Soutenance de thèse – 26 novembre 2009

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1 Soutenance de thèse – 26 novembre 2009
Jury J-P. Bourgoin Directeur de thèse L. Duraffourg Co-directeur de thèse A. Lambrecht Rapporteur A. Bosseboeuf O. Cugat Examinateur B. Viala L. Chiesi Examiteur Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique Lise Bilhaut Soutenance de thèse – 26 novembre 2009 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

2 Plan Contexte de la thèse Un nouveau système d’actionnement
Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

3 Contexte de la thèse Nouveau système d’actionnement
Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

4 Conclusion & perspectives
Enjeux de la thèse Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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) Microbuses Capteur de pression (roues) Accéléromètres (Wiimote, portable) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

5 Conclusion & perspectives
Des MEMS aux NEMS Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 (Fréquence résonance ) (Fiabilité  , Temps de cycle ) Accéléromètre NEMS Cheveu Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

6 Problématique de la thèse
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Ziegler et al, APL, 84, 2004 Système d’actionnement à l’échelle nanométrique Assurant la bistabilité Approche VLSI VLSI ≡ Very Large Scale Integration (Intégration à très grande échelle) Chandler, Microwave Journal, 47, 2004 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

7 Nouveau système d’actionnement
Contexte de la thèse Nouveau système d’actionnement Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

8 Conclusion & perspectives
Héritage des MRAM Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Mémoires magnétiques i i Couche libre FM 1 Couche de référence Barrière tunnel FM 2 Résistivité faible  « 1 » Résistivité importante  « 0 » Barrière tunnel FM 1 FM 2 Couche libre AF Couche de référence Nano-aimant 400 nm 400 nm 50 nm réversible FM AF JFeNi = 1 T JFeCo = 2,4 T T ~ 170°C B ~ 100 Oe MRAM ≡ Magnetic Random Access Memory FM ≡ FerroMagnétique (FeNi, FeCo) AF ≡ AntiFerromagnétique (IrMn, NiMn, FeMn) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

9 Couches minces magnétiques
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Modélisation Équations basées sur la représentation coulombienne d’un aimant Programme calculant Bx, By et Bz Bx z y x JFeNi = 1 T JFeCo = 2,4 T Bz + – + + – – + + – – + – + + J – – + – Bz [ T ] 6 µm 1,1 µm 56 nm 50 nm JFeCo = 2,4 T Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

10 Couches minces magnétiques : effet de forme
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Épaisseur << dimensions latérales Distance par rapport à l’aimant 350 50 Bx 0,5 µm 2,4 T 25 nm 1 µm Bx max [ mT ] Bx max [ mT ] Bx 80 nm 0,5 µm 2,4 T 1 µm 5 2,5 50 500 600 100 Bz 0,5 µm 2,4 T 25 nm 1 µm Bz max [ mT ] Bz Bz max [ mT ] 80 nm 0,5 µm 2,4 T 1 µm 2,5 50 500 Épaisseur de l’aimant [µm] Gap [nm] Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

11 Conclusion & perspectives
La nano-commutateur Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Principe d’actionnement Interaction aimant/aimant Bistable Commutation: système électro-thermique Position fermée Aimant inférieur N S Substrat Aimant supérieur Cantilever Position ouverte N S Aimant supérieur Cantilever Aimant inférieur Substrat Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

12 Conclusion & perspectives
Le nano-résonateur Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Principe d’actionnement Force de Laplace Polyvalent Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

13 Démarche scientifique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Conception /Modélisation Idée de base Designs Programmes de modélisation Validation Dimensionnement Système Mesures Technologie Contrôle Nano-indentation U (i) Tests électriques paramétriques Optique Empilement technologique Réalisation (dépôt, litho, gravure) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

14 Nano-commutateur magnétique
Contexte de la thèse Nouveau système d’actionnement Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

15 Principe d’actionnement
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Preuve de concept Rfermé ~ quelques ohms Rouvert ~ infini Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

16 Modélisation mécanique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Interaction aimant/aimant Déflexion du cantilever: équation d’Euler + conditions aux limites Problème 1D Problème 3D Simplifications F force magnétique Γ moment mécanique m moment magnétique B champ magnétique z y x Fz Γy 50 nm E module d’Young I moment d’Inertie Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

17 Système électro-thermique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Contraintes : limiter nombre de niveaux de masque 1 seul niveau de lignes métalliques Lecture par la ligne T Aimant inférieur Thermistance Deuxième AF: permet de doubler l’épaisseur du FM Courant de lecture Ligne T Ligne T Courant de chauffe FeMn FeCo Courant d’aimantation Substrat FeMn FeCo Ligne H Point de fonctionnement (FeMn/FeCo) {TFeMn = 170°C ; HFeCo = 100 Oe} Ligne T ≡ Chauffage Ligne H ≡ Champ mag. µ0 100 Oe = 10 mT Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

18 Système électro-thermique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Chauffage (ligne T) Champ magnétique (ligne H) Loi de Biot et Savart Champ magnétique dans le FeCo > 100 Oe  Simulation par éléments finis wligne H = 5 µm 910 200°C Écriture TFeMn > 170°C Consommation estimée 230 à 540 mW Hy [Oe] Ecriture: 0,12 V(_Laimant = 2 µm, t_TiN = 100 nm) Lecture: 0,01 V (L_aimant = 10 µm, t_TiN = 100 nm) 31,5 °C Lecture TFeMn << 170°C Laimant tligne H = 2,2 µm wligne H Matériau thermistance TiN (épaisseur 100 nm) Largeur ligne H wligne H = Laimant + 2 µm Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

19 Empilement technologique : contraintes
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Couche sacrificielle NEMS Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

20 Dimensionnement Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur
Nano-résonateur Conclusion & perspectives 6. Aimant supérieur Rôle Largeur [µm] Longueur [µm] Aimant supérieur 0,25 La = 2 à 9,73 5. Cantilever 4. Aimant inférieur Cantilever 0,5 3 à 10 Aimant inférieur 2,75 La 3. Thermistance 2. Ouverture contact AlCu/TiN Thermistance 3 La + 3,5 1. Lignes T et H 7. Ouverture plots Pt NiMn FeCo Pt Ti Pt FeMn SiO2 FeCo FeMn TiN SiN SiO2 Ligne T Ligne H Ligne T AlCu AlCu AlCu SiN Si Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

21 Dimensionnement 100 µm Aller plus vite!
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

22 Conclusion & perspectives
Réalisation technologique Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 AlCu Si SiN TiN Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

23 Nano-résonateur magnétique
Contexte de la thèse Nouveau système d’actionnement Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

24 Principe d’actionnement
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Force de Laplace Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

25 Conception : modélisation statique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Force distribuée uniformément sur un segment [a,b] Équation d’Euler + conditions aux limites Preuve de concept : mesure d’un déplacement poutre aimant b a y x z a b Résolution de l’équation d’Euler Loi d’Ohm U = RI Γ moment mécanique E module d’Young I moment d’Inertie Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

26 Conception : modélisation dynamique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 B uniforme y x z x a b y z Q = rapport entre l’ rapport entre l’énergie emmagasinée dans le résonateur sur l’énergie perdue à travers divers mécanismes pendant un cycle aimant Poutre Longueur L Section S Densité d F force de Laplace λ1 = 4,73 Γ moment mécanique L longueur de la poutre Q facteur de qualité E module d’Young I moment d’Inertie ω0 = 2πf0 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

27 Conception : modélisation statique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Force distribuée uniformément sur un segment [a,b] Équation d’Euler + conditions aux limites Preuve de concept : mesure d’un déplacement poutre aimant b a y x z a b Résolution de l’équation d’Euler Loi d’Ohm U = RI Γ moment mécanique E module d’Young I moment d’Inertie ρ Résistivité Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

28 Résistivité en couche mince
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Grain cristallin Surface Substrat Joints de grains Électron i p R Dire que l’on fait une petit digression/parenthèse! 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) Pertes aux joints de grains Pertes à la surface Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

29 Résistivité en couche mince
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Motifs de van der Paw Au (λe = 38 nm) Pt (λe = 19 nm) ρ expérimental (50 nm) [Ω.m] 1, ρ formule 3, 1, ρ massif cristallin [Ω.m] 2,3.10-8 1, Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

30 Conclusion & perspectives
Dimensionnement Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 1,6 à 116 - Pont 100 mm 2 à 10 1,6 et 2 1,35 à 34 2,66 à 2,58 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

31 Empilement technologique
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Ti Aimant SiO2 100 mm 200 mm Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

