Des hypersons pour mesurer les propriétés élastiques des couches minces
L’acoustique picoseconde est une technique qui, à l'aide d'un laser, produit des ondes ultra-haute fréquence dans des couches minces et permet de mesurer leurs propriétés élastiques. Jusqu'ici, seules les mesures dans la direction perpendiculaire à la couche étaient possibles. Une équipe de scientifiques a montré comment, grâce à un film métallique constitué de nano colonnes inclinées, l’élasticité dans le plan devient également accessible. Ces résultats sont publiés dans la revue Applied Physics Letters.
Pour mesurer l'épaisseur et les propriétés élastiques des couches minces déposées sur un substrat, la recherche et l'industrie des semiconducteurs utilisent la technique de l'acoustique picoseconde, qui produit des ondes ultra haute fréquence (hypersons). Mais les dispositifs actuels ont une limite intrinsèque : ils ne génèrent que des ondes acoustiques longitudinales, et l'absence d'ondes transversales ne permet pas de mesurer toutes les propriétés élastiques de la couche. Différentes techniques pour générer les deux types d'ondes ont été développées, mais elles sont toujours spécifiques de l'échantillon étudié. La nouvelle méthode proposée par une équipe de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France) a l'avantage d'être applicable à toutes les structures en couches minces sur un substrat en silicium.
Les systèmes d'acoustique ultra-haute fréquence reposent sur l'utilisation d'un laser à impulsions femtosecondes divisé en deux faisceaux: l'un engendre les ondes acoustiques dans le matériau ciblé, tandis que l'autre permet de les détecter. Le nouveau dispositif développé par l'IEMN, en collaboration avec l'institut FEMTO-ST (CNRS/SUPMICROTECH-ENSMM/Université de Bourgogne Franche-Comté) et le Laboratoire des multimatériaux et interfaces (LMI, CNRS/Université Claude Bernard Lyon-1), utilise un film métallique déposé sur la structure en couches minces dont on veut mesurer les propriétés. Constitué de nano colonnes inclinées, ce film agit comme un émetteur d'ondes longitudinales et transversales lorsqu’il est soumis au laser femtoseconde.
Plusieurs échantillons de couches minces sur un substrat en silicium ont été fabriqués, avec des matériaux couramment utilisés dans les circuits intégrés, tels que la silice (Si02), le nitrure d'aluminium (AlN), et le carbure de silicium (SiC). Sur chacun d'eux, un mince film métallique composé de nano colonnes inclinées a ensuite été déposé, par une technique de dépôt en incidence oblique (Glad, Glancing angle deposition). L'équipe de recherche a testé trois types de film métallique, en titane, molybdène et tungstène. Les mesures effectuées sur ces échantillons ont bien montré la génération d'ondes acoustiques longitudinales et transversales, et ont permis de déterminer les modules élastiques des couches minces dans les deux directions.
Cette étude était initialement axée sur des couches minces transparentes, mais le procédé est généralisable à des couches non transparentes. Les applications potentielles sont nombreuses, car la mesure des propriétés élastiques des couches minces est incontournable dans la conception d’objets technologiques aussi variés que les filtres pour la téléphonie mobile, les miroirs spatiaux, ou encore les verres ''à couches'' (contrôle thermique, traitement anti-reflet...).
© A. Devos, IEMN
Références
Tilted columnar metal film as transducer of transverse coherent acoustic phonons in picosecond acoustics.
A. Chargui, N. Martin, G. Ferro, A. Devos.
Applied Physics Letters, publié le 8 novembre 2024.
https://doi.org/10.1063/5.0228331
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL