LA MICROSCOPIE ACOUSTIQUE ET SES APPLICATIONS AUX DEFAUTS DANS LES SEMICONDUCTEURS

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Submitted on 1 Jan 1983

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LA MICROSCOPIE ACOUSTIQUE ET SES APPLICATIONS AUX DEFAUTS DANS LES

SEMICONDUCTEURS

J. Attal, J. Dandonneau, M. Zahouni, Ly Can

To cite this version:

J. Attal, J. Dandonneau, M. Zahouni, Ly Can. LA MICROSCOPIE ACOUSTIQUE ET SES AP-

PLICATIONS AUX DEFAUTS DANS LES SEMICONDUCTEURS. Journal de Physique Colloques,

1983, 44 (C4), pp.C4-479-C4-483. �10.1051/jphyscol:1983458�. �jpa-00223078�

LA

MICROSCOPIE ACOUSTIQUE ET SES APPLICATIONS AUX DEFAUTS DANS LES SEMICONDUCTEURS

J. Attal, J.M. Dandonneau, M. Zahouni et Ly Cong Can

Laboratoire d'dutomatique e t de Microe'zectronique, U.S. T . Z., PZace E.

BatuiZZon, 34060 Montpezlier Cedex, France

Rksum6- Un nouveau type de microscope utilisant des hypersons dans la gamme du Gigahertz est dkcrit dans le prksent exposk. Cet instrument permet de visualiser des structures en profondeur dans des solides avec une rksolu- tion pouvant atteindre une fraction de micron. Cette techni- que nouvelle laisse prksager de nombreuses applications en contr8le non destructif, des semiconducteurs et mktaux ou en gknie bioiogique et nkdical.

Abstract

A new kind of microscope using, ultrasounds in the Gigahertz range is described. This instrument can show up structures in depth with a lateral resolution better than one micron. Such a technique appears as a unique way to investigate, semiconductors, metals and biological tissue in non destructive testing.

La conception dans les annkes 1974 d l u n appareillage h ultrasons per- mettant de p6nktrer la surface des solides avec une rksolution de l l o r d r e ou meilleure que le micron a donnk le jour h un nouveau type dlapplication dans le domaine du test non destructeur / I / . I1 n l e s t pas encore possible h ce jour dlen Qvaluer l l i m p a c t exact vu le nombre de secteur concern6 qui va de la biologie h la gkologie en passant par la micromktallurgie et la rnicroklectronique. I 1 existe dans la nature, en effet plus de corps "transparents" aux ultrasons q u l i

lumisre et en tout ktat de cause la plupart des solides ont des constantes d1absor- ption acoustique un bon millier de fois, au moins, inferieures aux absorptions optiques. De cette propri6tk physique fondame,ntale nait la possibilitg dlimagerie de structures situkes h llintkrieur de corps optiqueinent opaques. Ce nouveau type de microscope a des performances comparables aux microscopes optiques avec une rksolution d l a u t a n t meil- leure que l 1 o n visualise pr&s de la surface. Les phnktrations obtenues vont actuellement j u s q u t a u millimstre mais ce systsme pourra facilement s16tendre j u s q u l a u centimstre. I1 est ainsi possible dlobserver tout changement de nature h affecter 116lasticit6 d l u n mat6riau c'est-h- dire

variations locales de densit6 de vitesse, micro-fracture, col- lage de deux mat6riaux ou soudure, changement de phase ou d 1 k t a t , contraintes etc... Quelques exemples sont propos6s nontrant certaines des possibilitks de cet instrument, et les perspectives dlapplicationS futures.

I

DESCRIPTION MICROSCOPE ACOUSTIQUS (F'ig.

et

De tous les microscopes acoustiques rkalishs A ce jour c l e s t le modele

h balayage, qui de par sa simplicitk et ses possibilitks a kt6 retenu

dans le pr6sent exposk. Le principe utilisk s1inspire beaucoup de

lloptique puisqulil comprend essentiellement un gknhrateur dlultrasons

constituk par un matkriau piezo6lectrique dlkpaisseur de l l o r d r e du

micron (oxyde de zinc par exemple), ce mathriau transforme avec un

C4-480 JOURNAL DE PHYSIQUE

,

i

,/-- \

F i g . 1 Schgma s y n o p t i q u e d e l a p a r t i e a c o u s t i q u e du microscope Schematic diagram of t h e a c o u s t i c microscope

