Présentation de la plateforme NanoTecMatResponsableAntoine Ronda, Ingénieur de recherche CNRSPersonnels impliquésEquipe NCSE (Resp. Isabelle Berbezier), Equipe OPTO-PV (Resp. Ludovic Escoubas)LocalisationIm2np - Campus de Saint-Jérôme - 13397 Marseille

Vues Salles Blanches NanoTecMat

La plateforme NanoTecMat vise à créer un environnement technologique entièrement dédié à l’étude et à la fabrication de composants modèles (principalement à base d’éléments semiconducteurs de la colonne IV) par la mutualisation des connaissances et des équipements de haute technologie présents dans l’IM2NP. Le but est d’offrir aux utilisateurs, une chaîne complète de techniques allant de l’élaboration à la caractérisation des nanomatériaux jusqu’à la fabrication de composants modèles en micro, nano et opto-électroniqueLa plateforme, labellisée comme centrale de proximité dans CT PACA (dont les deux autres composantes sont PLANETE à Marseille-Luminy et CHREATEC à Sophia Antipolis), nous donne une place privilégiée au niveau national et international dans le domaine des nanomatériaux de la nouvelle et future nanoélectronique à base de silicium (approches top-down et bottom-up). Cette opération participe au regroupement sur le pôle de l’Etoile de fortes compétences en matériaux, procédés et caractérisation des nanomatériaux. Ce domaine en forte évolution nécessite d’associer dans un même pôle des spécialistes des matériaux et des dispositifs. Il est ainsi possible de mener de front une recherche amont tout à fait indispensable dans ce domaine (voir road-map ITRS) et les possibilités de développement industriel. Cette plateforme de recherche et les équipements qui lui sont associés participent à ce regroupement.

Partenaires, collaborations, animationsDe nombreux partenaires externes, en plus des membres de différentes équipes de l’IM2NP, utilisent les moyens mis à disposition par NanoTecMat dans le cadre de collaborations, projets, contrats ou prestations (environ 20% de l’utilisation totale). Une liste non exhaustive en est donnée ci-dessous :

Nationaux : Industriels : ST Microelectronics, OrsayPhysics, Nexcis, Thalès Optronique,Sunpart-ner, DGA; Académiques : LMEN (Reims), INL(Lyon), SIMAP(Grenoble), CINAM (Marseille), LCMCP (Pa-ris) Internationaux : Univ. Rome, Univ Stuttgart, UMIST (Manchester, UK), NRC (Ottawa, Canada), Uni. Monastir (Tunisie), Univ. Virginia (US), Univ. Elec.Comm. Tokyo, ICMAB Barcelone, Univ Padova

Plateforme NanoTecMat

(I), INFM Rome, Inst. Polytech.Milan, Univ. Batna (Algérie), Univ. Oslo (Norvège), Unvi. Catania (Ita-lie)

NanoTecMat contribue également à des actions de formations. Celles-ci concernent notamment des cycles d’enseignement et également des séjours d’apprentissage aux techniques pour les étudiants des laboratoires extérieurs.

Financements (Equipements)2006 2007 2008 2009 TOTAL (k€

TTC)ANR MEMOIRE 56 138 194DGE Nanoalliance2008 30 62 92

CNRS 14 14UPC BQR 40

Ville de Marseille

15

Contrats divers

20

TOTAL 375

Description détailléeNanoTecMat est engagée dans le soutien technologique à différentes études menées dans les domaines des nanomatériaux pour des applications en micro, nano et opto-électronique. Elle met à disposition de la communauté une chaîne d’outils technologiques allant de l’élaboration à la caractérisation de nanomatériaux et composants modèles, principalement à base de silicium et composés.Les équipements sont localisés au sein de deux salles blanches hébergées par l’IM2NP. Une première salle blanche (Classe 10000 150m2, mise en service en 2007) intègre les équipements de nanofabrication. La deuxième salle blanche (classe 1000/10000, 70m2, totalement reconstruite et mise en service fin 2009) intègre les outils de photolithographie et de caractérisation opto-électroniques.

Equipements disponibles :Traitement : Zone de nettoyage chimique des plaquettes sous classe 100 ; Four de recuit rapide (8’’) sous vide (10-6 mbar) ou sous atmosphère contrôlée (O2, N2, N2/H2) Photolithographie /Gravure :Aligneur 4’’, mode contact ou proximité, résolution 3µm ; Insolation holographique (UV 363.8nm), résolution sub-micronique ; Gravure Si, SiO2 : Gravure chimique ; Gravure chimique anisotrope ; Gravure sèche plasmaNanostructuration : Nanolithographie Très Haute Résolution FIB filtrée en masse (sources AuSi, Ga, …), diamètre du faisceau ~ 3nm Caractérisations : Ellipsomètre spectroscopique (250-1000nm); AFM ; Profilométrie ; Microscopie optique ; MEB ; Spectroscopie de Photoluminescence (acquisition 2010). Mesures électriques (I(V), C(V),…)Dépôts technologiques : Métaux : évaporateurs sous vide. Diélectriques : PECVD (acquisition 2010)Elaboration : Bâtis d’épitaxie en phase solide et en phase vapeur (acquisition 2010)

Principaux résultats 2006-2009De nombreux projets scientifiques s’appuient sur les moyens en nanostructuration, nanofabrication, caractérisations de la Plateforme et ses outils technologiques de base. Les activités couvrent différentes applications en micro-nano-opto-électronique : mémoires à nanocristaux, transistors MODFET, imageurs à illumination face arrière, cellules photovoltaïques, … Les résultats marquants sont repris dans les bilans d’Equipes, quelques exemples de procédés technologiques associés sont donnés ci-dessous.

Fabrication et caractérisation d’oxydes Une des étapes importantes dans la réalisation de nombreux dispositifs modèles correspond aux dépôts ou la formation d’isolants, notamment SiO2 dans les domaines étudiés à l’institut. C’est notamment le cas pour la fabrication des oxydes tunnel et oxydes de contrôle dans les mémoires à nanocristaux ou encore pour les cellules photovoltaïques de 3ième génération dans une configuration de nanocristaux intégrés dans une matrice isolante. Les propriétés des oxydes fabriqués à NanoTecMat en fonction des conditions expérimentales utilisées sont étudiées à l’aide de différentes techniques (ellipsométrie, I(V), C(V),...). La

Plateforme NanoTecMat

figure 1 montre des mesures C(V) sur une capacité MOS réalisée à partir des oxydes fabriqués : la qualité de l’oxyde et l’effet positif d’un recuit RTP sur la diminution des défauts peuvent notamment être observés. Un exemple de structure modèle réalisée à NanoTecMat est donné dans la figure 1 qui montre une vue MET en coupe d’une nano-boite de Ge déposée sur un oxyde tunnel et enrobée dans un oxyde de contrôle.

Fig. 1 : A gauche caractéristiques C(V) de capacité MOS.A droite , vue transverse MET d’une boîte de Ge déposée sur un oxyde tunnel et enrobée dans un oxyde de contrôle

Nanogravures FIB La fabrication de nano-objets contrôlés à la fois en taille et en localisation présente de nombreuses potentialités pour différentes applications NanoTecMat dispose d’une station FIB haute résolution avec filtrage en masse des ions source permettant de réaliser la nanostructuration de couches ou de substrats. Le filtrage en masse autorise une grande souplesse quant au choix des ions source en fonction des matériaux et procédés étudiés. En particulier, il permet d’une part d’éviter les contaminations indésirables du matériau par les ions sources (Ga, dopant du Si, dans Si par exemple) et d’autre part la chimie des ions sources peut être mise à profit dans le développement de procédés (effet catalytiques ou de contrainte pour la fabrication de nanostructures). Les conditions expérimentales pour le développement des procédés de nanolithographie ultime sont étudiées. Des motifs contrôlés en taille et en distribution à l’échelle nanométrique ont pu être fabriqués. Des exemples de réseaux de nanotrous réalisés sur substrat Si ou SiO2 à partir d’ions source Ga ou Au sont montrés sur la figure 2. Des réseaux de boites de Ge parfaitement organisées ont pu être obtenus par croissance sur les substrats nanostructurés par FIB (figure 2).

Fig 2 : Images AFM : à gauche réseaux de trous nanométriques fabriqués par FIB, en utilisant des ions sources Ga ou des ions source Au.A droite réseaux de boîtes de Ge obtenus par croissance sur les substrats nanostructurés.

Caractérisations Les propriétés (morphologiques, optiques, électriques,…) des objets réalisés au sein de NanoTecMat sont étudiées à l’aide d’un ensemble de techniques de caractérisation disponibles dont les principales ont été données plus haut. L’utilisation de ces techniques tout au long de la chaine technologique de NanoTecmat permet de valider les différents procédés développés ainsi que les propriétés des structures modèles en vue d’applications potentielles.

Plateforme NanoTecMat

A titre d’exemple, la figure 3 illustre les résultats de différentes caractérisations morphogiques (AFM, TEM), électriques (macroscopiques et locales) et optiques (PL) réalisées sur une structure formée par des ilôts de Ge enrobés dans SiO2. Ces caractérisations permettent de mettre notamment en évidence les effets de taille sur les propriétés électriques ou optiques.

Fig. 3 : Caractérisations d’une structure formée par des îlots de Ge enrobés dans SiO2 :études morphogiques AFM, TEM (à gauche) ; électriques macroscopiques et locales (au centre) ; optiques (PL).

