Le collage par adhésion

Le collage est un défaut spécifique aux technologies de micro usinage en surface. Il intervient lorsque deux surfaces de microstructures en regard entrent en contact et se collent l’une à l’autre. Ce défaut a été observé à de nombreuses reprises sur des microsystèmes obtenus par micro-usinage de surface. La Figure 50 montre des défauts de collage survenus sur des micro-résonateurs électrostatiques en peignes fabriqués en technologie MUMPS, on remarque sur les photos MEB (a,b,c) que les microstructures suspendues sont collées au niveau de poly 0 (par référence au peigne fixe). La photo (d), représente un actionneur thermique à bilame, on remarque que le coté fin du bilame est collé au coté épais.

(c) (d)

Figure 50 : Photos MEB de microstructures collées, (a), (b) et (c) micro-résonateurs en peigne et (d) actuateur thermique à bilame.

Le collage par adhésion [20][21] est un défaut typique des microsystèmes, il est induit par les dimensions de l’ordre du micron entre les structures suspendues qui ont pour effet la prépondérance des forces de capillarité, des forces Van der Vaals et des forces électrostatiques. De plus les états de surface et les faibles rugosités des couches minces déposées favorisent les forces de surface en augmentant les surfaces de contact. Les mécanismes de défaillance induisant les défauts de collages sont :

™ Le séchage

Les technologies de micro-usinage en surface sont souvent basées sur la gravure humide d’oxydes sacrificiels avec des solutions d’acide fluorhydrique. Lorsque les microstructures sont séchées, il se forme un ménisque (interface liquide gaz) entre les différents niveaux des microstructures, du fait des petites dimensions et par capillarité [22], les tensions de surface du liquide vont attirer les structures entre elles. La Figure 51 montre la progression du ménisque lors du séchage et la force résultante des forces de capillarité qui agit sur les microstructures. Il existe cependant de nombreuses parades à ce problème. Une des solutions est l’application d’un agent hydrophobe sur les microstructures comme les alkysilanes pour diminuer les effets de capillarité aux procédés de séchage évitant l’apparition d’un ménisque [2]. Une autre solution est d’agir sur les transitions de phase pour éviter de passer de l’état liquide à l’état gazeux avec une interface soit par sublimation de la phase solide soit en utilisant le CO2 super critique [30]. Une étude comparative des différentes techniques de séchage a été publiée [23].

Micro-structure suspendue

Substrat ou niveau inférieur

liquide Forces d’attraction

ménisque

Figure 51 : Effet d’attraction entre microstructures dus aux tensions de surface de l’interface liquide gaz lors du séchage après gravure humide.

™ La mise en contact par déformation mécanique

La mise en contact par déformation mécanique peut arriver lors d’un choc violent ou après un contact avec un élément extérieur, en cas de surcharge électrique de signaux de commande ou lors d’instabilité mécanique à la résonance.

3.2.3.3 La friction

La friction est le phénomène physique issu du frottement solide crée par le mouvement entre deux matériaux en contact. Contrairement au frottement fluide qui peut se modéliser en première approximation par une composante linéaire, le frottement solide est beaucoup plus complexe à modéliser car faisant intervenir de nombreux paramètres comme la rugosité, les forces de surfaces et la présence d'éléments lubrifiants. De plus en raison de l'échelle des microsystèmes les modèles applicables aux systèmes macroscopiques ne sont pas forcément réutilisables. En ce qui concerne les microsystèmes, ce phénomène s'applique surtout aux applications comportant des liaisons pivot comme les micro-moteurs électrostatiques ou les micro-miroirs sur pivot. La friction est un mécanisme de défaillance qui peut entraîner des problèmes d'usure mécanique, de génération de débris qui peuvent à leur tour être assimiler à des particules contaminantes. Une étude a été faite dans [6] sur la dégradation des liaisons pivot par les phénomènes de friction.

3.2.3.4 La fracture

Les microstructures suspendues sont des systèmes mécaniques ayant des degrés de liberté et susceptibles de se briser sous l’effet de propagation de fissures lors d’un dépassement des contraintes maximales de rupture. En raison de leur poids très faible, et des très grandes rigidités des microstructures, les fréquences de résonance mécanique fondamentales sont très élevées par rapport aux systèmes mécaniques macroscopiques. De ce fait, les microstructures parviennent à obtenir de bonnes résistances aux vibrations. Dans les technologies de micro-usinage en surface visées par cette étude, les microstructures sont fabriquées en silicium polycristallin. Comme les métaux, ce matériau est constitué d'un agglomérat de grains monocristallins connectés entre eux par des joints de grains. La taille de ces grains intervient beaucoup dans les caractéristiques électriques et mécaniques de ce matériau au même titre que les conditions de dépôt, de recuit et de dopage. Tout ceci fait que les propriétés du polysilicium varient beaucoup d'une technologie à une autre et peuvent présenter de grandes dispersions. Nous avons fréquemment rencontré des cas de fracture de microstructures. La Figure 52 montre des photos MEB de fractures affectant diverses zones d'un micro-résonateur en peigne. Les photos (a) et (b) montrent la fracture de doigts. La photo (c) montre une fracture s'étant propagée le long d'une ligne définissant la superposition de plusieurs niveaux de polysilicium. Les photos (d), (e) et (f) montrent la fracture des ressorts de suspension et une vue en gros plan de la zone de la fracture.

(c) (d)

(e) (f)

Figure 52 : Images MEB montrant des fractures dans des microstructures suspendues, (a) et (b) doigts de peignes interdigités, (c) fracture le long d’une structure et (d)(e)(f) fracture des ressorts de

suspension.

Des analyses de la contrainte maximale de rupture et de la propagation des fissures sur des amorces ont étés développés par S. Brown [26][27][28]. Egalement, une analyse mathématique de la fracture des structures microsystèmes est faite dans [18][19].

3.2.3.5 La fatigue

La fatigue d'un matériau est un phénomène lié aux efforts mécaniques subis par ce matériau et qui tend à diminuer sa résistance à la rupture en fonction du temps. Lorsqu'un matériau travaille en déformation, comme c'est le cas d'un ressort en flexion, il reste dans le domaine élastique mais le matériau subit à la longue des transformations internes et permanentes qui peuvent à termes induire des propagations de fissures. La nature du silicium polycristallin et la présence des joints de grains sont à la base des phénomènes de fatigue dans ce matériau. De nombreux travaux ont porté sur la fatigue du polysilicium [2][24][25][26][27][28] et notamment sur la propagation de fissures à partir d'un amorçage de fissures lorsque le matériau est soumis à un effort. Douglass et al [29] de Texas Instrument ont montré que les phénomènes de fatigue de la barre de torsion d'un micro-miroir étaient les seuls mécanismes de défaillance important de leurs composants.