F i g . 2 Photo d e l a p l a t i n e mecanique Photo of t h e mecanical s e t - u p

fait

l l a i d e d l u n e lentille qui nlest autre q u l u n dioptre sph6rique constitu6 de deux milieux dont les indices, ctest-A-dire les vitesses de propagation hlectromagn6tiques sont differentes

en acoustique il en va de meme except6 que les mathriaux choisis pour constituer le dioptre auront des vitesses acoustiques diffgrentes. ConcrBtement le barreau de saphir comportera

son extr6mit6 une cavit6 creusee et Polie d l u n diam&tre pouvant aller de 3 0 microns

quelques millimgtres suivant la distance focale choisie. Le second milieu sera liquide afin dlassurer le contact acoustique de llobjet et permettre son balayage, les ultrasons ne se propageant pas dans llair. Le faisceau dtultrasons ainsi produit est focalis6 par la lentille acoustique en une tr&s petite tSche situ6e dans le plan de llobjet. On explore l l i m a g e en d6plagant m6caniquement celui-ci suivant deux directions perpendicu- laires dans le plan focal de la lentille. A ce stade, il est possible de visualiser llobjet par r6flexion ou transmission par r6cup6ration du faisceau r6flQchi ou transmis. L'image est done form6e point par point le long d l u n e ligne, puis ligne par ligne d l u n e fagon identique 2 celle formQe sur la surface photosensible d l u n tube image de t616vision. Le balayage de l l o b j e t effectu6 m6caniquement est par contre beaucoup plus lent et il faut plusieurs secondes pour acquQrir une image complgte dy llobjet. Les signaux r6flQchis ou transmis sont d6tect6s et servent a moduler, apr6s acquisition sur mgrnoire digitale, llintensit&

fais- ceau d161ectrons d l u n t6lkviseur ordinaire, le synchronisme entre mou- vement de llobjet et balayage TV Qtant assurQ par des capteurs de position. Les grandissements atteints vont d l u n e dizaine

quelques milliers. Dans 1 1 6 t a t actuel de notre systgme, le balayage rapide horizontal de l l o b j e t est assure par un vibreur fonctionnant jusqul& 50 Hz et pouvant assurer un d6placement de 5 millim&tres. Le mouvement vertical de l l o b j e t plus lent est entrafn6 par un moteur

courant continu. Le liquide de transmission utilisk d6pend actuellement des performances escompt6es. Primitivement l'eau Qtait utilishe pour son absorption acoustique plus faible que bien dlautres liquides et sa comptabilit6 avec les objets biologiques. I1 n l e n reste pas moins qulelle pr6sente une absorption acoustique considbrable (200 db par millim&tre travers6

1 GHz) et limite les performances du microscope autour d l u n e fraction de micron de rQsolution. La dimension des lentil- les permettant dlobtenir (cette r6solution se situe autour d l u n e tren- taine A une centaine de microns de rayon de courbure et sont usin6es dans le saphir & l l a i d e de microbilles, ou dloutils diamantQs

bout sph6rique calibr6s.

I1 - MISE EN EVIDENCE DES POSSIBILITES D'IMAGERIE EN PROFONDEUR

Parmi les nombreuses applications dkcrites en dgtail dans de prQc6-

dentes publications / 2 - 4 / nous avons s6lectionn6 la derni&re en date et

peut &tre la plus spectaculaire. I 1 s'agit de la visualisation intg-

grale d l u n microcircuit travers les quelques dixigmes de millimgtre

de son substrat. Les techniques de fabrication modernes vont vers une

disparition des fils de contact allant du circuit & son embase, et

consistent de plus en plus A effectuer ce travail en mettant directe-

ment en regard les sorties d u circuit avec les plots de son embase. I 1

s l e n suit que des soudures ainsi effectuges sont tr&s difficilement

controlables ainsi que le circuit proprement dit pris en sandwich entre

son embase et son substrat.. Aucune technique fiable de test n l e s t

ce

jour satisfaisante et pour s 1 e n convaincre nous avons montr6 successi-

vement llimage optique et en rayons X de ce circuit. Inutile de pr6ci-

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Fig. 3 Photo optique d'un Fig. 4 Radiographie X du circuit intEgrE (4 x 4 mm2) mGme circuit

Optical image of an integrat- X rays image of the same ed circuit (4 x 4 m m 2 ) circuit

Fig. 5 Image prise au microscope acoustique d'une partie d e ce circuit

Acoustic image in depth of a part of that circuit.

o u t r e c e s p l o t s d e c o n t a c t s n e p e r m e t p a s d e f a i r e a p p a r a i t r e p l u s d e d k t a i l s e t n o t a m m e n t l e c i r c u i t .

