Effet de confinement géométrique sur la déformation plastique cristalline : cas du film mince sur substrat

Crystal plasticity: confinement effect in indentation of film on elastic substrate

SIMAP-PM, 1130 rue de la Piscine, 38402 Saint Martin d’Hères Cedex, France
e-mail : guillaume.parry@simap.grenoble-inp.fr

Reçu : 10 Novembre 2010
Accepté : 31 Mars 2011

Résumé

La géométrie des matériaux sous forme de couches minces est à la base de la technologie des dispositifs de petite taille. La caractérisation mécanique de ces couches est déterminante pour leur intégration industrielle. L’indentation instrumentée est une méthode de mesure bien adaptée aux petites échelles. Dans cette étude, nous nous intéressons à l’effet au premier ordre de la géométrie du film sur l’essai d’indentation. Pour cela, nous décrivons le comportement du film à l’aide des lois de plasticité cristalline utilisant les densités de dislocations comme variable interne (sans écrouissage cinématique ni introduction de gradient de déformation). Cette stratégie de modélisation a donné de très bons accords quantitatifs avec l’expérience dans le cas de monocristaux massifs de Cu. Elle est ici utilisée pour explorer uniquement l’effet géométrique dû à l’épaisseur finie du film plastique déposé sur un substrat élastique. Les critères de comparaison entre le cas massif et la géométrie planaire sont d’une part les courbes de force et de rigidité en fonction de la profondeur d’indentation et d’autre part les champs de déplacement en surface : ces données sont facilement accessibles expérimentalement (Microscopie à Force Atomique) et numériquement. Les simulations numériques sont confrontées à des données expérimentales obtenues sur des films de Cu sur Si et des monocristaux de Cu.

Abstract

Thin films coatings are the building blocks of small devices technology. The mechanical characterization of these layers is a key point of their integration in industrial systems. Instrumented indentation is an experimental measurement technique well suited to small scales. In this study, the first order effect of the film geometry on the indentation test is studied. The constitutive laws for the films are based on crystal plasticity using dislocations densities as internal variables (without kinematic hardening or strain gradients). This modelling strategy gave good quantitative agreements with experiments in the case of bulk Cu single crystals. It is used here in order to explore the geometry effect due to the finite thickness of the elastic-plastic films deposited on elastic substrates. The criteria of comparison between the finite thickness films and the bulk samples are curves of indentation forces and stiffness versus indentation depth on the one hand, surface deformation on the other hand; it is straightforward to get these data from the finite elements simulations and from the experiments (Atomic Force Microscopy). The simulations are compared to experimental data obtained on Cu films deposited on Si and Cu single crystals.