AFM à contact résonant : développement et modélisation, Contact resonant AFM : development and Modeling

Fabrice Mege

Description

Sous la direction de Fabien Volpi
Thèse soutenue le 20 mai 2011: Grenoble
Avec l'intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d'outils de caractérisation adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point d'instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second temps à analyser les résultats expérimentaux en s'appuyant sur des approches analytiques et/ou numériques. Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de cartographier la rigidité mécanique de films minces. Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d'obtenir des résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative. Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures damascènes d'interconnexion cuivre,… Des images traduisant les variations d'élasticité de surface ont ainsi pu être construites. Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l'aide de différents modèles (approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour étayer ces résultats.
-Microscope à force atomique
-Résonance en contact
-CR-AFM
-Module d’élasticité
-Nanostructures
-Films minces
The reduction of feature size in integrated circuits has raised an increasing need for characterization tools displaying small-scale resolution. Reliability issues taking place in these structures with dimensions below 100 nm require the development of innovative instruments. This thesis has first focused on the development of near field apparatus displaying sensitivity to surface mechanical properties. Afterwards analytical and numerical modelings have been developed to analyze the obtained experimental data. Known as contact resonance atomic force microscope (CR-AFM), this apparatus is sensitive to the effective stiffness of thin film on substrate, allowing the mapping of the mechanical stiffness. A significant work on the apparatus setting-up and procedure has been done to obtain repeatable and reliable experimental data, which is a prerequisite for quantitative analysis. Then CR-AFM experiments have been done on various samples: model stacks (silica thin films on silicon with varying silica thickness), silica films with tuned porosity, Damascene copper interconnect structures,… The mapping of elastic stiffness of such samples has been built-up. In order to quantify these contrasts, our experimental results have been analyzed through different models (analytical and numerical). Finite element simulations were also performed to support these results.
-Atomic force microscope
-Contact resonant
-CR-AFM
-Elastic modulus
-Nanostructures
-Thin films
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI030/document

Sujets

• Microscope à force atomique
• Module de Young

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 161
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
Fabrice MEGE


Thèse dirigée par Fabien VOLPI et
codirigée par Marc VERDIER

préparée au sein du SIMaP
dans l'École Doctorale I-MEP2


AFM à contact résonant :
Développement et Modélisation


Thèse soutenue publiquement le 20 mai 2011,
devant le jury composé de :
M. Christophe COUPEAU
Professeur à l’Université de Poitiers, Rapporteur
M. Patrick DELOBELLE
Ingénieur de recherche CNRS au FEMTO-ST à Besançon, Rapporteur
M. Rafael ESTEVEZ
Professeur à l’université Joseph Fourier, Membre
M. Richard ARINERO
Maître de conférences à l’Université de Montpellier 2, Membre
M. Fabien VOLPI
Maître de conférences à Grenoble-INP, Directeur de thèse
M. Marc VERDIER
Chargé de recherche CNRS au SIMaP, Co-directeur
M. Guillaume PARRY
Maître de conférences à Grenoble-INP, Invité


tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011

tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011

tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011

tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011Contact resonant AFM : Development and Modeling
The reduction of feature size in integrated circuits has raised an increasing need for
characterization tools displaying small-scale resolution. Reliability issues taking place in these
structures with dimensions below 100 nm require the development of innovative instruments.
This thesis has first focused on the development of near field apparatus displaying sensitivity to
surface mechanical properties. Afterwards analytical and numerical modelings have been
developed to analyze the obtained experimental data.
Known as contact resonance atomic force microscope (CR-AFM), this apparatus is sensitive to
the effective stiffness of thin film on substrate, allowing the mapping of the mechanical stiffness.
A significant work on the apparatus setting-up and procedure has been done to obtain repeatable
and reliable experimental data, which is a prerequisite for quantitative analysis. Then CR-AFM
experiments have been done on various samples: model stacks (silica thin films on silicon with
varying silica thickness), silica films with tuned porosity, Damascene copper interconnect
structures,… The mapping of elastic stiffness of such samples has been built-up.
In order to quantify these contrasts, our experimental results have been analyzed through
different models (analytical and numerical). Finite element simulations were also performed to
support these results.

