dimanche 10 juin 2007
LA G.M.R en quelques mots
Comment fabrique t’on un Capteur GMR ?
1) Qu’est ce que le GMR (Geant Magneto Resistance)
fig.1 : schéma représentant les bande de conduction pour les deux directions de spin up et down dans les cas d’un métal normal d’un métal ferromagnétique et d’un demi-métal. E est l’énergie des électrons, EF est l’énergie au niveau de Fermi et N(E) la densité d’état
1.2) La magnétorésistance géante (GMR)
La magnétorésistance est la variation de la résistance d’un matériau ou d’une structure artificielle sous l’effet d’un champ magnétique. La GMR a été découverte en 1988 sur des multicouches composées d’un empilement alterné de couches de fer (métal ferromagnétique) et de chrome (métal non magnétique) : Fe/Cr/Fe avec des épaisseurs individuelles de l’ordre de 1nm.
Dans ces multicouches pour une certaine épaisseur de chrome, les aimantations des couches voisines de fer sont orientées de façon antiparallèle par des interactions d’échange à travers le chrome. Cependant, l’application d’un champ magnétique permet de réaligner, dans le même sens, les aimantations des deux couches magnétiques. Le passage de la configuration antiparallèle (AP) à la configuration parallèle (P) s’accompagne d’une forte baisse de résistance du dispositif comme on peut le voir sur la figure 2.
La GMR est ainsi définie comme étant le rapport :
GMR = (Rap-Rp)/Rp
Où Rap et Rp sont respectivement les résistances de la multicouche lorsque les aimantations des électrodes magnétiques sont antiparallèles et parallèles.
Figure 2: variation de la résistance d’une multicouche Fe/Cr/Fe en fonction du champ magnétique extérieur appliqué. Jusqu’à 80% de GMR à la température de l’hélium (T = 4.2K) et jusqu’à 20% de GMR à la température ambiante lorsque l’épaisseur de la couche de chrome est de 9Å sont obtenues
Le principe de la GMR dans des multicouches de type ferromagnétique/non magnétique/ferromagnétique (dans notre cas Co/Cu/NiFe) est illustré dans la figure 3. L’hypothèse de base dans ces structures consiste à supposer l’existence de deux canaux de conduction distincts pour les électrons de spin up et down. Ainsi une conduction en parallèle pour les deux populations d’électrons avec des conductivités différentes. Lorsque les aimantations des deux électrodes magnétiques sont dans un même état (parallèle ou antiparallèle), les électrons ayant la même orientation de spin que l’aimantation passent d’une électrode à l’autre à travers la couche non magnétique (fig3 a). Il se crée donc un fort courant dans le dispositif et, par conséquent, une faible résistance. En revanche lorsque les aimantations des deux électrodes magnétiques sont dans une configuration antiparallèle, le transfert d’électrons entre les deux électrodes devient impossible, d’où une forte résistance électrique de la structure (fig3 b).
Cette différence de résistance de la multicouche entre les configurations parallèle et antiparallèle est à l’origine de la GMR.
Remarque : pour que l’effet de la GMR soit observable, il faut que l’épaisseur des couches soit très inférieure au libre parcours moyen des électrons (≈ 10 nm dans les métaux non magnétiques et quelques nm dans les métaux magnétiques) afin que ces derniers sondent les couches de la structures.
Figure 3 : Schéma représentant le principe de la magnétorésistance géante dans une structure de type ferromagnétique/non magnétique/ferromagnétique. a) cas où l’aimantation des deux électrodes magnétiques et dans le même état. b) cas où les aimantations des deux électrodes sont antiparallèles
Il existe différentes techniques de fabrication du capteur :
- Technique de dépôt de la multicouche (pulvérisation cathodique) : Cette technique est utilisée pour déposer les couches de matériaux qui forment le capteur(les deux électrodes magnétiques et la couche de cuivre.
- Technique de gravure (IBE) : La gravure par I.B.E ou gravure ionique sèche est utilisée pour graver les métaux.
- La lithographie optique : La lithographie optique consiste à insoler localement une photo-résine par une lampe UV. Cette résine est un polymère, dont les molécules sont fragmentées là où elles ont été exposées à la lumière. Un développeur permet alors de dissoudre la partie de la résine fragilisée à la lumière UV, la partie non exposée à lumière restant quant à elle intacte. La réussite de cette manipulation dépend bien sûr de nombreux paramètres, tels que le temps d’exposition à la lumière UV, la puissance de la lampe, le choix du développeur ainsi que de la résine, et le temps de développement. Un des facteurs déterminants est la longueur d’onde de la lampe qui va déterminer la limite la plus basse de précision du procédé. Pour insoler certaines zones de l’échantillon sans modifier les autres, on utilise un masque en général réalisé en lithographie électronique avec des zones transparentes (verre) et des zones sombres (recouvertes de Cr).
