Mechanical and microstructural properties of thin metal films on compliant substrates

par Wei He

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Philippe Goudeau et de Eric Le Bourhis.

Le président du jury était Vincent Ning Ji.

Le jury était composé de Philippe Goudeau, Eric Le Bourhis, Pierre-Olivier Renault.

Les rapporteurs étaient Lin-An Li, Damien Faurie.

  • Titre traduit

    Propriétés mécaniques et microstructurales de films minces métalliques sur substrats étirables


  • Résumé

    Le comportement mécanique de films minces métalliques déposés sur des substrats souples joue un rôle déterminant dans les performances de l'électronique flexible et des micro- systèmes électromécaniques (MEMS).Dans un premier temps, une nouvelle méthode est présentée pour caractériser le module d'élasticité de films minces submicroniques. Avec deux couches déposées de chaque côté et sur la moitié du substrat polymère, la corrélation d'image numérique (CIN) a été utilisée pour mesurer simultanément la déformation du film et du substrat in situ au cours d'un essai de traction. La différence entre les déformations mesurées sur la partie vierge et le composite permet d'extraire les propriétés élastiques de films minces de manière simple et avec grande précision. Comme attendu, la distribution des déformations est uniforme au travers de l'épaisseur du film ce qui indique une adhésion parfaite entre le film et le substrat. Dans le cas de films minces de tungstène, de chrome, de nickel et de cuivre, les valeurs de module obtenues sont proches de celles des mêmes matériaux à l'état massif.Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode expérimentale utilisant une machine de déformation uniaxiale est présentée pour étudier l'effet Bauschinger dans des films minces métalliques déposés sur des substrats étirables. Grâce à un dispositif original, les films minces sont déposés sur des substrats prétendus et peuvent donc être déformés alternativement en tension et en compression dans un large domaine de déformations. La déformation élastique intra granulaire des films minces polycristallins et la déformation macroscopique du substrat sont mesurées in situ par diffraction des rayons X et CIN respectivement. A partir des courbes « déformation élastique – déformation macroscopique », la réponse mécanique de l'ensemble film / substrat est analysée au vu de l'histoire complète du chargement et de la microstructure (contraintes résiduelles, texture) des films minces.


  • Résumé

    The mechanical behavior of metallic thin films deposited on soft substrates plays a crucial role in the performance of flexible electronics and MicroElectroMechanical Systems (MEMS).At first, a novel method is presented to characterize the in-plane elastic modulus of sub micrometer thin films. With two coating layers bonded symmetrically to half polyimide substrates, Digital Image Correlation (DIC) has been employed to measure time-resolved full-field strain maps of film and substrate during in situ tensile testing. The strain differences between virgin and composite parts allowed to extract the elastic properties of the thin films in a simple way with high precision. As expected, the strain distribution is uniform through the film thickness which indicates a perfect adhesion between the film and the substrate. In the case of tungsten, chromium, nickel and copper films, the values obtained are close to the bulk one.In a second step, a new experimental method using uniaxial tensile testing is presented to study Bauschinger effect in thin metallic films deposited on stretchable substrates. Thanks to our new pre-tensile setup (specific grips), the thin films were deposited on pre-stretched substrates and thus could be deformed alternately in tension and compression within a large strain domain. The elastic intra-granular strain of polycrystalline thin films and true strain of substrates are measured in situ by X-Ray Diffraction (XRD) and DIC. From lattice strain-true strain curves, the mechanical response of copper and nickel /substrate sets is analyzed in view of the complete loading history and the presence of residual stresses and crystallographic texture in thin films.


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