Keywords : Atomic force microscope, contact resonant, CR-AFM, elastic modulus,
nanostructures, thin films

AFM à contact résonnant : Développement et Modélisation
Avec l’intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d’outils de caractérisation
adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant
dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point
d’instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un
appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second
temps à analyser les résultats expérimentaux en s’appuyant sur des approches analytiques et/ou
numériques.
Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet
appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de
cartographier la rigidité mécanique de films minces.
Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d’obtenir des
résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative.
Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice
sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures
damascènes d’interconnexion cuivre,… Des images traduisant les variations d’élasticité de surface
ont ainsi pu être construites.
Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l’aide de différents modèles
(approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour
étayer ces résultats.
Mots clés : Microscope à force atomique, résonance en contact, CR-AFM, module d’élasticité,
nanostructures, films minces.

Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et des Procédés (SIMAP), unités TOP et PM
1130 Rue de la Piscine, BP 75, 38402 St Martin d’Hères Cedex
tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011


tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011Remerciements


Le travail retracé dans ce manuscrit s’est effe catu ésein du laboratoire SIMaP basé sur le
campus grenoblois (Science et ingénierie des mautxé riet des procédés) et a été financé par le
cluster Micro-Nano de la région Rhône Alpes. Jr’aaiim aevant d’entamer la présentation des travaux,
remercier toutes les personnes qui ont contribu ép rdèes ou de loin à la réalisation de cette ti hèse. S
ces trois années ont été si captivantes et ensarinctheis, scientifiquement et humainement, c’est
grâce à elles.
En premier lieu, j’aimerai remercier mes troiasd reancts sans lesquels ce manuscrit n’aurait
pu voir le jour. J'ai vraiment apprécié de etrr aavvaeilcl chacun d'entre vous. Merci à Fabien Volpi
pour ses conseils avisés et son regard critiq'uaei. b eJaucoup appris à son contact, et cela mi'sa per
de présenter des travaux plus rigoureux et dee umrei llqualité. Merci à Marc Verdier, physicien
d'une grande culture scientifique, qui m'a fataitg epra rses nombreuses idées. Face aux difficultés
expérimentales, il m'a sorti plus d'une fois sds'eism peat m'a transmis son enthousiasme. Enfin, je
voulais remercier Guillaume Parry, guitariste à sheesures, spécialiste de la modélisation par la
méthode des éléments finis. Il m'a initié à élsae nrteaptrion de micro structures mécaniques sous
ABAQUS, et s'est largement impliqué dans l'amtéiolionr ades modèles développés.
J’exprime mes plus sincères remerciements aux mresm bdu jury pour le temps et l'intérêt
qu'ils ont accordés à mon travail. Je remercaier tiecnu liepr les deux rapporteurs, Christophe
Coupeau et Patrick Delobelle pour l'intérêt oqnut' ilms anifesté pour mon travail. Je remercie
également, Rafael Estevez pour avoir accepté des idperré le jury, ainsi que Richard Arinero, venu de
Montpellier pour l’occasion.
Merci aux membres du CEA LETI avec qui nous aovlolanbso rcé, en particulier, Denis Mariolle
pour son expertise sur certaines de nos problémueast,i qet David Mercier qui a débuté une thèse et
m’a généreusement transmis des échantillons à éetru.d i
Merci à Vincent Arnal et Alexis Farcy, de STMieccrtoréolnics, pour l’attention qu’ils ont
portée à mes travaux ainsi que pour la fournietu rsetr udctures de tests récentes.
Merci à mes stagiaires, en particulier Maxime azD Luipnrda Boatemaa dont les travaux ont
contribué significativement à l’avancement de lèas eth. J’ai vraiment apprécié de travailler avec. vous
Je remercie ensuite, les membres du groupe PMsi q(upeh ydu métal) avec lesquels j'ai
partagé une bonne partie de mon temps. Tout d 'Saibnohr dVu Huong, le maître d'ABAQUS, pour ses
tel-00618676, version 1 - 2 Sep 2011conseils précieux et sa bonne humeur. J'ai eu irp làa istravailler à tes côtés et je te souhaite une
bonne fin de thèse. Je remercie également Brunole sG, ilpour ses avis éclairés ainsi que pour les
discussions que j’ai eu plaisir à partager aiv.e cM elurci également à Jean Louis-Chemin pour son
aide décisive au niveau expérimental, en particr uloiers de la réalisation de nos montages
électroniques. De façon générale, je remercie eml’ebnlse des personnes résidant dans le bâtiment
thermodynamique avec qui j’ai eu plaisir à tlerar vateillles que Marie-Claude Cheynet, Patricia
Donnadieu, Guillaume Beutier, Mireille Maret, Fréridcé Livet, Céline Pascal, Fréderic Charlot,
Murielle Bracini, et