Soutenance mémoire
Depuis l’invention du premier micro-relais MEMS (Micro Electro-Mechanical System) [Petersen (1979)], ces dispositifs ont démontré des performances très attractives par rapport à la concurrence (partie 1 de ce chapitre). Leur atout principal étant la large gamme de fréquence que ces dispositifs peuvent propager ou couper. Cependant, leur industrialisation à grande échelle doit faire face à un problème majeur concernant leur robustesse dans le temps. Les principales défaillances des micro relais MEMS se produisent au niveau des surfaces de contact à une échelle microscopique, voir nanoscopique . Les phénomènes physiques entrainant ces défaillances sont identifiés et font l’objet de nombreuses études . En parallèle de ces études fondamentales, des solutions efficaces sont mises en place de façon plus ou moins empirique en utilisant de nouveaux matériaux de contact (partie 3). Une revue sur le durcissement de l’or est ensuite effectuée .
Les micro-relais MEMS
Le MEMS (Micro Electro-Mechanical System) est un système de taille micrométrique, composé d’un ou plusieurs éléments mécaniques déformables, qui est alimenté électriquement afin de réaliser une fonction. Les MEMS sont présents dans des domaines aussi variés que l’automobile, l’aéronautique, la médecine, la biologie, les télécommunications, ainsi que dans des applications quotidiennes telles que certains vidéoprojecteurs, manettes de jeux vidéo ou airbags.
Du premier MEMS au premier micro-relais MEMS
Ces systèmes sont produits à partir de procédés de l’industrie des semi-conducteurs tels que la lithographie, le micro-usinage et le dépôt de films minces. Ainsi, un des premiers MEMS (Figure 1), créé en 1967, est présenté comme un transistor à grille résonnante [Nathanson et al. (1967)].
Un micro-relais MEMS a l’avantage de couvrir une large bande spectrale, de part sa fréquence de coupure élevée, avec d’excellentes performances en termes d’isolation, de perte par insertion et de consommation. Ces hautes performances le rendent attractif par rapport aux micro-relais à base de diodes p-i-n (dopage p – isolant – dopage n) et de transistors GaAs FET (Field Emission Transistor). Elles sont en partie dues à sa faible résistance électrique de contact.
Cependant, l’utilisation de forte tension pour l’actionnement du micro-relais MEMS dans un circuit électronique pose problème et implique l’utilisation d’un convertisseur, à l’instar des autres systèmes. De plus, le temps de commutation des micro-relais MEMS (quelques microsecondes) est mille fois plus long que les autres dispositifs, ce qui restreint leur utilisation (partie 1.2). Le prix à l’unité d’un tel système est pour le moment trop onéreux. Cela est lié en partie à la production qui se fait pour le moment en trop faible série. L’autre point bloquant sur le prix est la nécessité d’un fonctionnement sous atmosphère inerte afin d’augmenter leur durée de vie ce qui implique des étapes supplémentaires de réalisation. Par ailleurs, l’utilisation des micro-relais MEMS est limitée en puissance de transmission. De trop forte puissance transmise (au-delà de 1 mW Figure 5 et Figure 7) réduit grandement la durée de vie du système. Il en résulte que la durée de vie est le point fable le plus bloquant pour la commercialisation de ces systèmes (partie 1.4).
Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du micro-relais MEMS est ici présenté au travers de celui développé au CEA-LETI-MINATEC. Les avantages et inconvénients des micro-relais MEMS sont directement liés à leur mode de fonctionnement. Deux parties du micro-relais MEMS se distinguent (Figure 4) :
♦ une partie mobile composée d’un pont (une centaine de µm de long et une dizaine de µm de large), et d’une zone de contact mobile (une dizaine de µm²),
♦ une partie fixe composée de la ligne RF, d’électrodes d’actionnements et d’une zone de contact fixe (une dizaine de µm²).
Les micro-relais MEMS sont des interrupteurs qui possèdent deux états. Tout d’abord, en état haut (ouvert ou éteint), le système est en sa position initiale (de repos). Aucun courant ni tension ne sont appliqués au système. Les zones de contact sont alors distantes de quelques centaines de nm à 2 µm, ce qui implique une faible capacité en état haut.
En position fermée (bas), la partie mobile fléchit et les zones de contacts se touchent. La transition entre l’état ouvert et fermé se fait par un mouvement mécanique (centaine de µs) qui est toujours plus long qu’une commutation électrique (centaine de ns). Il s’agit d’un actionnement électrostatique. Il suffit alors d’appliquer une différence de potentiel entre la partie mobile et les électrodes. La force de contact est de l’ordre de la centaine de µN. Lorsque le système est fermé, la résistance électrique de contact doit être la plus petite possible afin que le micro relais MEMS se rapproche d’une ligne métallique et donc que les fréquences de coupures soient très élevées.
Les faibles valeurs de résistance électrique de contact et de capacité expliquent les performances en termes d’isolation et de perte par insertion. De plus, le courant transmis ne peut pas être influencé par les courants et tensions utilisés pour piloter le système (isolation galvanique). Pour basculer d’une position fermée à une position ouverte, il suffit d’annuler la différence de potentiel entre les électrodes et la partie mobile. La partie mobile, qui était fléchie, retrouve sa position initiale.
Durée de vie et dégradation
La durée de vie des micro-relais MEMS est la faiblesse principale retardant une commercialisation à grande échelle. Différentes défaillances ont été observées dans les microrelais MEMS. Toutes mettent en exergue la surface de contact. Cependant, les études sur ce sujet portent sur des micro-relais MEMS ayant des architectures différentes et des modes d’utilisation différents. La puissance du signal à transmettre peut varier de 10 µW à 20 W. De plus, deux modes d’utilisation du micro-relais MEMS sont possibles :
♦ « cold switching » : il faut que le micro-relais MEMS soit fermé pour que le signal à transmettre soit émis. Le courant est injecté dans la ligne RF seulement si la membrane est en contact avec la partie fixe.
♦ « hot switching » : une différence de potentiel est toujours appliquée au niveau du contact électrique.
Dysfonctionnements constatés
Le critère qui permet de déterminer le bon fonctionnement à long terme du micro-relais MEMS est sa Résistance électrique de Contact (RC). Lors des premiers cycles, la RC a tendance à diminuer (usure initiale du contact) [Broué et al. (2009)]. Puis la RC est stable. Enfin, les mécanismes de défaillance s’activent et aboutissent au dysfonctionnement du système. Le suivi de la RC a permis de mettre en avant deux dysfonctionnement majeurs [Fung (2005), Hiltmann et al. (2002)] :
♦ L’augmentation de la RC : la transmission du signal est parasitée, voir coupée. Le système peut continuer à commuter et les RC en état ouvert et fermé sont différentes. Cependant, la valeur de la RC en état fermé est trop importante pour propager des signaux RF.
♦ Le système reste fermé (ou plus rarement ouvert) : les états haut et bas ont la même RC.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Performances des matériaux de contact des micro-relais MEMS
1 Les micro-relais MEMS
1.1 Du premier MEMS au premier micro-relais MEMS
1.2 Les applications visées
1.3 Principe de fonctionnement
1.4 Durée de vie et dégradation
1.4.1 Dysfonctionnements constatés
1.4.2 Analyses post-mortem des surfaces de contact
1.4.2.1 Zones fondues
1.4.2.2 Transferts de matière
1.4.2.3 Croissance d’« hillocks »
1.4.2.4 Impact de la puissance du signal transmis
1.4.2.5 Usure des surfaces de contact
1.4.2.6 Polymère de frottement
2 Physique de la défaillance
2.1 Formation d’arc électrique
2.2 Phénomène d’émission électronique
2.3 Echauffement par la densité de courant
2.4 Contamination de la surface
