Simulation, design and realisation of on-chip microheaters for artificial spin ice systems

Abstract

Kunstig spinn-is systemer er nye og spennende materialer innen ukonvensjonell dataprossesering. Det er av den grunn nødvendig å ha lette og praktiske metoder for å undersøke strukturene i forskjellige system, slik som ved termisk aktivering. Denne avhandlingen tar sikte på å designe, simulere og fysisk realisere mikroskala varmeelementer som er i stand til å termisk aktivere spin-is systemene. En modell bestående av fire separate varmeelementer, laget av 150nm tykt kobber, som alle kan levere varme til systemet individuelt eller sammen, ble utviklet og deretter simulert ved hjelp av COMSOL Multiphysics. Simuleringer viste muligheten for relativt raskt og nøyaktig heve temperaturen til omtrent 100 °C, en temperatur høy nok for denne avhandlingen.

Videre ble en fabrikasjonsprosess med optisk fotolitografi etterfulgt av metallisering og avløftning utviklet og optimalisert. I den endelige prosessen ble SPR700-1.0 valgt som fotoresist, eksponert med en fotodose på 110mJ/cm2 og utviklet i 40 s ved hjelp av ma-D 332.

For å evaluere de termiske egenskapene til varmeelementene ble det utført motstands målinger. De viser at en spenning på 13V, påført på et enkelt varmeelement, kan øke temperaturen i systemet fra romtemperatur til omtrent 100 °C. I tillegg, for å utforske systemet i et miljø nær det tiltenkte formålet, ble nanomagneter produsert sammen med varmeelementene. Systemtemperaturen ble senket til 4K, og de magnetiske egenskapene til magnetene ble evaluert gjennom magnetisk kraftmikroskopi (MFM) både før og etter varme og magnetfelt hadde blitt påført systemet. Målingene viste at varmeelementene var i stand til å aktivere magnetene termisk og indikerte samtidig at det var mulig å øke temperaturen fra et lavtemperatursystem til godt over romtemperatur. Totalt sett ble eksperimentet ansett som vellykket, og prosessen bør brukes til videre undersøkelser av ASI-systemer.

Artificial spin ice (ASI) systems are new and exciting materials in the field of unconventional computing. However, it is necessary to have convenient methods of investigating the structures in different setups, such as thermal activation. This thesis aimed to design, simulate and physically realise on-site micro heaters capable of thermally activate spin ice systems. A design consisting of four separate heaters, made up of 150nm thick copper, each capable of delivering heat individually to the system, was devised, then simulated using COMSOL Multiphysics. Simulations showed the possibility to relatively fast and accurately raise the temperature to about 100 °C, a temperature high enough for this thesis.

Furthermore, a fabrication process using optical photolithography followed by metallisation and lift-off was designed and optimised. In the final process, SPR700-1.0 was chosen as the resist, exposed with a photo dose of 110mJ/cm2 and developed for 40 s using ma-D 332.

To evaluate the capabilities of the heaters, resistive measurements were performed, showing a voltage of 13V applied to a single heating element could increase the temperature of the system from room temperature to roughly 100 °C. Furthermore, to explore the system in an environment close to its intended purpose, nanomagnets were fabricated with the heaters. The systems temperature was lowered to 4K, and the magnetic properties of the magnets were tested after both heat and magnetic field had been applied to the system. The fabricated heaters were capable of thermally activate the magnets and indicated that it was possible to increase the temperature from a low-temperature system to well above room temperature. Overall the experiment was deemed successful, and the process should be used for further investigations of ASI systems.