FR2876831A1

FR2876831A1 - Dispositif d'enregistrement de donnees comportant des nanotubes de carbone inclines et procede de fabrication

Info

Publication number: FR2876831A1
Application number: FR0410960A
Authority: FR
Inventors: Serge Gidon; Jean Dijon; Poche Helene Le
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-21
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: US20080186827A1; US7719951B2; WO2006042933A1; JP2008517408A; FR2876831B1; EP1800306A1

Abstract

Le dispositif d'enregistrement de données comporte un réseau de nanotubes (9) de carbone, formés sur un substrat (10) plan et constituant des micro-pointes coopérant avec un support de mémoire (11) sensiblement plan. Les nanotubes (9) de carbone sont initialement inclinés d'un angle prédéterminé, compris entre 5° et 40°, par rapport au plan du substrat (10). Les nanotubes 9 fléchissent lorsqu'ils viennent en contact avec le support de mémoire (11), parallèle au substrat (10). Le substrat (10) comporte, de préférence, une structure en relief, destinée à servir d'appui aux extrémités libres des nanotubes (9).

Description

Dispositif d'enregistrement de données comportant des nanotubes de carbone

inclinés et procédé de fabrication

Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif d'enregistrement de données, comportant un réseau de nanotubes de carbone constituant des micro-pointes coopérant avec un support de mémoire sensiblement plan, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif.

État de la technique L'enregistrement de données, aussi bien dans le domaine de l'informatique que dans le domaine des multimédias, doit répondre à un besoin croissant de capacité. Différentes techniques ont été développées, allant du disque dur magnétique aux mémoires optiques, en passant par les mémoires solides (mémoires flash). Quelle que soit la technique d'enregistrement utilisée, on cherche toujours à réduire la taille des points mémoire (bits) et l'accroissement de la capacité d'enregistrement passe par une augmentation de la densité de stockage.

L'utilisation de réseaux de micro-pointes permet d'obtenir de très grandes capacités, de l'ordre du Térabit/cm2. Comme représenté à la figure 1, une micropointe 1 est amenée sélectivement en contact avec un point mémoire 2, de taille nanométrique, d'une couche mémoire 3, formée sur un substrat 4. Le substrat 4 et la couche mémoire 3 constituent un support de mémoire 5. Un actionneur (non représenté) permet un déplacement relatif du réseau de micro- 2876831 2 pointes et du support de mémoire, parallèlement et/ou perpendiculairement au support de mémoire. L'écriture de données dans un point mémoire est réalisée par adressage sélectif d'une micro-pointe disposée en regard de ce point mémoire et modification des propriétés physiques, électriques et/ou magnétiques de ce point mémoire. Cette modification est classiquement obtenue par effet thermique ou au moyen d'un courant électrique traversant la micro-pointe, provoquant, par exemple, un changement de phase du matériau du point mémoire et/ou une modification de la résistivité du point mémoire (brevet US 4916688).

Pour garantir un parfait contact de toutes les micro-pointes 1 d'un réseau avec le support de mémoire 5 associé et assouplir le contact mécanique entre la micropointe et le point mémoire, chaque micro-pointe est classiquement montée en porte-à-faux à une extrémité d'un cantilever, notamment dans le document WO-A-2003/060923. Dans ce document, la résolution peut être améliorée par l'utilisation de nanotubes de carbone encastrés dans les micro-pointes. Comme représenté à la figure 2, un nanotube de carbone 6 peut être formé à l'extrémité libre de chaque micropointe, elle-même montée à l'extrémité d'un cantilever 7, solidaire d'un corps 8.

