Mesure de module d’Young d’un film mince à partir de mesures expérimentales de nanoindentation réalisées sur des systèmes multicouches

Young’s modulus measurement of a thin film from experimental nanoindentation performed on multilayer systems

¹ CEA – Minatec – LETI – Lab. de Caractérisation et Fiabilité des Microsystèmes, 38054 Grenoble, France
e-mail : david.mercier1@cea.fr; vincent.mandrillon@cea.fr
² Université de Grenoble, Lab. SIMaP-CNRS, BP 75, 38402 St Martin d’Hères Cedex, France
e-mail : marc.verdier@simap.grenoble-inp.fr; yves.brechet@ltpcm.inpg.fr

Reçu : 20 Novembre 2010
Accepté : 17 Mars 2011

Résumé

La nanoindentation est une technique de caractérisation bien adaptée pour déterminer les propriétés mécaniques des couches minces. Cependant, pour des couches d’épaisseur de quelques centaines de nanomètres, le substrat et les couches sous-jacentes sont sollicités et les mesures ne sont pas reliées de façon simple aux propriétés du film mince. Le présent travail est une extension du modèle analytique de Bec et al. dans le cas d’un film mince déposé sur un système multicouche. Des résultats expérimentaux obtenus par nanoindentation d’un empilement de couches de matériaux possédant des modules d’Young notablement différents (échantillon multicouche Au/Ti/SiO₂ déposé sur un substrat de Si monocristallin), sont analysés par cette méthode. Le module d’Young calculé pour l’or avec le modèle multicouche est de 81 GPa, ce qui est en accord avec la littérature (E_Au = 80 GPa). Les résultats montrent que le modèle développé est approprié pour déterminer le module d’Young d’une couche mince déposée sur un système multicouche.

Abstract

The nanoindentation technique is suitable for the characterization of the mechanical properties of thin films. However, for layers of a few hundred nanometers thick, the substrates as well as the underlying layers are mechanically involved and the measures are not connected in a simple manner to the properties of the thin film. The purpose of this study is to present an extension of the simple analytical model of Bec et al. in the case of a thin film deposited on a multilayer system. The multilayer model was applied to experimental results obtained by nanoindentation of a stack of layers of materials with significantly different Young’s moduli (Au/Ti/SiO₂ multilayer deposited on a single crystalline Si substrate), according to a precise methodology. The Young’s modulus calculated for gold with the multilayer model is 81 GPa, which is consistent with the literature (E_Au = 80 GPa). The results show that the developed model is appropriate to determine the Young’s modulus of a thin film deposited on a multilayer system.