
Substrat
Platine
Aimant
z
yx
z
yx
B
i(ω)
F(ω)
i(ω)
Substrat
F(ω)
Platine
Aimant
B
z
yx
i(ω)
Substrat
F(ω)
Platine
Aimant
B
z
yx
z
yx
31
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Empilement technologique
Contraintes dues à la conception Procédé de libération XeF2
Couche sacrificielle en titane
Deux filières technologiques Filière plaques de 100 mm (Plate-forme Technologique Amont)
Lithographie optique
Dimension critique : 1,5 µm
Désalignement : ± 1 µm
Solution de nivellement : lift-off
Filière plaques de 200 mm (Plate-forme du LETI)
Lithographie ultra-violet profond
Dimension critique : 250 nm
Désalignement : ± 125 nm
Solution de nivellement : polissage partiel
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
SiO2
AimantTi
100 mm
200 mm
32
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Solution 100 mm : lift-off
Si
SiO2
Pt
Ti Aimant
Si
SiO2
Pt
Ti Aimant
Aimant
Si
SiO2
1. Dépôt des couches magnétiques
Aimant
Si
SiO2
2. Gravure par faisceau ionique
Si
Ti Aimant
SiO2
3. Dépôt Ti + stripping
4. 2ème dépôt Ti5. Photolithographie + dépôt Pt + lift-off
6. Libération XeF2
Si
SiO2
Ti Aimant
gap
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
3 5 6
résine résine
33
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Solution 200 mm : polissage partiel
Si
SiO2
Pt
Ti Aimant
Si
SiO2
Pt
Ti Aimant
Aimant
Si
SiO2
1. Dépôt des couches magnétiques
Aimant
Si
SiO2
2. Gravure par faisceau ionique + stripping
5. dépôt Pt + photolithographie + gravure + stripping
6. Libération XeF2
Si
SiO2
Ti Aimant
4. Polissage partiel
gap
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Polissage partiel du titane
Efficace pour gap 200 nm
Délamination autour des aimants si trop de polissage
Dispersion sur la plaque de ± 20 nm (10% sur un gap de 200 nm)
Si
Ti Aimant
SiO2
3. Dépôt Ti
5 6
34
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Comparaison des deux filières
100 mm (Plate-force Technologique Amont) Facile Permet des essais Résolution ~ 1,6 µm Nivellement difficile à réaliser Impossible VLSI Qualité des dispositifs moyenne
200 mm (Plate-forme du LETI) Bon nivellement (g > 200 nm) VLSI Résolution ~ 200 nm Très bonne qualité des dispositifs Petits gaps à travailler Développement coûteux
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
VLSI ≡ Very Large Scale Integration
(Intégration à très grande échelle)
7,5 µm
5 µm750 nm
35
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Libération XeF2
Gravure sèche chimique Pas de stiction
Bonne sélectivité
Couche sacrificielle usuelle: polySi (~ 2,3 µm/min)
Dans notre cas: Ti (~ 20 nm/min à 45°C) Adaptée pour les NEMS
Adaptée aux matériaux magnétiques
Vitesse de gravure très inhomogène
Redépôts après un certain temps
Facteurs influençant la gravure Taux d’ouverture
Taille de l’échantillon
Nombre d’échantillons dans la chambre
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
XeF2 ≡ Difluorure de Xénon
Poutre
Aimant
Poutre
Aimant
Encastrement
Titane (partiellement gravé)
36
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Libération de poutre de Platine L = 6 µm ; w = 1,6 µm ; t = 50 nm gap ~ 150 nm
Libération plaques de 100 mmContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
2 µm500 nm
~ 150 nm
2 µm2 µm
37
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Libération plaques de 200 mm
Plus petit NEMS L = 1 µm, w = 200 nm, t = 50 nm f0 ~ 135 MHz
Gap ~ 200 nm
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
55 700 NEMS
sans optimisation de l’espace!
Poutre
Aimant
Encastrement
38
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Mesure par vibrométrie optique par effet Dopler
3 µm
DétectionContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Faisceau laser
Faisceau laser de
référence
39
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Mesures optiques par vibrométrie optique par effet Dopler
Mesure du mouvement (statique)Contexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100
V_actionnement [mV]
Dé
pla
cem
ent
[pm
]
MesuresCalcul
( ) Laplace excitation excitationz t F I V
Faisceau Laser
Preuve de concept
V
40
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Mesure du mouvement (dynamique)
Pic de résonance Normalisé au déplacement hors résonance
Correspondance avec une Lorentzienne
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
20
2 22 2 2 0
0 2
( )
( )
A
Q
f0 ~ 6,9 MHz (calculs : f0 ~ 5,39 MHz)
Q ~ 10 (pression atmosphérique)
41
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Positionnement / état de l’artContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
dét
ecti
on
actionnementexterne intégré
intégrée
externe
?
