Chapitre 3 : Caractérisation ultrasonore de structures à couche

3.1 RAPPEL GENERAL SUR LES COUCHES MINCES

3.1.2 E XEMPLES D ’ APPLICATIONS DES COUCHES MINCES

3.1.2.1 Dans les composants et les dispositifs électroniques

3.2 PROPAGATION DES ONDES DE RAYLEIGH DANS LES STRUCTURES A COUCHE ... 100

3.2.1 EQUATION DE PROPAGATION ET CONDITIONS AUX LIMITES ... 101

3.2.1.1 Solutions de l’équation de propagation ... 101 3.2.1.2 Conditions aux limites... 103

3.2.2 RELATIONS DE DISPERSION POUR LES MODES DE RAYLEIGH ... 104 3.2.3 LES DIFFERENTS MODES DE RAYLEIGH ... 106

3.2.3.1 Cas "stiffening" ... 106 3.2.3.2 Cas "loading" ... 108 3.2.3.3 Cas intermédiaire ... 109

3.3 CARACTERISATION DE COUCHES MINCES DEPOSEES SUR UN SUBSTRAT

3.3.1 METHODES DE CARACTERISATION CLASSIQUEMENT EMPLOYEES ... 111

3.3.1.1 La nano-indentation ... 112 3.3.1.2 Le profilomètre ... 113 3.3.1.3 Les méthodes ultrasonores ... 114

3.3.2 CARACTERISATION DE COUCHES DEPOSEES SUR SUBSTRAT DE VERRE PAR ONDES DE SURFACE HF

GENEREES PAR IDT ... 119

3.3.2.1 Protocole expérimental ... 119 3.3.2.2 Modélisation de la transmission de l’onde surface par éléments finis ... 122 3.3.2.3 Dispersion du mode de Rayleigh sur les structures or/verre ... 123 3.3.2.4 Résultats expérimentaux ... 125 3.3.2.5 Méthode d’inversion ... 127 3.3.2.6 Détermination des propriétés de la couche et du substrat ... 128

Introduction

Ce chapitre sera consacré à la résolution du problème inverse dans le but de caractériser des structures de type couche sur substrat à partir de courbes de dispersions expérimentales des ondes acoustiques de surface se propageant dans ces structures. Dans le cadre de la résolution de ce problème inverse, nous allons faire correspondre les vitesses calculées théoriquement à celles mesurées expérimentalement en ajustant les paramètres élastiques de la structure analysée. Les caractéristiques de cette dernière seront ainsi déduites à partir du modèle théorique et des mesures expérimentales. Nous nous proposons dans ce chapitre de résoudre le problème inverse sur deux échantillons de verre sur lesquels nous avons déposé une couche d’or de 500 nm et 1 µm respectivement. Ces échantillons seront caractérisés par des ondes acoustiques de surface hautes fréquences générées par des transducteurs interdigités et détectées par interférométrie laser. Nous effectuerons dans une première partie un bref rappel sur les couches minces ainsi que sur la propagation des ondes de Rayleigh dans ces structures de type couche sur substrat. Enfin, nous détaillerons le protocole expérimental qui nous a permis de mesurer avec précision les vitesses de phase des ondes de surface et la résolution du problème inverse qui nous a permis d’estimer leurs paramètres élastiques.

3.1 Rappel général sur les couches minces

3.1.1 Introduction

Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé "substrat". Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce tout en bénéficiant des propriétés massives du substrat (en général : tenue mécanique).

Par principe, la couche n’a pas nécessairement de limites physiques bien déterminées. Une couche d’un matériau donné est un élément de ce matériau dont l’épaisseur a été fortement réduite. Cette faible distance entre ses deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. La différence entre le matériau à l’état massif et à l’état de couche est principalement due au fait que l’on néglige le rôle des limites dans les propriétés. Ces effets liés aux surfaces limites sont prépondérants dans les couches dites minces. Plus l’épaisseur sera faible plus les effets perturbateurs dus à l’épaisseur seront importants et inversement jusqu’à ce que le matériau retrouve les propriétés du matériau massif. L'épaisseur de la couche mince est donc une donnée importante à connaître lors de l'utilisation de ce genre de structure.

