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NEMSPIEZO Avancement à T0+46 mois
Liviu NICU
(pour le consortium NEMSPIEZO)
LAAS-CNRS, Toulouse
MICRONANOSYSTÈMES
ET CAPTEURS
Liviu NICU Nanosystèmes électromécaniques
avec actionnement et détection
piézo-électriques intégrés
Plan
1. Fiche signalétique NEMSPIEZO. Objectifs généraux 2. Etat de l’art
3. Planning global du projet. Lignes de force 4. Faits marquants 5. Actions à venir
6. Vie du projet, capitalisation
1. Fiche signalétique NEMSPIEZO. Objectifs généraux
N° ANR (ex: ANR-aa-NANO-XXX) : ANR-08-NANO-015
Acronyme du projet : NEMSPIEZO
Date de démarrage contractuelle du projet : 01/01/2009
Durée du projet : 4 ans (+ 6 mois supplémentaires)
Partenaires : LAAS – CNRS Toulouse (coordinateur), IEMN Lille, CNAM Paris (LMSSC*), LPMCN** Lyon
LMSCC - Laboratoire de Mécanique des Structures et Systèmes Couplés
LPMCN – Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures
Objectifs généraux • Faisabilité de NEMS à actionnement/détection piézo-
électrique intégrés, déclinée sur 4 étages:
– Evaluer les limites dimensionnelles des matériaux piézo-électriques par rapport à la conservation des propriétés piézoEl;
– Développer la filière technologique permettant d’intégrer ce type de matériau au sein de nanodispositifs fonctionnels;
– Développer les bancs instrumentaux adaptés à la validation de ces nanodispositifs;
– Développer les outils de modélisation mécano-électriques adaptés aux NEMS piézo-électriques.
2. Etat de l’art
2007
2008
2009
2010
2011
Stratégie « top-down »
ACQUIS Matériaux piézo-électriques : AsGa ou AlN Démonstrateurs : actionneurs uniques
NON-ACQUIS Autres matériaux piézo-électriques : PZT Démonstrateurs : actionneurs/capteurs en matrices Application : détection de masse,…
3. Planning global du projet. Lignes de force
• Technologie (WP1 & 2) – Structurer du PZT fonctionnel (autres matériaux abandonnés en cours
de route) à la nano-échelle (2 dimensions/3 sub-microniques) – Développer la filière technologique permettant d’intégrer le PZT au sein
de nanostructures libérées pour actionner/détecter le mouvement (régime dynamique)
• Caractérisation (WP3) – Mettre en place les bancs expérimentaux permettant de démontrer la
fonctionnalité des structures élaborées ci-dessus et valider les modèles comportementaux spécifiques • Filière matériau (PFM, P-E, etc…) • Filière dispositif (évaluation dynamique par act/dét externes) • Filière système (électronique associée permettant l’actionnement/détection
intégrés)
• Modélisation (WP4) – Elaborer l’ensemble des modèles analytiques/EF nécessaires à la
prédiction des comportements statique et dynamique (mécano-électrique) des nanodispositifs
• Intégration (WP5) – Fabriquer des démonstrateurs fonctionnels
• Capteur de masse à actionnement/détection piézo-électrique démontré
4. Faits marquants par « ligne de force »
Faits marquants TECHNOLOGIE
Libération sacrificielle de nanostructures multicouches validée!
Silicium LNO (Electrode inférieure) PZT Ti/Pt (Electrode supérieure)
Vue en coupe
(section
transverse)
Vue en coupe
(section longitudinale)
SOI (P) 340/1000 nm 4"
Oxydation thermique
30 nm
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
Recuit LNO
(électrode inférieure)
Lift off LNO
(électrode inférieure)
Métallisation LNO
(électrode inférieure)
Enduction résine
Insolation + révélation
Enduction résine
Insolation + révélation
Gravure plasma RIE
Retrait résine
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
0
200
400
600
800
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Temps (h)
Te
mp
éra
ture
(°C
)
30 min
3 °C/min-1 °C/min
625 °C
Wafer SOI 340/1000
4 pouces
Enduction résine
Insolation + révélation
Métallisation PZT
1)
2)
3)
4)
6)
7)
8)
5)
12)
13)
14)
15)
16) Recuit PZT
Lift off PZT
0
200
400
600
800
0 2 4 6 8 10
Temps (h)
Te
mp
éra
ture
(°C
)
1 h
3 °C/min -2 °C/min
650 °C
9)
10)
11)
0
0,5
1
1,5
2
-10 -5 0 5 10
Applied Potential (V)
Am
plitu
de (
mV
)
-180
-130
-80
-30
20
70
-10 -5 0 5 10
Applied Potential (V)
Ph
ase (
°)
Piezo Responses Switching fields
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
-10 -5 0 5 10
Applied Potential (V)
Am
plitu
de (
mV
)
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-10 -5 0 5 10
Applied Potential (V)
Ph
ase (
°)
Zone 1 Zone 2
(°)
Phase AFM Picture
8.93
-5.37
NEMSPIEZO : Filière technologique validée !
