Analyse du comportement d'interconnexions damascènes en cuivre testées en électromigrations

L'augmentation de la vitesse de fonctionnement des circuits intégrés conduit à remplacer les interconnexions en aluminium gravé par des interconnexions en cuivre réalisées à l'aide du procédé damascène. L'électro-migration, transport de matière induit par le passage d'un courant électrique, reste le mode de défaillance qui contrôle la f1abilité de ces nouvelles interconnexions. Cette fiabilité a été étudiée à l'aide de tests peu accélérés sur des dispositifs placés en étuve et de tests fortement accélérés réalisés directement sur les interconnexions. En termes de fiabilité, le gain substantiel apporté par les interconnexions en cuivre dépend fortement de la technique de dépôt mise en œuvre et de la nature des barrières de diffusion qui empêchent le cuivre de diffuser vers le substrat de silicium. Au cours de cette étude les résultats obtenus lors des tests très accélérés sont apparus cohérents avec ceux effectués en étuve. Pour les lignes polycristallines, les énergies d'activation des processus de transport évaluées sur l'ensemble des métallurgies testées sont substantiellement plus faibles que celles citées en référence pour l'autodiffusion du cuivre aux joints de grains. Une analyse approfondie des défaillances permet cependant de montrer le rôle actif de la diffusion aux joints de grains dans le processus de dégradation de ces interconnexions. Pour les lignes de type bambou (largeur de ligne inférieure à la taille de grains), le mécanisme' de transport prépondérant est la diffusion à l'interface cuivre/passivation. La texture des interconnexions en cuivre damascène est beaucoup plus complexe que celle des interconnexions en aluminium gravé ; toutefois la fiabilité des interconnexions testées est, au premier ordre, indépendante de cette texture. L'observation systématique d'extrusions de matière présentant une forme singulière en ailes de papillons tt nécessitera dans l'avenir des études approfondies pour une meilleure compréhension de ce mode de défaillance.The increase of integrated circuits speed functioning leads to the replacement of Al-based interconnects by copper interconnects integrated with the damascene process. Electromigration, which is a matter migration induced by an electric current, remains the failure mode ruling the reliability of these new interconnects. This reliability failure mode has been studied using moderately accelerated tests performed at package level and highly accelerated tests performed at wafer level. These two kinds of tests provided very consistent results. From the reliability point of view, the substitution of etched aluminum interconnects by damascene copper interconnects provided a substantial benefit whose magnitude depends on both the deposition process for copper and the nature of the diffusion barrier which prevents copper from diffusing towards the silicon substrate. For polycrystalline interconnects, the activation energy values of the diffusion processes are substantially lower than the reference values of copper self diffusion at grain boundaries. Nevertheless, a detailed failure analysis provided evidences that grain boundary diffusion plays a key role in the damaging process of copper interconnects. For bamboo-type interconnects (line width lower than grain size), the dominating transport mechanism is diffusion at the upper interface. The texture of damascene copper interconnects is much more complex than the texture of etched Al-based lines and has no substantial impact on the electromigration behaviour of the copper lines. The systematic observation of butterfly wings-shaped extrusions will necessitate detailed studies for a better understanding of this additional failure mode.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Prévision de la distribution des durées de vie en fatigue de roulement à partir des caractéristiques mécaniques et inclusionnaires de l'acier

