Nouveaux matériaux getter en couches minces à base d'éléments de transition et de terres rares pour l'encapsulation sous vide de MEMS

New transition elements and rare earth getter thin films for MEMS vacuum packaging

• Auteur / Autrice : Clément Bessouet
• Direction : Johan Moulin, Alain Bosseboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 20/05/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Gaël Sattonnay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khalifa Aguir, Ian Cameron Vickridge, Xavier Feaugas, Olivier Thomas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Khalifa Aguir, Ian Cameron Vickridge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse par faisceau d'ions

Couches minces métalliques

Pompes à getter

Encapsulation (électronique)

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Mems

Packaging sous vide

Getter

Film mince

Diffusion

Analyses par Faisceau d'Ions

Mems

Vacuum packaging

Getter

Thin film

Diffusion

Ion Beam Analyses

Résumé

Certains MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) doivent être maintenus sous vide pour conserver des performances optimales. Pour compenser les fuites, le dégazage pendant le scellement et assurer une pression inférieure à 10⁻² mbar pendant la durée de vie du composant (10 ans ou plus), un matériau getter doit être intégré dans la cavité et être activé par traitement thermique. La problématique actuelle, réside dans la fragilité croissante de MEMS de plus en plus performants, impliquant que la température de soudure du capot et de l'activation du getter doit être la plus basse possible, tout en assurant les meilleures performances de sorption des gaz présents dans la cavité et dans un temps très court.Dans ce travail de thèse, de nouveaux films minces de getter à base d’yttrium et d’éléments de transition (Ti, Zr, V) ont été étudiés. Ces matériaux ont été analysés avant et après traitements thermiques d’activation par différentes méthodes d’analyses X (XPS, DRX, EDX), électriques et par faisceau d’ions (RBS, NRA, ERDA) afin de faire le lien entre microstructure et capacité de sorption en espèces gazeuses (oxygène et hydrogène principalement) en fonction de la température.Des analyses inédites et innovantes par NRA in situ en temps réel ont permis d’étudier la diffusion et l’absorption d’oxygène en profondeur pendant l’activation getter.Les résultats montrent que l’yttrium est un matériau getter particulièrement pertinent à basse température d’activation mais est réactif à température ambiante. L’allier à d’autres métaux permet de contrôler sa réactivité, sa température d’activation et sa capacité de sorption.

Some MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) must be kept under vacuum to present optimal performances. To compensate leaks, degassing and ensure a pressure below 10⁻² mbar during the lifetime of the component (more than 10 years), a getter thin film must be integrated inside the cavity, which is thermally activated during the bonding. A major challenge consists in decreasing the temperature needed to solder the cap and activate the getter, keeping the sorption performances of gases present inside the cavity.In this thesis, new getter thin films of alloys based on yttrium and transition elements (Ti, Zr, V) have been deposited. Microstructure, and composition in depth of these thin films have been studied by multiple X-ray, electrical and ion beam analyses (RBS, NRA, ERDA) before and after thermal treatment simulating activation.Innovative characterizations using real-time in situ NRA have been performed to study oxygen diffusion and sorption into the films during the getter activation.Yttrium has shown large sorption capacities but also high corrosion during storage. Stabilization has been achieved by realizing alloys with transition metals which allows also to decrease the activation temperature and to increase the sorption capacity.