Le document WO-A-2004/032132 décrit une autre solution au problème de dispersion de hauteur des micro-pointes, consistant à associer un support de mémoire en forme de membrane souple, de préférence portée par un cadre formant une pluralité d'alvéoles, avec un réseau de micro-pointes formées directement sur une base. Un circuit électronique d'adressage des micropointes et de contrôle de l'écriture et/ou de la lecture des données dans la mémoire peut alors être intégré dans la base portant les micro-pointes. Cette dernière solution permet de simplifier la fabrication de la mémoire et, en conséquence, d'en réduire le coût. Cependant, la réalisation du support de mémoire souple reste assez complexe, dans la mesure où il doit permettre d'épouser la déformée du réseau de micro- pointes et d'absorber les dispersions de hauteur des micro-pointes, tout en évitant de développer des forces d'appui trop importantes sur le support de mémoire.

Objet de l'invention L'invention a pour but un dispositif d'enregistrement de données, notamment pour des mémoires à ultra haute densité, ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et permettant, plus particulièrement, d'ignorer la dispersion dans la hauteur des micropointes, tout en réduisant le coût de fabrication du dispositif.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les nanotubes de carbone sont 15 formés sur un substrat, sensiblement plan et parallèle au support de mémoire, et sont inclinés par rapport au plan du substrat.

Selon un développement de l'invention, chaque nanotube comporte une extrémité libre et une extrémité de base, solidaire du substrat, chaque nanotube formant à sa base un angle initial compris entre 5 et 40 avec un axe perpendiculaire audit plan.

Selon un autre développement de l'invention, le substrat comporte une structure en relief, destinée à servir d'appui aux extrémités libres des nanotubes.

L'invention a également pour but un procédé de fabrication d'un dispositif d'enregistrement de données. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte la croissance des nanotubes sur un substrat incliné par rapport à un champ électrique définissant un axe de croissance des nanotubes.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: o La figure 1 illustre schématiquement le principe d'un enregistrement de données à micro-pointes selon l'art antérieur.

La figure 2 représente une micro-pointe selon le document WO-A2003/060923. La figure 3 illustre, schématiquement, un réseau de micropointes d'un dispositif selon l'invention.

Les figures 4 et 5 représentent, respectivement en vue de dessus (sans le support de mémoire) et en coupe selon A-A (avec le support de mémoire), un mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention.

Les figures 6 et 7 représentent, respectivement en vue de dessus (sans le support de mémoire) et en coupe selon B-B (avec le support de mémoire), un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Les figures 8 à 15 représentent des étapes successives d'un mode de réalisation particulier d'un procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention. Les figures 16 à 21 illustrent une variante pouvant remplacer les étapes des figures 9 à13.

Description de modes particuliers de réalisation

Comme représenté à la figure 3, le réseau de micro-pointes d'un dispositif selon l'invention est constitué par un réseau de nanotubes 9, qui sont inclinés par rapport au plan d'un substrat 10, sur lequel ils sont formés. Les nanotubes 9 forment les micro-pointes destinées à coopérer avec un support de mémoire sensiblement plan (non représenté sur la figure 3), parallèle au substrat 10, pour l'écriture et/ou la lecture de données dans le support de mémoire.

Chaque nanotube 9 comporte une extrémité libre, destinée à venir en contact avec le support de mémoire, et un extrémité de base, solidaire du substrat 10. L'angle initial a, que le nanotube forme à sa base avec un axe S, perpendiculaire au plan du substrat 10, est, de préférence, compris entre 5 et 40 . Dans un mode de réalisation préférentiel, l'angle initial a est de l'ordre de 10 .

Tandis que des nanotubes verticaux sont extrêmement rigides lorsqu'ils sont en contact avec un support de mémoire horizontal, les nanotubes 9 inclinés présentent une certaine souplesse. En effet, ils travaillent alors en flexion et leur raideur est réduite. À titre d'exemple, un nanotube incliné ayant une longueur de quelques centaines de nanomètres (100 à 500nm) et un diamètre extérieur de 1 à 50nm a une raideur de l'ordre de quelques N/m.