Un autre exemple concerne la caractérisation des cellules solaires. Celles-ci incluent notamment : (i) mesure de la réponse spectrale qui permet de déterminer le rendement quantique interne et la longueur de diffusion des porteurs minoritairesà partir desquels la qualité du matériau et de la jonction peuvent être estimés ; (ii) mesures courant-tension sous éclairement (radiation solaire dans des conditions normalisées d’ensoleillement) qui permettent de remonter aux différentes caractéristiques de la cellule (tension circuit ouvert, intensité de court circuit, puissance maximale d la cellule, facteur de forme, rendement de conversion). Un banc spécifique (Fig. 4)a été réalisé pour permettre de caractériser les cellules sous concentration (environ 20 suns). Des caractérisations fines complémentaires (cartographies LBIC, imagerie IR sous éclairement) sont également mises en place.

Fig. 4 : Banc de mesure sous concentration

GravureNanoTecMat dispose de différents moyens de gravure pour la réalisation d’étapes technologiques de base (fabrication de dispositifs tests, capacités, transistors,…). Des procédés de gravure sont également développés pour la réalisation de nanostructures. Par exemple une activité sur la fabrication de nanofils de silicium par gravure chimique a démarré en 2009 (OPTOPV). L’intérêt de ces travaux est double  : les nanofils peuvent d’une part être intégrés dans les cellules solaires photovoltaïques dites « de troisième génération » (meilleure absorption, collecte électrique favorisée,…) et d’autre part jouer le rôle d’un très bon anti-reflet pour les cellules solaires photovoltaïques.

Plateforme NanoTecMat

Les structures réalisées à NanoTecMat, sont obtenues par gravure chimique assistée par un métal. Cette technique basée sur une approche « top-down », permet de graver le silicium, mono ou multicristallin, à l’aide d’un catalyseur métallique (généralement un métal noble tel que l’Argent). Une seule étape est nécessaire pour l’obtention de ces nanofils et consiste à plonger l’échantillon de silicium dans une solution aqueuse d’HF/AgNO3. Le diamètre de ces nanofils est d’une centaine de nanomètres et leur longueur est de quelques microns (cf. figure 1). Les premières mesures optiques montrent un très bon effet anti-reflet (cf. figure 5). C’est une première étape de caractérisation. Des mesures électriques sont en cours et nécessitent la réalisation de jonction pn (dopage de l’échantillon) et de contacts métalliques, qui seront réalisés au sein de NanoTecMat.

Fig. 5 A gauche image MEB des nanofils fabriqués par gravure. A droite mesure de réflexion réalisée à l’aide d’une sphère intégrante.

Réalisation des dispositifs modèles NanoTecMat permet de fabriquer des structures technologiques modèles (diodes, transistors, cellules,…). A titre d’exemple, nous mentionnons ici la fabrication de cellules solaires réalisées dans le cadre projet sur l’étude et l’optimisation de la grille de collecte de cellules PV (collaboration OPTOPV-Sté Sunpartner.)La fabrication des cellules repose sur les principales étapes suivantes : (i) Nettoyage des plaquettes ; (ii) réalisation jonction pn (four à diffusion de phosphore) et gravure chimique face arrière ; (iii) fabrication des contacts face avant et face arrière par métallisation(Al) ; (iv) photolithographie : dépôt résine (spin coating)-insolation au travers d’un masque –retrait/développement résine- attaque aluminium. La figure 6 montre les cellules fabriquées. Les performances des cellules solaires fabriquées sont ensuite étudiées en utilisant les différentes techniques de caractérisation décrites plus haut.

Fig. 6: Cellules solaires réalisées en salle blanche

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Présentation de la plateforme Conception de circuits intégrésResponsableSupport Test & MesureSylvain Bourdel, Maître de Conférences, HDR, Université Aix-Marseille 3Hervé Barthélemy, Professeur, Université du Sud Toulon-Var

Support CAD (computer aid design)Philippe Pannier, Professeur, Université de ProvencePersonnels impliquésP. Pannier & J. Gaubert (Equipe RFID-Capteurs), S. Bourdel, H. Barthélemy, B. Bouteille (Equipe CCI)LocalisationEcole Polytechnique Universitaire de MarseilleTechnopole de Château-Gombert 38, rue Frédéric Joliot-Curie, F - 13451 Marseille Cedex 20Site webhttp://www.arcsis.org/conception.html (ARCSIS)

