Caractérisation de couches minces par ondes de surface générées et détectées par sources lasers

Thin films characterization using surface acoustic waves generated and detected by laser sources

• Auteur / Autrice : Sabrina Fourez
• Direction : Mohamed Ourak, Frédéric Jenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 14/05/2013
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique- de microélectronique et de nanotechnologie / IEMN
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Marcel Gindre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Ourak, Frédéric Jenot, Guy Feuillard, Christ Glorieux, Hong Wu Li, Daniel Royer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Feuillard, Christ Glorieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Microélectronique

Essais par ultrasons

Mots clés libres

Couches minces

Ultrasons-lasers

Mode de Rayleigh

Epaisseur

Constantes élastiques

Microfissures

Adhérence

Eléments finis.

Thin films

Laser ultrasonics

Rayleigh mode

Thickness

Elastic constants

Microcracks

Adherence

Finite elements

Résumé

Les dépôts effectués sur substrats de silicium sont très courants notamment dans le domaine de la microélectronique. Les propriétés physiques recherchées pour ce type de structures dépendent fortement de celles de la couche. Il apparaît donc essentiel de connaître les paramètres élastiques ainsi que l’épaisseur des films considérés. De plus, la détection de certains défauts concernant la couche est souvent recherchée. L’objectif de ce travail a été de contribuer à la caractérisation de structures du type couche sur substrat. Pour cela, les ultrasons-lasers présentent de nombreux avantages puisqu’ils autorisent entre autres leur contrôle non destructif sans contact. Les ondes acoustiques de surface dans une gamme de fréquence s’étendant jusqu’à 45 MHz ont été utilisées. Nous avons développé différents modèles analytiques et les résultats expérimentaux ont aussi été comparés à certaines simulations par éléments finis. Plus particulièrement, nous avons montré qu’il était possible d’obtenir l’ensemble des paramètres élastiques du substrat et de la couche ainsi que l’épaisseur de cette dernière. Par ailleurs, nous nous sommes aussi intéressés à la détection de certains défauts en régime impulsionnel mais aussi quasi-monochromatique. Des résultats originaux concernant l’effet d’une absence de couche de forme déterminée sur le premier mode de Rayleigh ou bien encore de problèmes d’adhésion ont été présentés. Sur ce dernier point, une méthode innovante permettant de distinguer un fort niveau d’adhésion d’un faible a aussi été introduite.

Thin films deposited on silicon substrates are very common especially in microelectronic applications. The physical properties expected for these types of structures depend on the properties of the layer. Therefore, it is essential to know elastic parameters and thickness of the films considered. Furthermore, some layer defects detection is often required. The aim of this work was to contribute to the characterization of structures composed of a single layer deposited on a substrate. For this, laser ultrasonics offers many advantages since it is nondestructive and non-contact method. Surface acoustic waves excited in a frequency range up to 45 MHz are used. Analytical models have been developed and experimental results have also been compared with some finite element simulations. More specifically, we have shown that it was possible to obtain the thickness of the layer and all elastic parameters of both substrate and layer. In addition, we have been interested in the detection of various defects with a broadband and quasi-monochromatic excitation. Original results concerning the effect of a lack of layer with a specific geometry on the first Rayleigh mode or even adhesion problems were presented. Concerning this last point, an innovative method to tell difference between high and low adhesion was introduced.