Recuit LNO
(électrode supérieure)
Lift off LNO
(électrode supérieure)
Métallisation Ti/Au
(Contacts)
Enduction résine
Insolation + révélation
Enduction résine
Insolation + révélation
17)
18)
19)
20)
22)
23)
24)
21)
25)
26)
27)
28)
29)
30) Retrait résine
Gravure humide de
l’oxyde
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
0
200
400
600
800
0 2 4 6 8 10
Temps (h)
Te
mp
éra
ture
(°C
)
1 h
3 °C/min -2 °C/min
650 °C
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
0
200
400
600
800
0 2 4 6 8 10
Temps (h)
Te
mp
éra
ture
(°C
)
1 h
3 °C/min -2 °C/min
650 °C
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
SOI (P) 340/1000 nm 4"
Enduction résine
Insolation + révélation
Métallisation LNO
(électrode supérieure)
Lift off Ti/Au
(Contacts)
Recuit Ti/Au
(contacts)
NEMSPIEZO : Filière technologique validée !
S. Guillon et al., Nanotechnology 22, 245501 (2011)
S. Guillon et al., IEEE Trans. UFFC 59, 1955 (2012)
Faits marquants TECHNOLOGIE
Optimisation de la croissance du PZT pour applications à l’échelle nano
échelle micro : croissance de PZT sur électrode de TiPt – cristallisation à 625°C
conditions qui ne permettent pas d’obtenir un PZT fonctionnel à l’échelle nano
mise au point d’électrodes
inférieures de LaNiO3
(LNO)
LN
O
PZT
augmentation de la
température de recuit du
PZT (675°C)
PZT-625°C
PZT-675°C
(images topographiques–AFM)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
-10 -5 0 5 10
Am
pli
tud
e (
mV
)
Applied Potential (V)
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
-10 -5 0 5 10
Ph
ase (
°)
Applied Potential (V)
réponse piézo-
électrique du PZT
sur LNO à 675°C
(AFM mode piezo-response)
Faits marquants CARACTERISATION
Banc de caractérisation dynamique de NEMS sous vide (10-7 mbar) S. Guillon et al., IEEE of MEMS 2012
F. Seichepine et al., Nanotechnology 23, 095303 (2012)
Faits marquants MODELISATION Géométrie réaliste
Influence de la précontrainte : - déformée statique non négligeable - pas d'effet sur les fréquences propres, pour toute longueur d'empilement
Réponse non linéaire sous voltage sinusoïdal
Mode 1 Mode 1 (paramétrique) Mode 2
A. Lazarus et al., Finite Elem. Anal. Design 49, 35 (2012)
Faits marquants INTEGRATION
Concept de réseau de nanocapteurs de masse validé!
Structures réalisées en vue
d’une détection biologique
par ajout de masse …
1) Encrage du timbre avec de
l’immunoglobuline(IgG) marquée
en fluorescence
2) Nettoyage de la base du timbre
par prints successifs sur lame de
verre
3) Alignement du timbre sur les
structures et mise en contact du
timbre avec la puce
4) Ecrasement du timbre. Par
déformation de la partie creuse,
les molécules viennent en contact
avec la structure
5) Structure biofonctionalisée
Silicon
Silicon nanostructure (100 nm)
Silicon oxide SiO2 (1 µm)
Polydimethylsiloxane (PDMS) (300 nm)
4)
5)
3)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Gra
y va
lue
Distance pixels
Nanostructure dimensions:
1.7µm*7.2µm*340nm
Résultats sur 20 structures
Moyenne Ecart type
Masse détectée 108 fg 18 fg
Taux de recouvrement 9,04 fg/µm² 1,42 fg/µm²
Facteur Q avant print 5239 720
Facteur Q après Print 2675 515
S. Guillon et al., Sens. Act. Chem. B 161, 1135 (2012)
Faits marquants INTEGRATION
Nano-résonateurs intégrant la couche PZT fonctionnels…
0E+00
1E-04
2E-04
3E-04
4E-04
5E-04
6E-04
7E-04
6,51E+06 6,61E+06 6,71E+06 6,81E+06
Am
plit
ud
e [
u.a
.]
Fréquence [Hz]
L1
Levier 1 (10.5µm)
0
5
10
15
20
25
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
f 0 [
MH
z]
1/L² [µm-2]
L2C_2,8µm: f (1/L²)
Théorie
Expérience
0
5
10
15
20
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
f 0 [
MH
z]
1/L² [µm-2]
L1R_2,8µm: f (1/L²)
Théorie
Expérience
5. Actions à venir
• L3.2 « Démonstration de leviers actionnés » - nov. 2012
• L5.1 « Electronique validée pour les nanodispositifs livrés par L3.2» - fév. 2013
• L5.3 « Capteur de masse démontré » - avril 2013
• CNAM,LPMCN et IEMN ont intégralement tenu leurs engagements contractuels
• LAAS : il reste encore du chemin sur les 7 prochains mois
6. Vie du projet, capitalisation
Vie du projet, capitalisation Date Lieu Partenaires
présents Thème de la réunion
28 nov. 2008 Toulouse TOUS Réunion de lancement (en avance de phase)
08 juillet 2009 Lille TOUS Réunion à 6 mois
24 février 2010 Lyon TOUS Réunion à 12 mois
16 sept. 2010 Paris TOUS Réunion à 18 mois
11 février 2011 Toulouse TOUS Réunion à 24 mois
26 sept. 2011 Lille TOUS Réunion à 30 mois
Publications multipartenaires
Publications monopartenaires
International
Revues à comité de lecture
2 10
Communications (conférence)
5 8
Nombre, années et commentaires (valorisations avérées ou probables)
Colloques scientifiques Organisation par le consortium NEMSPIEZO (sous label OMNT), à Toulouse, de la seconde édition du Workshop International NEMS 2011 (cf. http://www.omnt.fr/nems2011/)
Autres (préciser) Site web du projet (cf. http://spiderman-2.laas.fr/NBS/en/#)
Merci pour votre attention.