Fig.1 : banc de mesure RF sous pointe

La plateforme conception consiste à mettre à disposition et à proximité des communautés académiques & industrielles, des outils de conception assistés par logiciels (CADENCE, HFSS, SYNOPSIS …) ainsi qu’un banc de test permettant de mesurer différents paramètres fonctionnels des circuits intégrés radiofréquence (RF). Les projets associés à la plateforme sont essentiellement centrés autour du développement de méthodologies de conception pour systèmes intégrés sur puce (Systems on Chips - SoC) ainsi que la conception de cellules RF large bande et bande étroite. Sur le site de château Gombert notre plateforme conception mutualise : i) L’accès au test et à la mesure de circuits RF ii) La conception assistée par ordinateurs (CAO). La mise en place de la salle CAO a été en grande partie financée par le CG13 au travers de la plateforme conception du CIM-PACA (CIM-PACA) et piloté par ARCSIS (association pour la recherche sur les composants et les systèmes intégrés sécurisés). Le banc de mesure et de test RF mutualisé a été financé via plusieurs programmes dédiés à la recherche et au développement tel que le CIM-PACA, les projets ST-Focalisé CG13 et via un concours international financé par Agilent technology.

Partenaires, collaborations, animations STMicroelectronics, NXP, Mentor Graphics, RF Magic, Cadence, Atmel, Infineon, France Telecom,

Insight SIP, DM-Radiocom, Neurelec, Primachip SAS, Orange Labs LEAT, ISEN, CEA-LETI Participation aux journées collaboratives de la plateforme conception CIM-PACA. Membres du CA du CIM-PACA (P. Panier) & CA d’ARCSIS (H. Barthélemy, R. Bouchakour).

Financements principaux k€ TTC

Plateforme conception de circuits intégrés

CIM-PACA Plateforme conception (2006-2009) 500CG 13 Action ST focalisé (2003-2006) 415

TOTAL 915 € TTCFonctionnement : Personnel 16 K€/An (technicien 0.5 ETP) - Matériel 15 K€/An

Description détailléeLes outils de la plateforme conception à l’IM2NP sont des installations permanentes situées sur le site de l’Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille, les installations comprennent :Les outils CAO installés sur un serveur de calcul Sun Fire V890 : 8 bi Processor Sparc 4 et 2 stations de travail de « sun Ray », 4 DD de 146GB. Les logiciels de conception accessible sur la plateforme sont :

- ADS-Agilent- Ansoft-HFSS- Cadence DFII, - Mentor graphics, - Synopsys

Des moyens matériels mis à dispositions pour la validation et la caractérisation des circuits développés au sein de la plateforme. L’ensemble de ces moyens permet d’adresser trois champs d’applications distincts :

- Caractérisation UWB- Caractérisation 60GHz- Caractérisation Système bande étroite

Les mesures systèmes peuvent être réalisées dans une bande de 100MHz de 0 à 6GHz. Les grandeurs ac -cessibles sont : le BER, l’EVM et l’analyse de modulation pour tout type de modulation et en tout point de la chaîne de transmission.Les mesures UWB couvrent la bande 0-12GHz. Elles permettent notamment de caractériser des LNA, des pulseurs ou des détecteurs. Les grandeurs mesurables sont le facteur de bruit, l’adaptation, la puissance d’émission, la sensibilité, l’ACPR et le ‘ jitter’.Un analyseur de réseau et un synthétiseur de fréquence permettent la mise en œuvre de caractérisations jusqu’à 60GHz.

Les moyens disponibles dans ce banc sont les suivants : Oscilloscope temps réel 12GHz Agilent Analyseur de réseaux 60GHz Haritzu Synthétiseur de fréquence 60GHz Haritzu Oscilloscope à échantillonnage 50GHz Lecroy Générateur arbitraire 6GHz Agilent Analyseur de spectre 44GHz Agilent Analyseur vectoriel (89600) Agilent Générateur numérique UWB 3GHz Agilent Testeur sous pointe Karl-Suss Testeur sous pointe Microworld

Fig.2 : Exemple de configuration du banc RF: mesure du taux d’erreur sur le bit (DUT : die under test)

Plateforme conception de circuits intégrés

Principaux résultats 2006-2009Depuis 2006 des travaux ont été initiés afin de caractériser nos systèmes d’interconnexion de type SIP, en particulier pour la conception d’un SOC RF RX-TX à 2.45GHz et la conception de front-end RF très large bande (UWB : Ultra Wide Band). Des travaux ont aussi été menés sur la caractérisation d’interconnexions pour la mise en œuvre de systèmes hétérogènes ou d’intégration de type SiP et SoP. L’ensemble de ces travaux a été réalisé lors de collaborations académique et industrielle dans le cadre de projets financés par le CIM_PACA ou bien de projets focalisés avec STMicroelectronics (CG 13). La CAO est aussi utilisée dans le cadre du développement d’une start-up issue de l’équipe CCI et qui utilise les outils de la plateforme pour le développement de systèmes audio.

Interconnexion Sip-SoP et packaging (Projet Trust Me VIP) L’objectif est de développer une méthodologie et un environnement pour concevoir les futurs objets de confiance capables de s’interfacer avec différents terminaux et réseaux tout en garantissant un niveau de sécurité suffisant. Ces études ont permis de résoudre les problèmes d’intégrité du signal associés à l’utilisation de SoC pour les communications RF fonctionnant en hautes fréquences. Les problèmes abordés concernent la mise en boîtier, le couplage substrat ainsi que l’intégration et la miniaturisation des antennes. Les outils d’analyse et de conception utilisés ont été les simulateurs électromagnétiques (ADS-HFSS). La réalisation de circuits hautes fréquences en CMOS standard (au delà de 20GHz) nécessite des interconnexions et des passifs qui ne sont pas encore disponibles dans les «design kit». Nous avons réalisé une bibliothèque d’interconnexions (lignes, coudes, jonctions) permettant de concevoir des circuits millimétriques. Des véhicules de test ont été validés jusqu’à 40GHz. La mise en boîtier des SoC RF fonctionnant à fréquences élevées est un problème limitant la fiabilité et la réduction des coûts particulièrement lorsque de grandes bandes passantes sont utilisées.

Figure 3. Synopsis des Interconnections niveaux 1&2 du boitier fcCBGA

L’obtention de modèles prédictifs par simulation électromagnétique (EM) nous ont permis d’optimiser l’interface avec le CI et d’étendre au maximum la bande passante des boîtiers en vue d’une réduction des coûts et d’une amélioration de la fiabilité. La Fig. 3 représente le synopsis du boitier fcCBGA. La Fig. 4 représente les pertes mesurées à partir de tests en circuit ouvert et en court-circuit sur le boitier.

Figure 4. RLGC parameters are extracted from Short and Open test results (valid up to 18°=1 GHz) - 0,5 dB cutoff deembedded BW is well extracted (23 GHz versus 20 GHz)- Deembedding sources or error for RL<-15 dB are: *From a 0,1% phase accuracy @ Freq below 5 GHz *From ~-30 dB CBGA leakages resonant paths @ high Freq (23-24 GHz)

Conception de Circuit et Systèmes UWB (Projet MIMOC et ST-Focalisés)La plateforme a permis de concevoir et valider plusieurs circuits pour des applications de radio impulsion-nelle Ultra Large Bande (Ultra Wide Band Impulse Radio – UWB IR). L’intérêt pour cette technique de com-munication est en forte croissance en raison de son potentiel pour l’économie d’énergie. Toutefois, la conception de dispositifs Ultra Large Bande (bande passante 3 à 10 GHz) est un défie technologique dés lors que l’on vise des coûts de production permettant d’adresser le marché grand public qui nécessite un haut niveau d’intégration dans des filières technologiques peu coûteuses. En particulier des LNA et des pulseurs pour les bandes 3-10GHz et 6-8.5GHz ont été réalisés en technologie CMOS 130nm. Les résultats obtenus sont à l’état de l’art et la consommation des pulseurs est aujourd’hui la plus faible reportée dans la littérature (9.5pJ/Pulse) ce qui constitue une très grande innovation dans le domaine de la radio ultra faible consommation (Ultra Low power Radio – ULPR). Certains de ces circuits sont actuellement transfé-

Plateforme conception de circuits intégrés

rés au CEA-LETI dans le cadre d’une collaboration industrielle pour la réalisation de systèmes de géo-loca-lisation.

Figure 5. Transmetteur UWB mis en œuvre avec les méthodes d’intégration développées dans la plateforme. Validation en mesure avec l’oscilloscope temps réel 12GHz d’AGILENT .

Les LNA et les pulseurs ont été interfacés avec des antennes validant ainsi les méthodes de conception SoP et SiP développées grâce à la plateforme. Les moyens de la plateforme ont permis de caractériser ces dispositifs dont la bande passante s’étend jusqu'à 10GHz et qui nécessite des moyens de mesure temps réels (oscilloscope temps réel 12GHz).

System On Chip ZigBee (Projet Focalisé) : La plateforme a permis de réaliser et valider un SoC à 2.45 GHz (ZigBee) dans le cadre d’un projet de col-laboration focalisé avec la société STMicroelectronics. Dans ce projet, les contraintes dues à la réalisation d’un SoC étaient très élevées. Des moyens de vérification haut niveau (outils de simulation système – Matlab & Ptolemy) ont pu être mis en œuvre grâce à la plateforme. De même l’architecture finale déve-loppée a été validée grâce aux moyens de caractérisation système.

Figure 6. SoC RF ZigBee. Validation en mesure avec L’analyseur de modulation 89600 AGILENT.

