Soutenance mémoire
Durant ces dernières années, les industriels ont continuellement eu besoin et produit des dispositifs d’électroniques intégrés aux grandes performances, mais de très petites tailles. Ces composants fonctionnent dans des plages de fréquences élevées que nous pouvons situer comme étant celle des hyperfréquences. Par exemple, les microprocesseurs ont une horloge ayant une fréquence dépassant 3GHz et continuent à augmenter. Parmi les domaines industriels intéressés, nous pouvons citer les plus demandeurs qui sont ceux des secteurs de l’aéronautique, de l’aérospatiale, de l’automobile, de la radiocommunication, des radars, des télécommunications, etc. Les domaines de la microélectronique (circuits, boîtiers, etc.), du bâtiment (ciment, wifi, etc.), la médecine, l’électrotechnique et bien d’autres portent un intérêt considérable aux matériaux.
Les dispositifs électroniques contiennent entre autre des matériaux isolants appelés « diélectriques ». Ces diélectriques fournissent l’isolation des circuits en métal, le stockage d’énergie pour les condensateurs, etc. Dans le domaine des hyperfréquences, les applications vont des matériaux transparents (cas des radômes de protection des radars de pointe avant des avions et les fenêtres électromagnétiques) jusqu’aux matériaux absorbants et aux matériaux électromagnétiques intelligents. Le paramètre pertinent, qui caractérise le matériau diélectrique est la « permittivité relative du diélectrique (k ou εr) ». Pour les diélectriques utilisés comme isolants, une permittivité relative faible suffit, alors que dans le cas où ils sont utilisés comme capacité, une permittivité relative forte est nécessaire. En microélectronique, on distingue souvent deux types de matériaux, à savoir : les matériaux high-k et les matériaux low-k. Avec les progrès de la technologie, les matériaux diélectriques deviennent de plus en plus minces et de plus en plus variés (dioxyde de silicium SiO2, Alumine Al2O3, Titane TiO2, etc.). Caractériser ces matériaux est important pour le développement des nouveaux dispositifs. Pour cela, il va falloir adapter des méthodes d’extraction tenant compte de plusieurs aspects, parmi lesquels :
➤ la forme et la nature de l’échantillon (plaquette, liquide, gaz, granulaire) ;
➤ les propriétés physiques du matériau (isotrope ou anisotrope) et de la structure à utiliser (homogène ou inhomogène);
➤ la plage et le domaine de fréquence à explorer (radiofréquence, large bande ou bande étroite) ;
➤ le type d’application qui y est destinée afin de privilégier un ou plusieurs paramètres électriques ou magnétiques lors de l’extraction ;
➤ la précision que l’on désire obtenir sur le paramètre privilégié ;
Il existe deux grandes classes de méthodes fondamentales pour caractériser un matériau diélectrique en haute fréquence : La méthode à « bande étroite» (appliquée aux structures résonantes) et la méthode « bande large » (appliquée aux lignes de transmission par exemple). La méthode en cavité métallique est la meilleure en terme de précision, mais pêche par l’étroitesse de la bande de travail. Par contre, la méthode large bande permet de balayer plusieurs fréquences de manière continue, mais pêche sur la précision des paramètres à caractériser. Les deux méthodes peuvent être utilisées avec des structures propagatives. Le matériau dans ce cas peut être destructif ou non.
Différents types de lignes utilisées pour caractériser des matériaux
La structure de transmission, destinée à caractériser les matériaux, peut être définie en fonction du type de mode (TEM, Quasi-TEM, TE, TM et hybride) se propageant dans la structure [I.21]. Les lignes de transmission de type planaires (micro-ruban, coplanaire, etc.), sont inhomogènes, car elles comportent deux milieux de propagation de propriétés distinctes (souvent l’air et le diélectrique). Elles contiennent de plus des conducteurs métalliques déposés sur l’une ou sur les deux faces. Les lignes ouvertes rayonnent dans l’espace environnant. La fabrication des lignes de type planaire fait appel à la technique de photolithographie [I.22]. Elles sont adaptées aussi bien à la caractérisation de matériaux en couches minces [I.23-I.24] qu’aux matériaux couches épaisses.
