Brevet FR2845512A1 — publié le 20040409

Dispositif d'enregistrement de données comportant un support de mémoire en forme de membrane Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif d'enregistrement de données comportant un réseau bidimensionnel de micro-pointes, de dimensions nanométriques, disposé dans un plan face à un support de mémoire, et des moyens électroniques 10 d'adressage et de contrôle des micro-pointes de manière à permettre l'enregistrement de données sur le support de mémoire. tat 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 au DVD utilisant l'optique et des matériaux à changement de phase. 20 Quelle que soit la technique d'enregistrement utilisée, on cherche toujours à réduire la taille des points mémoires (bits) et l'accroissement de la capacité d'enregistrement passe par une augmentation de la densité de stockage. Récemment, de très grandes capacités de stockage, de l'ordre du Térabit/cm2, 25 ont été obtenues en mettant en oeuvre des micro-pointes du type utilisées dans le domaine de la microscopie à effet de pointe (" The Millipede - More than one thousands tips for future AFM data storage ", P. Vettiger et al., IBM J. RES. Develop., vol.44, no 3, mai 2000, p.323-340 et " Fabrication of microprobe array with sub-100nm nano-heater for nanometric thermal imaging and data storage ", Dong-Weon Lee et ai., Technical Digest, MEMS 2001, 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. N001CH37090), IEEE, Piscataway, NJ, USA, 2001, p.204-207). La haute 5 densité est obtenue par localisation des bits au moyen de micro-pointes dont l'apex est de dimension nanométrique. Les micro-pointes sont, de préférence, disposées en réseau, avec un accès parallèle aux données, ce qui permet d'atteindre d'excellentes performances en ce qui concerne le débit. Un actionneur unique, qui peut être électromécanique, permet un déplacement 10 relatif monolithique de l'ensemble du réseau de micropointes par rapport à la surface du média constituant le support de mémoire. Dans un tel dispositif d'enregistrement de données, avec effet de pointes, il est nécessaire de garantir un parfait contact de toutes les pointes avec le support de mémoire. Pour des raisons de complexité du système, il n'est pas envisageable de contrôler la position de chaque micro-pointe individuellement. Or, les micro-pointes sont fabriquées de manière collective, par des techniques dérivées de celles de la microélectronique, et il reste toujours une dispersion, due à la fabrication, de la hauteur des micropointes. Bien que cette dispersion 20 soit minime, typiquement de l'ordre de 1 00nm, la plus longue des micro-pointes d'un réseau appuie plus que les autres sur le support de mémoire. Pour surmonter cette difficulté, chaque micro-pointe est portée en porteà-faux par une extrémité d'un cantilever, de manière analogue aux réseaux de micro25 pointes utilisés en microscopie à sonde locale. La souplesse du cantilever permet alors d'absorber la contrainte d'un appui. Cependant, les forces d'appui des micro-pointes sur le support de mémoire ne doivent pas excéder une valeur de l'ordre de 1OOnN, de manière à ne pas endommager le support de mémoire. En effet, la surface de contact d'une micro-pointe avec le support de mémoire étant minuscule, la pression est 5 importante. Les cantilevers doivent donc être très souples pour absorber la dispersion de hauteur des micro-pointes. titre d'exemple, des cantilevers ayant une raideur de l'ordre de 1 N/m, 1 00jm de longueur, quelques dizaines de lam de largeur et quelques jum d'épaisseur, ont été développés. Il est difficile d'envisager des cantilevers plus souples. En effet, leurs dimensions sont 10 difficiles à maîtriser en raison de leur grande longueur vis-à-vis de leur faible largeur et/ou épaisseur. De plus, la précision de positionnement des pointes en regard de la surface du support de mémoire s'en ressentirait, limitant ainsi la densité de la mémoire. Objet de l'invention L'invention a pour but un dispositif d'enregistrement de données ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et permettant plus particulièrement d'ignorer la 20 dispersion dans la hauteur des micropointes.. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le support de mémoire est constitué par une membrane souple portée par un cadre formant une pluralité d'alvéoles, au moins une micro-pointe étant associée à chaque alvéole. Selon un développement de l'invention, deux réseaux de micro-pointes sont disposés de part et d'autre du support de mémoire. Les deux réseaux de micro-pointes sont, de préférence, décalés latéralement, de manière à ce que les micro-pointes associées à une même alvéole du cadre ne soient pas disposées exactement en vis-à-vis. Selon un mode de réalisation préférentiel, la membrane souple comporte au moins une première couche, faisant fonction de mémoire, et une seconde couche, destinée à assurer une certaine rigidité. Selon un autre développement de l'invention, le dispositif comporte des moyens 10 de déplacement relatif du support de mémoire et du réseau de micro-pointes, parallèlement et/ou perpendiculairement audit plan. 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: La figure 1 illustre, en coupe, un élément de base d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente, en perspective, un mode particulier de réalisation d'un cadre de support d'une membrane d'un élément de base selon la figure 1. La figure 3 représente, en coupe, deux alvéoles adjacentes d'un dispositif selon l'invention Les figures 4 et 5 représentent, en vue de face, deux variantes de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 6 représente, en coupe, un dispositif à double réseau de micropointes. Les figures 7 et 8 représentent, en coupe, deux étapes successives de fabrication du cadre et d'une partie de la membrane d'un dispositif selon l'invention. La figure 9 illustre, en coupe, une variante de la figure 1. Description de modes particuliers de réalisation. Comme représenté à la figure 1, un élément de base du dispositif d'enregistrement de données comporte un cadre 1 portant, sur une de ses faces, une membrane souple 2 constituant le support de mémoire. Chaque élément de base constitue une alvéole, associée à une micro-pointe 3 formée 15 sur une base 4 disposée face au support de mémoire, parallèlement à celui-ci. Un dispositif d'enregistrement de données comporte une pluralité d'alvéoles adjacentes, associées à un réseau bidimensionnel de micropointes 3 (figures 3 à 5). Les figures 4 et 5 illustrent deux configurations particulières pouvant être 20 utilisées, avec des alvéoles respectivement de forme rectangulaire (figures 2 et 4) et de forme hexagonale (figure 5). En position de repos, les micro-pointes 3 peuvent soit être en contact avec la membrane souple 2, soit être écartées de celle-ci. Dans ce dernier cas, en 25 position de lecture ou d'écriture, le support de mémoire est déplacé perpendiculairement à la base 4 de manière à amener les micro-pointes 3 en contact avec le support de mémoire constitué par la membrane souple 2. Le déplacement relatif du support de mémoire et des micro-pointes perpendiculairement à leur plan est de préférence réalisé par déplacement du cadre 1 de support de la membrane, la base 4 sur laquelle sont formées les micro-pointes 3 restant fixe. Un déplacement relatif des micro-pointes 3 et du support de mémoire, 5 parallèlement au plan de la membrane souple, avec ou sans contact avec celleci, peut également être imprimé à la membrane et/ou aux micropointes par des actuateurs (non représentés), eux-mêmes commandés par micro-ordinateur. Le contrôle et l'adressage ou multiplexage des micro-pointes 3 en position de 10 lecture ou d'écriture est réalisé par tout moyen approprié, de préférence par un circuit électronique réalisé en technologie intégrée dans la base 4. Les micropointes 3, fixes, peuvent alors être réalisées par des techniques de microélectronique sur silicium (technologie dite " above IC "). Toute la surface de la base 4, située vis-à-vis du support de mémoire, est en effet disponible 15 pour le circuit électronique d'adressage et de contrôle des micro-pointes, qui n'a pas à être déporté à l'extrémité de la mémoire comme dans nombre de dispositifs antérieurs. Ceci permet d'optimiser la surface de silicium utilisée. Dans le cas d'une mémoire électrique, un courant doit passer des micropointes vers la membrane électriquement conductrice, celle-ci étant alors reliée par une 20 liaison électrique (non représentée) au circuit électronique disposé dans la base 4. La membrane souple 2 est constituée par une couche d'extrêmement faible épaisseur, de l'ordre de quelques nanomètres à quelques micromètres, qui peut 25 être conductrice. Elle se déforme donc sous l'action d'une force locale perpendiculaire à sa surface. titre d'exemple, on peut montrer que, sous l'action d'une force centrée de 1 OOnN, une couche de carbone quasi-diamant de lOnm d'épaisseur, tendue sur un cadre de 100im d'épaisseur se déforme avec une flèche de l'ordre de 121tm, ce qui correspond à une raideur équivalente de seulement 8,3nN/gm, soit plus de deux ordres de grandeur inférieure à celle de cantilevers classiques. Il est facile d'ajuster cette constante de raideur en choisissant une couche