Amplificateurs audio intégrés (Start-up PRIMACHIP)La société PRIMACHIP, actuellement hébergée par la pépinière Marseille Innovation à Château Gombert, est une jeune société spécialisée dans le domaine des amplificateurs audio intégrés. La société utilise les outils de la plateforme conception de l’IM2NP et collabore étroitement avec l’équipe CCI de l’Institut. Leur solution, qui s’appuie sur une chaîne de traitement du signal purement digitale, améliore très significativement les coûts, le rendement et la qualité. La promesse par rapport aux standards actuels du marché est la suivante :

- Optimisation de la taille de la puce : 20% de silicium en moins.- Jusqu’à 30% de consommation électrique en moins sur le convertisseur analogique/numérique

(ADC) à temps continu.- Performances audio bien plus élevées que les solutions actuelles à base d’amplificateurs

analogiques.- S’adapte à toutes les configurations d’entrée possibles (analogiques ou digitales).

Cette invention s’adresse en priorité à l’industrie du semi-conducteur où la gestion de l’énergie devient un critère aussi important que les performances électriques. L’offre se présente sous la forme d’un portefeuille de Propriété Intellectuelle (IP). Un circuit imprimé a été développé et testé. Un circuit intégré est en cours de développement par la société et sera disponible à l’été 2010.

Plateforme conception de circuits intégrés

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8-300

-200

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100 cm

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se A

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Time (ns)

500 cm

Figure 5. Mesure de la qualité audio THD (Total Harmonic Distortion) ©Primachip

Références :

Y. Bachelet, S. BOURDEL, J. Gaubert, G. Bas, H. Chalopin : ’Fully integrated CMOS UWB pulse generator’ Electronics Letters, Vol. 42, Issue 22, pp. 1277-1278, 2006N. Dehaese, S. Bourdel J. Gaubert, Y. Bachelet, H. Barthélemy: ‘Design Method for CMOS Current-source Modes Power Amplifiers based on PAE Optimization’ Analog Integrated Circuits and Signal Processing, Mixed Signal Letter, Vol. 49, n°2 November 2006.N. Dehaese, S. Bourdel, H. Barthélemy, G. Bas: ‘Simple Demodulator for 802.15.4 Low-Cost Receivers’, IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS 2006), 2006.H. Barthélemy, S. Bourdel, N. Dehaese, M. Egels, J. Gaubert, P. Pannier, G. Bas : ’ RF CMOS Transceiver for 802.15.4 SoC’, IEEE Radio Wireless Symposium’, pp.575-578, 2006S. Bourdel, Y. Bachelet, J. Gaubert, M. Battista, M. Egels, N. Dehaese : ‘ Low-cost CMOS pulse generator for UWB systems’, Electronics Letters, Vol. 43, Issue 25, pp. 1425-1427, 2007W. Rahajandraibe,L. Zaid, V. Cheynet de Beaupré,G. Bas : ‘Temperature Compensated 2.45 GHz Ring Oscillator with Double Frequency Control’ Proc of the IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC’07), pp. 409-412, 2007J.R. Cubillo,J. Gaubert,S. Bourdel,H. Barthélemy,M. Battista,M. Egels : ‘ Ultra Wide Band Band Pass filter embedding a MLF low cost package with wire bound attach process’, 14th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS 2006), pp. 939-942, 2007 J.R. Cubillo, J. Gaubert, S. Bourdel, H. Barthelemy, P. Pannier : ‘A simple filtering approach to improve the return loss of a PCB to DIE transition trough a PBGA package for over GHz applications’, IEEE Workshop Signal Propagation on Interconnects (SPI 2007), pp. 159-162, 2007M. Battista, J. Gaubert, M. Egels, S Bourdel, H Barthélemy :’ High-Voltage-Gain CMOS LNA for 6–8.5-GHz UWB Receivers’, IEEE Transactions on Circuits and Systems II, Vol. 55, Issue 8, pp. 713-717, 2008J.R. Cubillo, Gaubert, S. Bourdel, H. Barthélemy : ‘ RF Low-Pass Design Guiding Rules to Improve PCB to Die Transition Applied to Different Types of Low-Cost Packages’, IEEE Transactions on Advanced Packaging , Vol. 31, n° 3, pp. 527-535, 2008M. Battista, J. Gaubert, M. Egels, S. Bourdel, H. Barthélemy: ’ 6-10 GHz ultra-wideband CMOS LNA’, Electronics Letters, Vol. 44, Issue 5, pp. 343-344, 2008

Plateforme conception de circuits intégrés

Présentation de la plateforme Diagnostic RFIDResponsablesPhilippe Pannier, professeur, Université de ProvenceFabien Pellet, Ingénieur, ISEN ToulonPersonnels impliquésEquipe Projet RFID Capteurs Ingénieurs ISENLocalisationsIM2NP-Polytech site de Château GombertISEN Toulon

Vue de l’intérieur de la chambre anéchoïque de la plateforme RFID UHF ( site de Château Gombert)

