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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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Brice ARRAZAT : Docteur en microélectronique - École nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne
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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
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4. Modélisation mécanique du contact rugueux
Lors de l'analyse discrète précédente, l'hétérogénéité de la déformation des aspérités est mise en évidence. De plus, le nombre d'aspérités en contact varie de 60 à 195 (tableau 3), ce qui rend l'utilisation d'un modèle discret du contact rugueux nécessaire.
Alors que la modélisation du contact rugueux est généralement effectuée sur une surface équivalente, dans notre cas, la surface avant et après indentation est connue et finement caractérisée. Ainsi des comparaisons directes entre modèles et expérience peuvent être effectuées. Tout d'abord, la modélisation est présentée.
4.1 Déformation discrète d'une aspérité
Avant toute chose, il faut noter que le rayon de courbure de la pointe d'indentation est de 50 µm et que le rayon de courbure moyen des aspérités de la surface du film mince d'or est de 350 nm (figure 18). Ainsi, la déformation d'une aspérité par la pointe sphérique peut être représentée localement par un contact sphère/plan et non sphère/sphère. De plus, la pointe d'indentation peut être assimilée à un matériau rigide devant les aspérités en or considérées comme ductiles.
Il existe plusieurs modèles analytiques permettant de déterminer l'aire de contact d'une aspérité (A i ) en fonction de son enfoncement (w i ) et de son rayon de courbure (r i ). Ces modèles sont des approximations basées sur les hypothèses suivantes : l'aspérité est assimilée à une sphère lisse et son enfoncement (w i ) est très inférieur à son rayon de courbure (r i ). De plus, par rapport à notre problème du contact rugueux, aucune interaction entre aspérités n'est ici prise en compte. Les modèles analytiques présentés sont singuliers, c'est-à-dire qu'ils représentent la déformation d'une seule aspérité par un plan rigide.
Pour de très faibles enfoncements, inférieurs à l'enfoncement...
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Modélisation mécanique du contact rugueux
BIBLIOGRAPHIE
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