Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Afin d'étudier la tribologie des couches minces d'or, des expériences de nano-indentation sphérique aux faibles forces sont couplées à des traitements d'images réalisées au microscope à force atomique. Ainsi, l'évolution des forces d'adhésion, et donc le risque de striction du contact, est interprétée en fonction de la rugosité RMS, du rayon de courbure moyen et de la répartition en hauteur du sommet des aspérités de la surface. Une approche discrète est proposée et confrontée à une modélisation étendue du contact rugueux. Cette modélisaton prend en compte la déformation de chaque aspérité (de quelques nanomètres), et met en évidence le faible nombre d'aspérités finalement en contact (< 50 %) et une aire réelle de contact associé de l'ordre de 25 % de l'aire apparente de contact.
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Spherical nano-indentation experiments at low loads (< 2 mN) combined with atomic force microscope image analysis of residual imprints are achieved in order to study the tribology of thin gold film. Thus, adhesion forces and related possible striction are interpreted as a function of mechanical load, average curvature radius and the distribution of summit height of the rough surface asperities. A discrete mechanical rough contact model using asperity interaction is introduced, compared and validated by the surface deformation analysis obtained by topography comparison before and after spherical nano-indentation. It is observed that less than 50% of asperities are in contact during indentation and the real contact area represents only 25% of the apparent contact area.
Auteur(s)
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Brice ARRAZAT : Docteur en microélectronique - École nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne
-
Karim INAL : Professeur en mécanique et sciences des matériaux - École nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne
INTRODUCTION
Depuis les années 1980, l'utilisation des microsystèmes électromécaniques ou « MicroElectroMechanical Systems (MEMS) » est de plus en plus répandue : les micro-miroirs pour les vidéoprojecteurs, les accéléromètres pour les airbags et les gyroscopes pour les consoles de jeux. De par leur performance et compatibilité de réalisation en microtechnologie silicium, de nouvelles fonctions sont visées telles que le relais ou commutateur.
Le microrelais MEMS ohmique n'est autre qu'un interrupteur d'une taille de l'ordre de la centaine de microns constitué de contacts métalliques. Une structure mobile permet de fermer ou d'ouvrir ce contact. Ainsi, le signal électrique peut transiter ou être interrompu. La réalisation d'un premier démonstrateur a mis en évidence leurs performances en termes de fréquences passantes et de miniaturisation devant les variantes conventionnelles en microtechnologies silicium (diodes ou transistors).
Cependant, après de très nombreux cycles d'ouverture-fermeture du contact électrique, les performances se dégradent. Les caractéristiques du contact électrique à une échelle submicrométrique sont complexes du fait des nombreux phénomènes interdépendants. En effet, lors de la fermeture du microrelais MEMS ohmique, les surfaces rugueuses entrent en contact, se déforment et un courant électrique les parcourt. Ainsi, la topographie, en lien avec les propriétés mécaniques locales et la composition chimique des surfaces de contact, module la résistance électrique du contact (RC). La surface de contact peut également être affectée thermiquement par le passage du courant et/ou la formation d'un arc électrique. De plus, ces propriétés évoluent au cours du fonctionnement du microrelais MEMS ohmique (plusieurs millions de cycles).
Dans ce contexte, la maîtrise de la tribologie des couches minces constituant les surfaces de contact des microrelais MEMS ohmiques sera source de progrès. C'est dans ce cadre que s'inscrit cet article dans lequel l'accent est mis sur l'aspect mécanique du contact, et ceci en lien fort avec l'évolution de la topographie. Après une présentation générale sur les microrelais MEMS ohmiques, les différents modes de dégradation de ces derniers sont présentés. Une approche multi-échelles est alors mise en œuvre pour rendre compte des évolutions topographiques à travers une description statistique puis discrète des nanorugosités ou aspérités constituant la surface de ces couches minces. L'aspect mécanique du contact est traité en particulier aux faibles forces, cas du fonctionnement et de l'actionnement des microrelais MEMS ohmiques. Cette approche s'appuiera sur des méthodes expérimentales utilisant le nano-indenteur et le microscope à force atomique (AFM) ainsi que sur une modélisation discrète du contact rugueux.
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MOTS-CLÉS
film mince nano-indentation nanorugosités adhésion Microélectronique microrelais MEMS ohmique
KEYWORDS
thin film | nano-indentation | nanoroughness | stiction | microelectronic | Ohmic MEMS switch
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Modélisation mécanique du contact rugueux
En anglais
3. Étude discrète de la déformation des aspérités des surfaces nanorugueuses
Après avoir montré la corrélation entre les forces d'adhésion et la topographie des surfaces de contact avec une approche statistique, il apparaît judicieux de s'intéresser à la déformation locale de chaque aspérité. Ainsi, l'aspect discret de la tribologie du contact rugueux est analysé par une nouvelle expérience de nano-indentation sphérique du film mince d'or . Par rapport aux essais effectués précédemment (section 2), une analyse de la surface rugueuse est réalisée en traitant les images AFM de la surface avant et après indentation. Ainsi, les informations sur la hauteur des sommets de chaque aspérité et leur rayon de courbure, avant et après l'essai, sont obtenues et analysées. Ces données ont un double intérêt. D'une part, elles servent de référence à la modélisation discrète mécanique. D'autre part, elles permettent de déterminer l'enfoncement de chaque aspérité et d'en extraire l'aire de contact réelle.
3.1 Relevé topographique avant et après nano-indentation sphérique
La pointe en diamant de 50 µm de rayon de courbure est utilisée pour appliquer des forces de contact comprises entre 250 µN et 2 mN (300 à 600 MPa) afin de se rapprocher des microrelais MEMS.
À la surface du film mince d'or, un quadrillage d'indentations Berkovich qui servira de repère pour la suite est créé (figure 13, étape 1). La profondeur de ces indentations est de 100 nm et l'espacement est de 20 µm. Le diamètre des empreintes résiduelles des indentations Berkovich est inférieur à 1 µm. Une fois ce quadrillage réalisé, une image AFM dite « initiale » de la surface au centre de chaque zone est réalisée (9 x 9 µm², 1 024 pixels par ligne) en étant alignée aux indentations Berkovich...
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Étude discrète de la déformation des aspérités des surfaces nanorugueuses
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PETERSEN (K. E.) - Micromechanical membrane switches on silicon,IBM J. Res. Dev. - vol. 23, pp. 376-385, July 1979.
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