Dimensionnement du nano-commutateur

Afin d’alléger ce manuscrit, nous avons choisi de ne pas détailler le fonctionnement de chacune des machines utilisées pour la fabrication et la caractérisation des MEMS, préférant laisser au lecteur le soin de se référer aux ouvrages classiques, par exemple [9] ou [10]. Nous dressons ici une liste des étapes technologiques, qui sont très similaires aux procédés utilisés par la microélectronique :

La lithographie : après avoir recouvert la plaque d’un polymère photosensible, celleci est insolée à travers un masque (de la longueur d’onde utilisée et des techniques d’insolation dépendent la résolution et la dimension des motifs). Le développement permet d’ôter de la plaque la résine insolée (dans le cas d’une résine positive), donnant ainsi accès à des zones de la plaque et en protégeant d’autres.

La gravure : elle s’effectue généralement après la photolithographie, la résine servant de masque lors du procédé. En effet, les zones protégées ne seront pas atteintes par la gravure, a contrario des zones ouvertes. La gravure peut être humide ou sèche, utilisant par exemple un plasma ou un bombardement ionique. Dans le cas des MEMS, le procédé qui permet de libérer la structure mobile s’apparente à un procédé de gravure. Le masque utilisé lors de la gravure n’est pas obligatoirement en résine, mais il peut être en métal ou en oxyde, comme c’est le cas pour certaines étapes de nos empilements (voir Actionnement magnétique à l’échelle nanométrique Chapitre 1 – Nanosystèmes et rupture technologique section 3.2.2 et 4.2.2.1). La gravure peut impliquer un procédé en partie mécanique : on parle alors de polissage, ou de Chemical Mechanical Polishing (CMP).

Le stripping 4 : il s’agit du procédé qui permet d’ôter la résine de la plaque après la gravure. Si une couche de matériau a été déposée consécutivement à la lithographie, on parle alors plutôt de liftoff . Sont également inclus dans le stripping les procédés de nettoyage, qui permettent de décontaminer la face arrière des plaques et de pouvoir les traiter dans des équipements sensibles à divers contaminants (e.g. Au, Pt, Ru) car utilisés également pour la microélectronique.

Le dépôt : les matériaux sont généralement déposés pleine plaque par plusieurs procédés : par exemple, on peut déposer un matériau que l’on a fait passer sous forme gazeuse en le chauffant thermiquement ou au moyen d’un faisceau à électron. D’autres procédés utilisent des plasmas ou sont réalisés en phase liquide, comme c’est le cas pour des dépôts électrolytiques. Quant à l’oxyde thermique, il croît à partir du silicium du substrat lorsqu’on applique un flux d’oxygène à haute température.

Les étapes de caractérisation : plusieurs outils permettent de contrôler la fabrication des plaques. Le profilomètre mesure la hauteur des marches après gravure, jusqu’à environ 90 nm, avec une erreur de 2,5%. En dessous de 90 nm, la mesure reste possible, mais avec une incertitude de ± 3 nm. L’utilisation d’un Microscope à Force Atomique (AFM) est donc conseillée à ces dimensions pour avoir des mesures plus fiables. Les structures fabriquées peuvent être également observées grâce à des microscopes à balayage électronique (MEB) ou à faisceau ionique (FIB).

Nous présentons ici brièvement les principaux5 principes d’actionnement des microsystèmes. Pour plus de détails sur les principes abordés dans cette section et dans la section suivante, nous recommandons au lecteur les ouvrages de référence [11] [12].

L’actionnement le plus connu est sans conteste l’actionnement électrostatique car il est très simple à réaliser technologiquement, et il s’intègre bien à la filière MétalOxyde Semiconducteur (MOS). Les énergies mises en jeu sont assez faibles car sa consommation est réduite au courant de fuite. L’inconvénient de ce type d’actionnement est qu’il exige des tensions d’alimentation élevées, et que le système est susceptible d’être dégradé par l’accumulation de charges électriques dans les diélectriques. La force électrostatique FES entre deux plaques en regard de surfaces S et séparées d’une distance g s’exprime par : F 0 SV 2ES 2g 2 (11) où ε0 est la perméabilité du vide et V la tension appliquée aux bornes des deux plaques. Le phénomène de pullin permet de réduire la consommation énergétique du système. Il apparaît lorsque les deux plaques sont rapprochées de telle manière que la force électrostatique prend le pas sur la force de rappel élastique de la plaque mobile. On trouve cette tension en écrivant l’équilibre des forces, FES = kz (où k est la constante de raideur de la partie mobile et z correspond au déplacement) et en cherchant le point où la dérivée de l’expression de la tension par rapport au déplacement de la partie mobile s’annule. On trouve :

