Corrélation entre les procédés de fabrication, les propriétés microstructurales et les propriétés mécaniques de couches minces métalliques pour applications microsystèmes

Correlation between manufacturing processes, microstructural properties and mechanical properties of metallic thin films for MEMS applications

• Auteur / Autrice : Julien Martegoutte
• Direction : Christophe Malhaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/04/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Temple-Boyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Malhaire, Pierre Temple-Boyer, Christelle Dublanche-Tixier, Patrick Delobelle, Daniel Nélias, Talal Masri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Dublanche-Tixier, Patrick Delobelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Mots clés libres

Microélectronique

Microsystème

Couche mince

Conception de microsystèmes

Aluminium

Or

Film mince métallique

Microstructure

Nanoindentation

Microelectronics

Micro System Design

Thin Layer

Aluminum

Gold

Résumé

L'agence spatiale européenne et le CNES étudient la possibilité d’envoyer des microsystèmes dans l’espace, en particulier pour le gain de masse qu’ils représentent. Afin d’améliorer la fiabilité des composants en couches minces dans le temps et leurs performances, il est nécessaire de connaitre leurs propriétés mécaniques. Plusieurs techniques de caractérisation existent, en particulier la nanoindentation qui sollicite les couches minces directement sur substrat. Mais les résultats peuvent être largement influencés par le substrat dans le cas des couches microniques. Les méthodes de traction uniaxiale (CNES) et du gonflement de membranes autoportantes (INL) permettent de s’affranchir des effets du substrat, mais la fabrication de telles structures est complexe et nécessite bon nombre d’étapes technologiques pour retirer le substrat en face arrière. L’objectif de cette thèse est de comprendre le lien qui existe entre les paramètres de fabrication de couches minces métalliques d'or et d'aluminium, leur microstructure, et leurs propriétés mécaniques à l’aide des outils présentés précédemment. Une perspective étant de mieux agir sur les procédés de fabrication afin d’améliorer la fiabilité des composants. Le premier chapitre présente les différentes techniques de dépôt, leur thermodynamique et cinétique, les types de microstructures rapportées dans la littérature, ainsi que la réalisation des structures de test. Le deuxième présente les caractérisations microstructurales, et la corrélation entre les paramètres de dépôt et les propriétés microstructurales est discutée. Le chapitre trois présente les caractérisations mécaniques des couches minces, sur substrat ou autoportantes, par les méthodes de nanoindentation en pointe Berkovich et sphérique, de microtraction et du gonflement de membrane. Le dernier chapitre est consacré aux relations entre les propriétés microstructurales et mécaniques des couches minces métalliques et à l'influence des traitements thermiques.

The European Space Agency and CNES are studying the possibility of sending microsystems in space, especially for the mass gain they represent. To improve the reliability of components, it is necessary to know their mechanical properties. Several characterization techniques exist, especially nanoindentation of thin films on substrates. However, results can be largely influenced by the substrate in the case of micron layers. The methods of uniaxial tension (CNES) and bulge-test (INL) on freestanding specimen are used to eliminate the effects of the substrate, but the fabrication of such structures is complex and requires many technological steps to remove the substrate on the backside. The objective of this thesis is to understand the relationship between manufacturing parameters of thin metal films of gold and aluminum thin films, their microstructure and mechanical properties using the tools described above. The first chapter presents different deposition techniques, their thermodynamics and kinetics, types of microstructures reported in the literature, and the fabrication of test structures. The second presents the microstructural characterization, and correlation between deposition parameters and the microstructural properties is discussed. Chapter three presents the mechanical characterization of thin films on substrate or freestanding ones, by the methods of nanoindentation with Berkovich and spherical tips, microtensile test and bulge test. The last chapter is devoted to relations between microstructural and mechanical properties of thin metal films and the influence of heat treatments.