MECHANICAL CHARACTERIZATION OF THIN FILMS BY NUMERICAL INTERFEROMETRY. APPLICATION TO BULGING TEST AND TENSILE TEST.
CARACTÉRISATION MÉCANIQUE DES MATÉRIAUX EN FAIBLE ÉPAISSEUR PAR INTERFÉROMÉTRIE NUMÉRIQUE. APPLICATION AUX ESSAIS DE GONFLEMENT ET DE TRACTION.
Résumé
The aim of the study is the determination of the mechanical properties of thin films by optical metrology and numerical analysis. The centers of interest are the residual stresses on the one hand and the tensile test on the other hand. The optical methods used are interferometric fringes projection (contouring) and numerical speckle photography.
Contouring gives the out-of-plane displacements. Residual stresses in thin films are measured by courbure analysis and/or bulging test. We conclude by three experimental works:
1. the validity limits of the Stoney's formula even with free standing bilayers (SiO2/Si);
2. the evidence of buckling in compressed bilayer membranes (SiO2/Si);
3. a good agreement between bulging tests and nanoindentation tests for film in a state of residual tension (polimiide).
Numerical speckle photography gives the in-plane displacements field. We adapted this method to a tensile test for thin film that has been fabricated during the PhD. An original algorithm with subpixel displacement sensivity has been developped and has been fully compared, by simulations and experiments, with classical correlation methods. The rapidity of the algorithm and its high resolution allows the calculation of the displacements fields during the tensile test. The in-plane strains are then calculated ans allows us to obtain the stress/strain relations and to calculate Young's modulus E and Poisson's ratio v. To validate the tensile test, we have tested two kinds of materials: the first one is ductile (electrodeposited copper) and the second one is fragile (monocristal of silicon).
Contouring gives the out-of-plane displacements. Residual stresses in thin films are measured by courbure analysis and/or bulging test. We conclude by three experimental works:
1. the validity limits of the Stoney's formula even with free standing bilayers (SiO2/Si);
2. the evidence of buckling in compressed bilayer membranes (SiO2/Si);
3. a good agreement between bulging tests and nanoindentation tests for film in a state of residual tension (polimiide).
Numerical speckle photography gives the in-plane displacements field. We adapted this method to a tensile test for thin film that has been fabricated during the PhD. An original algorithm with subpixel displacement sensivity has been developped and has been fully compared, by simulations and experiments, with classical correlation methods. The rapidity of the algorithm and its high resolution allows the calculation of the displacements fields during the tensile test. The in-plane strains are then calculated ans allows us to obtain the stress/strain relations and to calculate Young's modulus E and Poisson's ratio v. To validate the tensile test, we have tested two kinds of materials: the first one is ductile (electrodeposited copper) and the second one is fragile (monocristal of silicon).
La thèse est consacrée à la caractérisation mécanique des films minces à l'aide de mesures de déplacements par voie optique et traitements numériques. Les domaines d'études sont d'une part les contraintes résiduelles et d'autre part l'essai de traction. Les moyens de mesure employés sont la projection de franges et la photographie numérique de speckle.
La projection de franges permet de mesurer la carte des déplacement hors-plan. Elle est adaptée à la mesure des contraintes résiduelles dans les films minces par analyses de courbure et/ou essais de gonflement. On montre suite à trois études expérimentales :
1. la précaution à prendre dans l'utilisation de la formule de Stoney même pour des bicouches libre-libre (SiO2/Si) ;
2. la présence de flambage dans les membranes bicouches comprimées encastré-encastré (SiO2/Si) ;
3. un parfait accord entre essais de gonflement et essais de nano-indentation pour des films tendus (polimiide).
La photographie numérique de speckle permet de mesurer la carte des déplacements dans le plan. Elle est adaptée avec succès à un banc d'essais de traction conçu durant la thèse et spécialement dédié aux films minces. Un algorithme original de calcul a été développé pour obtenir une résolution subpixel. Les performances de l'algorithme sont comparées par des simulations et des expériences aux algorithmes classiques de corrélation. Sa rapidité et sa haute résolution permettent de calculer les cartes de déplacements en temps réel. Les déformations dans le plan en sont déduites et permettent le tracé des courbes contrainte/déformation puis le calcul du module d'Young E et du coefficient de Poisson v. Les matériaux choisis pour valider le banc d'essai sont le cuivre électrodéposé, matériaux ductile, puis le silicium monocristallin, matériaux fragile.
La projection de franges permet de mesurer la carte des déplacement hors-plan. Elle est adaptée à la mesure des contraintes résiduelles dans les films minces par analyses de courbure et/ou essais de gonflement. On montre suite à trois études expérimentales :
1. la précaution à prendre dans l'utilisation de la formule de Stoney même pour des bicouches libre-libre (SiO2/Si) ;
2. la présence de flambage dans les membranes bicouches comprimées encastré-encastré (SiO2/Si) ;
3. un parfait accord entre essais de gonflement et essais de nano-indentation pour des films tendus (polimiide).
La photographie numérique de speckle permet de mesurer la carte des déplacements dans le plan. Elle est adaptée avec succès à un banc d'essais de traction conçu durant la thèse et spécialement dédié aux films minces. Un algorithme original de calcul a été développé pour obtenir une résolution subpixel. Les performances de l'algorithme sont comparées par des simulations et des expériences aux algorithmes classiques de corrélation. Sa rapidité et sa haute résolution permettent de calculer les cartes de déplacements en temps réel. Les déformations dans le plan en sont déduites et permettent le tracé des courbes contrainte/déformation puis le calcul du module d'Young E et du coefficient de Poisson v. Les matériaux choisis pour valider le banc d'essai sont le cuivre électrodéposé, matériaux ductile, puis le silicium monocristallin, matériaux fragile.
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