4 La traduction officielle française du mot stripping est « décapage ». Cependant, l’usage du mot anglais étant largement répandu en microélectronique, nous l’utiliserons tel quel dans ce manuscrit, associé au verbe néologique « stripper ».

5 Il existe d’autres principes dont nous ne parlerons pas ici, comme l’actionnement optique (photothermique direct et indirect, pression de radiation…) ou l’actionnement par changement de phase.

L’actionnement piézoélectrique est aussi beaucoup utilisé : les tensions mises en jeu sont faibles mais les déplacements sont également très faibles et doivent être amplifiés par des designs appropriés, dont le plus connu est l’effet bilame : un matériau piézoélectrique (e.g. quartz, AlN, Pb((Zr,Ti)O3 (dit « PZT »)) se déforme sous l’action d’un champ électrique [13] [14]. Si le matériau est déposé sur une autre couche, sa déformation engendre des contraintes qui déforment à leur tour la structure entière. D’autres designs, utilisés notamment dans les capteurs Bulk Acoustic Microwave et Surface Acoustic Microwave, mettent à profit ce type d’actionnement pour engendrer des déformations en volume.

Tout comme l’actionnement piézoélectrique, l’actionnement thermique utilise la déformation de la matière, cette fois sous l’effet de la chaleur. En effet, la maille cristalline d’un matériau se dilate lorsqu’on augmente sa température. En associant plusieurs matériaux avec différents coefficients d’expansion thermique, un effet bilame résulte des déformations différentes qu’ils subissent. Le désavantage de ce type d’actionnement est sa consommation importante en énergie.

L’actionnement magnétique peut quant à lui se diviser en plusieurs sousfamilles :

o L’actionnement par la force de Laplace, qui apparaît sur un conducteur de longueur L parcouru par un courant I plongé dans une induction B (voir la section 2.3.2 pour une explication physique approfondie). La force de Laplace FL se calcule par : FLLIB (12)

o L’actionnement par la force électromagnétique utilise les forces entre deux aimants ou entre un aimant et une bobine électromagnétique. La force électromagnétique FEM s’écrit : FEMM .gradB (13) où M est le moment magnétique [A.m2] et B est l’induction [T].

o Enfin, un autre principe d’actionnement magnétique utilise l’alignement du moment magnétique. La Figure 1.21 illustre ce principe : la poutre, en matériau ferromagnétique doux (e.g. permalloy Ni80Fe20), est placée sous une moitié de bobine planaire. Un aimant permanent, dont le champ est perpendiculaire au substrat, est placé sous la bobine. La bobine planaire génère un champ magnétique dont la direction au niveau du cantilever est parallèle au substrat et dont le sens dépend du sens du courant la parcourant. Ce champ entraîne l’aimantation horizontale de la poutre, qui se maintient lorsque le champ de la bobine est coupé grâce à la projection du champ magnétique de l’aimant permanent (Figure 1.22 – A). La commutation inverse se fait en inversant le courant dans la bobine, de façon à ce que le champ généré par celleci entraîne un r enversement de l’aimantation de la partie mobile. Un moment mécanique de sens opposé apparaît, qui renverse la structure pour l’aligner à nouveau dans le même sens que le champ de l’aimant permanent (Figure 1.22 – B). Ce principe d’actionnement permet à la poutre de présenter deux positions intrinsèquement stables.