L écaillage profond amorcé en profondeur est le mode de défaillance le plus courant des roulements subissant une fatigue de contact, en conditions de lubrification élasto-hydrodynamique suralimentée et de roulement sans glissement. Il provient des inclusions non métalliques présentes dans le champ des contraintes dû au contact ; elles y provoquent une concentration des contraintes qui entraîne la décomposition de la martensite, dans un domaine localisé, appelé papillon. Cette décomposition est due aux mouvements de va-et-vient des dislocations émises pour accommoder les incompatibilités élastoplastiques entre inclusion et matrice. La non renversabilité de ces mouvements conduit à l accumulation de dislocations dans le papillon sous l effet du chargement cyclique. Lorsque leur densité atteint une valeur critique, une fissure apparaît. Cette fissure peut se propager en mode ii jusqu à la surface et provoquer un écaillage. Dans les conditions particulières de la fatigue de roulement, les processus complexes de l amorçage et de la propagation des fissures sont modélisés. Ces modélisations s appuient sur des caractérisations élastoplastiques du comportement monotone et cyclique de l acier et élastiques des inclusions. Elles intègrent une nouvelle adaptation du modèle de HERTZ pour décrire des contacts présentant une légère plasticité. La caractérisation des populations d inclusions s appuie sur l utilisation conjointe de techniques complémentaires. Cette caractérisation permet d utiliser les modélisations précédentes dans des simulations de MONTE-CARLO des durées de vie. La concordance entre les résultats d essais et de simulation autorise une exploitation paramétrique du modèle pour caractériser, en particulier, les effets d échelle et ceux de la charge appliquée. En outre, les distributions des durées de vie présentent des taux de survie à l infini incompatibles avec une loi de weibull ce qui nous conduit à proposer une nouvelle formulation de la loi de survie.The most frequent way of failure for roller bearings is in-depth spalling in the case of fully flooded elasto-hydrodynamic conditions without sliding. It is due to non-metallic inclusions in the stress field induced by the contact. This stress field is concentrated around inclusions and it produces martensite decay in a localised area called butterfly or white etched area. This decay is the result of backward and forward motions of the dislocations emitted to accommodate elastoplastic incompatibilities between the inclusion and the matrix. The non-renversability of these motions leads to dislocations storage in the butterfly under the effect of cyclic loading. When dislocation density reaches a critical value, a crack initiates. This crack can eventually propagate in mode ii up to the surface and cause a spalling, responsible for the bearing failure. In the very peculiar scope of rolling fatigue, the complex process of crack initiation and crack propagation are modelled. These models are based on elastoplastic characterisations of monotonous and cyclic steel behaviour and on elastic inclusion behaviour. More precisely, they include a new modification of HERTZ s model to describe slightly plastic contacts. The inclusion population characterisation is based on joint use of complementary techniques. This characterisation allows the use of those models in fatigue test MONTE-CARLO s simulations. The agreement between tests and simulation results allows a model parametric analysis to clarify scale effects, applied load effects and behaviour for small failure rate. Moreover, life time distributions have survival rate on infinity. This does not agree with a WEIBULL s law. It leads us to propose a new bearing survival analytical probability law.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Limite d'endurance et durée de vie en fatigue de roulement du 32CrMoV13 nitruré en présence d'indentations

Ce travail est consacré à l'étude des mécanismes d'endommagement du 32CrMoV13 nitruré sollicité en fatigue de roulement en présence d'indentations. Dans un premier temps, nous avons développé un code de contact élastoplastique semi-analytique permettant la prise en compte d'un chargement roulant. Ce code, nécessaire à la simulation du rodage des indents, a été validé en comparant ses résultats avec des simulations réalisées avec le logiciel d'éléments finis ABAQUS et avec des résultats expérimentaux. Dans une seconde étape, nous avons mis au point une méthode de mesure locale de micro-limite d'élasticité par nano-indentation en tenant compte de la présence éventuelle de contraintes résiduelles. Nous l'avons alors appliquée à la mesure du profil de micro-limite d'élasticité du 32CrMoV13 nitruré. Nous avons également mis en lumière l'influence de la géométrie des pièces nitrurées sur les contraintes résiduelles de nitruration. Dans une troisième étape, nous avons étudié le comportement expérimental du 32CrMoV13 nitruré sollicité en fatigue de roulement en présence d'indentation. Nous avons alors pu mettre en évidence le rôle prépondérant du glissement et nous avons identifié deux zones d'initiation de l'endommagement. Enfin, nous avons analysé le processus d'indentation et le passage du corps roulant sur l'indent. Nous avons alors pu déterminer quels indents dépassent la limite d'endurance et sont susceptibles de s'endommager, classer les indents selon leur dangerosité relative et comparer les qualités relatives du 32CrMoV13 nitruré et du M50 quant à la tenue à la fatigue de roulement en présence d'indentation.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Development of a thre-dimensional semi analytical elastic-plastic contact code

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Study of the damage mechanisms in an OSPREY™ Al alloy-SiCp composite by scanning electron microscope in situ tensile tests

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Development of a Three-Dimensional Semi-Analytical Elastic-Plastic Contact Code

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Microplasticity characteristics obtained through nano-indentation measurements : application to surface hardned steels

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On the influence of residual stresses on the determination of the micro-yield stress profile in a nitrided steel by nano-identation

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Structural and transient internal friction due to thermal expansion mismatch between matrix and reinforcement in Al-Sic particulate composite

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Influence of inclusion pairs, clusters and stringers on the lower bound of the endurance limit of bearing steels

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