d'épaisseur plus ou moins importante, la raideur étant proportionnelle au cube de I 'épaisseur de la membrane. Cette faible valeur de la constante de raideur permet une dispersion importante de hauteur des micro-pointes 3, sans aboutir à des forces d'appui importantes. Dans l'exemple ci-dessus, une variation de hauteur de la micro-pointe de 1 OOnm ne représente qu'une variation de la force d'appui de 0,83nN, soit moins d'1% 10 d'un appui nominal de 1OOnN. Toutes les dispersions de la hauteur des micropointes dues aux technologies de fabrication sont alors sans influence en regard de l'amplitude d'une déformation moyenne imposée de la membrane, soit 12ptm dans l'exemple ci-dessus. Sur les figures 4 et 5, les points d'appui sur la membrane souple 2 des micropointes 3 associées à chaque alvéole du cadre 1 sont représentés en 5. Ces points d'impact ne sont pas disposés au centre de chacune des alvéoles mais décentrés, le cadre et la membrane se déplaçant par rapport au réseau de micro-pointes, parallèlement au plan de la membrane, au cours de la lecture 20 et/ou de l'écriture. La planéité du cadre 1 doit être compatible avec la tolérance sur la force d'appui des micro-pointes 3, c'est-à-dire analogue à la tolérance sur la dispersion de hauteur des micro-pointes, qui peut être relativement importante, comme 25 indiqué ci-dessus. Pour les mêmes raisons, il n'est pas nécessaire d'avoir une planéité exceptionnelle du support de mémoire. La membrane 2 a une faible raideur dans la dimension normale à son plan, mais elle présente une forte raideur pour des déformations tangentielles ou latérales, contrairement aux structures à cantilevers qui souffrent d'une flexibilité latérale importante, pouvant limiter la densité de la mémoire, même si elles sont optimisées avec des formes triangulaires. Cette bonne rigidité géométrique permet un positionnement précis de l'extrémité des micro-pointes vis-à-vis de la surface de la membrane. Contrairement aux mémoires utilisant un réseau de cantilevers, la taille de la mémoire peut éventuellement être importante, c'est-à-dire supérieure à 1cm2, pour offrir une plus grande capacité d'enregistrement de données. 10 Grâce à la souplesse de la membrane 2, un actionneur (non représenté), qui déplace le cadre 1 portant la membrane 2 constituant le support de mémoire, n'a pas à garantir, dans la dimension perpendiculaire au plan de la membrane, une précision aussi exigeante que dans les dispositifs utilisant un réseau de 15 cantilevers. Une précision de l'ordre de quelques micromètres est suffisante, tandis qu'une précision de l'ordre du nanomètre est nécessaire dans l'art antérieur. Cette tolérance simplifie énormément la conception de l'actionneur. Le dispositif présente également une bonne tolérance en ce qui concerne la 20 rugosité de la membrane 2, la souplesse inhérente de celle-ci permettant d'absorber les rugosités, volontaires ou non, de la membrane, par exemple constituées par des pistes ou des plots (" patterning ") de celle-ci. Le dispositif selon l'invention peut avoir une densité élevée de micropointes 3. 25 Ainsi, dans l'art antérieur, les réseaux de pointes envisagés comportent 1 OOxl 00 éléments, au pas de 1 OOm, la taille des cantilevers et la présence des pistes d'adressage des pointes fixant le pas minimum. Dans le dispositif selon l'invention, les alvéoles peuvent être beaucoup plus petites en raison de l'absence de cantilever et de la disposition du circuit d'adressage vis-à-vis du support de mémoire. Il est ainsi possible d'obtenir des mémoires à fort parallélisme pour en réduire le temps d'accès. Dans le mode particulier de réalisation représenté à la figure 6, la capacité de la mémoire est doublée grâce à l'utilisation du support de mémoire en double face. Le dispositif comporte alors deux réseaux de micro-pointes (3a, 3b), disposés de part et d'autre du support de mémoire 2. Les deux réseaux de micro-pointes 3a et 3b sont, de préférence, décalés latéralement, de manière à ce que les 10 micro-pointes 3a et 3b associées à une même alvéole du cadre ne soient pas disposées exactement en vis-à-vis. Sur la figure 6, les micro-pointes 3a d'un premier réseau de micropointes sont en contact avec une face de la membrane 2, permettant la lecture ou l'écriture, 15 sous le contrôle du circuit électronique correspondant intégré dans la base 4a, tandis que les micro-pointes 3b du second réseau de micro-pointes, en contact avec la face opposée de la membrane 2, permettent la lecture ou l'écriture sous le contrôle du circuit électronique correspondant intégré dans la base 4b. Le cadre 1 ou les deux réseaux de micro-pointes, de préférence