Etude des mécanismes de défaillance du contact électrique dans un micro-interrupteur en technologie MEMS

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1 Etude des mécanismes de défaillance du contact électrique dans un micro-interrupteur en technologie MEMS Soutenance de thèse de doctorat Maxime VINCENT 7 mai 2010 Ecole doctorale EEATS Spécialité «Génie Electrique»

2 Contexte Thèse CIFRE, mars 2007 Schneider Electric + CEA-Leti LGEP + G2ELab Micro-interrupteur =S= / Leti Sur une pièce d 1 cent d euro Développement d un micro-interrupteur MEMS (DC) Début du projet chez =S= : 2004 Maintenant au stade pré-industriel Applications: Contrôle industriel, Automobile, Médical Durée de vie Adaptée à certaines applications Limitée par la dégradation du contact électrique Micro-interrupteur =S= / Leti packagé Sujet de cette thèse: fiabilité du micro-contact électrique 2

3 Transferts de matière nanométriques Les MEMS: Micro Electro Mechanical Systems 1 er MEMS: er relais MEMS:

4 Transferts de matière nanométriques Les micro-relais MEMS 1µm Micro-relais OMRON Avantages Taille réduite (<10 mm 3 ) Isolation galvanique Linéarité Prix réduit Limitations Puissance admissible limitée Fiabilité à démontrer Micro-relais RadantMEMS Quasiment le seul micro-relais commercial Applications militaires principalement 4

5 Transferts de matière nanométriques Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti Actionnement extérieur : aimant mobile ou bobine La membrane ferromagnétique s aligne avec les lignes de champ S N OFF OFF S N OFF ON OFF ON 5

6 Transferts de matière nanométriques Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti 6

7 (vidéo) 7

8 Transferts de matière nanométriques Le contact électrique Membrane Double contact: 2 contacts en parallèle simple coupure Paramètres importants 66.7 µm Dynamique de commutation Forme du contact Contact mobile Matériau de contact Tension/courant à commuter Contact fixe 27.3 µm Résistance de contact (R c ) initiale Au-Au ~1 Ω Ru-Ru ~1.5 Ω 8

9 Transferts de matière nanométriques Le micro-contact électrique F C µn 27.3 µm Surface de contact apparente Ø 50µm Surface de contact réelle < 1µm² Peu d études, comportement différent Et pourtant, point faible des micro-relais Comportement dominé par la rugosité 9

10 Transferts de matière nanométriques Problématique des travaux de thèse : durée de vie des micro-relais Limitée par la dégradation du contact électrique Limite les applications industrielles Enjeu : Augmentation de la durée de vie et des performances Faible puissance Durée de vie satisfaisante Compréhension mécanismes défaillance, mécanismes ± connus partie 2 Puissance élevée Sommaire Durée de vie extrêmement limitée Nouveaux matériaux de contact partie 3 Compréhension mécanismes défaillance, mécanisme nouveau partie 4 10

11 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Endurance du contact électrique sur le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti 11

12 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Composant pré-industriel Caractérisation de la durée de vie du micro-interrupteur 10 6 cycles sous 5V/1mA 10 8 cycles sous 3V/10µA i 10µA 1mA MEMS R U 3 5 V DC Remplit le cahier des charges pour les faibles puissances Etude des mécanismes de défaillance 12

13 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Contacts Au Contacts Ru 2 matériaux de contact Mécanique 3V/10µA 5V/1mA 14V/10mA 4 types de test d endurance Collage définitif des contacts Augmentation R on 1 Ω Ω 2 modes de défaillance Ecrouissage Polymères de friction Carbone Hillocks Transfert de matière 5 mécanismes de défaillances 13

14 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Endurance mécanique (0V) 100 millions de cycles Contact mobile Contact fixe Contacts Au-Au Ecrouissage Contacts Ru-Ru Polymères de friction 14

