Simulation, design and realisation of on-chip microheaters for artificial spin ice systems
Abstract
Kunstig spinn-is systemer er nye og spennende materialer innen ukonvensjonelldataprossesering. Det er av den grunn nødvendig å ha lette og praktiske metoderfor å undersøke strukturene i forskjellige system, slik som ved termisk aktivering.Denne avhandlingen tar sikte på å designe, simulere og fysisk realisere mikroskalavarmeelementer som er i stand til å termisk aktivere spin-is systemene. En modellbestående av fire separate varmeelementer, laget av 150nm tykt kobber, som alle kanlevere varme til systemet individuelt eller sammen, ble utviklet og deretter simulertved hjelp av COMSOL Multiphysics. Simuleringer viste muligheten for relativt rasktog nøyaktig heve temperaturen til omtrent 100 °C, en temperatur høy nok for denneavhandlingen.
Videre ble en fabrikasjonsprosess med optisk fotolitografi etterfulgt av metalliseringog avløftning utviklet og optimalisert. I den endelige prosessen ble SPR700-1.0 valgtsom fotoresist, eksponert med en fotodose på 110mJ/cm2 og utviklet i 40 s ved hjelpav ma-D 332.
For å evaluere de termiske egenskapene til varmeelementene ble det utført motstandsmålinger. De viser at en spenning på 13V, påført på et enkelt varmeelement, kan øketemperaturen i systemet fra romtemperatur til omtrent 100 °C. I tillegg, for å utforskesystemet i et miljø nær det tiltenkte formålet, ble nanomagneter produsert sammenmed varmeelementene. Systemtemperaturen ble senket til 4K, og de magnetiskeegenskapene til magnetene ble evaluert gjennom magnetisk kraftmikroskopi (MFM)både før og etter varme og magnetfelt hadde blitt påført systemet. Målingeneviste at varmeelementene var i stand til å aktivere magnetene termisk og indikertesamtidig at det var mulig å øke temperaturen fra et lavtemperatursystem til godtover romtemperatur. Totalt sett ble eksperimentet ansett som vellykket, og prosessenbør brukes til videre undersøkelser av ASI-systemer. Artificial spin ice (ASI) systems are new and exciting materials in the field ofunconventional computing. However, it is necessary to have convenient methodsof investigating the structures in different setups, such as thermal activation. Thisthesis aimed to design, simulate and physically realise on-site micro heaters capableof thermally activate spin ice systems. A design consisting of four separate heaters,made up of 150nm thick copper, each capable of delivering heat individually tothe system, was devised, then simulated using COMSOL Multiphysics. Simulationsshowed the possibility to relatively fast and accurately raise the temperature toabout 100 °C, a temperature high enough for this thesis.
Furthermore, a fabrication process using optical photolithography followed by metallisationand lift-off was designed and optimised. In the final process, SPR700-1.0was chosen as the resist, exposed with a photo dose of 110mJ/cm2 and developedfor 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 thetemperature of the system from room temperature to roughly 100 °C. Furthermore, toexplore the system in an environment close to its intended purpose, nanomagnets werefabricated with the heaters. The systems temperature was lowered to 4K, and themagnetic properties of the magnets were tested after both heat and magnetic field hadbeen applied to the system. The fabricated heaters were capable of thermally activatethe magnets and indicated that it was possible to increase the temperature from alow-temperature system to well above room temperature. Overall the experimentwas deemed successful, and the process should be used for further investigations ofASI systems.