Etude des propriétés électro-thermo-mécaniques de nanofils en silicium pour leur intégration dans les microsystèmes

Study of electro-thermo-mechanical properties of silicon nanowires for MEMS applications

• Auteur / Autrice : Pierre Allain
• Direction : Alain Bosseboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bouchier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Bosseboeuf, Daniel Bouchier, Olivier Thomas, Anne-Claire Salaün, Benoît Charlot, Oliver Paul, Alistair Rowe
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Thomas, Anne-Claire Salaün

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Nanofils

Flambage (mécanique)

Nanosystèmes électromécaniques

Mots clés libres

Nanofil silicium

MEMS

NEMS

Piézorésistance

Conductivité thermique

Flambage

Méthode 3 oméga

Silicon nanowire

MEMS

NEMS

Piezoresistance

Thermal conductivity

Buckling

3 omega method

Résumé

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l’effet d’échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés.

Remarkable nanoscale electro-thermo-mechanical properties of silicon nanowires are increasingly studies. This experimental thesis investigates such properties for top-down fabricated monocrystal silicon nanowires.A four points bending set-up and a MEMS actuator are developed to apply ex situ and in situ mechanical stress on nanowires. Those devices are characterised in a cryogenic environment within a microprobe station. Electrical properties and piezoresistivity are studied using those systems. Moreover, the 3ω method measures the thermal conductivity of these nanowires.From buckling of silicon nanowires, unexpected high compressive stress (>100 MPa) was identified in top silicon layers of SOI substrates. Drift-compensated measurements show that p type silicon nanowires present large piezoresistive coefficients which decrease with temperature. Additionally, the MEMS device demonstrates the possibility to detect ample MEMS movements with sub-ångström resolution using the nanowires as piezoresistive nanogauges. The thermal conductivity was found consistent with previously reported values for silicon nanowires, and expectedly decreases with temperature.