f0=0,485 MHz
f0=8 MHz
f0=6,9 MHz> 100 MHz
f0=1 GHz
f0=1,5 MHz
f0=125 MHz
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[1] D. W. Carr et al, APL, 77, 2000[2] Sotiris et al, Science, 317, 2007[3]Huang et al, New J. Physics, 7, 2005[4] J. Arcamone et al, IEEE Trans. on circuits and systems, 54, 2007[5] M. Li et al, Nature Nanotech, 2, 2007
42
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives
43
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Réduction des dimensions agressive
Approche VLSI
Température ambiante
Polyvalence
Bistabilité (commutateur)
Mouvement hors plan et dans le plan (résonateur)
Conclusion : nouveau système d’actionnementContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Mémoires magnétiques non volatiles Empilement AF/FM = nano-aimant
Des MEMS aux NEMS Nano-structure mécanique
750 nm
1,5 µm
Fabrication intégrée
Nouveau système d’actionnement
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100
V_actionnement [mV]
Dé
pla
cem
en
t [p
m]
MesuresCalcul
Preuve de concept réalisée
44
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Conclusion : résumé des résultats
Conception/Modélisation Champs magnétiques
Mécanique
Interaction aimant/aimant nano-commutateur (cantilever)
Interaction aimant/courant nano-résonateur (pont)
Systèmes continus mais variation des paramètres matériaux
Empilement technologique Contraintes du magnétisme : température < 250°C
Contraintes des NEMS : libération de gaps ~ 50 – 200 nm
Validation libération en XeF2 (couche sacrificielle : Ti)
Mesures Tests électriques paramétriques
Déplacement par vibrométrie optique
Technologie
Conception
Mesures
NEMS
Dim
ensionnement
Contrôle
Val
idat
ion
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
45
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Perspectives & améliorations : nano-commutateur
Dispositifs en cours de fabrication 4 niveaux encore à réaliser Test du système de commutation
(mesure de résistance)
Amélioration de la modélisation mécanique Forces de proximité, effet du pull-in Conditions aux limites lors du contact Dynamique (temps de commutation)
Contact électrique Approfondissement de la modélisation Fiabilité du contact
Configurations alternatives
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
3 µm
AlCu
Si
AlCuAlCu
SiNTiN
AlCu
Si
AlCuAlCu
SiNTiN
46
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Perspectives & améliorations : nano-résonateur
Optimisation de la mesure Poutre en U Mouvement dans le plan Sous vide
Détection intégrée Magnéto-motive
Autre principe
Optimisation du design
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
AncragesNano-aimant
Structure mobile
5 µm
3 µm
dt
tdzBLtVEMFmoyenne
)()(
47
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Publications
Brevets Nano résonateur magnétique (L. Bilhaut, L. Duraffourg, P. Andreucci et B. Viala)
Nano-commutateur magnétique bistable (L. Bilhaut, L. Duraffourg, P. Andreucci et B. Viala)
Conférences Actionnement bistable d’une nanostructure pour des applications mémoires non
volatiles (L. Bilhaut et L. Duraffourg), JNRDM Lille 2007 Poster
Assessment of Nanosystems for Space Applications (L. Bilhaut et L. Duraffourg), International Astronautical Congress 2007, Hyderabad, Inde Présentation orale (Financement par l’Agence Spatiale Européenne)
Article publié dans Acta Astronautica, Vo 65, No 9-10, pp 1272-1283, 2009
Experimental Validation of a 2-D Constriction Resistance Model at the Microscale (L. Bilhaut, C. Poulain et L. Duraffourg) 55th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts , Vancouver, Canada Présentation orale
Actuation and Detection of a Nanoresonator by an Integrated Antiferro/Ferromagnetic Multilayer Stack (L. Bilhaut, K. Garello, L. Duraffourg, B. Viala et P. Andreucci), Eurosensors 2009, Lausanne, Suisse Présentation orale
48
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Merci!à
Laurent Duraffourg, Bernard Viala, Jean-Philippe Bourgoin, Philippe Andreucci, Philippe Robert
et encore à
Denis Renaud, Nicole Bouzaida, Chantal Chantre, Gaëlle Chamiot-Maitral,
Stéphane Minoret, Alain Persico, Julien Vidal, Aurélien Suhm
les CTP, les CTZ,
toutes les équipes du 41 et du BHT
sans oublier
Kevin Garello, Marie-Thérèse Delaye et toute l’équipe de la PTA
ni
Christophe Poulain, Romain Anciant, Philippe Renaux, Delphine Lory, Miguel Ania Asenjo
et
last but not least
Les courageux qui ont partagé mon bureau émotif
L’équipe féminine de soutien psychologique du LCMS