Pour éviter le rayonnement des lignes planaires ouvertes, on utilise des structures «blindées ». Ces structures permettent de confiner les champs électromagnétiques à l’intérieur du guide.
La technique de la ligne de transmission permet de caractériser des matériaux de différentes formes (liquide, granules, plaquettes, etc.) avec une bonne précision sur la permittivité, en particulier dans la configuration coaxiale. Dans le chapitre suivant, nous développerons et appliquerons cette méthode au gel fantôme dont les caractéristiques électriques sont connues, ce qui permettra en même temps de valider la technique d’extraction. Les circuits électroniques sont réalisés sur des substrats de type FR4, Alumine, etc. La méthode des lignes de transmission sera également développée pour la configuration micro ruban afin de pouvoir caractériser les substrats couramment utilisés dans les applications électroniques et radiofréquences.
CARACTERISATION DE MATERIAUX EN UTILISANT DES LIGNES DE TRANSMISSION
La validation expérimentale, qui est faite avec la configuration coaxiale, sur un matériau mou de type gel fantôme, permet de démontrer la précision de la méthode d’extraction sur une structure homogène propageant un mode TEM. L’application à la configuration micro ruban nous permettra d’extraire les paramètres électriques de lignes inhomogènes sur des substrats de type époxy ou FR-4.
Les propriétés électromagnétiques des matériaux sont définies par la permittivité d ε et par la perméabilité relative complexe µ d . Le premier décrit la réaction du milieu soumis à une excitation électrique (E) et le second traduit le comportement face à une excitation magnétique (H). Le choix des méthodes de caractérisation électromagnétique est étroitement lié d’une part à la nature (magnétique ou diélectrique, transparent ou absorbant, isotrope ou anisotrope, homogène ou inhomogène) de l’échantillon à caractériser, et d’autre part à sa forme (matériau solide, liquide, gazeux, épais ou film mince) [II.1-II.3].
En général, le principe des méthodes consiste à placer un échantillon sur le trajet d’une onde électromagnétique et à mesurer les valeurs des coefficients de réflexion et de transmission qui seront différents selon les propriétés du matériau étudié. Ce qui permet de remonter aux paramètres intrinsèques du matériau.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – DIFFERENTES METHODES DE CARACTERISATION DE MATERIAUX
INTRODUCTION
I.1-/ DIFFERENTS TYPES DE MATERIAUX UTILISES
I.2-/ LES METHODES DE CARACTERISATION
I.2.1-/ METHODE EN ESPACE LIBRE
I-2-2-/ LES METHODES RESONANTES
a-) Guides résonants
b-) Autres méthodes résonantes
I.2.3-/ METHODE DE LA CAPACITE M.I.M
I.2.4-/ METHODE DES LIGNES DE TRANSMISSION
a-) Différents types de lignes utilisées pour caractériser des matériaux
b-) Paramètres de propagation dans le cas d’une ligne coaxiale
c-) Applications à la mesure
I.2.5-/ SYSTEME D’APPLICATEURS: Cas de la sonde coaxiale
I.3-/ ETUDE COMPARATIVE DES DIFFERENTES METHODES
I.4-/ CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE II – CARACTERISATION DE MATERIAUX EN UTILISANT DES LIGNES DE TRANSMISSION
INTRODUCTION
II.1-/ EXTRACTION DES PARAMETRES ELECTRIQUES A PARTIR DES PARAMETRES DE PROPAGATION
II.2-/ METHODE D’UNE SEULE LIGNE DE TRANSMISSION
II.2.1-/ Calcul de la constante de propagation
a-) Linéarisation de la constante de phase
