Caractérisation mécanique des matériaux pour les micro/nanosystèmes : procédés applicables aux épaisseurs submicroniques

par Paolo Martins

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Daniel Barbier.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Matériaux nanostructurés -- Propriétés mécaniques
• Couches minces
• Élasticité
• Vibrations
• Flexion (mécanique)

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le contexte actuel de la réduction des dimensions des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Afin d’optimiser leurs performances, il est nécessaire de caractériser les principales propriétés mécaniques des matériaux en films minces mono et multicouches d’épaisseurs submicroniques les constituant. L’objectif de ce travail est d’évaluer plusieurs méthodes de caractérisation mécanique statiques ou dynamiques adaptées aux épaisseurs submicroniques. La démarche expérimentale consiste à caractériser différentes microstructures déformables qui sont réalisées par les microtechnologies silicium : membranes et micropoutres de différentes géométries. Les expériences sont menées sur des matériaux de référence de la microélectronique en films minces autoportés. Les principales méthodes de caractérisation sont : le gonflement de membrane, l’application d’une force ponctuelle sur membrane, la vibrométrie appliquée à des membranes et la flexion de micropoutres. Des simulations par éléments finis sont effectuées sur ces structures de test afin de valider ou d’optimiser les modèles mécaniques régissant leur comportement. Un comparatif de ces méthodes expérimentales est établi. L’intérêt de l’utilisation de la microscopie en champs proche est démontré pour l’étude de structures submicroniques. Une nouvelle méthode optique, basée sur la microscopie à force atomique, est abordée afin de caractériser des micropoutres par l’étude de leurs fluctuations thermiques.

Titre traduit

= Mechanical characterisation of materials for micro/nanosystems : suitable methods to submicron thicknesses

Résumé

This work is in the context of the size reduction of micro-electromechanical systems (MEMS). In order to optimize their performances, it is necessary to characterise the main mechanical properties of their constituent materials in mono and multilayer thin films with submicron thicknesses. The objective of this work is to evaluate several mechanical characterisation methods, static or dynamic, adapted to the submicron thicknesses. The experimental approach is the study of different deformable microstructures that are carried out by silicon microtechnologies : membranes and microbeams with different geometries. The experiments are conducted on reference materials of the microelectronic in the form of freestanding thin films. The main characterisation methods are : the bulge test, the point deflection method on membranes, the membrane vibrometry and the microbeam bending. Finite element simulations are performed on these test strcutures to validate or to optimize the mechanical models. A comparison of these experimental methods is establised. The advantage of using the near-field microscopy is shown for the study of submicron structures. A new optical method based on atomic force microscopy, is addressed to characterise microbeams through the study of their thermal fluctuations.