2.5 Fluage des surfaces de contact
2.6 Forces d’adhésion
2.7 Sollicitations cycliques
3 Les améliorations apportées
3.1 Packaging
3.2 Nouveaux matériaux de contact
3.2.1 Apport de la mesure de la résistance électrique de contact en statique
3.2.2 Suivi de la résistance électrique de contact en dynamique
3.2.3 Tests sur micro-relais MEMS
3.3 Conclusions
4 Le durcissement de l’or
4.1 Alliages riches en or
4.2 Dispersion d’oxyde durcissant
4.3 Systèmes multicouches
4.4 Affinement de la taille de grains
4.5 Incorporation d’impuretés
5 Conclusions
Bibliographie
Chapitre 2 Microstructure et dureté induites par traitements superficiels du film mince d’or
Introduction
1 Traitements superficiels
1.1 Revêtements ultrafins de ruthénium
1.2 Implantation ionique de bore et d’azote
1.2.1 Choix des conditions de traitement
1.2.2 Caractérisation de la microstructure induite
1.2.2.1 Profils de concentration
1.2.2.2 Contrôle de la taille de grains
1.2.2.3 Résistivité électrique
1.2.2.4 Topographie et morphologie
1.2.3 Apport de la diffraction des rayons X
1.2.3.1 Analyse de phases et des largeurs de raies
1.2.3.2 Détermination des contraintes résiduelles
1.3 Conclusions
2 Nano-indentation sur films minces
2.1 Extraction des propriétés mécaniques
2.2 Mesure des duretés apparentes
2.3 Modèles de dureté multicouches
2.3.1 Modèle de Rahmoun et Iost
2.3.2 Modèle à cavité étendue
2.3.2.1 Modèle bi-couches : film mince d’or sur substrat silicium
2.3.2.2 Modèle multicouches : films minces d’or traités en surface
3 Extraction de la dureté intrinsèque
3.1 Film mince d’or sur substrat silicium
3.1.1 Modèle de Rahmoun et Iost
3.1.2 Modèle à cavité étendue
3.1.3 Bilan
3.2 Films ultrafins de ruthénium sur or
3.2.1 Modèle de Rahmoun et Iost
3.2.2 Modèle à cavité étendue
3.2.3 Bilan
3.3 Implantation ionique sur film mince d’or
3.3.1 Données brutes
3.3.2 Extraction de la dureté intrinsèque
3.3.3 Bilan
4 Conclusions
Bibliographie
Chapitre 3 Etude de la déformation des surfaces de contact des films minces d’or traités
Introduction
1 Démarche adoptée
1.1 Forces et pressions de contact dans les micro-relais MEMS
1.2 Apport de la nano-indentation sphérique pour représenter le micro-relais MEMS
1.3 Deux pointes sphériques, deux approches
1.3.1 Protocoles expérimentaux
1.3.2 Banc d’endurance
1.3.3 Caractérisation topographique des surfaces de contact
2 Etude des surfaces de contact après nano-indentation sphérique statique et cyclique
2.1 Chargements localisés avec la pointe de rayon de courbure de 50 µm
2.1.1 Charge/décharge unique
2.1.2 Cyclage
2.1.2.1 Courbes force-déplacement
2.1.2.2 Analyse du cyclage à une force de 1 mN
2.1.2.3 Analyse du cyclage pour des forces de 5 et 10 mN
2.1.3 Bilan intermédiaire
2.1.4 Fluage aux faibles forces
2.2 Analyse statistique de la topographie des empreintes résiduelles d’indentation avec la pointe de 150 µm de rayon de courbure
2.2.1 Répartition des pressions
2.2.2 Protocole expérimental
2.2.3 Evolution dans l’empreinte de la rugosité RMS
2.2.4 Rayon de courbure et répartition en hauteur des aspérités
2.3 Conclusions
3 Essais d’endurance
3.1 Résistance électrique de contact [Vincent (2010)]
3.2 Analyse des surfaces de contact après cyclage
3.2.1 Observations au microscope électronique à balayage [Vincent (2010)]
3.2.2 Cartographies d’orientations cristallines
3.2.2.1 Pointes
3.2.2.2 Films minces
3.2.3 Nano-indentation Berkovich des surfaces de contact
3.2.4 Bilan intermédiaire
3.3 Investigation microstructurale après sollicitations représentatives
3.3.1 Nano-indentation sphérique à fortes forces
3.3.2 Recuit rapide par traitement laser
3.4 Bilan
4 Conclusions
Conclusion générale
Télécharger le rapport complet