15 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Polymères de friction Contamination carbonée C x H y (process) Matériau catalytique (Ru) Action mécanique d un contact sur l autre «Polymères de friction» fortement isolants Image AFM (topographie) Image SSRM (résistance) 100 (nm) Analyse surfacique (EDX) Contacts Ru µm µm R*10x Caractérisation SSRM des polymères de friction 15

16 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Contamination carbonée Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru Ω RON (ohms) Cycles Contacts Au 5V/1mA 10 6 cycles Contact mobile Contact fixe 16

17 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Croissance d hillocks Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru 750nm Contacts Au, 5V/1mA, 10 6 cycles Contact fixe Contacts Ru, 5V/1mA, 10 6 cycles 17

18 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Croissance d hillocks Mécanisme d apparition void Hillock σ Hillock σ Cathode e- Anode (1) Libération des contraintes du film sous l effet de la température (2) Déplacement de matière par électromigration Ru Au Après un recuit à 350 C Etat initial Ru Au Croissance d hillocks sur l or sous l effet de la température 18

19 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Transferts de matière Phénomène inexpliqué Cathode (-) Anode (+) Contact mobile 3.33µm 5µm Anode (+) Cathode (-) Contact fixe 3.33µm 4.3µm Phénomène limité à 5V, principal à puissance élevée (14V) 19

20 Introduction Analyse modes défaillances Transferts de matière nanométriques Conclusions sur les modes de défaillances du micro-interrupteur Faible puissance (3V & 5V) Cahier des charges rempli, performances état de l art mondial Mécanismes de défaillances bien identifiés Améliorations simples possibles Puissance élevée (14V) Durée de vie limitée Mécanisme de défaillance nouveau : transfert de matière Nécessité d un nouveau matériau de contact Compréhension mécanisme transfert de matière indispensable 20

21 Transferts de matière nanométriques Développement d un banc dédié à évaluer l endurance de nouveaux matériaux de contact 21

22 Transferts de matière nanométriques Conception du contact électrique expérimental : contact sphère/plan Contact mobile : lamelle prélevée sur un relais reed Ferromagnétique Surfaces propres 2.5 mm 0.5 mm Contact fixe : aiguille de prober Rayon de courbure contrôlé: 3-20 µm Surfaces propres 0.6 mm 10µm 22

23 Transferts de matière nanométriques Composants principaux Electroaimant Actionneur piézoélectrique Newport (résolution 10nm) Capteur de force SMD Sensors (résolution 10µN) 23

24 Transferts de matière nanométriques Ajustement de la force de contact «Contact normalement fermé» Electroaimant Actionneur piézoélectrique Newport (résolution 10nm) Force de contact OK Capteur de force SMD Sensors (résolution 10µN) 24

25 Transferts de matière nanométriques Réalisation et assemblage Pilotage Labview Mesure R c 4 fils Fréquence de cyclage > 50Hz > 4 millions de cycles par jour 25

26 Transferts de matière nanométriques Evaluation du tungstène Endurance hot switching 5V/1mA 5000 Contact Au-Au Contact W-W 4000 Résistance de contact (Ω) Cycles 26

27 Transferts de matière nanométriques Evaluation du tungstène Endurance hot switching 5V/1mA Observation des contacts à l issue des tests SiO 2 Carbone 1 µm Au-Au contact mobile W-W contact mobile Contact Au-Au: carbone + fonte locale Mécanisme de défaillance similaire au micro-interrupteur Contact W-W: érosion, aucun polymère de friction 27

28 Transferts de matière nanométriques Conclusions sur le banc de test Banc de test se démarquant de l état de l art Fréquence de test élevée Etude sous différentes atmosphères gazeuses Simplicité Reproduit le comportement du micro-interrupteur Mise en évidence des mêmes modes de défaillance Intérêt évident, mais très dépendant de l état de surface Nécessiterait plus de temps Etude de procédés de nettoyage des contacts Couches de protection Influence de l atmosphère 28

29 Transferts de matière nanométriques Conclusions Emission électronique et transfert de matière à l échelle nanométrique 29