b-) Correction des effets des discontinuités
c-) Effet des erreurs de mesure sur les paramètres électriques du matériau
II.2.2/ Organigramme de la méthode d’une ligne de transmission
II.2.3-/ Validation de la méthode d’une ligne de transmission : Application au gel fantôme
II.3-/ METHODE DE DEUX LIGNES DE TRANSMISSION DE LONGUEURS DIFFERENTES (M.D.L.T.L.D)
II.3.1-/ Calcul des paramètres électriques à partir de deux lignes de transmission de longueurs différentes
II.3.2-/ Organigramme de la méthode de deux lignes de transmission de longueurs différentes
II.3.3-/ Validation de la méthode de deux lignes de transmission
a-) Validation au gel fantôme à partir d’une monture coaxiale circulaire
b-/ Validation au FR-4 à partir d’une structure micro ruban
II.4-/ COMPARAISON DES DEUX TECHNIQUES D’EXTRACTION
II.5-/ CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE III – TECHNIQUE DE LA SONDE COAXIALE EN REFLEXION (T.S.C.R)
INTRODUCTION
III.1-/ PRESENTATION DE LA SONDE COAXIALE AFFLEURANTE
III.2-/ EFFET DE LA METALLISATION
III.2.1-/ Métallisation sans contact avec le plan de masse
III.2.2-/ Métallisation en contact avec le plan de masse
a-) Extraction de la permittivité relative complexe
b-) Validation à partir des simulations électromagnétiques
c-) Champs électromagnétiques dans la sonde coaxiale
d-) champs électromagnétiques dans la cavité diélectrique
III.3-/ SONDE COAXIALE AYANT UNE CAVITE METALLIQUE EN BOUT
III.3.1-/ Calcul des différentes constantes de la fonction linéaire
III.3.2-/ Extraction des paramètres électriques du diélectrique
III.3.3-/ Organigramme de la méthode d’extraction
III.4-/ VALIDATION DE LA METHODE DE LA SONDE COAXIALE AYANT UNE
CAVITE EN BOUT
III.4.1-/ Validation par des simulations électromagnétiques (SEM)
III.4.2-/ Validation expérimentale sur des isolants
a-) Métal en cuivre
b-) Métal en aluminium
III.4.3-/ Reproductibilité de la méthode
III.4.4-/ Validation expérimentale aux semi-conducteurs
III.5-/ EXTRACTION DES PARAMETRES ELECTRIQUES DES MATERIAUX
MULTICOUCHES
III.5.1-/ Extraction des permittivités complexes de chaque couche
a-) Cas sans pertes diélectriques
b-) Cas avec pertes diélectriques
III.5.2-/ Organigramme d’extraction des matériaux bicouches
III.5.3-/ Validation de la procédure d’extraction par des simulations
électromagnétiques
III.5.4-/ Validation expérimentale aux semi-conducteurs
a-) Cas du silicium fortement dopé
b-) Cas de l’oxyde de silicium
III.6-/ AVANTAGES ET DESAVANTAGES DE LA SONDE COAXIALE
III.7-/ CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE IV – TECHNIQUE DE LA SONDE COAXIALE EN TRANSMISSION (T.S.C.T)
INTRODUCTION
IV.1-/ SONDE COAXIALE EN TRANSMISSION (S.C.T)
IV.1.1-/ Modèle électrique de la sonde coaxiale en transmission
IV.1.2-/ Extraction de la permittivité relative complexe du diélectrique
IV.2-/ ORGANIGRAMME D’EXTRACTION DES PARAMETRES ELECTRIQUES
DE MATERIAU
IV.3-/ VALIDATION DE LA METHODE DE LA SONDE EN TRANSMISSION
IV.3.1-/ Par des simulations électromagnétiques
IV.3.2-/ Validation expérimentale
IV.4-/ REPRODUCTIBILITE DE LA TECHNIQUE DE LA SONDE COAXIALE EN TRANSMISSION
IV.5-/ AVANTAGES ET DESAVANTAGES DE LA SONDE COAXIALE EN TRANSMISSION
IV.6-/ COMPARAISON DES TECHNIQUES DE LA SONDE COAXIALE EN REFLEXION ET CELLE EN TRANSMISSION
IV.7-/ CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION GENERALE
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