Développement de bancs d'acoustique picoseconde pour la caractérisation sans contact par impulsions laser ultracourtes de couches micrométriques et sub-micrométriques de composants microélectroniques

Abstract

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le développement de deux bancs laser impulsionnel dédiés à l'étude de films minces par des techniques d'acoustique picoseconde. Deux dispositifs pompe-sonde utilisant un laser femtoseconde et picoseconde ont été mis au point, la détection pouvant être réflectométrique et interférométrique. Elle permet de mesurer simultanément les variations d'amplitude et de phase du changement relatif de réflectivité induit par le champ acoustique excité par l'impulsion pompe, et ce, de manière non destructive. La conception, construction et mise au point d'un oscillateur laser femtoseconde Ti:Saphir ont été les premières étapes du développement des bancs. Dans le premier banc d'expériences, la source produit des impulsions laser d'une durée inférieure à 100 fs et dont le taux de répétition est de l'ordre de plusieurs dizaines de mégahertz. De plus, l'énergie par impulsion est de quelques nanojoules à une longueur d'onde proche de 800 nm. Ces caractéristiques sont conformes au cahier des charges des bancs d'expériences. Cet oscillateur femtoseconde et un laser commercial impulsionnel de 12 ps ont chacun été intégrés dans les deux bancs de mesures pompe-sonde résolus en temps. Les variations des caractéristiques optiques de l'échantillon sont mesurées par deux systèmes optiques réflectométrique et interférométrique. Les systèmes optiques de génération et de détection des phénomènes acoustiques mis en place lors du travail de thèse ont été validés par plusieurs séries d'expériences avec des échantillons types de la microélectronique. Ils permettent d'illustrer le champ d'applications de l'acoustique picoseconde. Après avoir caractérisé une couche métallique sur substrat semi-conducteur (vitesse du son, épaisseur), nous avons appliqué la technique d'acoustique picoseconde à des semi-conducteurs semi-transparents et, en particulier, mis en évidence des oscillations Brillouin les caractérisant. Finalement, les différents effets analysés précédemment ont permis l'interprétation de la réponse acoustique d'une structure multicouches d'un composant microélectronique.In this work, I present the development of two experimental methods using laser pulses for thin film metrology by picosecond acoustic technique. The pump-probe set-ups use a femtosecond and picosecond laser while detection is either reflectometric or interferometric. Both methods make it possible to measure simultaneously the amplitude and phase variations reflectivity induced by the acoustic field excited by the laser pump pulse. It's a nondestructive way of measurement. The first step of our work was the design, construction and development of a femtoseconde oscillator Ti:Saphir were the first step. In one set-up, the oscillator produces lower 100 fs laser pulses and a repetition rate is near several tens megahertz. Moreover, the energy pulse is some nanojoules with a wavelength around 800 nm. These characteristics meet with the requirements for acoustic characterisation. This femtosecond oscillator and a commercial 12 ps laser were implemented in two pump-probe set-ups. In both instruments, the sample characteristics are measured by two optical systems, one reflectometric and one interferometric. The optical generation and detection of acoustic waves has been validated in this work by several experiments using representative microelectronic samples. They illustrate the application fields of picosecond acoustic technique. After characterisation of a metal layer on semiconductor substrate (acoustic velocity, thickness), we have studied phenomena in semi-transparent semiconductors, like Brillouin oscillations. Finally, we have succeeded in the analysis and interpretation of the acoustic response of a multi-layer microelectronic component structure.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF