Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique

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


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


1. Contexte de la thèse2. Nouveau système d’actionnement3. Nano-commutateur magnétique4. Nano-résonateur magnétique5. Conclusion et perspectives

4

2007


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


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



6

2007


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



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



8

2007


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


i i

400 nm

400 nm

50 nm

Nano-aimant

JFeNi = 1 TJFeCo = 2,4 T

réversible

9

2007


Modélisation Équations basées sur la représentation coulombienne d’un aimant

Programme calculant Bx, By et Bz

J

Couches minces magnétiquesContexte

Nouvel ActionnementNano-commutateurNano-résonateur


+

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





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


La nano-commutateur

Principe d’actionnement Interaction aimant/aimant Bistable Commutation: système électro-thermique




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 hors-plan(aimantation planaire)

Métal

Aimant

B

B

i()

( )F

Substrat


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




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


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




14

2007



15

2007


Principe d’actionnement

Preuve de concept Rfermé ~ quelques ohms

Rouvert ~ infini

ContexteNouvel ActionnementNano-commutateur

Nano-résonateurConclusion & perspectives

16

2007


Interaction aimant/aimant

Déflexion du cantilever: équation d’Euler + conditions aux limites

Modélisation mécaniqueContexte

Nouvel ActionnementNano-commutateur


)(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


Système électro-thermiqueContexte



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





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


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



Matériaux magnétiques

NEMS

Couche sacrificielle

20

2007


SiN

SiO2

AlCu

SiO2

TiN

Ti

SiN

Si

AlCuAlCuLigne T Ligne TLigne H

DimensionnementContexte



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


Pad de contact ligne H


Pad de contact ligne T/lecture


Pad de contact ligne lecture





Pad de contact ligne lecture

Dimensionnement

100 µm

22

2007


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



AlCu

Si

AlCuAlCu

SiNTiN

23

2007



24

2007


Principe d’actionnement

Force de Laplace



BILF poutreLaplace

)()(


Métal

Aimant

B

B

i()

( )F

Substrat


Métal

Aimant

B

B

i()

( )F

Substrat

F

i(ω)

B

substrat

poutre aimant

F

i(ω)

B

substrat

poutre aimant

25

2007


Conception : modélisation statique

Force distribuée uniformément sur un segment [a,b]

Équation d’Euler + conditions aux limites

Preuve de concept : mesure d’un déplacement



)(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


E module d’Young


26

2007


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



*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


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


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



)(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


E module d’Young


28

2007


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



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



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



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


Dimensionnement

Plusieurs types de structures



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


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



SiO2

AimantTi

100 mm

200 mm

32

2007


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



3 5 6

résine résine

33

2007


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



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


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



VLSI ≡ Very Large Scale Integration

(Intégration à très grande échelle)

7,5 µm

5 µm750 nm

35

2007


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



XeF2 ≡ Difluorure de Xénon

Poutre

Aimant

Poutre

Aimant

Encastrement

Titane (partiellement gravé)

36

2007


Libération de poutre de Platine L = 6 µm ; w = 1,6 µm ; t = 50 nm gap ~ 150 nm

Libération plaques de 100 mmContexte



2 µm500 nm

~ 150 nm

2 µm2 µm

37

2007


Libération plaques de 200 mm

Plus petit NEMS L = 1 µm, w = 200 nm, t = 50 nm f0 ~ 135 MHz

Gap ~ 200 nm



55 700 NEMS

sans optimisation de l’espace!

Poutre

Aimant

Encastrement

38

2007


Mesure par vibrométrie optique par effet Dopler

3 µm

DétectionContexte



Faisceau laser

Faisceau laser de

référence

39

2007


Mesures optiques par vibrométrie optique par effet Dopler

Mesure du mouvement (statique)Contexte



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


Mesure du mouvement (dynamique)

Pic de résonance Normalisé au déplacement hors résonance

Correspondance avec une Lorentzienne



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


Positionnement / état de l’artContexte



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



43

2007


Réduction des dimensions agressive

Approche VLSI

Température ambiante

Polyvalence

Bistabilité (commutateur)

Mouvement hors plan et dans le plan (résonateur)

Conclusion : nouveau système d’actionnementContexte



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


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



45

2007


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



3 µm

AlCu

Si

AlCuAlCu

SiNTiN

AlCu

Si

AlCuAlCu

SiNTiN

46

2007


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



AncragesNano-aimant

Structure mobile

5 µm

3 µm

dt

tdzBLtVEMFmoyenne

)()(

47

2007


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


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


MERCI

de votre attention

50

2007


MERCI

51

2007


Retour

AimantPoutre

EncastrementL = 5 µmw = 1 µmt = 50 nm

Déplacement ± 5 pm

52

2007


Back-up

53

2007


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


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


Vibrometrie laser par effet Doppler

56

2007


Force de Laplace

+ + + +

–

–

+

+ + + + +

+ + + + +

+

+

+–– – – – – – – – –

I

–vinitiale

Régime établiRégime transitoire

vétablie

B

BILFtotale

EqFélec

EqFélec

E

BvqFmag

BvqFmag

57

2007


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



58

2007


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


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

60

2007


61

2007


Tests électriques paramétriques

1 x 2.5 µm

3 x 1.4 µm



Mettre en back-up si trop long

62

2007



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



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


Dimensionnement

Conception








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






64

2007


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



65

2007


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)



Nano-commutateur

66

2007


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



Nano-résonateur

67

2007


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



E module d’Young


68

2007


SiN

SiO2

AlCu

TiN

SiN

Si

AlCuAlCuLigne T Ligne TLigne H




SiO2

Ti

FeMn

FeCo

FeMnPt

PtNiMn

FeCoNiMn

Pt

69

2007





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


Positionnement / état de l’art

Nano-commutateurs bistables Silicium: actionnement électrostatique

CNT

Nôtre Empilement validé Fabrication en cours



71

2007


Problématique de la thèse

Lignes de champ de la bobine

Lignes de champ de l’aimant permanent



72

2007


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

2007


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



Maturité

Documents

Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique