Mesures de déformations dans des dispositifs de la microélectronique par microscopie électronique en transmission en haute résolution et holographie en champ sombre PDF Download
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Book Description
Les matériaux cristallins sous contrainte font aujourd'hui partie intégrante des dispositifs de la microélectronique car ils offrent une amélioration considérable de la mobilité des porteurs dans les zones actives. Dans un premier temps, nous avons développé l'analyse de phases géométriques (GPA) d'images en haute résolution (HREM), en étudiant des couches minces de silicium en contrainte biaxiale sur des pseudo-substrats de SiGe. Les résultats obtenus pour différentes gammes de Si1-xGex et différentes épaisseurs de films minces, comparés à des simulations par éléments finis (FEM), ont permis d'optimiser cette méthode. La précision sur la mesure des déformations atteint 0,2% et le champ de vue 200 nm x 200 nm. Mesures expérimentales et simulations FEM ont également permis de quantifier l'effet de relaxation des lames minces de microscopie. L'étude d'un système plus complexe, un p-MOSFET, a montré la possibilité de cartographier pour la première fois les champs de déformations en deux dimensions avec une résolution spatiale pouvant atteindre 2 nm. Cette thèse présente également, dans un second temps, une nouvelle méthode développée au sein du CEMES-CNRS : l'holographie en champ sombre. Cette technique, nécessitant un canon à émission de champ et un biprisme électrostatique, permet de réaliser des franges d'interférences, entre une onde diffractée par un réseau cristallin parfait et une onde diffractée par un réseau déformé. Ainsi, il devient possible de cartographier les déformations sur un très large champ de vue (500 nm x 2 μm) avec une meilleure précision qu'en haute résolution : 0,02%.
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Les matériaux cristallins sous contrainte font aujourd'hui partie intégrante des dispositifs de la microélectronique car ils offrent une amélioration considérable de la mobilité des porteurs dans les zones actives. Dans un premier temps, nous avons développé l'analyse de phases géométriques (GPA) d'images en haute résolution (HREM), en étudiant des couches minces de silicium en contrainte biaxiale sur des pseudo-substrats de SiGe. Les résultats obtenus pour différentes gammes de Si1-xGex et différentes épaisseurs de films minces, comparés à des simulations par éléments finis (FEM), ont permis d'optimiser cette méthode. La précision sur la mesure des déformations atteint 0,2% et le champ de vue 200 nm x 200 nm. Mesures expérimentales et simulations FEM ont également permis de quantifier l'effet de relaxation des lames minces de microscopie. L'étude d'un système plus complexe, un p-MOSFET, a montré la possibilité de cartographier pour la première fois les champs de déformations en deux dimensions avec une résolution spatiale pouvant atteindre 2 nm. Cette thèse présente également, dans un second temps, une nouvelle méthode développée au sein du CEMES-CNRS : l'holographie en champ sombre. Cette technique, nécessitant un canon à émission de champ et un biprisme électrostatique, permet de réaliser des franges d'interférences, entre une onde diffractée par un réseau cristallin parfait et une onde diffractée par un réseau déformé. Ainsi, il devient possible de cartographier les déformations sur un très large champ de vue (500 nm x 2 μm) avec une meilleure précision qu'en haute résolution : 0,02%.
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Ce travail de thèse est basé sur l'étude des déformations dans les matériaux à l'échelle nanométrique. En effet, depuis une dizaine voire une quinzaine d'années, le développement de nouveaux matériaux structuraux ou destinés à l'industrie de la microélectronique nécessite la maîtrise des phénomènes de déformation à une telle échelle. La demande de caractérisation se trouve donc en forte croissance, avec des contraintes de plus en plus forte en termes de résolution spatiale et de sensibilité en déformation. La mise au point et/ou l'amélioration de techniques repondant à ces critères est donc nécessaire. Le microscope électronique en transmission étant l'un des seuls instruments capables de mesurer quantitativement des déformations à l'échelle nanométrique, quatre différentes techniques liées à cet appareil ont été étudiées : la technique des moirés, la diffraction en faisceau convergent, la nanodiffraction et l'holographie en champ sombre. La disponibilité du microscope de dernière génération FEI Titan a permis d'obtenir des résultats marquants pour chacune de ces techniques. Les quatre techniques étudiées font l'objet d'une étude poussée sur leur résolution, leur sensibilité en déformation, leurs limites d'utilisation, leur mode d'acquisition et les contraintes qu'elles imposent dans la préparation d'échantillons. Ainsi, la technique des moirés possède une résolution de l'ordre de la vingtaine de nanomètre avec une sensibilité de 4.10^-4 mais nécessite des échantillons particuliers. La diffraction en faisceau convergent est la technique possédant la meilleure résolution spatiale (1 à 2 nm) combinée à une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Cependant, l'inhomogénéité du champ de déplacement dans l'épaisseur de l'échantillon, phénomène très présent dans les lames minces, rend cette méthode difficile à utiliser de façon courante. La nanodiffraction est probablement la technique la plus facile à mettre en place et s'applique à la plus grande partie des matériaux ou objets. Elle possède une résolution intéressante (jusqu'à 3 nm) mais une sensibilité en déformation limitée à 6.10^-4 dans le meilleur des cas. Pour finir, l'holographie en champ sombre, technique très récente, offre une bonne résolution (autour de 4 ou 5 nm) avec une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Ces quatre techniques sont comparées entre elles sur des échantillons le permettant.
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La compréhension des mécanismes de déformation dans les matériaux cristallins passe par la caractérisation fine des microstructures. Dans le cadre de la microscopie électronique à balayage, la mesure précise des gradients d'orientation et des déformations élastiques du cristal est l'objectif des méthodes dites à haute résolution angulaire. Pour cela, elles emploient des techniques de corrélation d'images numériques afin de recaler les clichés de diffraction électronique. Cette thèse propose une méthode de recalage originale. Le champ de déplacement à l'échelle du scintillateur est décrit par une homographie linéaire. Il s'agit d'une transformation géométrique largement utilisée en vision par ordinateur pour modéliser les projections. L'homographie entre deux clichés est mesurée à partir d'une grande et unique région d'intérêt en utilisant un algorithme de Gauss-Newton par composition inverse numériquement efficace. Une correction des distorsions optiques causées par les lentilles de la caméra lui est intégrée et sa convergence est assurée par un pré-recalage des clichés. Ce dernier repose sur des algorithmes de corrélation croisée globale basés sur les transformées de Fourier-Mellin et de Fourier. Il permet de rendre compte des rotations allant jusqu'à une dizaine de degrés avec une précision comprise typiquement entre 0,1 et 0,5°. La détermination de l'homographie est indépendante de la géométrie de projection. Cette dernière n'est considérée qu'à l'issue du recalage pour déduire analytiquement les rotations et les déformations élastiques. La méthode est validée numériquement sur des clichés simulés distordus optiquement, désorientés jusqu'à 14° et présentant des déformations élastiques équivalentes jusqu'à 5×10−2. Cette étude montre que la mesure précise de déformations élastiques comprises entre 1×10−4 et 2×10−3 nécessite de corriger la distorsion optique radiale, même lorsque la désorientation est faible. Finalement, la méthode est appliquée à des clichés acquis par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et en transmission en utilisant la nouvelle configuration TKD on-axis (transmission Kikuchi diffraction). Des métaux polycristallins déformés plastiquement ainsi que des semi-conducteurs sont caractérisés. La méthode retranscrit des détails fins de la microstructure d'un acier martensitique trempé et revenu et d'un acier sans interstitiels déformé de 15% en traction, malgré la détérioration du contraste de diffraction induit par la déformation plastique. Les structures de déformation sont également analysées dans de l'aluminium nanostructuré obtenu par déformation plastique sévère grâce au couplage de la méthode de recalage et de la configuration TKD on-axis. Ce couplage permet d'atteindre simultanément une haute résolution spatiale (3 à 10 nm) et une haute résolution angulaire (0,01 à 0,05°). Des cartes de déformation élastiques sont obtenues à l'échelle de quelques nanomètres dans une lame mince de SiGe et les densités de dislocations dans un monocristal de GaN sont déterminées avec une résolution voisine de 2,5×10−3 μm−1 (soit 8×1012 m−2).
Author: Henri Souchay Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 199
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Dans le contexte actuel de la microscopie à transmission quantitative a haute résolution, ce travail se propose de faire le lien entre les manipulations expérimentales et les analyses quantitatives auxquelles elles peuvent donner lieu. Pour y parvenir, trois éléments sont nécessaires : une théorie de la formation de l'image qui puisse donner lieu à des calculs numériques assez rapides ; un détecteur d'images électroniques performant ; et un outil logiciel permettant l'acquisition et le traitement des images, leur comparaison avec des simulations et les outils de base pour des reconstructions. Les principaux aspects de la formation d'image en haute résolution sont repris dans le premier chapitre, avec des rappels importants, et un calcul de l'image développe jusqu'aux effets non linéaires et la cohérence partielle pour des défauts cristallins. Dans le second chapitre, après un état de l'art des capteurs d'images électroniques, la propagation est décrite en détail, notamment les effets de l'étalement du signal sur sa variance. Le résultat montre que le bruit crée par la double scintillation était jusque-là sous-estime. Le développement d'une caméra, associe à ce travail, permet de présenter les méthodes de caractérisation de ce type de capteur, en insistant sur la distinction entre le transfert du bruit et du signal. Enfin, le dernier chapitre présente un cahier des charges pour le logiciel et explicite certains des algorithmes utilises, avant de proposer quelques applications : corrections du transfert dans la camera, alignement d'images, et application de la méthode des phases géométriques
Author: Pierre Haymann Publisher: Publication Univ Rouen Havre ISBN: Category : Social Science Languages : fr Pages : 156
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Ce livre est destiné à tous les chercheurs, qu'ils soient universitaires ou industriels, désireux de se mettre au courant des problèmes actuels posés en microscopie électronique, soit comme utilisateurs éventuels, soit comme lecteurs d'ouvrages spécia¬lisés utilisant le microscope électronique comme outil de travail. Dans ce but, un soin particulier a été apporté aux notations et le choix bibliographique permet une référence aux principaux articles.
Author: Shi-Bin Wang Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 138
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UNE METHODE OPTIQUE, COUPLANT L'HOLOGRAPHIE ET L'ANALYSE NUMERIQUE DE RESEAUX A ETE DEVELOPPEE POUR LA DETERMINATION DU TENSEUR DES DEFORMATIONS PLANES SUR TOUT UN CHAMP. LE FAISCEAU OBJET, DIFFRACTE PAR LE RESEAU SITUE SUR LA SURFACE DE L'EPROUVETTE EST ENREGISTRE SUR UNE PLAQUE A HAUTE RESOLUTION PAR HOLOGRAPHIE. A LA RESTITUTION, LES FAISCEAUX DIFFRACTES SONT RECONSTRUITS ET L'ANALYSE DU CHAMP D'INTERFERENCES DE CES FAISCEAUX FOURNIT LES CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DU RESEAU DIFFRACTANT. L'EXPLOITATION DE CES FRANGES D'INTERFERENCES EST REALISEE DE DEUX FACONS, L'UNE UTILISE UN ALGORITHME DE F.F.T. BIDIMENSIONNELLE COUPLE A UNE TECHNIQUE SPECIALE D'INTERPOLATION, L'AUTRE MET EN UVRE UNE PROCEDURE DE DECALAGE DE PHASE. PAR CETTE DERNIERE DEMARCHE, LA SENSIBILITE EN DEFORMATIONS EST DE 0,8/0#-#4. CETTE NOUVELLE METROLOGIE EST APPLIQUEE A LA MECANIQUE DE LA RUPTURE DUCTILE. LES COMPOSANTES DU TENSEUR DES DEFORMATIONS AU VOISINAGE DE LA POINTE DE LA FISSURE SONT AINSI OBTENUES SUR UN ALLIAGE (AL 2017) SOLLICITE EN MODE D'OUVERTURE. POUR UN FAIBLE ACCROISSEMENT DE LA FISSURE DANS LE DOMAINE PLASTIQUE, L'INTEGRALE J EST INDEPENDANTE DU CONTOUR. LA COMPARAISON DU CHAMP DE DEFORMATIONS MESURE AVEC LA DISTRIBUTION ISSUE DE LA FORMULATION CLASSIQUE EN FISSURATION ELASTOPLASTIQUE (SOLUTION H.R.R.) MONTRE QUE LES SOLUTIONS A UN PARAMETRE (J) ET A DEUX PARAMETRES (J, Q) PERMETTENT DE RENDRE COMPTE DE L'EVOLUTION DE CERTAINES COMPOSANTES DE DEFORMATIONS, ET NON DE L'ENSEMBLE DE CES COMPOSANTES. LES INVESTIGATIONS EXPERIMENTALES DOIVENT ETRE POURSUIVIES ET POURRAIENT AIDER A L'ETABLISSEMENT D'UNE FORMULATION MIEUX ADAPTEE A LA DEFINITION DE L'ETAT MECANIQUE EN POINTE DE FISSURE SUR UN MATERIAU DE TYPE DUCTILE.
Author: François Brisset Publisher: EDP Sciences ISBN: 2759803481 Category : Science Languages : fr Pages : 930
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Aussi bien essentielle dans les milieux académiques qu'industriels, la microscopie électronique à balayage et les microanalyses associéessont au coeur de la recherche scientifique et industrielle. L'ensemble des bases théoriques, les principales caractéristiques techniques, ainsi que des compléments pratiques d'utilisation et d'entretien liés à ces disciplines sont développés dans cet ouvrage. Les microscopes électroniques sous haut vide ou vide contrôlé sont exposées profondément, les microanalyses EDS et WDS de dernières générations également. À coté de ces piliers structurants, d'autres techniques d'analyse ou d'observation sont abordées, telles l'analyse EBSD et l'imagerie 3D, le FIB, les simulations de Monte-Carlo et les essais in-situ, etc. Ce volume en langue française est le seul traitant du sujet de façon aussi exhaustive ; il représente la version actualisée et totalement refondue d'une précédente édition de 1979 aujourd'hui épuisée ; il regroupe enfin les cours dispensés lors de l'école d'été de Saint Martin d'Hères en 2006, organisée par le Groupement National de Microscopie Électronique à Balayage et de microAnalyses (GN-MEBA). Ce livre est particulièrement recommandé aux expérimentateurs mais intéressera aussi les spécialistes en science des matériaux (durs ou mous, conducteurs ou non-conducteurs, stratifiés, etc.) désireux de s'investir dans toutes ces techniques d'imagerie et d'analyse, afin d'en exploiter pleinement les forts potentiels. Il a été écrit par les enseignants de l'école d'été, tous chercheurs ou ingénieurs et spécialistes dans leur domaine. Cet ouvrage s'inscrit dans une collection de publications du GN-MEBA consacrée aux principes, aux techniques expérimentales et aux méthodes de calcul et de simulation en Microscopie Électronique à Balayage et en microanalyses.
Author: Dominique Dorignac (auteur d'une thèse en physique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 201
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ETUDE THEORIQUE DU TRANSFERT ET DE LA FORMATION DES IMAGES POUR TROUVER LES CONDITIONS PRATIQUES CONDUISANT A UN CONTRASTE ET UNE RESOLUTION MAXIMAUX. POUR LA MICROSCOPIE EN CHAMP SOMBRE, REALISATION DE SUPPORTS DE BORE AMORPHE ET DETECTION ET ENREGISTREMENT DES IMAGES SUR EMULSIONS X AVEC ANALYSE MICRODENSITOMETRIQUE BIDIMENSIONNELLE DES NEGATIFS ORIGINAUX. REALISATION D'IMAGES D'ATOMES DE 35
Author: Florian Hüe
Author: Florian Hüe
Author: Armand Béché
Author: 
Author: Clément Ernould
Author: 
Author: Henri Souchay
Author: Pierre Haymann
Author: Shi-Bin Wang
Author: François Brisset
Author: Dominique Dorignac (auteur d'une thèse en physique).)