Avec l'intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d'outils de caractérisation adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point d'instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second temps à analyser les résultats expérimentaux en s'appuyant sur des approches analytiques et/ou numériques. Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de cartographier la rigidité mécanique de films minces. Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d'obtenir des résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative. Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures damascènes d'interconnexion cuivre,... Des images traduisant les variations d'élasticité de surface ont ainsi pu être construites. Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l'aide de différents modèles (approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour étayer ces résultats.

Cette étude vise à établir des corrélations entre les propriétés structurales et les propriétés magnétiques des revêtements Fe-Si élaborés par pulvérisation cathodique magnétron. L'alliage Fe-Si (coté riche en Fe) a été choisi en raison de son caractère ferromagnétique doux et de son fort potentiel applicatif dans différents systèmes magnétiques. Dans cet esprit, nous avons réalisé une série d'alliages avec différentes teneurs en Si. Les résultats obtenus nous ont permis de mettre en évidence les propriétés magnétiques extrêmement douces de l'alliage Fe-Si à 25 at.% de Si. L'étude des domaines magnétiques de cet alliage par effet Kerr a révélé une configuration en domaines parfaitement parallèle sur une surface importante de l'échantillon. Ce type de configuration est particulièrement recherché dans les couches minces magnétiques utilisées dans les capteurs à magnéto-impédance géante. C'est pourquoi nous avons étendu notre étude des propriétés de cet alliage par la réalisation de capteurs à magnéto-impédance en structure sandwich. La caractérisation de ces capteurs a clairement montré l'influence de l'orientation des domaines magnétiques ainsi que l'épaisseur totale des capteurs sur la variation d'impédance de ces derniers.

La recherche scientifique contemporaine en matière de matériaux est largement orientée autour de l'optimisation et l'élaboration de nouveaux matériaux poly-fontionnels, multi-structurés et aux dimensions réduites. De tels matériaux conduisent à s'intéresser à la problématique des comportements spécifiques résultant des différentes interfaces mises en jeu ; il peut s'agir d'interfaces physiques entre différents milieux (états différents, compositions chimiques différentes ...) ou des interfaces entre différentes propriétés. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux corrélations pouvant exister entre les propriétés de luminescence et la réactivité de surface de films mésoporeux d'oxyde métalliques dopés avec des ions EuIII. Ces deux propriétés étant fortement dépendantes de la structure des matériaux, une grande partie de notre travail a été dédiée à la caractérisation de cette dernière. Un intérêt particulier a été porté à l'étude des conséquences de la présence des ions EuIII et à la localisation de ces derniers au sein des matrices étudiées. Finalement, il est apparu que la luminescence des ions EuIII au sein des films mésoporeux à base de TiO2 peut permettre de suivre les réactions redox se produisant au sein des pores, comme par exemple la photo-dégradation de composés organiques ou la photo-réduction de sels métalliques. La photo-réduction in situ permet la formation de réseaux périodiques de nanoparticules métalliques. Ces matériaux offrent donc de nombreuses perspectives d'applications dans des domaines aussi variés que les télécommunications optiques, la photonique, la photocatalyse...

Cette thèse traite de l'étude de microstructures (microsystèmes) pour la réalisation de microrelais électromagnétiques et magnétostrictifs. Ce travail se divise en trois parties. Dans un premier temps, une analyse bibliographique nous permettra d'introduire les microtechnologies et les microsystèmes. Ensuite, cette analyse se focalisera plus spécifiquement sur la problématique du microrelais. Dans une deuxième partie, nous aborderons la première solution étudiée : le microrelais magnétostrictif. Nous montrerons ici le fort potentiel des applications couches minces dans ce domaine, avec le dimensionnement d'un premier prototype. Cette étape passe par le développement d'un premier modèle analytique qui y est présenté. Enfin dans une troisième partie, nous traiterons de l'élaboration de microrelais électromagnétiques à application RF (fonction émission/réception des commutateurs de téléphones cellulaires). Ce travail se décompose en trois parties. Nous traiterons d'abord le dimensionnement mécanique des structures retenues, puis le dimensionnement magnétique (commande, circuit magnétique, etc.). Enfin nous présenterons les réalisations technologiques ainsi que la caractérisation mécanique des structures.

Voir dernière page du pdf joint

La demande en termes de miniaturisation des objets manufacturés est sans cesse croissante. La fabrication en grande série des pièces submillimétriques est rendue difficile par un certain nombre de phénomènes liés à l'échelle. L'objectif de cette thèse est de développer une approche complète permettant de prédire la réponse mécanique d'une tôle d'épaisseur submillimétrique lors d'une opération de mise en forme. Dans un premier temps, des essais expérimentaux en traction uniaxiale sur des tôles minces de cuivre, d'aluminium et d'acier inoxydable sont réalisés. Ils permettent, entre autres, de mettre en évidence l'influence de la surface libre et de la distribution de taille de grains sur la réponse mécanique des tôles. Dans un deuxième temps, une loi de comportement élasto-viscoplastique monocristalline, formulée en grandes déformations et prenant en compte les mécanismes physiques de déformation plastique, est développée et implantée dans le code éléments fins ABAQUS®. Cette loi de comportement utilise les densités de dislocations comme variables internes. Pour être fonctionnelle, cette approche nécessite la description de la microstructure du matériau simulé. Un traitement statistique de mesures réelles est développé afin de générer un modèle éléments finis représentant de façon précise la morphologie des grains, leurs tailles et leurs orientations cristallographiques. Dans un troisième temps, la mise en oeuvre de l'approche complète développée permet de reproduire les phénomènes que nous observons expérimentalement, à savoir : · un adoucissement du comportement global du matériau, · l'apparition d'un état de surface appelé peau d'orange, · une forte localisation de la déformation dans l'épaisseur de l'éprouvette, orientée perpendiculairement à la direction de traction. De plus, grâce à ce nouvel outil numérique, nous vérifions l'influence de la surface libre et la prédominance des gros grains sur la réponse globale des structures calculées. Finalement, une machine d'essais in situ est conçue et réalisée dans le but de valider l'approche numérique, dans des conditions proches de celles observées en micro-formage.

Ce travail s'articule autour de trois essais mécaniques mis en place sur un appareil de nanoindentation pour caractériser des couches minces de cuivre, de SiN et de SiCN pour des applications microélectroniques (interconnexion), et des couches minces polymères pour des applications biomédicales (revêtement de stent actif). L'essai de nanoindentation normale a été utilisé pour la mesure des propriétés mécaniques des couches de cuivre (500 nm d'épaisseur) déposées sur un substrat Ta/TaN/SiO2/Si. Les résultats expérimentaux, appuyés par une simulation numérique 2D, ont démontré l'inadéquation du modèle d'Oliver et Pharr pour ces couches minces métalliques du fait de la croissance d'un bourrelet autour de la zone de contact. Un effet d'écrouissage des couches de cuivre, augmentant avec leur température de recuit, a également été mis en évidence par une croissance drastique des valeurs de dureté au cours de la pénétration de l'indenteur. L'essai de nanoindentation sur coupe ou « Cross Sectional Nanoindentation » a été employé pour mesurer l'adhérence de ces mêmes couches de cuivre. Les travaux expérimentaux ont permis d'améliorer le protocole expérimental et l'interprétation mécanique de cet essai récent. Les résultats ont mis en évidence la forte influence de la température de recuit et de la présence, ou non, de gravures sur l'adhérence des couches. Une approche numérique 3D a été développée pour la quantification énergétique de l'essai.L'essai de micro-rayure a permis, dans un premier temps, d'évaluer l'adhérence des couches dures SiN et SiCN (40 à 120 nm) déposées sur un substrat Cu/Ta/TaN/SiO2/Si. L'accent a été mis sur l'influence de l'épaisseur de la couche et de l'usure de la pointe sur la force critique d'endommagement. Une modélisation par éléments finis a montré que le délaminage de la couche mince est provoqué par d'importantes contraintes à l'interface SiCN/Cu et dans le revêtement. L'essai de micro-rayure a ensuite été appliqué à des couches polymères (500 à 1000 nm) déposées sur acier inoxydable. Ces échantillons présentent un comportement radicalement différent de celui des couches SiN ou SiCN. Les résultats montrent l'avantage procuré par une couche électro-greffée utilisée en tant que primaire d'adhésion.