Toutes mes collègues du LCMS et du LCRF
Mes amis de Grenoble, de Paris, de Dublin et des Royaumes Oubliés
Ma famille et mon coloc
49
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
MERCI
de votre attention
51
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Retour
AimantPoutre
EncastrementL = 5 µmw = 1 µmt = 50 nm
Déplacement ± 5 pm
53
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Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
II. Challenges
Gap between MEMS and NEMS: New manufacturing processes (development of hybrid lithography, compatibility or packaging issues…) More sensitive detection schemes (MOS, tunnelling effect, new materials: magnetic, “piezometallic”, piezoelectric…) New tools and methods (AFM, SNOM…) Submicron phenomena (Casimir force, dissipative phenomena or surface states…)
54
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Le nano-commutateur
Estimation de la résistance de contact
ContexteActionnement
DémarcheRésultatsConclusion
Conception
TechnologieMesures
SystèmeMéthode R [Ω]
Holm (formule ( 3‑1 ) 14,3
MEMS (meilleur scénario) 0,022
MEMS (pire scénario) 20,3
FEM (50% contact apparent) 0,17
FEM (7,5% contact apparent) 5,6
cH F
HR
2
55
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Vibrometrie laser par effet Doppler
56
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Force de Laplace
+ + + +
–
–
+
+ + + + +
+ + + + +
+
+
+–– – – – – – – – –
I
–vinitiale
Régime établiRégime transitoire
vétablie
B
BILFtotale
EqFélec
EqFélec
E
BvqFmag
BvqFmag
57
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Variation de la fréquence de résonance
Influence de la surgravure des encastrements
f0
Influence des contraintes résiduelles
σ > 0 f0
σPt ~ 30 MPaEI
SLff
41
2
0scontrainte
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
58
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Idée similaire
Hirai et al : nano-commutateur bistable utilisant un empilement MRAM (brevet septembre 2006)
Nano-commutateur et nano-résonateur brevetés!
Hirai et al Thèse
Élément mobile nanotube de carbone + particule de FeNi toute type de structure supportant un aimant ou matériaux doux
Force d’actionnement Interaction aimant/matériaux doux Interaction aimant/matériaux doux
Interaction aimant/aimant
Interaction aimant/courant
Commutateur courant de spin traversant la structure assistée thermiquemennt
59
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Fonctionnement des MRAM
Magnetic Random Access Memory
(mémoire magnétique à accès aléatoire)
Bande minoritaire
Barrière tunnel
FM 1
Bande majoritaire
FM 2
Bande minoritaire
Barrière tunnel
FM 1
Bande majoritaire
FM 2
Configuration parallèle résistance basse
Configuration antiparallèle Résistance haute
61
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Tests électriques paramétriques
1 x 2.5 µm
3 x 1.4 µm
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
Mettre en back-up si trop long
62
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Résistivité en couche mince
3 1 71
8 5 1e e
f massive
p R
t d R
Pertes aux joints de grains
Pertes à la surface
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
t [nm]
d [
nm
]
Diamètre grain fonction épaisseur couche
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Grain cristallin
Surface
Substrat
Joints de grains
Électron i
p
R
Formule de Mayadas-Shatzke• ρ résistivité
• λe libre parcours moyen des électrons
• t épaisseur de la couche
• d diamètre moyen des grains
• p fraction des électrons réfléchis élastiquement par la surface ( p ~ 0)
• R coefficient de réflexion des électrons aux joints de grain (0 ≤ R ≤ 1)
63
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Dimensionnement
Conception
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
Rôle Largeur [µm] Longueur [µm]
Aimant supérieur 0,25 La = 2 à 9,73
Cantilever 0,5 3 à 10
Aimant inférieur 2,75 La
Thermistance 3 La + 3,5
Contact ligne T : La + 2,25
Ouverture contacts AlCu/TiN
6 = Contact ligne T
Lignes T et H Ligne T : 6,5Ligne H : La + 2
Séparation : 0,5
Ligne T > 122Ligne H = 78
Ouverture plots 100 100 ou 200
Métallisation plots 100 200
Rôle Largeur [µm] Longueur [µm]
Aimant supérieur 0,25 La = 2 à 9,73
Cantilever 0,5 3 à 10
Aimant inférieur 2,75 La
Thermistance 3 La + 3,5
64
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Dimensionnement
Conception
Lpoutre
[µm]
wpoutre [µm] Laimant
[µm]
waimant
[µm]
emplacement f0
[MHz]
k [N.m]
Déplacement à f0 [nm]
FEM induite
[nV]
Pont 200 mm 1 à15 0,25 à 5 1 à 20 0,5 à 16
