Contribution to the development of a high frequency surface acoustic wave method dedicated to the ultrasonic characterization of thin film structures and mesoporous silicon
Contribution au développement d'une méthode à ondes acoustiques de surface hautes fréquences dédiée à la caractérisation ultrasonore des structures à couches minces et au silicium mésoporeux
Résumé
This work is within the scope of characterization of thin layers, coatings and functional surfaces (thickness, elastic constants, porosity,…). Among the characterization methods, the ultrasonic methods using surface acoustic waves are particularly interesting. Indeed, the propagation of these waves is close to the surface of material and the energy is concentrated within a layer under the surface of about one wavelength thick. In the case of layer-on-substrate structures, SAWs become dispersive. By exploiting this dispersion over a wide frequency band, significant variations in SAW propagation velocity can be obtained and it becomes possible to characterize these structures with interesting precision on the mechanical and dimensional characteristics of the layers. On the other hand, the layers can be fragile, transparent and with a complex morphology. This explains why the choice of using IDT transducers for the generation of SAWs was considered. They have two advantages. Firstly, they are wide band and secondly they are used in the same way as conventional ultrasonic contact transducers. For the optimization of these SAW-IDT, particularly their band-width, it is necessary to study various IDT configurations by varying the number of electrodes, dimensions of the electrodes, their shapes and finger spacings. Finally, to generate SAW over a wide frequency range with sufficient displacement amplitude in order to characterize thin films and coatings, a time-space double chirp technique based on SAWIDT transducers was preferred. We have shown the potentialities of this approach by first characterizing metallic thin film structures with thicknesses of 50 nm and more, then continuous and discontinuous ultra-thin films (islands) with thicknesses of 5 to 20 nm as well as transparent sol-gel coatings. The possibility of characterizing mesoporous silicon layers has also been demonstrated.
Ce travail rentre dans le cadre de la caractérisation des couches minces, de revêtements et de surfaces fonctionnelles (épaisseur, constantes élastiques, porosité…). Parmi les méthodes de caractérisation potentielles, les méthodes ultrasonores employant des ondes de surface (SAW) sont particulièrement intéressantes. En effet, les SAW de type Rayleigh se propagent à la surface d’un matériau et l’énergie véhiculée par ces ondes est confinée sous la surface sur une profondeur de l’ordre d’une longueur d’onde. Dans le cas de structures de type couche sur substrat, les SAW deviennent dispersives. En exploitant cette dispersion sur une large bande de fréquences, des variations importantes de vitesses peuvent être obtenues et il devient alors possible en les exploitant, par inversion, de caractériser ces structures avec des précisions intéressantes sur les caractéristiques mécaniques et dimensionnelle des couches. D’autre part, les couches peuvent être fragiles, transparentes et avec une morphologie complexe, c’est pourquoi, des transducteurs interdigités (IDT) sont envisagés. Ils présentent deux avantages : ils peuvent être déportés et ils peuvent être larges bandes. Pour optimiser ce type de transducteurs, et en particulier leur bande passante, il est nécessaire d’étudier différentes configurations sachant qu’il est notamment possible de faire varier le nombre d’électrodes, les dimensions des électrodes, leurs formes et leurs espacements. Enfin, pour exciter ces ondes de surface dans une large gamme de fréquence avec des niveaux de déplacement suffisants pour la caractérisation des couches minces et revêtements, la technique à double Chirp spatio-temporel basée sur des transducteurs SAW-IDT est privilégiée. Dans ce travail de thèse, les potentialités de cette approche ont été montrées en caractérisant premièrement des structures à couches minces métalliques d’épaisseurs de 50 nm et plus, ensuite des couches ultraminces continues et discontinues (îlots) d’épaisseurs 5 à 20 nm, ainsi que les revêtements transparents de type sol-gel. La possibilité de caractériser des couches de silicium méso-poreux a été aussi démontrée.
