Matériaux getter à base d'éléments de transition et de terres rares : étude in situ par des techniques de faisceaux d'ions de la sorption et la diffusion d'éléments légers

Transition and rare-earth element getter materials : in situ ion beam studies of sorption and diffusion of light elements

• Auteur / Autrice : Charlotte Kutyla
• Direction : Johan Moulin, Thierry Sauvage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Agnus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Moncoffre, Xavier Feaugas, Jérôme Creuze, Pedro Costa Pinto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Moncoffre, Xavier Feaugas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Yttrium

Diffusion (physique)

Analyse par faisceau d'ions

Couches minces métalliques

Pompes à getter

Encapsulation (électronique)

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Getter à base d'yttrium

MEMS

Encapsulation sous vide

Film mince

Diffusion

Analyse par faisceau d'ions

Yttrium-based getter

MEMS

Vacuum packaging

Thin films

Diffusion

Ion beam analysis

Résumé

La sensibilité de nombreux systèmes microélectromécaniques (MEMS), tels que les capteurs résonnants ou bien les dispositifs thermiques, est dégradée si le fonctionnement ne se fait pas sous atmosphère raréfiée. Afin d'optimiser leurs performances et ainsi de limiter les pertes viscoélastiques ou par conduction, ces microdispositifs sont ainsi placés dans des boîtiers d'encapsulation pendant toute leur durée de vie (minimum 10 ans) avec une pression contrôlée et adaptée. Deux sources de gaz prédominantes doivent alors être contrôlées : le dégazage des parois internes de la cavité pendant l'étape de scellement ainsi que les fuites à travers le joint de scellement. Une solution technologique permettant d'obtenir une bonne qualité de vide tout au long de l'utilisation du MEMS est l'utilisation de matériaux getter. Cette thèse étudie une nouvelle famille de matériau getter à base d'yttrium et notamment l'alliage Y-Ti, pour l'encapsulation sous vide de MEMS, dans le but d'obtenir une température d'activation inférieure à 300 °C et de grande capacité de sorption aux gaz piégés dans la cavité, notamment pour l'hydrogène. Afin d'étudier la microstructure ainsi que la température d'activation et les capacités de sorption de ces matériaux, des couches minces de films getter à base d'yttrium ont été analysé par différentes méthodes d'analyses : mesures électriques, microscopie électronique, DRX et analyse par faisceaux d'ions (RBS, NRA, ERDA). Les résultats montrent que l'yttrium est particulièrement réactif à température et pression ambiante. L'allier à du titane permet de le rendre moins réactif, de réduire sa température d'activation et d'améliorer également ses capacités de sorption.

The sensitivity of many microelectromechanical systems (MEMS), such as resonant sensors or thermal devices, is degraded if they are not operated in a rarefied atmosphere. To optimize their performance and limit viscoelastic or conductive losses, these microdevices are placed in vacuum packaging for their entire life (minimum 10 years). Two predominant sources of gas must then be controlled: outgassing from the inner surface of the cavity during the bonding, and leakage through the sealing. A technological solution for achieving good vacuum quality throughout the lifetime of the MEMS is the use of getter materials. This thesis investigates a new family of yttrium-based getter materials, in particular the Y-Ti alloy, for vacuum packaging of MEMS, with the aim of achieving an activation temperature below 300°C and high sorption capacity for gases trapped in the cavity, especially hydrogen. In order to study the microstructure, activation temperature and sorption capacity of these materials, thin layers of yttrium-based getter films were analyzed using a variety of experimental methods: electrical measurements, electron microscopy, DRX and ion beam analysis (RBS, NRA, ERDA). The results show that yttrium is particularly reactive at ambient temperature. Alloying it with titanium makes it less reactive, reduces its activation temperature and also improves its sorption capabilities.