Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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122 Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé Des matériaux intégrés pour de nouvelles fonctions radiofréquence sur le silicium Avec la technologie du silicium, l’intégration de nouveaux matériaux magnétiques et diélectriques pour la radiofréquence (RF) a ouvert de multiples perspectives applicatives : miniaturisation des émetteurs/récepteurs, versatilité des systèmes de communication, réseaux de capteurs auto-adaptatifs, qui répondent à des enjeux sociétaux dans le domaine médical, l’automobile, la domotique... Le défi technologique à relever est à la mesure des retombées scientifiques et industrielles. Salle de mesures radiofréquence du Leti pour connaître la réponse, en fréquence, de certains composants. Les mesures se font sous pointes (c’est-à-dire directement sur le wafer) et peuvent aller jusqu’à 65 GHz. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 I ssus des techniques de fabrication de la microélectronique, les microsystèmes s’adjugent désormais une part croissante dans les systèmes électro - niques. Il s’agit de ce que l’on appelle aujourd’hui l’approche More than Moore, extension de la célèbre loi de Moore des matériaux semi-conducteurs. Cela s’explique par une me illeure compatibilité des matériaux, notamment en matière de contamination des semiconducteurs. D’où l’idée d’intégrer toujours plus de nouveaux matériaux pour accéder à des fonctions inédites. Dans la palette des opportunités offertes, le Laboratoire des composants radiofréquence (LCRF), entité du Laboratoire d’électronique et des technologies de l’information (Leti), s’investit, depuis une quinzaine d’années déjà, dans l’intégration de matériaux magnétiques et diélectriques. Aujourd’hui, les couches minces magnétiques, héritières des têtes d’enregistrement magnétique et de lecture des disques durs, entrent dans la composition d’une multitude de technologies utilisant des applications hyperfréquence – par exemple, les oscillateurs à électronique de spin (1), les inductances planaires pour la téléphonie mobile ou les systèmes de marquage antivol. Un tel succès tient à ce que l’ingénierie des couches minces magnétiques permet, désormais, d’adapter leurs propriétés aux applications visées, grâce à la mise au point de nouveaux matériaux homogènes ou hétérogènes dont la structure est parfaitement maîtrisée à l’échelle de quelques nanomètres seulement. Aujourd’hui, le Leti et l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac) se situent au meilleur niveau de l’état de l’art mondial grâce à une forte pluridisciplinarité balayant tout le spectre allant de la physique fondamentale à l’application technologique et à l’instrumentation hyperfréquence. Parvenus à ce stade, les chercheurs en magnétisme doivent néanmoins relever un nouveau défi : réaliser des dispositifs dotés de fréquences de fonctionnement élevées et/ou « agiles (1) Stockage de l’information : les acquis et les promesses du nanomagnétisme et de la spintronique, Dieny Bernard et Ebels Ursula, article paru dans CLEFS CEA, n°56 (pages 62 à 66), hiver 2007-2008. P.Stroppa/CEA
Figure 1. Actionneur piézoélectrique PZT avec ses contacts. Au milieu, on distingue la ligne radiofréquence (RF) transportant le signal. Le contact est la partie la plus haute de cette ligne. C’est cette zone qui viendra toucher un autre contact en face (non représenté) afin de fermer le circuit électrique. Deux actionneurs piézoélectriques sont situés de part et d’autre de la ligne RF. Les pistes dorées qui s’en échappent constituent les commandes permettant de les actionner. en fréquence », comme des inductances variables, composants qui n’existent pas aujourd’hui. Y parvenir suppose de surmonter les contraintes liées aux faibles dimensions des dispositifs mais aussi de répondre aux nouvelles exigences des applications, en termes de fréquences, de facteurs de qualité et de consommation. Les couches minces diélectriques ont également beaucoup progressé. Elles s’avèrent particulièrement adaptées aux capteurs et aux actionneurs utilisant l’effet piézoélectrique (figure 1), aux capacités intégrées de