L ' a c o u s t i q u e ( f i g u r e 5 ) p e r r n e t p a r c o n t r e d e f o r m u l e r b e a u c o u p d l e s p o i r u i s q u e s a n s a p p r o c h e p a r t i c u l i 6 r e n o u s a v o n s o b t e n u u n e i m a g e a r f a i - t e m e n t n e t t e d u c i r c u i t s o u s f o r n e d ' u n e c o u p e a c o u s t i q u e d e p r o p o n d e u r d e champ d e q u e l q u e s d i z a i n e s d e m i c r o n s . La r Q s o l u t i o n a x i a l e f a c i l e - m e n t m e s u r a b l e s u r un a g r a n d i s s e m e n t d ' u n d e s p l o t s d o n t l a d i m e ? s i o n e s t d e 1 0 0 m i c r o n s s e s i t u e a u t o u r d e 5 m i c r o n s c o r r e s p o n d a n t a l a l o n g u e u r d ' o n d e a c o u s t i q u e d a n s l e s i l i c i u m 21 l a f r k q u e n c e d t o p & r a t i o n q u i s e s i t u e h

CHz.

Nous a v o n s o b s e r v b q u t e n f o n c t i o n d e l a f k q u e n c e ( 3 0 0 NHz 2I 1 , 2 GHz) d e s s t r u c t u r e s a p p a r a i s s e n t p l u s o u m o i n s n e t t e s c e q u i l a i s s e p e n s e r A un phQnom6ne d l a c c o r d d e p h a s e l o r s q u e l e s d i m e n s i o n s d e s s t r u c t u r e s a v o i s i n e n t

h / 4 . 1 1 e s t p o s s i b l e d e f a i r e d u c o n t r a s t e d e p h a s e e t d i f f 6 r e n c i e r a i n s i d e s c h e m i n s a c o u s t i q u e s i n f h r i e u r s A h / 2 0 .

I11

CONCLUSION

C e t t e s i m p l e e x p 6 r i e n c e l a i s s e p r k s a g e r d e s f u t u r e s a p p l i c a t i o n s q u i p e u v e n t d & p a s s e r l e c a d r e d e

m i c r o & l e c t r o n i q u e p o u r i n t b r e s s e r d e s d o m a i n e s comme l a m 6 t a l l u r g i e p a r e x e m p l e . Ce n e s o n t q u e d e s p r e m i & r e s i m a g e s d a n s l e d o n a i n e e t n o u s d 6 v e l o p p o n s l l i n s t r u m e n t d a n s l e b u t d l a m k l i o r e r

r k s o l u t i o n e n a u g m e n t a n t l a p k n b t r a t i o n . Le c r k n e a u q u l e s s a i e d l o c c u p e r l e m i c r o s c o p e a c o u s t i q u e e s t d o n c o r i g i n a l p u i s - q u l a u c u n e 2 u t r e t e c h n i q u e n e p e u t a f f i c h e r d e s e m b l a b l e s p e r f o r m a n c e s . A j o u t o n s a c e l a q u e l l e x a r n e n e s t s a n s d e s t r u c t i o n n i dommage p o u r l ' o b j e t .

REFERENCES

1 ) LEMONS

a n d QUATE C.F. A c o u s t i c m i c r o s c o p e

S c a n n i n g v e r s i o n , A p p l . P h y s . L e t t e r s a , ( 1 9 7 4 ) 1 6 3

2 ) ATTAL

Non d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n o f s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s a n d d e v i c e s ( E d .

Z e m e l ; P l e n u m P u b l i s h i n g C o r p s 1 9 7 9 ) ( 1 9 7 9 ) 6 3 1 . 3 ) ATTAL

A c o u s t i c m i c r o s c o p y

i m a g i n g m i c r o e l e c t r o n i c c i r c u i t s w i t h l i q u i d m e t a l s I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n " S c a n n e d I m a g e M i c r o s c o p y " , London 22-24 S e p t . ( 1 9 8 0 ) 9 7 .

4 ) ATTAL J . , CAMBON G . , a n d SAUREL J.M. I m a g i n g i n t e r i o r p l a n e s by

a c o u s t i c m i c r o s c o p y . A c o u s t i c a l I m a g i n g V o l . 1 0 , ( e d . P. A l a i s P l e n u m

P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n , 1 9 8 2 ) 8 0 3 .