Toutefois il est assez difficile de définir une couche mince par cette seule notion. En effet, la limite de l’épaisseur qui sépare couche mince/épaisse est néanmoins floue. De plus, il est nécessaire de caractériser ces couches minces afin de garantir leur qualité et leur tenue dans le temps. Afin d’estimer l’épaisseur d’une couche, des méthodes de caractérisation sont généralement utilisées mettant en œuvre soit un indenteur, des rayons X ou encore des ultrasons. Ces techniques présentent chacune des avantages et inconvénients différents, qui font l'objet du §3.3.1. Nous détaillerons ensuite notre méthode de caractérisation et montrerons son originalité et l’intérêt qu’elle apporte par rapport aux autres méthodes.

3.1.2 Exemples d’applications des couches minces

Les couches minces se distinguent plus par leurs applications et leurs modes de dépôt que par leurs épaisseurs. Grâce aux différentes technologies de fabrication actuelle, les couches minces trouvent leur place dans des domaines très variés. Parmi les principaux domaines que comportent les applications de couches minces, nous pouvons entre autres distinguer les éléments d’interconnexion, les composants actifs et passifs, les composants optiques, magnétiques, chimiques et biologiques, les capteurs, les revêtements de protection des surfaces, mais encore les éléments décoratifs. Selon le type d’application, les techniques de dépôt sont plus ou moins complexes mais relèvent toutes de procédés décris au §2.2.1.

3.1.2.1 Dans les composants et les dispositifs électroniques

- L’interconnexion :

Les technologies des couches minces ont joué un rôle important dans le développement des composants électroniques et notamment celui des semi-conducteurs afin d’assurer les interconnexions entre les éléments d’une même puce [Georgel 08 ; Massénat]. Leur rôle est de distribuer les signaux électriques et de connecter les différents composants actifs. Trois matériaux sont couramment utilisés. Le premier, l’aluminium, reste le plus utilisé dans les techniques de semi-conducteur. C’est un matériau qui possède une très bonne conductivité électrique (37,7×106 S/m) et qui se dépose facilement par évaporation thermique, méthode de dépôt lui procurant une excellente adhérence aux substrats. Le deuxième, l’or, est un métal noble et présente donc l’avantage de ne pas s’oxyder. Il présente également une meilleure conductibilité (45,2×106 S/m) et se dépose aisément par pulvérisation cathodique ou évaporation. Le troisième, le cuivre, possède les mêmes facilités de dépôt que l’or. Sa conductivité électrique (59,6×106 S/m) est excellente et se révèle être un atout important dans les dispositifs fonctionnant à des fréquences élevées du fait des pertes d’énergie.

- Les composants et les dispositifs électroniques :

La technologie des couches minces se retrouve principalement dans le domaine de l’électronique, de la microélectronique et de la nanotechnologie. Plusieurs domaines d’applications peuvent être distingués : le domaine des circuits analogiques, codeurs, le domaine des applications hyperfréquences et optoélectroniques. Cela couvre un panel assez large d’applications qui va du simple composant électronique à des dispositifs plus complexes.

Composants actifs.

Il est possible de réaliser des transistors en couches minces qui sont assez proches des MOSFET1. On les retrouve par exemple dans le cas des panneaux LCD pour lesquels un transistor de commutation est associé à chaque pixel du panneau. D’autres applications possibles demeurent dans les panneaux solaires ou les diodes hétérojonction réalisées à partir d’un dépôt de film mince [Massénat].

Composants passifs.

Les éléments passifs réalisés en couches minces sont habituellement les résistances et condensateurs. Les couches minces permettent de concevoir des résistances et des condensateurs de grande précision et de haute stabilité dans le temps et en température. La figure 3-1 montre un réseau couches minces de 19 résistances identiques montées sur un substrat en verre avec un point commun.

Figure 3-1 : Réseaux couches minces [Massénat].

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Exemple d’application de couches minces dans un dispositif électronique.

Le filtre à ondes acoustiques de surface est l’exemple typique de l’usage des couches minces dans une fonction électronique radiofréquence. Ces filtres permettent suivant le dessin des peignes interdigités de réaliser une fonction de transfert appliquée au signal RF (ligne à retard,

filtre, résonateur, …). Figure 3-2 : Architecture d’un filtre à

résonateurs type "échelle" [Defranould].

Dans le document Caractérisation ultrasonore de structures à couche et à gradient de contraintes par ondes de surface haute fréquence générées par capteurs MEMS de type IDT -SAW (Page 106-111)