Chapitre V. Vers la compatibilité pour l’Imagerie par Résonance Magnétique : Etude du
V.3. Propositions de matériaux non ferromagnétiques électrodéposables
Une étude de la littérature nous a permis d’identifier différentes alternatives au nickel comme matériau structurel. Nous présentons ici les principaux matériaux électrodéposables sur plus d’une dizaine de microns d’épaisseur et possédant des propriétés non-ferromagnétiques en intégrant à notre réflexion le choix du matériau sacrificiel à associer.
V.3.1. Le cuivre (Cu)
La recherche d’un matériau non ferromagnétique compatible avec le procédé de fabrication donne une première solution évidente : échanger notre matériau sacrificiel et notre matériau structurel, c’est à dire fabriquer une structure en cuivre. Ce matériau est particulièrement intéressant pour sa faible résistivité (1,7 µΩ.cm). L’utilisation du cuivre pour des microsystèmes est majoritairement concentrée autour de certaines applications comme les interconnexions 3D [Enquist, 2009] ou les micro bobines 3D [Yoon, 1998]. Le micromoulage épais du cuivre est par ailleurs maitrisé au sein du laboratoire : il a récemment été utilisé pour la fabrication de micro-antennes antennes RF pour l’IRM [Couty, 2012] ou de bobines mobiles pour des micro-haut-parleurs [Shahosseini, 2012].
Chapitre V :
Vers la compatibilité pour l’Imagerie par Résonance Magnétique : Etude du nickel phosphore
D’un point de vu mécanique, le cuivre est considéré comme un matériau assez mou [Zangari, 2011]. Le cuivre électrodéposé possède un module d’Young compris entre 99 GPa et 181 GPa et une limite d’élasticité comprise entre 100 MPa et 300 MPa [Xiang, 2006].
Toutefois, nous ne pouvons retenir cette simple solution d’inversion matériaux structurel/sacrificiel : les observations faites lors du procédé nous font penser que l’étalement du cuivre au cours du polissage sera supérieur à celui observé pour le nickel. Un brevet de Microfabrica recommande d’ailleurs l’utilisation d’un matériau structurel plus difficile à polir au diamant que le matériau sacrificiel. Pour un matériau sacrificiel en cuivre il est recommandé d’utiliser de l’étain [Cohen, 2005].
V.3.2. L’or (Au)
L’or possède un certain nombre de propriétés remarquables comme une faible résistivité (2,2 µΩ.cm) et une très forte résistance à la corrosion. Dans les applications MEMS, il est utilisé principalement dans le packaging et les interconnexions. D’autres structures plus originales ont également été relatées dans la littérature, notamment pour des applications RF : capacité accordable [Yoon, 2015] ou interrupteur capacitif [Lucibello, 2013]. Par ailleurs, l’or pur possède une plus faible dureté que le cuivre (< 100 HV
[Dimitrijević, 2013]). L’or peut être légèrement dopé pour augmenter sa dureté (avec du nickel par exemple). Des électrolytes à base de thiosulfites et/ou de thiosulfate remplacent aujourd’hui les bains cyanurés, dangereux pour la santé. Une revue de la littérature nous permet de situer le module d’Young de l’or électrodéposé entre 40 GPa et 80 GPa et la limite d’élasticité entre 70 MPa et 300 MPa
[Martegoutte, 2010; Baek, 2005]. Enfin, l’or est un matériau très couteux : environ 36 €/g en novembre 2016.
V.3.3. L’argent (Ag)
L’argent, moins couteux que l’or, possède des propriétés mécaniques légèrement moins satisfaisantes que les propriétés mécaniques de l’or. Le module d’Young des dépôts électrolytiques d’argent est compris entre 70 GPa et 90 GPa et la limite d’élasticité est comprise entre 45 MPa et 80 MPa
[Smith, 1995]. Les électrolytiques d’argent, d’abord à base de cyanure, sont aujourd’hui peu à peu remplacés par des électrolytes à base de thiosulfate [Ren, 2013]. La dureté des dépôts d’argent à base d’électrolytes non cyanurés est comprise entre 80-110 HV [LegorGroup ; Ren, 2013] : elle est donc similaires à la dureté des dépôts d’or.
Chapitre V :
Vers la compatibilité pour l’Imagerie par Résonance Magnétique : Etude du nickel phosphore
V.3.4. Le palladium (Pd)
Dans le groupe platine, trois matériaux sont utilisés en croissance électrolytique : le palladium, le platine et le rhodium. Le palladium est cependant le moins cher des trois (environ 21€/g en novembre 2016) : c’est une des raisons pour lesquelles il est le plus étudié pour la fabrication de microsystèmes.
Le palladium est un considéré comme assez mou, il possède une dureté équivalente à celle du nickel (entre 400 et 500 HV) ce qui permet d’envisager le cuivre en tant que matériau sacrificiel pour le bon déroulement de l’étape de polissage. Le module d’Young du palladium utilisé par Microfabrica pour la fabrication de MEMS est de 110 GPa et la limite d’élasticité est d’environ 1,1 GPa [Microfabrica] ce qui parait être des propriétés satisfaisantes pour la réalisation de MEMS. Le palladium est très utilisé pour les applications médicales grâce à sa bonne tenue mécanique et sa résistance à la corrosion.
Le dépôt électrolytique de palladium se fait majoritairement en milieu ammoniacal (ligand : NH3) pour éviter la codéposition d’hydrogène pouvant induire des fissures dans les dépôts de palladium. Des bains aqueux en milieu acide ont cependant été identifiés [Abys, 2000]. L’épaisseur de dépôts de palladium pur est limitée à quelques microns. Les alliages de PdNi (80% ;20%), moins couteux, présentent des propriétés mécaniques très intéressantes et permettent par ailleurs d’effectuer des dépôts plus épais (> 25µm)[Straschil, 1991].
V.3.5. Couples de matériaux structurels et sacrificiels
L’étude précédente nous permet de faire état de plusieurs couples de matériaux structurels et sacrificiels qui seraient compatibles avec le procédé de fabrication développé dans le Chapitre III. Le
Tableau V.1 résume les risques et les opportunités des principaux matériaux purs évoqués dans l’état de l’art. Chacun des matériaux nécessite des développements qui sont soit liés au matériau structurel soit au matériau sacrificiel. Le cuivre nécessite la mise en place de la croissance électrolytique d’étain ainsi que l’étude du polissage Sn/Cu. L’or nécessite une étude supplémentaire afin de déterminer le matériau sacrificiel adéquat (Cu ou Sn) car sa matière est molle et très ductile. Le palladium est très couteux et ne peut a priori pas être déposé sur de grandes épaisseurs.
Tableau V.1 : Couples de matériaux structurel et matériaux sacrificiel.
Matériau
structurel Risques Opportunités sacrificiel Matériau
Ni Ferromagnétisme Bonnes propriétés mécaniques Dépôts épais maitrisés au laboratoire Cu
Cu Matériau sacrificiel associé Etalement de matière au polissage (matière molle, forte ductilité)
Dépôts épais maitrisés au laboratoire
Diamagnétique
Chapitre V :
Vers la compatibilité pour l’Imagerie par Résonance Magnétique : Etude du nickel phosphore
Au
Choix du matériau sacrificiel Etalement de matière au polissage
(matière molle, forte ductilité)
Prix Dépôts épais maitrisés au laboratoire Diamagnétique Cu ou Sn Ag
Croissance non maitrisée au
laboratoire
Choix du matériau sacrificiel Etalement de matière au polissage
(matière molle, forte ductilité)
Diamagnétique Sn
Pd
Croissance non maitrisée au
laboratoire Epaisseur limitée Prix Bonnes propriétés mécaniques Paramagnétique Cu
Plutôt que de nous tourner vers un matériau pur dont la croissance électrolytique (Ag, Pd) ou celle du matériau sacrificiel (Sn) était complètement inconnue au laboratoire, nous avons décidé de nous tourner vers un alliage connu à base de nickel : le nickel phosphore.