Etude du comportement micro-nanotribologique de matériaux fonctionnalisés pour les MEMS

par Anne Domatti

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Jamal Takadoum.

Soutenue le 28-05-2014

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

Le président du jury était Hassan Zahouani.

Le jury était composé de Jamal Takadoum, Philippe Stempfle, Patrice Bercot, Paul Carriere.

Les rapporteurs étaient Hassan Zahouani, José-Marie Lopez-Cuesta.


  • Résumé

    A l’échelle micro-nanométrique, la fiabilité et la durée de vie des microsystèmes (MEMS),généralement réalisés en silicium, sont fortement affectées par les effets de frottement, d’adhesion,d’usure... L’objectif de ce travail est d’étudier les mécanismes de frottement et d’usure sur deswafers de silicium. Le comportement micro-nanotribologique de monocouches auto-assemblées(SAMs) d’alkyltrichlorosilane, déposées sur des wafers de silicium de différentes orientationscristallographiques – i.e, Si(100), Si(111) et Si(110), a été étudié à l’aide d’un nanotribomètre. Lesparamètres modifiés au cours de l’étude sont les suivants : la longueur de la chaîne, les paramètrestribologiques (charge normale, vitesse de glissement, distance de glissement, taux d’humidité relativeet température du substrat) et les propriétés de surface du silicium (orientation cristallographique,topographie). Les résultats expérimentaux montrent que le comportement nanotribologique desmonocouches greffées sur des substrat polis est influencé par l’homogénéité du film et la fractiond’aire qu’il couvre. Ces deux paramètres étant contrôlés par le temps d’immersion et l’orientationcristallographique du substrat. La topographie du silicium a également été modifiée de manièreà créer des motifs périodiques (microstructure par DRIE). Le comportement tribologique de cessurfaces revêtues d’OTS est contrôlé par les variations des propriétés physico-chimiques dessurfaces et la fragilité de la microstructure. Pour s’affranchir des problèmes de fragilité, des motifsstructurés à l’échelle nanométrique sont réalisés par nano-impression.

  • Titre traduit

    Micro-nanotribological behaviours of functionnalized materials for MEMS


  • Résumé

    At micro and nanoscale, fiability and durability of micromechanical devices (MEMS), usuallymanufactured of silicon, are strongly affected by the friction effects, adhesion, wear... The aim ofthis work is to study the mechanisms of friction and wear of silicon wafers. Micro/nanotribologicalstudy of self-assembled monolayers (SAMs) derived from n-alkyltrichlorosilanes deposited on siliconwafers displaying various crystallographic orientations – i.e, Si (100), Si (111) and Si (110) – hasbeen conducted using a nanotribometer (ball-on-disc). The parameters that have been varied are: the alkyl chain length, the tribological parameters (normal load, sliding velocity, sliding distance,relative humidity level and substrat’s temperature) and surface characteristics of the silicon substrates(crystallographic orientation, roughness). On smooth silicon substrats, experimental results show thatthe tribological behaviour of SAMs is control by the film’s homogeneity and the surface coverageof the monolayer in connection with the time immersion and the crystallographic orientation of thesubstrate. The topography of silicon was also modified by changing the microstructure by DRIE inorder to create periodic patterns. The tribological behavior of OTS SAM grafted on microstructuredsurfaces was controlled by the changes in physico-chemical properties and the fragility of thepatterns. To overcome the problems of fragility of these surfaces, patterns at the nanoscale areachieved by nanoimprint.


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  • Détails : 1 Vol.( 153p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.141-153

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCI.BESA.2014.13
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