Nanoscale and macroscale characterization of the dielectric charging phenomenon and stiction mechanisms for electrostatic MEMS/NEMS reliability

摘要

Les phénomènes de chargement des diélectriques constituent l'un des principaux mécanismes de défaillance des microsystèmes à actionnement électrostatique, ce qui limite la commercialisation de ce type de dispositifs. Par exemple, dans le cas de micro-commutateurs capacitifs ce chargement entraîne des problèmes de collage entre la membrane actionnable et la surface du diélectrique qui recouvre l'électrode d'actionnement. Malgré de nombreux travaux réalisés dans le monde, les phénomènes de chargement des diélectriques sont encore mal compris aujourd'hui et les mécanismes de défaillances associés peu explicités. Par ailleurs de nombreuses méthodes de caractérisation ont été développées afin d'étudier ces phénomènes : capacité/tension dans les micro-commutateurs capacitifs, courant/tension dans les capacités MIM (Métal-Isolant-Métal). Bien que très souvent utilisées, ces méthodes donnent des résultats qui dépendent fortement de la nature du dispositif utilisé. Dans les capacités MIM par exemple, la décharge a lieu en situation de court-circuit et les charges injectées dans le diélectrique sont collectées seulement par l'électrode qui a servi à réaliser l'injection. Cette configuration est l'inverse de celle qui a lieu réellement dans les microsystèmes pour lesquels les charges sont injectées par la membrane actionnable et collectées par l'électrode d'actionnement, puisque la membrane ne touche pas le diélectrique lorsque la tension est supprimée. Par ailleurs les mécanismes de défaillances sont souvent liées à des phénomènes multi-physiques (électrique, mécanique, thermique). Ainsi le chargement des diélectriques peut être couplé notamment à des problèmes de fatigue mécanique de la membrane, ce qui peut fausser les interprétations. Des études récentes ont par ailleurs montré que les phénomènes tribologiques, comme l'adhésion et la friction, sont cruciaux pour les MEMS/NEMS et peuvent affecter radicalement leurs performances. Les micro-commutateurs RF étant basés sur le contact intermittent entre deux surfaces (membrane métallique et diélectrique), la fiabilité des ces composants est également impactée par ces phénomènes de surface. Des études sur la micro-nanotribologie appliquée aux micro-commutateurs RF sont donc nécessaires pour comprendre les phénomènes qui se passent aux interfaces et pour coupler ces phénomènes avec le chargement des diélectriques. Les travaux sur le chargement des diélectriques présentés dans ce mémoire sont basés sur la microscopie à force atomique (KPFM, FDC) et permettent de supprimer les inconvénients des méthodes conventionnelles. Le diélectrique étudié est le nitrure de silicium obtenu par PECVD pour des micro-commutateurs RF à contact capacitif. Les méthodes utilisées permettent de réaliser l'étude des diélectriques à l'échelle nanométrique grâce à l'utilisation de l'AFM dont la dimension de la pointe est comparable aux aspérités des microstructures. Différentes structures de tests ont été caractérisées incluant des films diélectriques, des capacités MIM et des micro-commutateurs. La pointe de l'AFM est utilisée pour réaliser l'injection des charges (comme dans le cas d'une aspérité en contact avec le diélectrique), mais également pour mesurer le potentiel de surface et la force d'adhésion. Les résultats obtenus ont été comparés à des mesures de charges et décharges plus conventionnelles sur des capacités MIM et sur des micro-commutateurs RF. Tous ces résultats ont également été comparés à des données de la littérature provenant de différents composants. L'influence de plusieurs paramètres clés sur le chargement des diélectriques a également a également été étudiée. Différentes épaisseurs de SiNx déposées sur de l'or (évaporé et électro-déposé), sur du Titane et sur du silicium ont été analysées. Différents modes d'élaboration du SiNx PECVD ont été utilisés en changeant le ratio des gaz, la température de dépôt, la puissance et la fréquence RF. Des analyses physico-chimiques ont également été menées pour déterminer les liaisons chimiques et les compositions des films de SiNx (FTIR, XPS). Ces données ont été utilisées pour expliquer les résultats électriques obtenus. Différentes conditions de chargement ont également été explorées : amplitude, durée et polarité de la tension, taux d'humidité, contamination dues aux hydro-carbones. Les différents phénomènes tribologiques (adhésion, friction) ont aussi été étudiés à l'échelle nanométrique sous différentes tensions et pour différents taux d'humidité. A partir de ces études, deux principaux mécanismes de collage dans les microsystèmes à actionnement électrostatique ont ainsi été explicités : le chargement des diélectriques et la formation d'un ménisque d'eau. L'interaction entre ces deux mécanismes a également été mise en évidence et a permis de mieux comprendre les phénomènes de collage dans les MEMS à actionnement électrostatique.