L’intérêt pour les NEMS date de la fin des années 90 [22] mais reste un domaine de recherche jeune et en pleine expansion. Comme nous l’avons vu dans la section 1.1.1, le marché des MEMS est maintenant dynamisé par les applications grand public. Ces applications ne sont possibles que grâce à la réduction du coût des capteurs. Cette baisse des coûts peut passer par une amélioration des procédés, augmentant ainsi le rendement de production. Sachant que le packaging est estimé compter pour 80% du prix des MEMS, un travail sur l’intégration des capteurs dans des boîtiers à bas coût peut participer à la diminution des coûts. Les NEMS offrent une autre solution car leurs surfaces étant 100 à 500 fois inférieures à celle des MEMS, plus de capteurs peuvent être fabriqués sur un même substrat, surtout s’ils sont mis en réseau, ce qui diminue l’encombrement dû aux plots de contact.
Mais davantage qu’une réduction des coûts, la réduction des tailles des capteurs a deux effets : tout d’abord l’augmentation de la fréquence de résonance pour les capteurs dynamiques (celleci augmente en raison inversement proportion nelle au facteur de réduction6), ce qui ouvre la voie aux capteurs ultrasensibles (capteur de masse ou capteur chimique ; voir la section 1.4.2.1). Ensuite la consommation électrique réduite permet des applications à très faible niveau de puissance, utiles pour toutes les technologies nomades comme la téléphonie mobile.
Outre l’application des NEMS dans les technologies capteurs, la réduction des dimension permet une convergence avec la microélectronique : le capteur peut être fabriqué en même temps que le circuit électronique par des procédés de co intégration [23]. De plus, les nanosystèmes peuvent trouver des applications circuits spécifiques : mémoire haute densité durcie contre les radiations (par exemple en utilisant des nanocommu tateurs bistables), référence de temps, filtre, traitement des signaux RadioFréquence (RF). De plu s, la taille des NEMS permet une mise en réseau des capteurs, ce qui peut augmenter leur performance ou les fonctionnalités de la puce.
Sur un plan purement scientifique, les NEMS représentent une porte d’accès vers le nano monde : on peut y observer une quantification de la conductivité thermique [24] ou encore s’en servir pour mesurer le torque mécanique produit par une inversion du spin des électrons à travers une interface [25]. Les NEMS permettent également l’étude des forces de proximités comme la force de Casimir (voir section 2.4.2).
6 Par exemple, la fréquence de résonance d’une poutre de platine de 1 m de long, de 0,25 m de large e t de 50 nm d’épaisseur est de 135 MHz tandis qu’elle est de 1,35 MHz pour une poutre 100 fois plus grande (voir le calcul de la fréquence de résonance à la section 2.3.3.3).
Au niveau scientifique, la diminution des dimensions ne se réduit pas à un simple facteur d’échelle. Le rapport de la surface sur le volume augmentant, les effets dus à cette surface deviennent prépondérants. Des forces qui jusque là étaient négligeables doivent être prises en considération dans la conception des systèmes : effets de bord et forces capillaires tout d’abord, puis les forces de proximité comme la force de Casimir ou celles de van der Waals, ainsi que les effets de charges. La problématique de la détection est essentielle car le rapport signal à bruit décroît avec la taille. Les mouvements à détecter sont très faibles, alors que les sources de bruit à prendre en compte sont plus nombreuses (bruit thermomécanique, bruit en 1/f, bruit de Johnson, bruits liés à la surface comme les phénomènes d’adsorption et de désorption des molécules de gaz…) [23].
Au niveau technologique, la reproductibilité des systèmes est essentielle dans une optique de production de masse. Par exemple, un dépôt de nickel sur une plaque de 200 mm présente une inuniformité de ± 6 %. Les marges de fonctionnement du dispositif doivent donc être d’autant plus importantes7. La lithographie induit également une dispersion de la taille des motifs : sur une même plaque, la dispersion de la taille des motifs peut atteindre 27 % de la taille nominale (voir le Tableau A6 1 p. 175 pour la comparaison entre les dimensions nominales prévues par le design et les dimensions effectivement atteintes). Cette dispersion est par la suite aggravée par les inhomogénéités dues à la gravure. En vue d’une intégration horizontale, il faut en outre choisir des techniques de fabrication compatibles avec les procédés MOS. Comme la surface joue un rôle prépondérant, les procédés qui jusque là étaient suffisants pour les MEMS doivent être optimisés. Des méthodes de validation dimensionnelle et d’observation non destructive nécessitent également d’être mises en place.

