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

planning NEMSPIEZO.docx

• 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.