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èmesJournées Nationales Microondes
3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux
XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux
Réflectométrie champ proche à 60 GHz
Rachid Omarouayache1, Laurent Chusseau1, Pierre Payet 1, Jérémy Raoult 1
1IES, Université Montpellier 2, 860 rue de Saint Priest, 34097 Montpellier omarouayache@ies.univ-montp2.fr
Résumé
Une expérience de réflectométrie champ proche à 60 GHz est proposée pour l’inspection des matériaux et des circuits. La sonde électrique est une antenne bow-tie obtenue à partir de découpes laser femto-seconde de feuilles de tungstène assemblées à l’extrémité d’un guide d’onde rectangulaire. Les mesures en champ proche montrent une résolution spatiale pouvant atteindre λ/130 à une distance sonde-échantillon de 5 µm. Les images de diverses métallisations sur silicium montrent également des intensités de champ proche quantitativement reliées à la conductivité des différents métaux.
1.
Introduction
Le scan de champ proche par micro-onde est une technique qui a déjà prouvée son efficacité pour caractériser les propriétés physiques des matériaux tels que la conductivité, la permittivité diélectrique ou la perméabilité magnétique pour des longueurs d’ondes pouvant aller du centimètre au millimètre [1]. La miniaturisation des sondes permet d’atteindre des résolutions spatiales de l’ordre du micromètre [2]. Grober and al.[3] ont démontré que l’on peut grandement augmenter la résolution spatiale en utilisant des antennes bow-tie comme sonde de champ proche, surtout si cette sonde est en résonance avec la longueur d’onde incidente. Notre équipe a déjà proposé une expérience à 100 GHz avec une sonde électrique champ proche de type pointe [4]. Les caractérisations de cette sonde électrique nous ont montré qu’une importante composante champ lointain se superpose avec la composante longitudinale champ proche utile rayonnée par la pointe. Cela nuit fortement à la résolution et à la capacité d’analyse.
Notre objectif étant l’inspection de la matière et des circuits, nous avons choisi de développer une nouvelle sonde électrique de champ proche fonctionnant à 60 GHz. Nous sommes intéressés par des échantillons où la nature du champ électromagnétique (E ou H) et sa polarisation sont importantes [5], c’est une problématique que l’on trouve pour l’injection électromagnétique dans des circuits intégrés [6]. Le processus de fabrication de la sonde implique l‘assemblage de petites pièces obtenues à partir de la découpe laser de fines feuilles de tungstène. Comme preuve de principe, nous étudions d'abord une antenne bow-tie similaire à celle de Klein et al. pour des ondes millimétriques [7]. Nous montrons à 60 GHz, une
résolution spatiale de 38 µm pour une distance sonde-échantillon de 5 µm et une sensibilité à la conductivité locale de l’échantillon.
2.
Expérience
Notre sonde électrique à 60 GHz est obtenue en ajoutant une antenne bow-tie en sortie d’un guide d’onde WR15. L’antenne bow-tie est constituée de deux triangles équilatéraux en tungstène espacés de 20 µm et d’une épaisseur de 25 µm. Ces triangles ont été obtenus par découpe laser femto-seconde [8] nous permettant d’avoir une découpe extrêmement régulière et précise des angles du triangle. Pour obtenir l’espacement voulu entre les deux triangles, nous avons créé via l’impression 3D une pièce servant de support. La sonde est présentée figure 1a.
Le rayonnement EM théorique en champ proche de cette sonde a été calculé avec le logiciel commercial 3D CST [9]. Les résultats de simulation montrent que le champ magnétique rayonné par la sonde peut être négligé. La sonde rayonne presque exclusivement un champ électrique qui est concentré entre les deux pointes des triangles qui constituent notre sonde. Ainsi cet espacement de 20x40 µm² définit l’estimation de la résolution spatiale attendue.
XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux
a) b)
Figure 1. a) Sonde de champ proche. b) Banc d’expérimentation à 60 GHz.
3.
Résultats
3.a. Résolution
Nous avons déterminé la résolution spatiale de notre sonde par une cartographie à hauteur h = 5 µm d’un coin de GaSb qui a la particularité d’avoir un angle de découpe extrêmement droit, ce qui en fait l’échantillon idéal pour déterminer la résolution. La figure 2 représente la variation du signal réfléchi entre l’air et le GaSb, cela donne deux niveaux de réflexion correspondant aux différents matériaux. De cette cartographie nous déduisons une résolution spatiale de 38 µm grâce à un critère très restrictif de 10-90% de variation d’intensité. Cela correspond à une résolution fortement sub-longueur d’onde de λ/130.
Figure 2. Image en champ proche d’un coin de GaSb pour une hauteur h = 5 µm.
3.b. Caractérisation de lignes métalliques
Avec cette méthode de microscopie micro-onde en champ proche et notre sonde électrique à 60 GHz, nous avons la possibilité d’étudier quantitativement la conductivité des échantillons sous test. Nous proposons d’inspecter trois lignes de métallisations différentes déposées sur un substrat de silicium. Les métaux étudiés sont l’or, le cuivre et l’aluminium. La largeur des lignes est de 400 µm. Les conductivités statiques en couche mince sont déduites des mesures de résistance statique des différentes lignes : elles sont respectivement de 26x106, 24.4x106 et de 16.9x106 S/m pour l’or, le cuivre et l’aluminium.
La Figure 3 représente les intensités de champ proche mesurées par les différentes lignes métallisées à une distance constante h = 15 µm. Les données de mesures ont été traité afin d’éliminer le fond résiduel mais aucun facteur d’échelle n’a été appliqué, nous pouvons donc
comparer quantitativement les réponses des différents métaux.
Figure 3. Profils d’intensité champ proche pour 3 métallisations déposées sur silicium.
En parfaite corrélation avec nos mesures de conductivité, les réponses en champ proche pour l’or et le cuivre sont identiques alors que la réponse en champ proche pour l’aluminium est 30 % plus faible. Ceci prouve que le champ évanescent en extrémité de la sonde est sensible à la permittivité complexe qui lui est présenté.
4.
Conclusion
Nous avons construit un microscope en champ proche en onde millimétrique à 60 GHz. Celui-ci permet l’inspection de matériaux et de circuits avec une résolution spatiale fortement sub-longueur d’onde égale à λ/130. Les images de diverses métallisations évaporées sur du silicium montrent également des intensités de champ proche que nous avons relié quantitativement à la conductivité des différents métaux. Nous travaillons actuellement à l’optimisation des résultats obtenus et à l’interprétation des images avec les sondes à plus haute résolution en cours de fabrication.
5.
Remerciements
Nous remercions l’Agence Nationale de la Recherche pour le financement de ces recherches dans le cadre du projet E-MATA-HARI n° ANR-12-INSE-005.
6.
Bibliographie
[1] A. Imtiaz, T. M. Wallis, and P. Kabos, “Near-field scanning microwave microscopy”, IEEE Microwave Magazine, pp. 52-64, 2014.
[2] B. T. Rosner and D. W. van der Weide, “High-frequency near-field microscopy”, Review of Scientific Instruments, vol. 73, no 7, pp. 2505-2525, 2002.
[3] R. D. Grober, R. J. Schoelkopf, and D. E. Prober, “Optical antenna towards aunity efficency near-field optical probe”, Applied Physics Letters, vol. 70, no 11, p. 1354-1359, 1997.
[4] J.-P. Guillet and al, “Continuous-wave scanning terahertz near-field microscope”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 53, pp. 580-582, 2011.
[5] T. Grosjean and D. Courjon, “Photopolymers as vectorial sensors of the electric field”, Optics Express, vol. 14, no 6, pp. 2203-2210, 2006. [6] L. Chusseau and al. “Electromagnetic analysis, deciphering and reverse
engineering of integrated circuits (E-MATA HARI)” VLSI-SOC 2014, Playa del Carmen, MX, 2014.
[7] N. Klein and al, “A metal-dielectric antenna for terahertz near-field imaging” J. Appl. Phys., vol. 98, no. 1, Jul 1 2005.
[8] “Alphanov Technology Center” site web : http://www.alphanov.com [9] “CST Microwave Studio” [Online]. Available: http://www.cst.com/