Les travaux précédemment réalises au sein du LPICM ont mis en évidence que le silicium microcristallin est un semi-conducteur a faible cout, possédant une mobilité importante avec malgré tout une très bonne stabilité. Ce qui en fait un matériau particulièrement intéressant pour les transistors TFTs des écrans plats OLED 2. Il nous a donc paru logique de nous intéresser, dans le cadre de cette thèse, a la conception et a la réalisation expérimentalement des structures de pixel OLED à base de transistors TFTs en silicium microcristallin. Pour ce faire, il est indispensable de posséder des modèles comportementaux performants des composants. Ainsi, notre objectif primordial a été de concevoir des modèles Spice de transistors c-Si TFT mais aussi d'OLED. D'un point de vue technologique, nous nous sommes attaches à maitriser l'ensemble de la chaine de fabrication (conception de masques et lithographie en salle blanche). La caractérisation de nos transistors a révèle des mobilités de l'ordre de 1 cm2V−1s−1, des tensions de seuil de 4 V et a montre une bonne stabilité, sous stress, de la tension de seuil et de la mobilité. La faisabilité de ces transistors sur substrats flexibles comme le polyimide a aussi été démontre dans le cadre du Projet Intégré FlexiDis. Du point de vue de la modélisation, un modèle statique et dynamique Spice de transistor en silicium microcristallin est propose. L'écriture de ce modèle dans le langage Verilog-A nous permet de garantir une bonne portabilité et de pouvoir ainsi utiliser facilement des simulateurs professionnels comme Spectre de chez Cadence. De manière complémentaire, un modèle Spice efficient de diode OLED est également propose. Grace à ces outils, nous avons pu simuler des circuits utilisant les TFTs en silicium microcristallin. Ces simulations nous permettent de prédire que ces composants sont pertinents pour la conception de pixel OLED, de drivers de lignes, mais aussi de portes logiques NMOS simples comme l'inverseur et l'oscillateur en anneau.

Ce travail est consacré à l'étude de la déposition de couches minces optiques et au contrôle de ce processus. Initialement, la tâche était de développer une technique de commande robuste pour ellipsométriques gradient d'indice de réfraction des couches. Au cours des travaux, il a évolué vers le domaine plus vaste de l'ECR PECVD de recherche et de contrôle optique multicouche ellipsométrie filtre. Malgré le fait que HDP-PECVD est utilisé couramment dans la fabrication microélectronique, de nombreuses questions sur cette technique sont encore sans réponse. Nous avons étudié les aspects de cette technique dans le but d'acquérir de nouvelles connaissances sur les processus physiques impliqués. Dans cette thèse, les parties suivantes de l'œuvre seront discutées, en vue de présenter une vision cohérente de l'objet: 1. Couches minces optiques, les plasmas et de la technologie de dépôt plasma. 2. ECR-PECVD caractéristiques et le développement. 3. Le système de dépôt MDECR Vénus et la caractérisation des plasmas de dépôt. 4. Déposition de filtres optiques à base de silicium oxynitrure alliages, et plusieurs techniques de caractérisation comme ellipsométrie spectroscopique. 5. ellipsométrie cinétique et le contrôle ellipsométrique de couches minces optiques. 6. Conclusion et recommandations pour les travaux futurs. Ces points représentent la structure de ce document. Ils seront détaillés dans les sections suivantes et développé dans les chapitres suivants.

Nous avons développé un montage magnéto optique capable de mesurer in situ l'évolution de l'aimantation de nanostructures de cobalt sur de l'or (111) déposées par électrochimie. Le montage dispose d'une cellule électrochimique avec système de circulation permettant de modifier la nature des solutions et d'effectuer des dépôts multicouches. La cadence d'acquisition de cycles M-H est de 2 par seconde. Nous avons utilisé et analysé les résultats de travaux d'observation STM in situ de la morphologie de cobalt en fonction du potentiel de dépôt dans l'intervalle [-1.6 V/MSE ; -1.26 V/MSE]. Le cobalt se dépose en bicouche quelque soit le potentiel de dépôt puis après formation complète de la bicouche, la croissance s'effectue couche par couche. Lors de la formation de la bicouche, ! la densité d'îlots augmente d'autant plus que le potentiel de dépôt est négatif. La mesure de la composante perpendiculaire de l'aimantation indique un basculement hors plan/dans le plan de l'aimantation pour une épaisseur de 1.6 monocouches de Co soit lors de la coalescence de la bicouche. Lorsque la troisième couche de Co se forme, on mesure un maximum de susceptibilité magnétique à 2.8 monocouches. Nous avons déposé du Cu sur du Co afin de saturer l'aimantation du Co. Ainsi, nous avons déterminé les constantes d'anisotropie pour des dépôts de Co supérieurs à 2 monocouches. Pour expliquer le comportement de l'aimantation entre 0 et 2 monocouches nous avons discuté deux hypothèses. La première est que les atomes de bords d'îlots possèdent une énergie d'anisotropie bien supérieure aux atomes de centre. La s! econde est qu'il existe des tailles d'îlots pou! r lesque lles l'aimantation n'est pas hors plan.