30 Transferts de matière nanométriques Conclusions Contexte de l étude Transferts de matière observés systématiquement Sous 5V/1mA limités, sous 14V/10mA prépondérants Toujours dirigés de l anode vers la cathode anode - contact fixe 3.33µm cathode - ct. mobile 3.33µm Problème: inexplicables à tension/courant si faibles Etude grâce à un microscope à force atomique (AFM) modifié Contrôle de la cinématique de commutation 30

31 Transferts de matière nanométriques Conclusions Problématique La commutation sous courant Ouverture : arc électrique Au: 12,5V / 350mA nécessaires Vérification expérimentale sur le micro-interrupteur Anode N N 2 Cathode N 2 N 2 Passage d un courant à travers un milieu isolant Fermeture : claquage diélectrique Tension de claquage (V) Plateau ~330 V Effet de champ ~75 V/µm Courbe de Paschen modifiée Distance inter-électrodes (µm) (air à pression atmosphérique) Avalanche de Townsend 3,6 V/µm Claquage dans le vide Courbe de Paschen Loi de Paschen non valable pour gaps < 5µm Comportement similaire claquage dans le vide Mais aucune étude à tensions si faibles (et gaps si réduits) 31

32 Transferts de matière nanométriques Conclusions Utilisation d un AFM à pointe conductrice modifié Mesure du gap inter-électrodes Ouverture/fermeture du contact i 10 kω U=10 V Détecteur Laser Piézo Z A V 10 kω U 2 Substrat GPIB NanoScope Utilisation en mode approche/retrait Levier (sans pointe) et substrat métallisés = commutation micro-contact électrique Contrôle vitesse de commutation : nm/s Données recueillies : U, I et le déplacement vertical du levier (gap) 32

33 Transferts de matière nanométriques Conclusions Analyse d un cycle de commutation Force de contact (µn) (F = k.x) I II III IV V Résistance de contact (ohms) -100 Fc (µn) Rc (ohms) Déplacement du piézo Z (nm) 33

34 Transferts de matière nanométriques Conclusions Reproduction des transferts de matière observés précédemment Enchainement de 300 cycles sous 5V/1mA, contact Au/Au, 100 nm/s Observation du levier AFM à l issue des tests Polarité 1 Levier : cathode Gain de matière 996nm 1.2µm Polarité 2 Levier : anode Perte de matière 600nm 750nm Phénomène similaire à celui observé sur le micro-interrupteur Transfert de matière anode cathode 34

35 Transferts de matière nanométriques Conclusions Etude de la phase de fermeture du micro-contact (6 nm/s) 3 Courant (µa) Tension (V) Courant (µa) 1 2 Tension (V) Espacement inter-contacts (nm) Fermeture du contact (gap en nm) Courant ~20 nm avant la fermeture du contact! 35

36 Transferts de matière nanométriques Conclusions Phénomène physique Anode X E = ~10 8 V/m E local =β*e Cathode Emission électronique Fowler-Nordheim Possible uniquement grâce à effet de pointe (facteur de forme β) Comportement identique à la coupure du courant dans le vide 36

37 Transferts de matière nanométriques Conclusions Tracé en coordonnées Fowler-Nordheim i = S. A.( βe) 2 B. ν ( y). Φ.exp β. E Ln(i/E²) y = -5E+09x Ln i E 2 vs. 1 E E E E E-09 1/E (m/v) Tracé linéaire, de pente négative. Reproductible. Phénomène d émission électronique Fowler-Nordheim confirmé 37

38 Transferts de matière nanométriques Conclusions Les électrons émis entrent en collision avec le contact opposé (anode) Emission 1µA, polarisation 5V Surface d impact de quelques nm² Densité d énergie énorme! (10 11 W/m²) Température de l'anode (K) Températures d évaporation Temps (ns) W Au Ru Carslaw, H. S. & Jaeger, J. C. (1959), Conduction of heat in solids, Clarendon Press, 510 p. 38

39 Transferts de matière nanométriques Conclusions Vérification expérimentale Séries de 100 cycles (30 nm/s) Fermeture sous 5V Ouverture à vide (0V) Cathode : substrat Au Anode : levier AFM (Au) Impacts des électrons émis depuis la cathode Observations MEB du levier à l issue des 100 fermetures sous 5V 39

40 Transferts de matière nanométriques Conclusions Evaporation du matériau de l anode Front d évaporation Perpendiculaire au plan Vitesse atomes évaporés : m/s Anode Libre parcours moyen atomes dans l air : 400 nm Gap : ~20nm Aucune interaction gaz environnant / atomes (analogie avec le vide) En quelques picosecondes la majorité des atomes évaporés atteint le contact opposé Transfert de matière anode cathode 40

41 Transferts de matière nanométriques Conclusions Evaporation du matériau anodique Vérification expérimentale Test avec les 3 matériaux 100 cycles en hot switching 5V (30 nm/s) Cathode: Leviers AFM (Au) Anode: Au, Ru ou W Au (cathode) Au, Ru, W Anode Contact dissymétrique: permet de s assurer qu un transfert a bien lieu Au Ru W Au Au Au Observation MEB des leviers après chacun des tests 41

42 Transferts de matière nanométriques Conclusions Description du mécanisme complet de transfert de matière Anode Fermeture du contact E E local = β.e e- Émission Fowler-Nordheim β Cathode (a) (b) (c) Anode e- Echauffement local Evaporation Transfert de matière anode cathode (d) (e) Cathode (f) 42

43 Transferts de matière nanométriques Conclusions Conclusion sur les transferts de matière Mise en évidence et description d un nouveau mécanisme de dégradation des micro-contacts Phénomène similaire à la phase pré-disruptive d un claquage dans le vide Durée du mécanisme complet 50ns maximum Influence vitesse / temps dans la zone critique Sur le micro-interrupteur, temps critique sous 5V : 5µs Vitesse nécessaire pour éviter transferts de matière: > 10 m/s Paramètres à ajuster pour limiter ces transferts de matière Cathode : Φ élevé, β faible Anode : T f et K élevées Vitesse de commutation la plus élevée possible (~20 mm/s actuellement) 43

44 Transferts de matière nanométriques Conclusions Conclusions et perspectives 44

45 Transferts de matière nanométriques Conclusions Recommandations pour un micro-contact fiable Faible puissance (3V & 5V) : Amélioration du procédé actuel Pas d or (collages). Ru en couche unique Nettoyage des surfaces et packaging dans même chambre Ou désactivation des surfaces de Ru (oxydation) Puissance élevée 14V: Suppression des transferts de matière Supprimer les reliefs de la cathode (bumps, rodage mécanique? ) Augmenter la vitesse de commutation du composant à plusieurs m/s Revêtement protecteur ou gaz limitant l émission électronique Matériau de contact : alliage adapté? (Φ, K, T f ) 45

46 Transferts de matière nanométriques Bilan de la thèse Compréhension complète des mécanismes de défaillance du contact électrique sur un micro-interrupteur pré-industriel Au & Ru 4 calibres de test Développement de deux bancs d étude du micro-contact Banc endurance nouveaux matériaux Tests d endurance, grand nombre de cycles Tests comparatifs de matériaux et d atmosphères Banc étude fine des phases de commutation Contrôle très précis de la cinématique de commutation 46

47 Transferts de matière nanométriques Champ d investigation encore vaste Poursuite des travaux CEA-Leti / LCFM : sujet de thèse Etude des mécanismes de coupure et d'établissement d'un courant électrique dans un commutateur en technologie MEMS Thématique abordée au LGEP depuis de nombreuses années, mais volonté de renforcement cette année Etude de micro- & nano- contacts grâce à un AFM à pointe conductrice Personnellement, suite dans le cadre d un post-doc UC Berkeley, micro-commutateurs en carbure de silicium (SiC) 47

48 Merci de votre attention! Contact: Maxime VINCENT Manuscrit de thèse: ou sur demande 48