Depuis 2006, le laboratoire dispose d’une plateforme dédiée à la caractérisation de systèmes RFID. Le premier banc de mesure réalisé est dédié à la pré-certification des produits sans contact sécurisés conformes à la norme ISO/IEC 14443 (passeport électronique, e-visas, cartes bancaires sans contact). En 2008, est né d’une volonté régionale commune, le projet d’une plateforme de pré-certification RF multifréquences pour répondre aux besoins de développement des nouveaux objets communicants, permettant de valider en amont les solutions techniques et confortant les choix a priori. Mais également, pour disposer d’une expertise référence pour faire des recommandations. Les objectifs sont le développement d’une plateforme de mesures et de simulations radiofréquences, la mise en œuvre de tests de pré-certification (Conformance et Performance) sur les standards ISO 18000, l’automatisation et amélioration des méthodes de tests, la contribution à l’amélioration des normes. En parallèle la création d’un service de mesure aux utilisateurs industriels : Fondeurs de silicium (ST, Atmel), fabricants de Tags (ASK, Tagsys, STID, SPS, Inside,... ), intégrateurs RF (Gemalto, FT, IBM, ATOS, NXP,…) et les laboratoires. Cette plateforme multi-site regroupe les différents bancs de mesure RFID HF et UHF existant au sein du laboratoire.

Partenaires, collaborations, animations STMicroelectronics (Rousset), ATMEL (Rousset), GEMALTO (Gemenos), ASK (Sophia Antipolis), Inside contactless (Aix les Milles), SPS (Rousset), Soliatis (Salon de Provence), STID ( Gréasque) ; ISEN (TOULON), CIMPACA- Micropacks (Gardanne), Polytech Marseille (Château Gombet), IM2NP (Marseille)

Plateforme diagnostic RFID

Financements : Projet CPC (Contacless Proximity Card) 13,56 MHz (ISEN Toulon) : Financeurs CG13/CR PACA Investis-

sement 190 Keuros (2006) Projet PACID GD : Financeur CG13 (IM2NP Marseille) : Investissement 225 Keuros (2008) Plateforme Diagnostic RFID UHF (IM2NP Marseille) : Financeurs CR PACA, DREAL PACA Investisse-

ment 145 Keuros (2009)

Description détailléeLa plate-forme de pre-certification des produits RFID sécurisés à 13.56MHz Dans le cadre du projet CPC (Contactless Proximity Cards), labellisé par la plateforme Micropacks de CIMPACA et le pôle SCS, l’IM2NP a sur le site de l’ISEN-Toulon, déployé, mis en œuvre et développé, depuis 2006, dans le cadre de la plate-forme Micro-Packs du CIM PACA, un centre de pré-certification des produits sans contact sécurisés conformes à la norme ISO/IEC 14443 (passeport électronique, e-visas, cartes bancaires sans contact). Les tests réalisés sur cette plate-forme sont issus des méthodes d’essais ISO/IEC 10373-6 ayant pour objectif d’une part, une accréditation et d’autre part un retour d’expérience vers les normes ISO/IEC 14443 et 10373-6 (à travers le dépôt de nouveaux amendements). Ces travaux ont permis, dès 2006, de mettre à disposition des partenaires industriels de PACA, un laboratoire d’évaluation et de certification (couche RF et protocole) des produits sans contact et à la création d’une offre de service nommée « Tests et certification de conformité ISO 14443 ». La plate-forme (voir schéma ci-dessous) est actuellement à disposition des membres partenaires de CIMPACA (Gemalto, Atmel Rousset, ST-Rousset, ASK, Inside Contactless, SPS, etc.) et est maintenue par les enseignants-chercheurs de l’IM2NP. Du point de vue scientifique, des études plus fondamentales sur la mesure du bruit dans les produits sans contact, les attaques potentielles de type « jamming » ou « eavesdropping », la mesure de la sensibilité des lecteurs, les tests à haut débit sur les transactions ainsi que sur les applications autour du visa électronique impliquant le fonctionnement simultané de plusieurs produits sécurisés sans contact, ont été menées dans le cadre de cette plate-forme.

Plateforme diagnostic RFID

LECTEURCarte

Prospectives pour la plateforme 13,56 MHz

Des développements/upgrades de la plateforme vers les applications NFC et TAGs à 13.56MHz (Norme ISO 18000-3) sont inscrits dans le plan CIM-PACA 2012 (partie optimisation de l’existant), pour des investissements à hauteur de 92k€ avaient été estimés lors des premières ébauches du projet. L’utilisation du NFC (Near Field Contact) et des téléphones mobiles pour les applications monétiques sont promises à des développements considérables dans un avenir proche, mais de gros efforts de normalisation des protocoles et de développement des matériels et des applications sont encore nécessaires. Des projets de développements et de collaboration avec des partenaires industriels sur ces nouveaux sujets sont en cours d’élaboration. L’idée générale est de disposer d’un laboratoire de « test en environnement réel » qui permette de réaliser des tests de fonctionnement des dispositifs dans un contexte reproduisant les perturbations qui seront rencontrées lors du fonctionnement réel des systèmes. Ce laboratoire permettrait d’avoir une approche « système » et une modélisation de l’ensemble (lecteur – canal – carte) qui supporte la démarche de conception des systèmes RFID en intégrant l’ensemble des contraintes liées à l’environnement (y compris les menaces et les contremesures).

