Thermoréflectance

La thermoréflectance est une technique optique pompe-sonde proposée en 1982 par J. Opsal et A. Rosencwaig [63, 64]. Elle est utilisée pour la caractérisation ther-mique des couches minces à l’échelle submicrométrique car elle possède une ré-solution assez élevée, comparable au diamètre de la tache de Rayleigh, de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde des faisceaux. Lorsque les échelles de temps et d’espace caractéristiques du système étudié sont de l’ordre de grandeur du libre parcours moyen et du temps de collision qui séparent deux porteurs de chaleur entre deux collisions, l’observation de phénomènes thermiques est impossible avec des systèmes classiques tels que les thermocouples. En effet, la taille du système ne permet pas la mise en place d’instrumentation de mesure directe des champs de température. De même, l’échelle de temps ultracourte des phénomènes engendrés

implique la mise en place d’instruments répondant plus vite que les phénomènes observés. Une solution est alors de déterminer l’évolution de température via l’évo-lution des propriétés optiques du système. Ainsi, des techniques optiques basées sur des montages pompe-sonde dans le domaine temporel, ont fait leurs apparitions avec le développement des lasers impulsionnels pico et femtoseconde [65].

Le principe de la thermoréflectance pompe-sonde, illustré par la figure1.19, consiste

Laser sonde

Laser pompe

Photodiode

FIGURE1.19 – Principe de la détection photothermique par thermo-réflectance.

à créer une perturbation thermique dans un matériau par absorption d’une impul-sion lumineuse brève provenant d’un faisceau laser « pompe » . L’absorption du fais-ceau pompe engendre un gradient de température qui donne lieu à la propagation d’un flux de chaleur au sein du matériau [66].

Ce flux de chaleur engendre des perturbations qui entraînent des phénomènes de dilatation et de compression du réseau qui se propagent sous la forme d’une onde acoustique dont la célérité est celle du son dans le matériau. La variation de tempé-rature ainsi créée dans l’échantillon se traduit par un changement de la réflectivité de surface [67-69]. Ces variations locales sont mesurées à l’aide d’une source optique non perturbatrice ou faisceau sonde. Ce faisceau est réfléchi par l’échantillon. L’évo-lution de son intensité est directement liée à la variation de réflectivité de surface ∆R qui apparait suite à la relaxation thermique du matériau. L’intensité du faisceau

sonde est enregistrée à l’aide d’une photodiode. Une loi empirique linéaire est géné-ralement utilisée pour relier ∆R et ∆T. Dans l’hypothèse d’une faible élevation de la température ∆T, nous avons en première approximation :

R(T₀+∆T) =R₀+∆R =R₀+∂R

∂T^∆T

(1.70)

où T₀est la température ambiante et R₀est la réflectivité de surface à la température ambiante. Ainsi, la variation de température est reliée au changement de la réflecti-vité de surface par la relation [70] :

∆T = 1 R0 ∂R ∂T −1∆R R0 (1.71)

où le coefficient de proportionnalité ¹ R₀

∂R

∂T ^{est appelé le coefficient de} thermoréflecti-vité. Il dépend des propriétés thermo-optiques du film étudié et des caractéristiques du faisceau sonde [71].

Ainsi, mesurer ∆R à travers la mesure de l’intensité du faisceau sonde réflé-chi permet d’analyser le profil de température dans l’échantillon qui apparait suite à l’excitation thermique. Cette analyse permet de déterminer les paramètres ther-miques du matériau.

Une mise en œuvre efficace de la technique de caractérisation par thermoré-flectance et qui conduise à une mesure sensible de la température de surface doit prendre en compte la dépendance du coefficient de réflexion vis-à-vis de la tem-pérature, de la longueur d’onde d’illumination et de la nature du composant en surface. En effet, des interférences optiques se produisent dans les couches minces, conduisant éventuellement à des variations des propriétés des échantillons. De plus, la sensibilité des mesures de thermoréflectance^∂R

∂T ^{peut varier de près d’un ordre de} grandeur avec la longueur d’onde d’illumination. Dans tous les cas, les effets mesu-rés restent faibles, puisque ^∂R

∂T ^{est généralement de l’ordre de 10}

−3à 10⁻⁵K⁻¹ [72]. Ainsi la mesure d’une variation relative du flux réfléchi de l’ordre de 10⁻4 à 10⁻6

est nécessaire afin d’obtenir une précision de l’ordre de 0,1 K. Il semble donc as-sez difficile de faire une mesure de variation de température en mesurant le flux réfléchi par l’échantillon en continu. La mesure d’une variation alternative du flux incident, même de quelques millièmes, est beaucoup plus facile à mesurer qu’une

variation continue. En effet, dans le cas où un champ de température continu se superpose au champ de température modulé, le flux réfléchi comporte une compo-sante alternative facile à extraire. En utilisant un traitement de signal adapté, une détection synchrone, on mesure la faible variation modulée du coefficient de ré-flexion. Les expériences menées avec le microscope photothermique conduisent à deux types de courbes enregistrées simultanément. L’une correspond à l’amplitude du signal, représentant l’amplitude de la modulation de température, c’est à dire l’écart de température maximal, en unités arbitraires, mesuré en un certain nombre de points. L’autre courbe correspond à la phase relative du flux modulé réfléchi par rapport à celle de l’excitation. Considérée comme méthode de mesure de propriétés thermiques, la thermoréflectance sera employée sur des matériaux en couche mince chauffés par une source extérieure modulée à une fréquence connue, engendrant une « onde thermique » dont la propagation dans le milieu, ainsi que nous le ver-rons, dépendra de la fréquence de la source, connue, des propriétés thermiques du matériau et des résistances thermiques d’interfaces, à déterminer. Outre ses applica-tions à l’étude des propriétés thermiques de matériaux, on peut aussi mesurer des températures à l’aide du dispositif de thermoréflectance où on l’appliquera alors à des composants électroniques ou microélectroniques dont le fonctionnement en cou-rant modulé sera source de chaleur par effet Joule. Il faudra alors coupler la mesure de variation de réflectivité avec un dispositif d’étalonnage permettant de mesurer, pour le matériau du composant, le coefficient de proportionnalité entre ∆R et ∆T.

1.4.4 Choix d’une technique pour la caractérisation thermique des