Développement d'un banc de test par gonflement de membranes destiné à la caractérisation mécanique de matériaux déposés en films minces

Bulge test techniques for the mechanical characterization of materials used in MEMS fabrication

• Auteur / Autrice : Hicham Youssef
• Direction : Robert Plana, André Ferrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanosystèmes
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Systèmes microélectromécaniques

Membranes (technologie)

Élasticité

Mots clés libres

Test de gonflement

Module d'Young

Mems

Propriétés mécaniques

Plan d'expérience

Eléments finis

Recalage

Résumé

L'objectif de la thèse est de développer et optimiser un banc de test pour la caractérisation mécanique des matériaux déposés en film minces. Les MEMS qui comportent des parties mécaniques mobiles doivent atteindre des performances maîtrisées. Ces parties mobiles sont soumises à des forces, à des différences de températures, à des contraintes, des déformations. . . Les caractéristiques des matériaux qui les composent doivent être bien connues comme dans tout système mécanique. Ces principales caractéristiques sont : le module d'Young, les contraintes résiduelles de fabrication, la limite élastique et bien d'autres liées à la fiabilité. A l'échelle des microsystèmes elles dépendent étroitement du processus de fabrication et n'ont souvent rien à voir avec celles du même matériau pris à l'échelle macroscopique, de telle sorte qu'il est quasiment obligatoire d'effectuer des mesures à chaque nouvelle fabrication. Parmi les tests possibles, le gonflement de membrane présente des avantages décisifs : il donne des résultats suffisamment précis pour la conception des MEMS, il est non destructif, il donne en même temps le module d'Young et les contraintes résiduelles. Lié à un modèle de comportement aux éléments finis il permet d'atteindre quasiment toutes les caractéristiques d'élasticité, de plasticité et de rupture. Le test de gonflement consiste à appliquer une pression hydrostatique sur une face de la membrane dans le but de la faire fléchir. Les relevés de mesure de la pression en fonction de la déflexion sont utilisés pour extraire les propriétés mécaniques du matériau moyennant un modèle mathématique ou numérique approprié qui traduit le comportement de la membrane. Si le principe de cette technique est relativement simple, la mise en œuvre, quant à elle, est source de beaucoup de difficultés. Celles-ci concernent aussi bien la mise en place d'un appareillage performant capable de mesurer avec précision la pression et la déflexion à l'échelle des microstructures, que l'interprétation de la théorie elle-même décrivant l'évolution de la pression en fonction de la déflexion au centre de la membrane. Nous avons mis en place un protocole d'essai fiable qui permet de tirer le maximum de précision de la mesure tout en ayant un processus largement automatisé de sorte que ce banc est désormais utilisable par un industriel pour un coût de main d'œuvre raisonnable. Nos travaux de recherches s'articulent autour de trois thématiques : La première est consacrée à la mise en place d'un mode opératoire optimisé qui permet de caractériser mécaniquement des matériaux déposés en couches minces. Dans la deuxième nous avons développé des techniques basées sur les calculs par éléments finis pour caractériser des membranes rectangulaires avec un rapport géométrique quelconque et qui manquaient jusque-là. La troisième est une application de la technique de gonflement à certains matériaux utilisés dans la fabrication des MEMS.

The aim of this thesis is to develop and optimize a bench test for mechanical characterization of thin film. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) contain mechanical moving parts that must achieve performance control. These moving parts are subjected to forces, to differences in temperatures, stresses, deformations. . . The properties of their materials must be well known as in any mechanical system. The main properties are: Young's modulus, residual stresses, yield, and many others related to reliability. In the Microsystems scale, properties are different from macroscopic scale and depend greatly on the manufacturing process, so it is almost mandatory to perform measurements at each new manufacture. Among the possible tests, bulge test has decisive advantages: it gives sufficiently accurate results for the design of MEMS, it is nondestructive, it simultaneously gives the Young's modulus and residual stress. Associated to Finite Element Analysis, it can reach almost all the characteristics of elasticity, plasticity and fracture. Bulge test consists to apply a hydrostatic pressure on one side of the membrane and to measure its deflection. The measurements of pressure as a function of the deflection are used to extract the mechanical properties of the material using an appropriate numerical mathematical model. If the principle of this technique is relatively simple, its implementation is a source of great difficulty. These relate both to the establishment of a powerful and accurate apparatus, and also the interpretation of the theory itself describing the evolution of the pressure function of the deflection in the center of the membrane. We have developed a test protocol that allows to give accurate measurement with an automated process. Our research work is organized around three themes: The first is devoted to the establishment of an optimized procedure for characterizing mechanically materials deposited in thin layers. In the second we have developed techniques based on finite element analysis to characterize the membranes with any rectangular aspect ratio. The third is an application of Bulge test in certain materials used in MEMS fabrication.