Etude mécanique de micro-miroirs sphériques réalisés par flambage de membranes minces multicouches

Jean Thevenet (1) , Patrick Delobelle (1) , Pascal Blind (2) , Valérie Pétrini (1) , Michel de Labachelerie (1)

1 FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174)
2 CTMN - Centre de Transfert des Micro et Nano-technologies

This paper is devoted to the study of a method for the fabrication of concave micromirrors for optical applications. The studied method is based on a multilayer ultra-thin membrane, composed of a stack of identical bilayers, designed to obtain the desired reflection coefficient. An approximately spherical shape is obtained by the buckling of the membrane under an in-plane isotropic compressive stress. This paper presents the context of this study, and shows how to measure and to model the average stress in a stack whose material and geometrical characteristics (number and thickness of the layers), are imposed by the optical application. We first present the fabrication process that we have developed to make these mutilayers membranes, and then we show that it is possible to derive their average stress from a deformation measurement, thanks to an appropriate buckling model. Then we show that the average stress inside the membrane can be obtained by a separate measurement of the stress associated to the deposition of each individual layer. Hence, we have elaborated and tested a model that allows the prediction of the average stress inside this class of multilayer stacks, as well as the deformation of the obtained concave membrane, as a function of the geometrical and mechanical parameters (stresses and Young’s modulus) of each layer.

L’objet de cet article est l’étude et la réalisation de micromiroirs concaves pour des applications à la micro-optique. Fabriquer des miroirs sphériques de bonne qualité optique sans utiliser de polissage est un défi intéressant, et très utile pour la réalisation de micro-composants optiques sophistiqués en utilisant les technologies de la microélectronique. La méthode explorée dans ce travail consiste à utiliser une membrane ultra-mince, constituée d’un empilement de bicouches identiques, dont l’enchaînement permet de maîtriser la réflectivité, et dont les contraintes internes conduisent à une déformée approximativement sphérique obtenue par flambage. Nous présentons tout d’abord le procédé de fabrication qui a permis de réaliser ces membranes multicouches pour l’optique, puis nous montrons qu’il est possible de quantifier les contraintes mécaniques dans ces membranes par mesure de leurs flèches au moyen de modèles de flambage appropriés. Nous montrons également que la contrainte moyenne de l’empilement peut être obtenue par la mesure séparée des contraintes de dépôt de chaque couche. Ainsi, nous validons un modèle qui permet de prédire les contraintes de l’empilement, ainsi que la flèche de la membrane concave obtenue, connaissant la géométrie de l’empilement et les caractéristiques mécaniques de chaque couche (module d’élasticité, contraintes de dépôt).

Mots clés: MOEMS; flambage; nano-indentation; membranes multicouches; MOEMS

Domaines: Mécanique des structures [physics.class-ph]

Jean Thevenet, Patrick Delobelle, Pascal Blind, Valérie Pétrini, Michel de Labachelerie. Etude mécanique de micro-miroirs sphériques réalisés par flambage de membranes minces multicouches. 17e Congrès Français de Mécanique (CFM2005), Aug 2005, Troyes, France. ⟨hal-00019722⟩