Pour réaliser un processus lithographique donné, plusieurs méthodes sont en général possibles, mais il faut choisir celle qui présente le moins de contraintes. Si l’on souhaite par exemple réaliser un plot métallique (qu’il s’agissent d’un simple plot de Ti/Au, ou d’une multicouche métallique déposée par pulvérisation cathodique), plusieurs méthodes sont possibles.
Cette liste non exhaustive d’utilisation de la lithographie optique constitue en quelque sorte les briques élémentaires que j’ai choisis pour expliquer la fabrication de notre capteur magnétique.
Les différentes étapes de la fabrication :
Réalisation du premier niveau du capteur :
- Première étape de litho :
définition du capteur
- Deuxième étape :
définition du piler magnétique (réalisation des électrodes magnétique sup et inf du capteur)
Réalisation du second niveau du capteur :
- Définition des pistes (de contact)
- Etape de métallisation
A l’issu de ces étapes, nous obtenons notre capteur. Afin de pouvoir le visualiser correctement, un bref passage en M.E.B (microscope à balayage électronique), nous obtenons l’image suivante (cette image est obtenus après certaines considération mettant en jeux certains phénomène physique).
On distingue les quatre électrodes de contact et le capteur GMR au centre.
Nota :
Ceci n'est qu'un bref descriptif, j'ai volontairement évité de rentrer dans les détails. Cela dit, si vous êtez intéressé, je pourrez vous en parler plus longuement.
(Cet article s’adresse à un public averti. Un site sur la présentation de la nanotechnologie est en cours de réalisation…)
1) Qu’est ce que le GMR (Geant Magneto Resistance)
Avant de se lancer dans l’explication de ce phénomène, il faudrait, je pense, d’abord que je vous présente ce qu’est le ferromagnétisme.
Effet physique sur lequel est basée l’effet GMR.1.1) Le ferromagnétique
Contrairement à un métal normal, un métal ferromagnétique se caractérise par un décalage en énergie de ses bandes de conduction pour les deux directions de spin (spin up et down) du fait de l’interaction d’échange (cf. fig. 1).
Ce décalage crée un déséquilibre de spin au niveau de Fermi à l’origine de la polarisation (P) de spin définit comme :
P= (N–N¯) / (N+N¯)
Où N et N¯ sont respectivement les densités d’états des spins up et down au niveau de Fermi des électrodes magnétiques. Plus cette polarisation de spin est forte, plus la magnétorésistance de la structure considérée est élevée. Dans les matériaux ferromagnétiques les plus fréquemment utilisés comme, le cobalt, le nickel, le fer et leurs alliages, la polarisation de spin varie de 40 à 50% (fig 1.b). Cela veut dire que ces matériaux ont une population d’électrons de spin distincts dont une large majorité à un spin up ou down, ce qui explique leur aimantation non nulle (rémanente) à champ magnétique appliqué nul.
fig.1 : schéma représentant les bande de conduction pour les deux directions de spin up et down dans les cas d’un métal normal d’un métal ferromagnétique et d’un demi-métal. E est l’énergie des électrons, EF est l’énergie au niveau de Fermi et N(E) la densité d’état
1.2) La magnétorésistance géante (GMR)
La magnétorésistance est la variation de la résistance d’un matériau ou d’une structure artificielle sous l’effet d’un champ magnétique. La GMR a été découverte en 1988 sur des multicouches composées d’un empilement alterné de couches de fer (métal ferromagnétique) et de chrome (métal non magnétique) : Fe/Cr/Fe avec des épaisseurs individuelles de l’ordre de 1nm.
Dans ces multicouches pour une certaine épaisseur de chrome, les aimantations des couches voisines de fer sont orientées de façon antiparallèle par des interactions d’échange à travers le chrome. Cependant, l’application d’un champ magnétique permet de réaligner, dans le même sens, les aimantations des deux couches magnétiques. Le passage de la configuration antiparallèle (AP) à la configuration parallèle (P) s’accompagne d’une forte baisse de résistance du dispositif comme on peut le voir sur la figure 2.
La GMR est ainsi définie comme étant le rapport :
GMR = (Rap-Rp)/Rp
Où Rap et Rp sont respectivement les résistances de la multicouche lorsque les aimantations des électrodes magnétiques sont antiparallèles et parallèles.