Milieu de la poutre et bord
de poutre
0,6à 135
0,8à 143
2,66 à 0,1491 0,015 à0,148
U 200 mm 2 à 17 0,25 à 5 2,5 à 25
1,25 à 17
Milieu de la poutre
1,6 à 116
0,1 à 3,4
- -
Pont 100 mm 2 à 10 1,6 et 2 2 à 16 1,6 à 12
Milieu de la poutre et bord
de poutre
1,35 à 34
1,15 à 115
2,66 à 2,58 0,026 à 1
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
65
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Respect du cahier des charges
Cahier des charges Nano-commutateur
Dimension totale < 100 x 100 µm2
10 x 10 µm2 (en tenant compte des amenés de courant)10 x 10 µm2 en intégration ultime
Temps de commutation 10 – 100 μs (power gatting) À determiner
10s – 100s ns (DC/DC) À determiner
Tension d’actionnement < 3 V 0,1 et 0,23 V
Consommation Commutation : ? 540 mW
Maintien : << µA 0
Résistance de contact à l’état ON
0.1 < RON < 100 Ω 22 mΩ jusqu’à 20 Ω dans le pire scénario
Capacité parasite < pF Dépend de la technologie de lecture (utilisation d’un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ou intégration monolythique)
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Nano-commutateur
66
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Caractéristique Cahier des charges Nano-résonateur (démontré)
Valeur atteignable avec la technologie du LETI
(calcul)
Température de fonctionnement 300 K Ok Ok
Technologie silicium Ok Ok
Fréquence de résonance > 1MHz 6,9 MHz 1 308 MHz
Résolution en masse 1 zg/√Hz à 1ag/√Hz12 500 ag/√Hz(calcul)
0,02 ag/√Hz
Bande passante 1 Hz 1 Hz 1 Hz
Respect du cahier des chargesContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Nano-résonateur
67
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Changement des paramètres matériaux
Module d’Young Calcul de la déflexion
Mesure par nano-indentation EPt (100 nm) = 145 GPa
(Valeur Pt massif: 177 GPa)
)(2
2
jtfléchissan
xx
xdx
zdEI
j
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200 250 300 350
profondeur d'indentation (nm)
Mo
du
le d
(Yo
un
g (
GP
a)
Si (100)
Pt Ti Si
E10% du film = 145 ±8 GPa
Mesure réalisée par Delphine Lory
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
E module d’Young
I moment d’Inertie
68
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
SiN
SiO2
AlCu
TiN
SiN
Si
AlCuAlCuLigne T Ligne TLigne H
Réalisation technologiqueContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
SiO2
Ti
FeMn
FeCo
FeMnPt
PtNiMn
FeCoNiMn
Pt
69
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Réalisation technologiqueContexte
Nouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
SiN
AlCu
TiN
Si
AlCuAlCu
Serpentin : continuité des lignes électriques
Capacité : isolement thermistance / ligne H
Kelvin :contact thermistance / ligne T
Delta cote : gravure thermistance
Résistance de contact
Surgravure
Capacité
Serpentin
SiN
SiO2
AlCu
TiN
SiN
Si
AlCuAlCu
70
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Positionnement / état de l’art
Nano-commutateurs bistables Silicium: actionnement électrostatique
CNT
Nôtre Empilement validé Fabrication en cours
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur
Nano-résonateurConclusion & perspectives
71
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Problématique de la thèse
Lignes de champ de la bobine
Lignes de champ de l’aimant permanent
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
72
2007
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Micro to nano-resonators Fréquence de résonance augmente
Plein d’applications! Capteur bio-chimique, filtre, base de temps Mesure de masse ~ 10-21 g
Spécification Temperature ambiante
Nano-résonateur magnétique actuels marchent à T ~ 37 K Techno silicium (pas de nanotube de carbone)
A quoi ça sert?
dimension
1
2 2
2
fS
EI
Lf i
i
B. Ilic and al, APL, 85, 2004
Poutre simple
Poutre + anticorpsPoutre malade
73
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Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009
Positionnement / état de l’art
Ref. Actionnement Détection f0 [MHz]
[1] Électrostatique Optique (externe) 0,485
[4] Piézoélectrique Optique (externe) 8
Magnétique (externe) Magnétique 1000
Magnétique (intégré) Optique (externe) 6.9 (135*)
[3] Électrostatique Capacitif 1,5
[2] Thermo-élastique Piézorésistif 125
[1] D. W. Carr and al, APL, 77, 2000[2] M. Li and all, Nature Nanotech, 2, 2007[3] J. Arcamone and all, IEEE Trans. on circuits and systems, 54, 2007[4] Sotiris and al., Science, 317, 2007
ContexteNouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur
Conclusion & perspectives
Maturité