Soutenance mémoire
Les couches minces sont aujourd’hui utilisées dans de nombreuses applications dans le domaine des microsystèmes. Elles sont principalement utilisées pour réaliser des microstructures comportant des fonctions mécaniques, électroniques, optiques ou fluidiques. Les couches minces permettent en effet de donner des propriétés particulières à des dispositifs. Dans la première partie de ce chapitre, nous effectuerons un bref rappel sur les couches minces et nous présenterons quelques exemples d’applications aussi bien pour l’électronique que pour l’optique. Ensuite, nous aborderons les différentes méthodes de caractérisation en particulier celles qui permettent d’obtenir les caractéristiques mécaniques (module de Young et coefficient de Poisson) mais aussi l’épaisseur des couches. Nous montrerons l’intérêt des méthodes ultrasonores en particulier des ondes de surface pour ce type de caractérisation. Nous poursuivrons cette première partie de ce chapitre par l’étude de la propagation des ondes acoustiques de surface de type Rayleigh sur les matériaux de type couche sur substrat. Dans la seconde partie de ce chapitre, nous nous intéressons aux capteurs qui permettent de générer les ondes de surface et en particulier aux capteurs interdigités. Nous effectuerons l’historique détaillé des dispositifs à ondes de volume et de surface. Ensuite nous nous intéresserons au principe de fonctionnement des transducteurs interdigités et aux critères de choix du matériau piézoélectrique. Nous présenterons ensuite les limites de ces transducteurs et les effets secondaires qui peuvent apparaître. Enfin, nous terminerons ce chapitre en précisant l’intérêt des capteurs interdigités à larges bandes de fonctionnement, pour ce type de caractérisations et les avantages qu’ils présentent
Rappel général sur les couches minces
Une couche mince est une fine pellicule d’un matériau déposée sur un autre matériau, appelé substrat. Il s’agit d’une couche dont l’épaisseur est comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques micromètres. Son but est de donner des propriétés particulières à la surface d’un matériau. Lorsqu’elle est déposée sur un substrat, la faible épaisseur de la couche entraîne une perturbation des propriétés mécaniques de celle-ci. 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, une fois la structure réalisée, il est nécessaire de caractériser ses performances et d’évaluer sa fiabilité selon l’application visée. Cette caractérisation a pour but de fournir les propriétés mécaniques du matériau. Ce point est au cœur des préoccupations actuelles, en effet la caractérisation des couches minces reste une tâche difficile si l’on veut établir des données précises et fiables des caractéristiques élastiques des couches et de leurs épaisseurs. Certains tests comparatifs sur des couches minces en silicium polycristallin issu du même procédé de réalisation ont permis par exemple de noter des écarts importants sur les valeurs des constantes élastiques (25%) selon la méthode de mesure utilisée [Sharpe 98]. Ceci montre que pour obtenir des mesures mécaniques fiables, il est nécessaire d’utiliser une technique sensible et précise. Dans la suite nous présenterons quelques techniques utilisées pour la caractérisation des couches minces. Nous allons présenter quelques exemples d’application des couches minces afin de mieux comprendre leurs rôles.
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 d’application des couches minces, nous pouvons distinguer entre autres 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 pièces décoratives. Selon le type d’application, les techniques de dépôt sont plus ou moins complexes mais relèvent toutes des procédés de dépôts.
Composants et les dispositifs électroniques
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]. 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 du 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 bonne 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
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, le domaine des applications hyperfréquences et optoélectroniques etc. 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 MOSFET . 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 à hétérojonction réalisées à base de film mince.
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.
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, …).
Couches minces pour l’optique
Les applications de couches minces pour l’optique sont entre autres les revêtements antireflets réflecteurs, les polariseurs, etc. Dans le cadre de cette thèse nous avons eu à caractériser des revêtements de type Sol-gel en partenariat avec le département Matériaux du CEA / Le Ripault (Commissariat à l’Energie Atomique) dans le cadre du Projet « MégaJoule » pour la protection des optiques. Ce laboratoire travaille notamment sur le développement de matériaux à propriétés optiques adaptées aux agressions lasers de forte énergie avec l’utilisation de revêtements à fort coefficients de transmission optiques. Dans le cas des réflecteurs, nous avons trouvé des applications de type miroir plan ou non tels que les miroirs astronomiques et surtout les réflecteurs complexes tels les optiques de phare de voiture qui sont des dispositifs métallisés sous vide et comportant une couche d’aluminium. Nous venons de présenter quelques exemples d’applications des couches minces, dans la suite nous allons nous intéresser aux différentes méthodes de caractérisation de couches minces.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Caractérisation des couches minces par capteurs IDT
INTRODUCTION
1.1 Rappel général sur les couches minces
1.1.1 Introduction
1.1.2 Exemples d’applications des couches minces
1.1.2.1 Composants et les dispositifs électroniques
1.1.2.2 Couches minces pour l’optique
1.2 Caractérisation des propriétés mécaniques des couches minces déposées sur un substrat
1.2.1 Méthodes de caractérisation classiquement employées
1.2.1.1 La nano-indentation
1.2.1.2 Le profilomètre
1.2.1.3 Les méthodes ultrasonores
1.3 Résolution de l’équation de propagation pour l’onde de Rayleigh sur un substrat anisotrope et piézoélectrique
1.4 Propagation des ondes de Rayleigh dans les structures à couche
1.4.1 Equation de propagation et conditions aux limites
1.4.1.1 Solutions de l’équation de propagation
1.4.1.2 Conditions aux limites
1.4.1.3 Relations de dispersion pour les modes de Rayleigh
1.4.2 Les différents modes de Rayleigh
1.4.2.1 Cas « stiffening »
1.4.2.2 Cas « loading »
1.4.2.3 Cas intermédiaire
1.5 Transducteurs interdigités
1.5.1 Etat de l’art
1.5.2 Principe de fonctionnement des transducteurs interdigités
1.5.3 Choix du matériau piézoélectrique
1.5.4 Critères de sélection des matériaux
1.5.5 Propagation des ondes de Rayleigh dans le niobate de lithium
1.5.6 Effets secondaires et corrections possibles
1.5.6.1 Ondes de volumes
1.5.6.2 Diffraction
1.5.6.3 Réflexions
1.6 Capteurs IDT employés pour le contrôle non destructif (CND) et pour la caractérisation des couches minces
1.7 Développement de capteurs IDT spécifiques à large bande passante pour la caractérisation des couches minces
1.7.1 Slanted-Finger IDTs (SFIT)
1.7.2 Multiple Frequency Resanator (MFR)
1.7.3 Capteurs de type chirp : up-chirp et down-chirp
CONCLUSION
Chapitre 2 : Modélisation des caractéristiques électriques des capteurs IDT
INTRODUCTION
2.1 Modélisation des caractéristiques électriques des capteurs SAW
2.1.1 Méthode numérique
2.1.2 Modélisation par circuit équivalent
2.2 Caractérisation électrique des capteurs IDT
2.2.1 Paramètres à considérer
2.2.1.1 Matrice des admittances électriques
2.2.1.2 Matrice des impédances électriques
2.2.1.3 Matrice de répartition (matrice des paramètres S)
2.2.2 Schéma équivalent: les modèles « crossed-field » et « in-line-field »
2.2.2.1 Modèle électrique équivalent en parallèle des capteurs IDT
2.2.2.2 Modèle électrique équivalent en série des IDT
2.2.3 Résistance interne des capteurs
2.2.4 Pertes d’insertion et Pertes de conversion
2.2.5 Modélisation électrique des capteurs IDT à bande étroite
2.2.5.1 Caractéristiques du capteur 25 MHz
2.2.5.2 Admittance et Impédance électriques et bande passante théoriques
2.2.5.3 Pertes d’insertion et Pertes de conversion
2.2.6 Modélisation électrique d’un capteur large bande
2.2.6.1 Caractéristiques du capteur chirp (30 – 100 MHz)
2.2.6.2 Admittance et Impédance électriques et bande passante théoriques
2.2.6.3 Pertes d’insertion et Pertes de conversion
2.2.7 Modélisation électrique des capteurs chirp (20 – 125 MHz)
2.2.7.1 Caractéristiques du capteur chirp (20 – 125MHz)
2.2.7.2 Admittance et Impédance électrique et bande passante théoriques
2.2.7.3 Pertes d’insertion et Pertes de conversion
2.2.8 Modélisation électrique des capteurs chirp (20 – 125MHz) optimisés
2.2.8.1 Caractéristiques du capteur chirp (20 – 125MHz) optimisé
2.2.8.2 Admittance et Impédance électrique et bande passante théoriques
2.2.8.3 Pertes d’insertion et Pertes de conversion
CONCLUSION
Chapitre 3 : Modélisation des champs de déplacement des ondes de surface générées par capteurs IDT
INTRODUCTION
3.1 Modélisation des champs de déplacement engendrés par les capteurs IDT
3.1.1 Modèle de la réponse impulsionnelle : fonction de transfert d’un capteur IDT
3.1.1.1 Capteur à bande étroite
3.1.1.2 Capteur de type chirp
3.1.2 Modélisation des champs de déplacement par la méthode des éléments finis
3.1.2.1 FEM/BIM (Finite Element Method / Boundary Integral Method)
3.1.2.2 COMSOL Multiphysics (FEMLAB)
3.1.3 Modélisation par la méthode de la réponse impulsionnelle spatiale
3.1.3.1 Discrete REpresentation Array Modelling (DREAM)
3.1.3.2 Adaptation de la méthode DREAM pour le cas des capteurs IDT
3.2 Modélisation des champs de déplacement avec DREAM et Comsol
3.2.1 Capteur à bande étroite: cas du capteur 40 MHz
3.2.1.1 Les différentes étapes de la modélisation avec Comsol et avec DREAM
3.2.1.2 Paramètres de simulation
3.2.1.3 Excitation de type «burst»
3.2.1.4 Excitation impulsionnelle
3.2.1.5 Excitation de type chirp
3.2.2 Capteurs chirp (30 – 100 MHz)
3.2.2.1 Excitation de type «burst»
3.2.2.2 Excitation impulsionnelle
3.2.2.3 Excitation de type chirp
3.2.3 Capteurs chirp (20 – 125 MHz)
3.2.3.1 Excitation de type «burst»
3.2.3.2 Excitation impulsionnelle
3.2.3.3 Excitation de type chirp
3.2.4 Capteurs chirp (20 – 125 MHz) optimisés
3.2.3.1 Excitation de type «burst»
3.2.3.2 Excitation impulsionnelle
3.2.3.3 Excitation de type chirp
3.3 Analyse des temps de calcul
Conclusion générale
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