Figure 2: variation de la résistance d’une multicouche Fe/Cr/Fe en fonction du champ magnétique extérieur appliqué. Jusqu’à 80% de GMR à la température de l’hélium (T = 4.2K) et jusqu’à 20% de GMR à la température ambiante lorsque l’épaisseur de la couche de chrome est de 9Å sont obtenues
Le principe de la GMR dans des multicouches de type ferromagnétique/non magnétique/ferromagnétique (dans notre cas Co/Cu/NiFe) est illustré dans la figure 3. L’hypothèse de base dans ces structures consiste à supposer l’existence de deux canaux de conduction distincts pour les électrons de spin up et down. Ainsi une conduction en parallèle pour les deux populations d’électrons avec des conductivités différentes. Lorsque les aimantations des deux électrodes magnétiques sont dans un même état (parallèle ou antiparallèle), les électrons ayant la même orientation de spin que l’aimantation passent d’une électrode à l’autre à travers la couche non magnétique (fig3 a). Il se crée donc un fort courant dans le dispositif et, par conséquent, une faible résistance. En revanche lorsque les aimantations des deux électrodes magnétiques sont dans une configuration antiparallèle, le transfert d’électrons entre les deux électrodes devient impossible, d’où une forte résistance électrique de la structure (fig3 b).
Cette différence de résistance de la multicouche entre les configurations parallèle et antiparallèle est à l’origine de la GMR.
Remarque : pour que l’effet de la GMR soit observable, il faut que l’épaisseur des couches soit très inférieure au libre parcours moyen des électrons (≈ 10 nm dans les métaux non magnétiques et quelques nm dans les métaux magnétiques) afin que ces derniers sondent les couches de la structures.
Figure 3 : Schéma représentant le principe de la magnétorésistance géante dans une structure de type ferromagnétique/non magnétique/ferromagnétique. a) cas où l’aimantation des deux électrodes magnétiques et dans le même état. b) cas où les aimantations des deux électrodes sont antiparallèles
L’effet physique présenté, passons à la réalisation de cet objet :
Fabrication d’un capteur G.M.R :Il existe différentes techniques de fabrication du capteur :
- Technique de dépôt de la multicouche (pulvérisation cathodique) : Cette technique est utilisée pour déposer les couches de matériaux qui forment le capteur(les deux électrodes magnétiques et la couche de cuivre.
- Technique de gravure (IBE) : La gravure par I.B.E ou gravure ionique sèche est utilisée pour graver les métaux.
- La lithographie optique : La lithographie optique consiste à insoler localement une photo-résine par une lampe UV. Cette résine est un polymère, dont les molécules sont fragmentées là où elles ont été exposées à la lumière. Un développeur permet alors de dissoudre la partie de la résine fragilisée à la lumière UV, la partie non exposée à lumière restant quant à elle intacte. La réussite de cette manipulation dépend bien sûr de nombreux paramètres, tels que le temps d’exposition à la lumière UV, la puissance de la lampe, le choix du développeur ainsi que de la résine, et le temps de développement. Un des facteurs déterminants est la longueur d’onde de la lampe qui va déterminer la limite la plus basse de précision du procédé. Pour insoler certaines zones de l’échantillon sans modifier les autres, on utilise un masque en général réalisé en lithographie électronique avec des zones transparentes (verre) et des zones sombres (recouvertes de Cr).
Pour réaliser un processus lithographique donné, plusieurs méthodes sont en général possibles, mais il faut choisir celle qui présente le moins de contraintes. Si l’on souhaite par exemple réaliser un plot métallique (qu’il s’agissent d’un simple plot de Ti/Au, ou d’une multicouche métallique déposée par pulvérisation cathodique), plusieurs méthodes sont possibles.
Cette liste non exhaustive d’utilisation de la lithographie optique constitue en quelque sorte les briques élémentaires que j’ai choisis pour expliquer la fabrication de notre capteur magnétique.
Les différentes étapes de la fabrication :
Réalisation du premier niveau du capteur :
- Première étape de litho :
définition du capteur
- Deuxième étape :
définition du piler magnétique (réalisation des électrodes magnétique sup et inf du capteur)
Réalisation du second niveau du capteur :
- Définition des pistes (de contact)
- Etape de métallisation
A l’issu de ces étapes, nous obtenons notre capteur. Afin de pouvoir le visualiser correctement, un bref passage en M.E.B (microscope à balayage électronique), nous obtenons l’image suivante (cette image est obtenus après certaines considération mettant en jeux certains phénomène physique).
On distingue les quatre électrodes de contact et le capteur GMR au centre.
Nota :
Ceci n'est qu'un bref descriptif, j'ai volontairement évité de rentrer dans les détails. Cela dit, si vous êtez intéressé, je pourrez vous en parler plus longuement.
Inscription à :
Articles (Atom)