Lettre du LAAS

Publication trimestrielle du Laboratoire
d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS

L'objectif de la thèse est de développer et optimiser un banc de test pour la caractérisationmécanique des matériaux déposés en film minces.Les MEMS qui comportent des parties mécaniques mobiles doivent atteindre desperformances maîtrisées. Ces parties mobiles sont soumises à des forces, à des différences detempératures, à des contraintes, des déformations... les caractéristiques des matériaux qui lescomposent doivent être bien connues comme dans tout système mécanique.Ces principales caractéristiques sont : le module d'Young, les contraintes résiduelles defabrication, la limite élastique et bien d'autres liées à la fiabilité. A l'échelle desmicrosystèmes elles dépendent étroitement du processus de fabrication et n'ont souvent rien àvoir avec celles du même matériau pris à l'échelle macroscopique, de telle sorte qu'il estquasiment obligatoire d'effectuer des mesures à chaque nouvelle fabrication.Parmi les tests possibles, le gonflement de membrane présente des avantages décisifs : ildonne des résultats suffisamment précis pour la conception des MEMS, il est non destructif, ildonne en même temps le module d'Young et les contraintes résiduelles. Lié à un modèle decomportement aux éléments finis il permet d'atteindre quasiment toutes les caractéristiquesd'élasticité, de plasticité et de rupture.Le test de gonflement consiste à appliquer une pression hydrostatique sur une face de lamembrane dans le but de la faire fléchir. Les relevés de mesure de la pression en fonction dela déflexion sont utilisés pour extraire les propriétés mécaniques du matériau moyennant unmodèle mathématique ou numérique approprié qui traduit le comportement de la membrane.Si le principe de cette technique est relativement simple, la mise en oeuvre, quant à elle, estsource de beaucoup de difficultés. Celles-ci concernent aussi bien la mise en place d'unappareillage performant capable de mesurer avec précision la pression et la déflexion àl'échelle des microstructures, que l'interprétation de la théorie elle-même décrivantl'évolution de la pression en fonction de la déflexion au centre de la membrane.Nous avons mis en place un protocole d'essai fiable qui permet de tirer le maximum deprécision de la mesure tout en ayant un processus largement automatisé de sorte que ce bancest désormais utilisable par un industriel pour un coût de main d'oeuvre raisonnable.Nos travaux de recherches s'articulent autour de trois thématiques :La première est consacrée à la mise en place d'un mode opératoire optimisé quipermet de caractériser mécaniquement des matériaux déposés en couches minces.Dans la deuxième nous avons développé des techniques basées sur les calculs paréléments finis pour caractériser des membranes rectangulaires avec un rapport géométriquequelconque et qui manquaient jusque-là.La troisième est une application de la technique de gonflement à certains matériauxutilisés dans la fabrication des MEMS.