Caractérisation de matériaux fonctionnels par nanoindentation électrique in situ MEB

Characterization of functional materials by in situ SEM electrical nanoindentation

• Auteur / Autrice : Chaymaa Boujrouf
• Direction : Fabien Volpi, Marc Verdier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 10/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roland Fortunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Houzé, Christophe Tromas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instruments de mesure

Mesures électriques

Nanoindentation

Science des matériaux

Mots clés libres

Science des matériaux

Nanoindentation

Caractérisations mécaniques

Mesures électriques

Instrumentation

Material science

Nanoindentation

Mechanical characterisation

Electrical measurement

Instrumentation

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de matériaux innovants pour des applications multifonctionnelles (en micro/nanotechnologies, en métallurgie, …). En effet, les cahiers des charges « Matériaux » de ces développements exigent de plus en plus de combiner diverses propriétés (mécaniques, électriques, diélectriques, …) qui sont parfois antinomiques, le tout à des échelles submicroniques. La caractérisation de ces matériaux nécessite donc des techniques adaptées à ces contraintes. Le travail effectué pendant cette thèse repose sur le développement, l’amélioration et l’application d’une technique de caractérisation multifonctionnelle innovante : la nanoindentation couplée aux mesures électriques et intégrée dans un MEB. Le dispositif utilisé a été développé au laboratoire SIMaP. Cet instrument est un nanoindenteur, initialement dédié à des essais mécaniques, qui a été fonctionnalisé afin de réaliser simultanément des mesures électriques. De plus, le dispositif peut être intégré dans un MEB afin d’assurer le positionnement de l’indenteur avec une résolution de l’ordre de la centaine de nanomètres, ainsi que pour visualiser des événements physiques en temps réel. Le but de ce travail est d’appliquer cette technique novatrice à trois systèmes ayant des intérêts industriels afin d’étudier leurs propriétés électriques et mécaniques locales. Le premier matériau est un alliage métallique multiphasé composé d’argent, de cuivre et de palladium (AgPdCu). Grâce aux mesures électriques associées aux essais de nanoindentation, une méthodologie complète a été développée (en s’appuyant en particulier sur les caractéristiques courant-tension du contact) afin de suivre en continu l’évolution de l’aire de contact au cours de l’enfoncement de la pointe. En outre, la visée au MEB a permis de positionner l’indenteur au centre des phases dont la taille est micrométrique, s’affranchissant ainsi d’essais statistiques chronophages. Ainsi, le module élastique et la dureté des phases individuelles ont été déterminés. Le deuxième système étudié est une structure piézoélectrique constituée d’îlots de nitrure d’aluminium (AlN) sur des piliers de silicium. Le coefficient piézoélectrique efficace a été mesuré avec un poinçon plat induisant une réponse mécanique parfaitement élastique du système. Ce dernier est en accord avec les valeurs retrouvées dans la littérature, ce qui montre l’efficacité de la nanoindentation électrique in situ MEB pour ce type de mesures. Le même matériau a été indenté avec une pointe Berkovich induisant de la plasticité. La réponse piézoélectrique est différente de la précédente certainement à cause des défauts structuraux injectés dans le matériau. Le troisième système est quant à lui un empilement de couches minces incluant un film de nitrure de silicium (Si3N4) déposé sur une couche métallique (AlSiCu). Les courants de fuite à travers le diélectrique ont été mesurés et corrélés à la dégradation mécanique. L’intégration du dispositif dans le MEB a permis de visualiser la fissuration du film en temps réel. L’effet d’une sous-couche fragile ou ductile sur la réponse mécanique du système a également été étudié avec l’appui de simulations numériques menées par la méthode des éléments finis (FEM). Les résultats montrent qu’en présence d’une sous-couche ductile, le mécanisme prédominant est la fissuration du film fragile, alors qu’en son absence, le mécanisme prédominant est la plastification du film fragile. Finalement, la technique de nanoindentation électrique in situ MEB est un outil parfaitement adapté pour réaliser des mesures électriques et mécaniques locales de haute sensibilité à des échelles submicroniques. Grâce au présent travail, cette technique peut être ouverte à la caractérisation de systèmes dont les propriétés électriques dépendent de stimuli mécaniques, et réciproquement.

This PhD thesis belongs to the trend toward the development of innovative materials for multifunctional applications (in micro/nanotechnology, metallurgy, ...). Indeed, the "Materials" specifications of these developments require more and more the combination of various properties (mechanical, electrical, dielectric, ...) sometimes antinomic, all at submicronic scales. The characterization of these complex systems therefore requires techniques adapted to these constraints. The work carried out during this PhD is based on the development, improvement and application of an innovative multifunctional characterization technique: the nanoindentation coupled to electrical measurements and integrated in a SEM. The device used in this study was developed in SIMaP laboratory. This instrument is a nanoindenter, initially dedicated to mechanical tests, which has been functionalized to perform simultaneously electrical and mechanical measurements. Moreover, the present device can be integrated into SEM to ensure the positioning of the indenter with a resolution of the order of a hundred nanometers, as well as to visualize physical events in real time. The aim of this work is to apply this innovative technique to three systems of industrial interest to study their local electrical and mechanical properties. The first studied material is a multiphase metallic alloy composed of silver, copper and palladium (AgPdCu). Thanks to the electrical measurements associated with nanoindentation tests, a complete methodology (partly based on the current-voltage characteristics) has been developed to continuously monitor the evolution of the contact area during penetration of the tip in the material. In addition, SEM allowed to position the indentor at the center of the micrometric phases, thus avoiding time-consuming statistical experiments. Using this methodology, the elastic modulus and hardness of the individual phases were successfully determined. The second investigated system is a piezoelectric structure consisting of aluminum nitride (AlN) islands deposited on silicon pillars. The effective piezoelectric coefficient was measured using a flat punch inducing a perfectly elastic mechanical response of the system. The extracted coefficient is in good agreement with the values reported in literature, which shows the effectiveness of the electrical nanoindentation in situ SEM technique for this type of measurement. The same material was indented using a Berkovich tip inducing plasticity, showing a much different response most likely due to the structural defects injected into the material. The third characterized system is a stack of thin films including a silicon nitride film (Si3N4) deposited on a metallic layer (AlSiCu). Leakage currents through the dielectric material have been measured and correlated to its mechanical degradation. Coupling of the nanoindenter device with SEM allowed to in situ visualize the cracking of the film in real time. The effect of a brittle or ductile underlayer on the mechanical response of the system was also studied with the support of numerical simulations conducted by finite element method (FEM). Results showed that in the presence of a ductile underlayer, the predominant mechanism is the cracking of the brittle film, while in its absence, the predominant mechanism is the plasticity of the brittle film. To conclude, the present study showed that the electrical nanoindentation in situ SEM technique is a perfectly suited tool to perform high sensitivity local electrical and mechanical measurements at submicron scales. This technique can now be transposed to other systems whose electrical properties depend on mechanical stimuli and vice versa.