32 Conclusion & perspectives
Solution 100 mm : lift-off Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Aimant Si SiO2 1. Dépôt des couches magnétiques Aimant Si SiO2 2. Gravure par faisceau ionique résine résine Si Ti Aimant SiO2 3. Dépôt Ti + stripping Si SiO2 Pt Ti Aimant Si SiO2 Pt Ti Aimant Si SiO2 Ti Aimant gap 5. Photolithographie + dépôt Pt + lift-off 6. Libération XeF2 4. 2ème dépôt Ti 3 5 6 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

33 Solution 200 mm : polissage partiel
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Aimant Si SiO2 2. Gravure par faisceau ionique + stripping Si Ti Aimant SiO2 3. Dépôt Ti Aimant Si SiO2 1. Dépôt des couches magnétiques Si SiO2 Pt Ti Aimant Si SiO2 Pt Ti Aimant Si SiO2 Ti Aimant 4. Polissage partiel gap 5. dépôt Pt + photolithographie + gravure + stripping 6. Libération XeF2 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) 5 6 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

34 Comparaison des deux filières
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 5 µm 750 nm 7,5 µm VLSI ≡ Very Large Scale Integration (Intégration à très grande échelle) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

35 Conclusion & perspectives
Libération XeF2 Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Poutre Aimant Dépôt métaux (à froid) Poutre Aimant Encastrement Titane (partiellement gravé) XeF2 ≡ Difluorure de Xénon Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

36 Libération plaques de 100 mm
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Libération de poutre de Platine L = 6 µm ; w = 1,6 µm ; t = 50 nm gap ~ 150 nm 2 µm 500 nm ~ 150 nm Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

37 Libération plaques de 200 mm
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Plus petit NEMS L = 1 µm, w = 200 nm, t = 50 nm  f0 ~ 135 MHz Gap ~ 200 nm NEMS Encastrement Poutre sans optimisation de l’espace! Aimant Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

38 Détection Mesure par vibrométrie optique par effet Dopler 3 µm
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Mesure par vibrométrie optique par effet Dopler Faisceau laser de référence Faisceau laser 3 µm Fonction des dispositifs, effectué sur plusieurs dispositifs Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

39 Mesure du mouvement (statique)
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Mesures optiques par vibrométrie optique par effet Dopler Faisceau Laser V Preuve de concept Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

40 Mesure du mouvement (dynamique)
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Pic de résonance Normalisé au déplacement hors résonance Correspondance avec une Lorentzienne f0 ~ 6,9 MHz (calculs : f0 ~ 5,39 MHz) Q ~ 10 (pression atmosphérique) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

41 Positionnement / état de l’art
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives détection intégrée f0=1 GHz f0=125 MHz [5] [3] f0=1,5 MHz ? [4] [1] électrostatique / optique [2] piézoélectrique / optique [3] magnétique / magnétomotive [4] électrostatique / Capacitif [5] Thermo-élastique / Piezoresistif actionnement externe f0=0,485 MHz intégré [1] f0=8 MHz [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 [2] f0=6,9 MHz > 100 MHz externe Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

42 Conclusion et perspectives
Contexte de la thèse Nouveau système d’actionnement Nano-commutateur magnétique Nano-résonateur magnétique Conclusion et perspectives Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

43 Conclusion : nouveau système d’actionnement
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Mémoires magnétiques non volatiles  Empilement AF/FM = nano-aimant Nouveau système d’actionnement 750 nm Fabrication intégrée 1,5 µm Des MEMS aux NEMS  Nano-structure mécanique Réduction des dimensions agressive Approche VLSI Température ambiante Polyvalence Bistabilité (commutateur) Mouvement hors plan et dans le plan (résonateur) Preuve de concept réalisée Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

44 Conclusion : résumé des résultats
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Conception Validation Dimensionnement NEMS Mesures Technologie Contrôle Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

45 Perspectives & améliorations : nano-commutateur
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

46 Perspectives & améliorations : nano-résonateur
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Optimisation de la mesure Poutre en U Mouvement dans le plan Sous vide Détection intégrée Magnéto-motive Autre principe Optimisation du design 3 µm 5 µm Ancrages Nano-aimant Structure mobile Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

47 Publications Brevets Conférences
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 , 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

48 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

49 MERCI de votre attention
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

50 MERCI Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

51 Encastrement Aimant Poutre L = 5 µm w = 1 µm t = 50 nm Déplacement
± 5 pm Passer le film DEUX fois! Aimant Poutre Retour Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

52 Back-up Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

53 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…) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