Comme représenté sur les figures 5 et 7, les nanotubes 9 fléchissent lorsqu'ils viennent en contact avec un support de mémoire 11, parallèle au substrat 10. Cette flexion permet de limiter les forces d'appui exercées par les nanotubes 9 sur le support de mémoire 11 et de compenser les inévitables dispersions dans la longueur des nanotubes par la courbure plus ou moins importante de ceux-ci. De plus, la flexion des nanotubes permet d'absorber d'éventuelles variations de 2876831 6 distance, de l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, entre le support de mémoire 11 et le substrat 10.

Un nanotube de quelques centaines de nanomètres de long a cependant tendance à vibrer sous l'action de sollicitations extérieures, comme les mouvements browniens des molécules d'air ou les forces de friction du support de mémoire. Ces vibrations peuvent notamment induire un perte de précision dans la délimitation des points mémoire. Pour écarter cet inconvénient, le substrat 10 de support des nanotubes 9 comporte, de préférence, une structure en relief 12, destinée à servir d'appui aux extrémités libres des nanotubes 9 lorsque ceux-ci fléchissent en contact avec le support de mémoire 11. Ainsi, les nanotubes fléchis sont stabilisés, dans la mesure où ils se calent naturellement sur la structure en relief 12.

Les motifs de la structure en relief 12 peuvent avoir diverses formes. Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, la structure en relief est constituée par des bandes 13, parallèles, entre lesquelles sont disposés les nanotubes 9. Cette configuration est plus particulièrement intéressante dans le cas où le support de mémoire se déplace toujours dans le même sens, schématisé par la flèche 14 sur la figure 5 (horizontalement, vers la droite, dans l'exemple représenté). C'est notamment le cas dans une mémoire en forme de disque. Comme représenté à la figure 4, les bandes 13, qui peuvent être rectilignes ou courbes, sont alors, de préférence, inclinées par rapport à l'axe de déplacement (horizontal, schématisé par la flèche 14 sur la figure 5) du support de mémoire, parallèlement au plan du substrat. Les nanotubes 13 restent alors dans une position stable lors du défilement du support de mémoire. L'écartement des bandes 13 peut être constant et tel que les extrémités de base des nanotubes 9, qui en constituent les points d'ancrage, soient disposées à égale distance de deux bandes adjacentes.

Dans le mode de réalisation des figures 6 et 7, la structure en relief 12 est constituée par une couche déposée sur le substrat 10 et comportant des orifices 15, dans lesquels sont disposés les nanotubes 9. Les orifices 15 sont, de préférence, des orifices traversants, sensiblement cylindriques, dont le diamètre peut être de l'ordre du micromètre. Cette structure permet d'envisager un mouvement oscillant, bidimensionnel du support de mémoire, comme schématisé par la flèche 16 sur la figure 7 (horizontalement, vers la droite et/ou vers la gauche). Chaque nanotube 9 peut alors prendre deux positions stables, o représentées respectivement en trait plein (vers la droite) et en pointillés (vers la gauche) pour l'un des nanotubes de la figure 7. L'angle initial du nanotube est orienté de telle manière qu'il y ait symétrie dans les mouvements de flexion du nanotube en fonction du déplacement du support de mémoire 11.

La structure en relief 12 permet également de caler les nanotubes 9 dans la direction perpendiculaire au substrat 10. Ainsi, lors d'un déplacement relatif du support de mémoire 11 et du substrat 10 le long de l'axe S, conduisant à écarter le support de mémoire des micro-pointes, les nanotubes 9 sont automatiquement maintenus en contact avec la structure en relief 12 par des phénomènes d'adhérence. La structure en relief 12 peut également servir de patin, permettant de maintenir le support de mémoire à une distance minimum du substrat 10, en évitant tout collage accidentel du support de mémoire 11 et du substrat 10, qui pourrait conduire à la destruction des nanotubes 9.

À titre d'exemple, la hauteur de la structure en relief 12 peut être de l'ordre de 100 à 200nm, pour des nanotubes de 200 à 500nm de long.