Voici en résumé les pistes de développement possibles :- Upgrade de la plate-forme de précertification vers les applications NFC, monétique et TAGs à

13,56MHz (Norme ISO 18000-3)- Laboratoire et moyens expérimentaux orientés « système » :

Plateforme de diagnostic RFID UHF La fonction de base de cette plateforme est de permettre d’effectuer des tests de caractérisation de performances et de conformité avant la certification proprement dite de tags RFID ou de lecteurs. La mutualisation est essentielle car les entreprises, en particulier PME, en l’absence de ce service, font souvent des impasses durant le cycle de développement et paient alors des services de certification et commercialisation de leurs produits à un prix élevé. L’utilisation d’une Plateforme de caractérisation permettra d’anticiper et donc de réduire les risques et les coûts globaux. Cette situation est souvent due au fait que l’activité de caractérisation durant le cycle de développement d’un produit, met en œuvre des compétences variées qu’il est difficile de réunir, même dans les grands groupes : design, tests et mesures, connaissance des normes, méthode de tests.Cette mutualisation permettra aussi à ses acteurs d’avoir une position commune et donc plus forte auprès des comités de normalisation nationaux et internationaux (AFNOR, ISO, ETSI, EPC, …). On peut distinguer deux missions principales :

des activités de services orientées produits dont les demandeurs sont les industriels et PME et des activités de caractérisation et, d’expertise pilotées par la communauté académique, en lien avec les industriels pour être force de proposition d’un point de vue innovation et supporter les futures évolutions.

Cette plateforme permettra également un conventionnement futur avec le CNRFID qui pourra donc amener des utilisateurs vers cette plateforme.Les projets de R&D du Pôle pourront également s’appuyer sur cet outil collaboratif et de partage.

Plateforme diagnostic RFID

Environnement

Bruit, Menaces,Conditions extérieures …

Canal RF

tél.tél.

GSM, 3G…

Les moyens - Une architecture modulaire et ouverte pouvant s’étendre vers l’ensemble des Normes RFID visées- l’implémentation en priorité de la norme EPC class1 Gen2(900MHz) en basant les tests sur la norme ISO 18000-6C et la norme de test 18046/47 périmètre tag et lecteur, le choix a été fait en consultant les priorités des acteurs régionaux.

Les tests réalisés actuellement à l’IM2NP :- Mesure de fonctionnement d’un tag- Mesures de distances de communication- Mesures de rayonnement antennes (tag /lecteur)- Mesures de performances sur matériaux divers

SYNOPTIQUE DU BANC DE MESURE RFID UHF

Exemple de cartographie 3D (fréquences, puissance, amplitude) d’un tag passif RFID UHF Gen2

Cette plateforme est en cours d’installation rien est encore figé et l’offre de caractérisation est appelée à évoluer en fonction de la demande industrielle.

Prospectives pour la plateforme RFID UHF

Plateforme diagnostic RFID

Le projet a pris du retard, i) accord financier avec la région et ii) positionnement à redéfinir avec le CNRFID. Le groupe de travail a repris récemment pour travailler sur la mise en œuvre de la plateforme. (Plateforme commune IM2NP/CIMPACA Micropacks).Les évolutions de cette première version de la plateforme diagnostic vont porter sur la mesure du diagramme de rayonnement des antennes des étiquettes et des lecteurs.

Exemple de résultats 2008-2009 (Projet PACID Grande distribution)Depuis 2008, dans le cadre du projet PACID grande distribution, l’équipe projet RFID capteurs a pour objectif de développer des étiquettes RFID passives pour des applications spécifiques. Les contraintes de la grande distribution sont nombreuses, la principale est le coût de revient de l’étiquette. Pour répondre à cette contrainte plusieurs approches ont été employées, tout d’abord l’utilisation de matériaux peu chers, substrat papier, encre conductrice et/ou la réalisation d’une étiquette tolérante : aux supports sur lesquels elle est collée et à l’environnement proche. Nous présentons ci dessous une étiquette conçue au laboratoire et optimisée à l’aide du banc de diagnostic RFID UHF. Les différents tests réalisés et l’environnement de mesure sont présentés.

Benchmark réalisé sur différents supports

Nous présentons également les performances de nos étiquettes et les comparons à deux étiquettes références commercialisées à ce jour.

Comparaisons des performances mesurées des étiquettes réalisée

Plateforme diagnostic RFID