54 Le nano-commutateur Estimation de la résistance de contact Méthode
Contexte Actionnement Démarche Résultats Conclusion Estimation de la résistance de contact Conception Méthode 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 Système Mesures Technologie Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

55 Vibrometrie laser par effet Doppler
Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

56 Force de Laplace + + + + + + vinitiale – – I + + + + + + – + + – + + +
vétablie – – – – – – – – – Régime transitoire Régime établi Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

57 Variation de la fréquence de résonance
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Influence de la surgravure des encastrements  f0  Influence des contraintes résiduelles σ > 0  f0   σPt ~ 30 MPa Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

58 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/aimant Interaction aimant/courant Commutateur courant de spin traversant la structure assistée thermiquemennt Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

59 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

60 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut 26/11/2009

61 Tests électriques paramétriques
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 1 x 2.5 µm Mettre en back-up si trop long 3 x 1.4 µm Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

62 Résistivité en couche mince
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Grain cristallin Surface Substrat Joints de grains Électron i p R Diamètre grain fonction épaisseur couche 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) Pertes aux joints de grains Pertes à la surface Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

63 Conclusion & perspectives
Dimensionnement Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Conception 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 : 6,5 Ligne H : La + 2 Séparation : 0,5 Ligne T > 122 Ligne H = 78 Ouverture plots 100 100 ou 200 Métallisation plots 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

64 Dimensionnement Conception Contexte Nouvel Actionnement
Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives 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 0,6 à 135 0,8 à 143 2,66 à 0,1491 0,015 à 0,148 U 200 mm 2 à 17 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 1,35 à 34 1,15 à 115 2,66 à 2,58 0,026 à 1 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

65 Respect du cahier des charges
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Nano-commutateur 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) Tension d’actionnement  < 3 V 0,1 et 0,23 V Consommation Commutation : ? 540 mW Maintien : << µA 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) Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

66 Respect du cahier des charges
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Nano-résonateur Caractéristique Cahier des charges Nano-résonateur (démontré) Valeur atteignable avec la technologie du LETI (calcul) Température de fonctionnement 300 K Ok Technologie silicium Fréquence de résonance > 1MHz 6,9 MHz 1 308 MHz Résolution en masse 1 zg/√Hz à 1ag/√Hz 12 500 ag/√Hz 0,02 ag/√Hz Bande passante 1 Hz Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

67 Changement des paramètres matériaux
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Module d’Young Calcul de la déflexion Mesure par nano-indentation EPt (100 nm) = 145 GPa (Valeur Pt massif: 177 GPa) E module d’Young I moment d’Inertie Mesure réalisée par Delphine Lory Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

68 Conclusion & perspectives
Réalisation technologique Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Pt NiMn FeCo Pt Ti Pt FeMn SiO2 FeCo FeMn TiN SiN SiO2 Ligne T Ligne H Ligne T AlCu AlCu AlCu SiN Si Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

69 Conclusion & perspectives
Réalisation technologique Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Delta cote : gravure thermistance SiN AlCu TiN Si Résistance de contact Surgravure Capacité Serpentin SiN SiO2 AlCu TiN Si Capacité : isolement thermistance / ligne H Serpentin : continuité des lignes électriques Kelvin :contact thermistance / ligne T Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

70 Positionnement / état de l’art
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Nano-commutateurs bistables Silicium: actionnement électrostatique CNT Nôtre Empilement validé Fabrication en cours Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

71 Problématique de la thèse
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Lignes de champ de la bobine Lignes de champ de l’aimant permanent Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

72 A quoi ça sert? Micro to nano-resonators
 Fréquence de résonance augmente Plein d’applications! Capteur bio-chimique, filtre, base de temps  Mesure de masse ~ g Spécification Temperature ambiante Nano-résonateur magnétique actuels marchent à T ~ 37 K Techno silicium (pas de nanotube de carbone) Poutre + anticorps Poutre malade Poutre simple B. Ilic and al, APL, 85, 2004 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009

73 Positionnement / état de l’art
Contexte Nouvel Actionnement Nano-commutateur Nano-résonateur Conclusion & perspectives Maturité Ref. Actionnement Détection f0 [MHz] [1] Électrostatique Optique (externe) 0,485 [4] Piézoélectrique 8 Magnétique (externe) Magnétique 1000 Magnétique (intégré) 6.9 (135*) [3] 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 Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique L. Bilhaut /11/2009