La fabrication du dispositif utilise les techniques classiques de la microélectronique et tout procédé connu de fabrication de nanotubes de carbone. Un procédé de croissance de nanotubes est notamment décrit dans l'article "Growth process conditions of vertically aligned carbon nanotubes using plasma enhanced chemical vapor deposition", publié le 15/11/2001 dans "Journal of Applied Physics", vol. 90, n 10, p. 5308-5317.

L'inclinaison des nanotubes 9 est obtenue en faisant croître les nanotubes sur un substrat incliné par rapport à un champ électrique définissant leur axe de croissance. Pour cela, le substrat 10 sur lequel sont formés les nanotubes 9 est incliné d'un angle a, par rapport au bâti d'un réacteur PECVD (non représenté) o utilisé pour la croissance des nanotubes.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le circuit électronique d'adressage des micro-pointes et de contrôle de l'écriture et/ou de la lecture des données dans la mémoire est intégré dans le substrat 10 supportant les nanotubes. La formation des nanotubes 9 sur le substrat incliné est alors réalisée après formation du circuit électronique d'adressage et de contrôle 17 dans le substrat 10 et de la structure en relief 12 sur le substrat 10.

Dans le procédé de fabrication illustré aux figures 8 à 15, le circuit électronique d'adressage et de contrôle 17 est tout d'abord formé (figure 8), sous forme de circuit intégré, par exemple en technologie CMOS, dans le substrat 10, par exemple en silicium. Ensuite (figure 9), un masque 18 est formé sur le substrat 10, comportant le circuit électronique 17, par dépôt puis gravure localisée, par exemple par lithogravure d'une couche de résine ou d'oxyde. Des plots de catalyseur 19 (Ni, Fe, FeNi, Co...) sont ensuite formés (figure 10) sur des plots de contact 20 du circuit électronique 17, dans des orifices 21 correspondants gravés dans le masque 18. Le masque 18 peut ensuite, éventuellement, être retiré ("lift- off").

Dans la variante de réalisation représentée sur les figures 11 à 13, la structure en relief 12 est ensuite formée en trois étapes. Tout d'abord (figure 11), une couche sacrificielle 22 est déposée sur le substrat et structurée, par exemple par photolithographie, pour occuper les zones destinées à former les creux de la structure en relief. La couche sacrificielle 22, qui recouvre alors les plots de catalyseur 19, est ensuite recouverte par une couche 23 de matériau destiné à constituer la structure en relief. Le matériau de la couche 23 est, par exemple, de la silice ou tout autre matériau résistant à la friction, comme le nitrure de silicium (Si3N4) ou le carbone (carbone diamant ou carbone amorphe). Après o planarisation, limitant l'épaisseur de la couche 23 à la hauteur désirée de la structure en relief, inférieure à l'épaisseur initiale de la couche sacrificielle 22, la couche sacrificielle 22 est éliminée (figure 13), ce qui libère l'accès aux plots de catalyseur 19 et termine la formation de la structure en relief 12.

La croissance verticale des nanotubes 9 est ensuite (figure 14) réalisée de manière connue à partir des plots de catalyseur 19, tandis que le substrat 10 est incliné d'un angle a par rapport à l'horizontale. La croissance des nanotubes 9 est réalisée in situ à une température, typiquement de l'ordre de 400 C, compatible avec le circuit électronique 17. À titre d'exemple, le substrat est posé sur une sole horizontale en graphite (non représentée), avec laquelle il fait ledit angle a. La température de l'ensemble est portée à 400 C sous atmosphère d'hydrogène pendant 30 minutes. Un plasma RF est alors activé avec une puissance de 300W pendant une heure, en présence d'hydrogène, contenant éventuellement quelques pour-cent d'hydrocarbures (acétylène ou éthylène, par exemple). Les nanotubes 9 ainsi formés sont ainsi automatiquement inclinés et forment le même angle a avec l'axe S perpendiculaire au plan du substrat 10, comme représenté sur la figure 15 2876831 10 II peut être souhaitable de rigidifier la base des nanotubes 9, notamment pour assurer une meilleure fiabilité de leur maintien mécanique sur le substrat 10, quels que soient les efforts qui leur seront ultérieurement appliqués (chocs ou contraintes en position de repos). Dans ce but, une couche d'enrobage 24, en matériau isolant, est déposée sur le substrat 10, au moins dans le fond des creux de la couche structurée 12, de manière à recouvrir la base des nanotubes 9. Sur la figure 15, la couche d'enrobage 24 recouvre la totalité de la structure en relief 12. L'épaisseur de la couche d'enrobage 24 ne représente qu'une fraction de la hauteur des nanotubes 9. Cette couche d'enrobage 24 peut être o déposée par tout procédé approprié, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique, par dépôt à la tournette ("spin coating", etc., en fonction de la nature du matériau isolant utilisé. A titre d'exemple, une couche de carbone diamant peut être déposée par dépôt chimique en phase vapeur, à partir de méthane ou d'oxyde de carbone (CO).

