comportement mecanique des films minces sur substrats

SEMINAIRE
le lundi 18 mars 2002 (14 h 30)
salle de réunion LEOM
2ème étage Bât F7
COMPORTEMENT MECANIQUE DES FILMS MINCES SUR SUBSTRATS SOUS
CONTRAINTE DE COMPRESSION: PHENOMENE DE CLOQUAGE
C. COUPEAU
Laboratoire de Métallurgie-Physique UMR 6630 – Université de Poitiers - Futuroscope
La qualité d’un revêtement destiné à un usage pratique est grandement influencée par son comportement
mécanique et sa stabilité. Le taux de contraintes internes et l’adhésion sont les principaux facteurs qui déterminent la
stabilité du couple revêtement/substrat et par la suite sa durée de vie. Il est ainsi indispensable lors de l’utilisation
industrielle de ces systèmes que la bonne tenue mécanique de l’ensemble soit, d’une part réalisée dès l’élaboration en
évitant les décohésions spontanées du dépôt sur son substrat, et d’autre part préservée lors de sollicitations
mécaniques ultérieures au cours de leur utilisation.
Les procédés d’élaboration par techniques de dépôts PVD
(Physical Vapor Deposition), dorénavant largement répandus sur les
sites industriels et les laboratoires de recherche, induisent
généralement des contraintes internes dans les films. L’amplitude et
le signe de ces contraintes dépendent fortement de l’énergie des
atomes déposés et par conséquent de la technique de dépôts utilisée.
Ces énergies vont de quelques dixièmes d’eV par évaporation à
quelques dizaines d’eV par pulvérisation ionique. Le modèle Atomic
Peening décrit ainsi l’effet de martèlement du film en cours de
croissance par des particules de forte énergie et explique les fortes
contraintes de compression généralement obtenues lors de
l’élaboration de dépôts par pulvérisation ionique.
Inox(200 nm)/
Polycarbonate
Les films minces peuvent ainsi admettre des contraintes très largement supérieures à la limite élastique de ces
mêmes matériaux à l’état massif. De tels niveaux de contrainte en compression sont alors à l’origine de décollements
spontanés, observés parfois même dès la sortie de la chambre de dépôt.
Gilles et Matuda dans les années 80 ont été les premiers à s’intéresser à ces phénomènes de flambage; l’aspect
de ces décollements a fait depuis l’objet de nombreuses études détaillées, essentiellement par microscopie optique et
microscopie électronique à balayage. De nombreux modèles principalement basés sur la relaxation de l’énergie
élastique emmagasinée dans le film, par propagation d’une fissure à l’interface film/substrat, permettent maintenant
de mieux appréhender ce phénomène de cloquage.
Les études que nous avons menées sur des matériaux film/substrat modèles ont pour but d’une part de mieux
comprendre ces phénomènes de cloquage des films minces, et d’autre part de prédire l’apparition de telles ou telles
structures de décollements. L’idée principale est de générer des contraintes dans des films minces supposés
parfaitement adhérents, tout en assurant un comportement purement élastique du substrat, et ainsi d’induire le
phénomène de cloquage. Ces expériences sont réalisées grâce à un dispositif expérimental constitué d’une micromachine de compression couplée à un microscope à force atomique. Cet appareillage permet de suivre in situ
l’évolution de la topographie de surface d’échantillons sous contrainte et a montré tout son potentiel dans l’analyse
de la structure fine des lignes de glissement à la surface de monocristaux déformés.
Les résultats expérimentaux obtenus à partir de ces échantillons modèles seront présentés et confrontés aux
modèles de cloquage. La mise en évidence de phénomènes particuliers, tels que l’interaction entre décollements et le
vieillissement sous contrainte de ces structures sera également présentée.