Afin de modéliser correctement les NEMS, il faut tenir compte de la modification des paramètres matériaux due à la réduction des dimensions. Par exemple, le coefficient piézoélectrique de l’AlN diminue fortement avec l’épaisseur de la couche, comme l’indique la thèse, et les résultats sont présentés à la section 3.3.3.4. La résistivité d’une couche d’or de 30 nm vaut presque 5.108 .m, soit plus du double de la résistivité massive monocristalline de 2,3.108.m. La réduction des dimensions affecte également les paramètres mécaniques, avec notamment une diminution du module d’Young du matériau. Nous avons mesuré expérimentalement le module d’Young d’une couche de platine de 100 nm, dont la valeur est de 145 GPa alors que celle du matériau massif est de 177 GPa (voir section 2.2.3.1). Il est important de tenir compte de l’évolution de ce paramètre lors de la modélisation car cela peut faire varier la fréquence de résonance de plusieurs MHz8. Laisser de telles incertitudes rend la caractérisation du déplacement du NEMS hasardeuse, notamment lorsqu’il s’agit d’actionner le NEMS à sa fréquence de résonance afin d’amplifier son mouvement.

Les premiers NEMS ont été fabriqués à la fin des années 90, notamment par le groupe de M. Roukes du California Institute of Technology, et sont basés sur des poutres de silicium encastrées encastrées [45][46]. Ces NEMS sont magnétiques : l’actionnement utilise la force de Laplace et la détection la tension induite. Leur longueur est de l’ordre de 10 m, pour des largeurs et des épaisseurs submicroniques, ce qui donne une fréquence de résonance maximale de 71 MHz pour un facteur de qualité d’environ 20 000. Cependant, les mesures de ces dispositifs sont effectuées sous vide, à 4,2 K, au moyen d’un champ magnétique de 8 T généré par des bobines supraconductrices. Par la suite, toujours utilisant les mêmes techniques d’actionnement et de détection, ce groupe a utilisé d’autres matériaux, comme du Si dopé, du GaAs dopé, et surtout du SiC, ce qui a permis d’augmenter la fréquence de résonance à presque 200 MHz, pour un facteur de qualité de 1000. Les semiconducteurs dopés ont permis d’obtenir de très bons facteurs de qualité, jusqu’à 22 000 [47]. L’utilisation du SiC a conduit aux premières mesures de masse d’atomes d’or. La sensibilité massique de ce NEMS, une poutre encastréeencastrée de dimension 14,2 x 0,67 x 0,259 m 3 ( L x w x t) est de 2,5 ag [48]. La résolution massique a été par la suite encore améliorée et a atteint 7 zg avec une poutre de SiC de 2,3 m de long [49]. Le SiC, de module d’Young plus élevé et plus contraint en tension que le silicium monocristallin, permet également d’atteindre des fréquences de l’ordre du GHz [43].
Des géométries alternatives à la classique poutre encastréeencastrée ont été utilisées, comme des poutres libreslibres, ce qui permet d’augmente r le facteur de qualité grâce à la diminution des pertes aux encastrements [43], ou des nanofils de silicium, dont la sensibilité en mesure de masse est de l’ordre de 10 zg [50]. Ce type d’actionnement/détection magnétique peut potentiellement être utilisé en régime nonlinéaire, dans lequel la poutre présente un comportement hystérétique, susceptible d’être utilisé comme une mémoire bistable très fortement intégrée [51].
Si le magnétisme semble être largement utilisé pour les NEMS (avec les contraintes en température et en pression que l’on a décrites), d’autres systèmes, utilisant un actionnement électrostatique, ont été développés. Le premier date de 2000, mais les fréquences de résonance sont relativement faibles (0,485 MHz) pour une plaque de 14 x 4 m suspendues par des bras de 0,15 à 0,2 m de large [52]. La détection est basée sur un procédé optique externe. Un autre NEMS à actionnement électrostatique, et cette fois à détection capacitive intégrée est décrit dans [53] : la poutre (en Si, encastréelibre) présente une fréquence de résonance de 1,5 MHz. Ce qui est notable dans ce système est que le NEMS a été construit avec un procédé postCMOS, permettant ainsi de l’intégrer avec son électronique de lecture.