Les propriétés mécaniques des films minces sont du plus grand intérêt pour une grande variété d’applications technologiques telles que la microélectronique étirable. Le comportement mécanique des couches minces dépend de la microstructure (la texture du grain, la taille des défauts…). Afin d’imiter leurs conditions de charge en utilisation réelle, nous avons effectué des tests contrôlés de déformation biaxiale sur des composites formés par des films minces métalliques déposées sur un substrat de polyimide (Kapton®). Ici, nous présentons les résultats obtenus pour un test de déformation equi-biaxiale réalisé sur des films minces nanocomposites de Cu/W afin d’analyser l’influence des contraintes résiduelles. Ces couches minces élaborées par pulvérisation cathodique par faisceau d’ions sont d’environ 150 nm d’épaisseur (7 x (18nm de Cu + 6nm de W)). Les contraintes résiduelles ont été obtenues soit en traction soit en compression selon la pression de gaz dans la chambre de dépôt (l’évaluation préalable des contraintes résiduelles intra-granulaires montre qu’elles sont relativement importantes: +2,0 GPa en tension et -3.6 GPa en compression). Pour réaliser les essais mécaniques, nous avons utilisé la machine de traction biaxiale de la ligne de lumière DIFFABS du synchrotron SOLEIL [1]. Pendant les essais mécaniques, les déformations (dans le plan) appliquées et du film sont mesurées simultanément, respectivement par corrélation d’images numériques (déformations macroscopiques) et par diffraction des rayons X synchrotron (contraintes intra-granulaires) [2].

En comparant les deux graphiques, on peut faire les constats suivants :

• Premièrement, la déformation élastique accumulée pour l’échantillon en compression est bien plus élevée que celle obtenue pour l’échantillon en tension. C’est un résultat qui n’est pas surprenant en soi puisque l’on comprend bien qu’en faisant subir un effort de traction à un échantillon qui est déjà prétendu, la quantité d’énergie qui peut être stockée sous forme élastique est beaucoup moins importante que pour un échantillon initialement comprimé. Ce qui l’est plus, en revanche, c’est que pour un état de contrainte résiduelle en tension de l’ordre de 2GPa, on peut appliquer une déformation élastique de l’ordre de 0,4% pour le Tungstène (et 0,2% pour le Cuivre) tandis que pour un état de contrainte résiduelle en compression de l’ordre de -4GPa on peut appliquer une déformation élastique de l’ordre de 0,8% pour le Tungstène (et 0,4% pour le Cuivre). Ceci est le résultat des effets combinés liés à la microstructure et au confinement par le substrat.
• Deuxièmement, on remarque dans les deux cas, que le Tungstène se déforme élastiquement beaucoup plus (d’un facteur 2 pour chaque branche) que le Cuivre. Par ailleurs, après déchargement les sous-couches de Cuivre sont en compression quel que soit l’état initial. Il semble donc que le Cuivre se déforme plastiquement. Dans le cas du Tungstène en tension et malgré la présence d’un plateau, signe d’une déformation irréversible, nous n’observons pas de compression à la décharge. Il semble donc que le Tungstène ait un comportement fragile dans ce cas, comme précédemment observé par Soundès Djaziri [3].

Au final, ce qui apparaît à travers ces graphiques est l’effet significatif des contraintes résiduelles sur le comportement mécanique des empilements Cu/W. En effet, la présence de contraintes de compression dans l’échantillon retarde la plasticité (plateau pour le cuivre) et permet aux sous-couches de cuivre et de tungstène d’endurer deux fois plus de déformation élastique.

Références

[1] G. Geandier, D. Thiaudière, et al., Rev. Sci. Instrum. 81 (2010) 103903.

[2] S. Djaziri, P.-O. Renault, F. Hild, E. Le Bourhis, Ph. Goudeau, D. Thiaudière, D. Faurie, J. Appl. Cryst. 44 (2011) 1071-1079.

[3] Djaziri. S, Elasticité et endommagement sous chargement bi-axial de nano-composites W/Cu en couches minces sur polyimide : apport des techniques synchrotrons, Thèse de l’université de Poitiers, 2012