rendus solidaires 20 par une liaison 11 reliant les bases 4a et 4b, peuvent être déplacés dans des plans parallèles au plan de la membrane pendant les opérations d'écriture ou de lecture, sous le contrôle des circuits électroniques correspondant intégrés dans les bases 4a et 4b. Dans une variante de réalisation, les micro-pointes 3a du premier réseau de micro-pointes sont en contact avec la membrane 2, permettant la lecture ou l'écriture, sous le contrôle du circuit électronique correspondant intégré dans la base 4a, tandis que les micro-pointes 3b du second réseau de micro-pointes sont légèrement écartées de la membrane. Un déplacement du cadre 1 de support de la membrane, perpendiculairement au plan de celle-ci, en direction du second réseau de micro-pointes 3b, provoque l'écartement des micro-pointes 3a du premier réseau, tandis que les micro-pointes 3b du second réseau viennent en contact avec la membrane, permettant l'écriture ou la lecture, sous 5 le contrôle du circuit électronique correspondant intégré dans la base 4b. L'écartement entre les bases 4a et 4b peut être choisi de manière à ce qu'aucune micro-pointe ne vienne en contact avec la membrane dans une position centrale, de repos. Le déplacement du cadre peut être remplacé par un déplacement simultané des deux réseaux de micro-pointes, de préférence 10 solidarisées par leurs bases 4a et 4b (liaison 11). Dans une autre variante de réalisation, les bases 4a et 4b des deux réseaux de micro-pointes ne sont pas solidaires. Elles peuvent être déplacées simultanément et en sens opposé vis-à-vis du support de mémoire. Dans une 15 première position, de repos, les deux bases 4a et 4b sont écartées du plan du cadre 1, et aucune micro-pointe n'est en contact avec la membrane 2. Dans une seconde position, de lecture ou d'écriture, les deux bases 4a et 4b sont déplacées en direction du support de mémoire et toutes les micro-pointes 3a et 3b viennent en contact avec la membrane, de part et d'autre de celle-ci. La 20 lecture et l'écriture de chacune des faces du support de mémoire sont alors, comme sur la figure 6, contrôlées par les circuits électroniques respectivement intégrés dans les bases 4a et4b. Le circuit électronique de contrôle et d'adressage situé dans la base 4 peut être 25 réalisé à l'aide de toute technologie sur silicium, les micro-pointes 3 étant ensuite réalisée par une technologie de microélectronique sur silicium (technologie dite " above IC "). Les micropointes peuvent, par exemple, être réalisées à partir de silicium, éventuellement recouvert d'un matériau conducteur et/ou dur, par exemple du nitrure de titane (TiN), du carbure de il tungstène (W2C) ou du carbone-diamant amorphe (quasi-diamant, éventuellement dopé pour être conducteur), comme décrit dans l'article " Procédés de fabrication de micropointes en silicium ", D. Moreau et al., Le Vide, no 282, Oct-dec.96, p.463-477, ISSN 1266-0167 ou dans l'article " Novel 5 probes for scanning probe microscopy ", E. Oesterschulze, Applied Physics A 66, 1998, S3-S9. Pour garantir l'absence d'usure des micro-pointes, il est également envisageable de les réaliser en diamant massif suivant le procédé décrit dans 10 I 'article " Fabrication of monolithic probes for scanning probe microscopy aplications ", C. Mihalcea et aI., Applied Physics A 66,1998, S87-S90. Le support de mémoire est constitué par un empilement de couches constituant la membrane souple 2. L'empilement de couches comporte principalement deux 15 couches, une première couche faisant fonction de mémoire et une seconde couche, dite couche mécanique, destinée à assurer une certaine rigidité à la membrane souple. La première couche, faisant fonction de mémoire, est dans un matériau dépendant des techniques d'enregistrement envisagées, par exemple en matériau thermoplastique, en matériau à changement de phase, en 20 matériau magnétique, etc... D'autres couches peuvent éventuellement assurer des fonctions thermiques ou électriques, certaines couches pouvant contribuer simultanément à plusieurs fonctions. Les figures 7 et 8 illustrent deux étapes successives de fabrication d'un cadre 25 en silicium 1 et de la couche mécanique de la membrane portée par le cadre 1. Dans une première étape (figure 7), la couche mécanique 6, dure, est déposée sur une couche 7 de silicium d'une épaisseur de 100 à 500,tm, orientée (1, 0, 0). La couche mécanique 6 est, par exemple, constituée par un revêtement de carbone-diamant amorphe ou quasi-diamant (" DLC: diamond-like carbon "), déposé sur la couche de silicium 7 par tout procédé connu, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Les motifs des alvéoles sont ensuite réalisés par photo-insolation de 5 résine sur la face de la couche de silicium 7 opposée à la couche mécanique 6, de manière à former un masque 8 de résine. La couche 7 de silicium est ensuite gravée chimiquement, par exemple par attaque d'hydroxyde de potassium (KOH) au travers du masque de résine 8. La 10 gravure, réalisée suivant des plans cristallins préférentiels (1, 1, 1), est sélective et s'arrête sur la couche mécanique 6 de la membrane. La partie restante de la couche de silicium constitue ainsi le cadre 1 dans lequel sont formées les alvéoles, dont le fond est constitué par la couche mécanique 6 de la membrane, ainsi portée par le cadre. Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 8, une couche résiduelle de silicium est conservée, en contact avec la couche mécanique 6 de la membrane. Cette couche résiduelle de silicium 9 permet d'augmenter la rigidité de la membrane ou d'assurer un contact mécanique spécifique. Les autres couches de la membrane, couche faisant fonction de mémoire et couches d'encapsulation complémentaires peuvent ensuite être réalisées sur la couche mécanique 6. Ces couches pourraient éventuellement être réalisées avant la gravure de la couche de silicium 7. Dans ce cas, il est néanmoins 25 nécessaire de les protéger de l'attaque chimique, par exemple au moyen d'une enceinte fixée de manière étanche sur la couche de silicium 7. Dans la variante représentée à la figure 9, les première et secondes couches de la membrane (couche 10 faisant fonction de mémoire et couche mécanique 6) sont représentées, la micro-pointe 3 venant en contact avec la couche mécanique 6. Ceci peut permettre, dans certains cas, de disposer d'une force d'appui significative entre la micro-pointe et le support de mémoire, sans toutefois exercer de contrainte sur la couche 10 faisant fonction de mémoire. 5 Une telle force d'appui peut, notamment, s'avérer intéressante dans le cas d'un enregistrement électrique sur un matériau à changement de phase. L'épaisseur de la couche mécanique 6 permet de déterminer la force applicable sans solliciter la couche 10 faisant fonction de mémoire, déposée sur la face de la couche mécanique opposée à la face de la membrane en contact avec les 10 micro-pointes 3. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de choisir entre une force d'appui faible et une force d'appui plus élevée, en fonction des techniques d'enregistrement utilisées, ce qui n'est pas possible avec un dispositif utilisant 15 des cantilevers. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits cidessus. En particulier la membrane souple 2 peut comporter une couche en carbone-diamant, en silicium, en oxyde de silicium (SiO2) ou même en métal. Revendications 1. Dispositif d'enregistrement de données comportant un réseau 5 bidimensionnel de micro-pointes (3), de dimensions nanométriques, disposé dans un plan face à un support de mémoire, et des moyens électroniques d'adressage et de contrôle des micro-pointes de manière à permettre l'enregistrement de données sur le support de mémoire dispositif caractérisé en ce que le support de mémoire est constitué par une membrane souple (2) 10 portée par un cadre (1) formant une pluralité d'alvéoles, au moins une micropointe (3) étant associée à chaque alvéole. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alvéoles sont rectangulaires. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alvéoles sont hexagonales. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 20 qu'il comporte deux réseaux de micro-pointes (3a, 3b) , disposés de part et d'autre du support de mémoire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux réseaux de micro-pointes sont décalés latéralement, de manière à ce que les micro25 pointes (3a, 3b) associées à une même alvéole du cadre (1) ne soient pas disposées exactement en vis-à-vis. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cadre (1) est constitué par une couche de silicium dans laquelle sont formées les alvéoles. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la membrane souple (2) comporte au moins une première couche (10), faisant fonction de mémoire, et une seconde couche (6), destinée à assurer une certaine rigidité. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde couche (6) est une couche en carbone-diamant déposée sur une couche (7) de silicium avant formation des alvéoles sur la face opposée de la couche de silicium. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 15 qu'il comporte des moyens de déplacement relatif du support de mémoire et du réseau de micro-pointes, parallèlement et/ou perpendiculairement audit plan.