Une couche de nitrure de silicium (Si3N4) peut être déposée par pulvérisation cathodique et une couche d'oxyde de silicium (SiO2) à la tournette, éventuellement par un procédé sol-gel (SOG: "Spin on Glass").

Dans une variante de réalisation, les étapes des figures 9 à 13 sont remplacées par les étapes suivantes, illustrées aux figures 16 à 21. Comme représenté à la figure 16, la couche 23 de matériau destiné à constituer la structure en relief est alors déposée directement sur le substrat 10, dans lequel a préalablement été formé le circuit électronique 17. Une couche de résine 25 est ensuite déposée sur la couche 23 (figure 17). Puis (figure 18), des orifices 26 sont gravés dans la couche de résine 25, en regard des emplacements destinés aux plots de catalyseur 19, en face des plots de contact 20. Cette gravure peut, par exemple, être réalisée par photolithogravure ou par toute autre méthode équivalente. La couche 23 est ensuite gravée à travers les orifices 26 pour former les creux de la structure en relief 12 (figure 19). Les plots de catalyseur 19 sont ensuite formés sur les plots de contact 20, à travers les orifices 26 (figure 20). Enfin, comme représenté à la figure 21, la couche 25 est retirée ("lift-off"). Dans cette variante de réalisation, il y a auto-alignement des motifs de la structure en relief et des plots de catalyseur, avec une seule étape lithographique. Les étapes de croissance des nanotubes et d'enrobage sont ensuite identiques à celles représentées aux figures 14 et 15.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. En particulier, le support de mémoire 11 peut être de tout type, aussi bien rigide 10 que souple.

Claims

Revendications

1. Dispositif d'enregistrement de données, comportant un réseau de nanotubes (9) de carbone constituant des micro-pointes coopérant avec un support de mémoire (11) sensiblement plan, dispositif caractérisé en ce que les nanotubes (9) de carbone sont formés sur un substrat (10), sensiblement plan et parallèle au support de mémoire (11), et sont inclinés par rapport au plan du substrat (10).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque nanotube (9) comporte une extrémité libre et une extrémité de base, solidaire du substrat (10), chaque nanotube (9) formant à sa base un angle initial (a) compris entre 5 et 40 avec un axe (S) perpendiculaire audit plan.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce ledit angle initial (a) est de l'ordre de 10 .

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 20 que le substrat (10) comporte une structure en relief (12), destinée à servir d'appui aux extrémités libres des nanotubes (9).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure en relief (12) comporte une pluralité de bandes (13) parallèles, entre lesquelles 25 sont disposés les nanotubes (9).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les extrémités de base des nanotubes (9) sont disposées à égale distance de deux bandes (13) adjacentes.

7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure en relief (12) comporte une pluralité d'orifices (15) sensiblement cylindriques, dans lesquels sont disposés les nanotubes (9).

8. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte la croissance des nanotubes (9) sur un substrat (10) incliné par rapport à un champ électrique définissant un axe de croissance des nanotubes.