Développement d'un dispositif optique pour mesurer la diffusivité thermique dans les systèmes bidimensionnels

Development of an optical setup for measuring heat diffusivity in bi-dimensional systems

• Auteur / Autrice : Joan Younes
• Direction : Damien Fabrègue, Maher Soueidan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Malek Tabbal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Fabrègue, Maher Soueidan, Malek Tabbal, Aurélien Bruyant, Sara Najem, Séverine Gomes
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurélien Bruyant, Sara Najem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusivité thermique

Matériaux -- Propriétés thermiques

Mots clés libres

Matériau

Diffusivité thermique

Emission infrarouge

Caractérisation du matériau

Caractérisation optique

Caractérisation thermique

Couche ultra-Mince

Semi-Conducteurs

Caractérisation thermique sans contact

Défauts de sous-Surface

Systèmes bidimensionnels

Materials

Thermal diffusivity

Infrared emission

Characterization of material

Optical Characterization

Ultra-Thin layers

SemiConductors

Technique photo-Thermique

Non-Contact thermal characterization

Subsurface defects

Bi-Dimensional systems

Résumé

Les semi-conducteurs sont essentiels à tous les domaines de technologie. Le besoin continuel pour des semi-conducteurs plus rapides et plus puissants, associé à la tendance à la miniaturisation, a conduit à la nécessité d'une gestion thermique efficace des semi-conducteurs, afin de minimiser les défauts des composants. Les outils de caractérisation thermique sont essentiels pour une bonne gestion thermique et pour la conception des différents composants. Cette thèse est consacrée à la description d'une technique photo-thermique de déviation de faisceau (sans contact), basée sur l'effet mirage, utilisant un laser moyen IR comme faisceau de pompe de chauffage modulé, et un laser visible comme faisceau de sonde rasant la surface de l'échantillon. Le faisceau laser modulé crée un gradient de température dans l'air au voisinage de la surface de l'échantillon, provoquant ainsi une déviation du faisceau de sonde. Cette déviation est synchronisée avec la modulation du faisceau de pompe. Un détecteur de position permet de mesurer la déviation du faisceau de sonde grâce à une amplification synchrone à verrouillage. Pour une fréquence de modulation donnée, la distance pompe-sonde est variée et les composantes de la déflexion (déflexions transversale et longitudinale) du faisceau de sonde, sont enregistrées en fonction de la distance de décalage des deux faisceau pompe-sonde. Les mesures sont répétées pour différentes fréquences. Un logiciel spécialisé permet d'adapter les données à des modèles mathématiques théoriques et d'obtenir ainsi le paramètre de diffusivité thermique de l'échantillon. L'utilisation du laser infrarouge a donné à cette technique des caractéristiques uniques, telles que la capacité à mesurer la plupart des types d'échantillons, sans qu'il soit nécessaire de prendre des mesures spéciales ou de déposer une couche métallique sur la surface de l'échantillon, comme c'est le cas avec d'autres techniques de caractérisation thermique sans contact. La technique a été validée avec succès sur différents échantillons présentant des diffusivités thermiques connues. Une autre caractéristique unique est la capacité de cette technique à réaliser une imagerie et un profil de la sous-surface. Cette caractéristique a été utilisée pour imager avec succès des défauts de sous-surface. Deux autres applications ont également été étudiées pour illustrer la capacité de cette technique: - Mesure de diffusivités thermiques dans le plan et en travers du plan pour un ensemble d'échantillons (in-plane and cross-plane thermal diffusivity). - Mesure de la diffusivité thermique pour des couches ultra-minces (jusqu'à 3 nm d'épaisseur), permettant également d’identifier une autre caractéristique pour cette technique: la génération d'ondes de surface qui augmentent considérablement la diffusivité thermique du matériau.

Semiconductors are essential to all technology fields. The continuous need for higher speeds and higher power semiconductors, coupled with the continuous miniaturization trend has led to the necessity of proper thermal management in semiconductors, to minimize component failure. Thermal characterization tools are essential for proper thermal management and component design. This Thesis is dedicated to describing a developed non-contact photothermal beam deflection technique, employing a mid-IR laser as a modulated pump beam, and a visible laser as a probe beam. The modulated Laser beam creates a temperature gradient on both sides of the sample’s surface, causing a deflection of the probe beam which is synchronized with the modulation of the pump beam. A position sensitive detector allows the measurement of the probe beam deflection through synchronous lock-in amplification. For a given modulation frequency, the offset distance between the probe and heating beam is varied, and the deflection components (Transverse and longitudinal deflections) are recorded through a home-made software. Measurements are repeated for different frequencies and data are fitted to theoretical mathematical models to retrieve the thermal diffusivity of the measured sample. Using a mid-IR heating laser has given the technique developed in this thesis unique features, such as the ability to measure most types of samples without the need of any metal layer on the sample’s surface, as is the case with other non-contact thermal characterization techniques. The Technique was validated successfully on different samples with known thermal diffusivities. Another unique feature is the ability of this technique to perform subsurface imaging and subsurface profiling. This feature was used to successfully image subsurface defects. Two other applications were also investigated to prove the power of this technique: - Measurement of in-plane and cross-plane thermal diffusivities for a set of samples. - Measurement thermal transport by surface modes in ultra-thin layers (down to 3nm in thickness).