forte valeur ou encore aux composants agiles pilo - tables en tension tels que les capacités variables : par exemple, les micro-interrupteurs permettant de passer d’un standard de communication à un autre dans un téléphone portable, les lentilles à focales variables intégrées dans les appareils photos, les capacités de détection embarquées dans les pacemakers... La réalisation des couches minces diélectriques par le Leti s’appuie sur deux types de matériaux, à savoir, le nitrure d’aluminium (AlN) et les oxydes de la famille pérovskite. Pour les chercheurs, l’enjeu s’avère double. D’abord, il s’agit pour eux d’accroître la qualité intrinsèque du matériau et ainsi de parvenir à l’état de l’art – un objectif déjà atteint en ce qui concerne l’AlN et le zirconate titanate de plomb(PZT). Ensuite, ils doivent parvenir à intégrer ces couches pour en faire des dispositifs, tout en conservant la qualité du matériau. Que ce soit pour les couches magnétiques ou les couches diélectriques, les chercheurs ont compris l’impérieuse nécessité d’opérer la jonction entre différentes disciplines propres aux matériaux, aux composants et aux systèmes – un rapprochement qui passe par l’abolition des distances, voire des frontières, séparant encore les physiciens des concepteurs d’applications. Des matériaux magnétiques à très forte perméabilité Concernant la miniaturisation des circuits radio - fréquence, l’une des contraintes fortes réside dans l’intégration des inductances, des résonateurs et des antennes : il s’agit, en effet, de composants pas - sifs (2) particulièrement consommateurs de surface. L’intégration de films magnétiques sur du silicium se présente, d’ores et déjà, comme une voie prometteuse (2) Composant n’utilisant pas de transistor. 100 μm Matthieu Cueff/CEA sas de chargement de plaquettes de silicium oxydation nettoyage Dépôt de couches minces magnétiques et diélectriques à l’intérieur d’une chambre ultravide. Cet élément sert à transférer les substrats vers les chambres de dépôt, puis à ressortir le produit fini avec sa couche mince. Ceci permet de contrôler l’épaisseur de la couche à l’atome près. mais avec une condition à la clé : pouvoir accéder à un niveau de perméabilité élevé tout en ayant des pertes faibles. Les films nanocristallins à base de fer ou d’un alliage de fer et de cobalt Un tel niveau de perméabilité, associé à des pertes faibles, suppose l’élaboration de nouveaux matériaux magnétiques, dotés d’une microstructure appropriée capable de garantir une utilisation à très haute fréquence. Les films ferromagnétiques nanostructurés (la taille des grains est seulement de quelques nanomètres), à base de fer ou d’alliage fer/cobalt, figurent en tête des candidats. En effet, leur perméabilité hyperfréquence s’avère proportionnelle à leur aimantation à saturation, celle-ci étant la plus élevée connue. Dès l’année 2006, le LCRF a démontré que les films nanostructurés de type FeX(N,O), où « X » est soit du tantale soit de l’hafnium, présentent des propriétés dynamiques remarquables (jusqu’à plus de 2 gigahertz), avec des constantes d’amortissement particulièrement faibles (figure 2). Ce résultat tient à une microstructure cristalline, très particulière, composée de grains de moins de 5 nanomètres, très finement dispersés dans une matrice amorphe fortement résistive. Ces matériaux nanostructurés allient des résistivités élevées (de 100 à 1000/cm) avec des aiman tations à saturation fortes, de l’ordre d’un tesla. Cette combinaison remarquable permet une intégration technologique du matériau magnétique au plus près de l’élément inductif, en minimisant le risque de capacités parasites nuisibles au fonctionnement à haute fréquence des inductances planaires. 50 nm Figure 2. Image au microscope électronique à transmission d’une coupe transverse d’un film nanostructuré de FeHf (N, O). Les grains ferromagnétiques sont de très faibles dimensions (5 à 10 nm), ce qui donne une grande perméabilité, et finement dispersés dans une matrice amorphe, ce qui confère au film une grande résistivité. B. Viala/CEA déposition O. Redon/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 123



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