Tricouches symétriques pour la caractérisation thermique de couches minces par méthode opto-électrothermique
Les couches minces diélectriques regroupent un large panel de matériaux aux applications diverses dont les propriétés thermiques s’étendent sur une large gamme. Parmi celles-ci, le nitrure d’aluminium est utilisé en microélectronique pour la dissipation passive de chaleur en raison de son excellente conductivité thermique, de l’ordre de 100 W/m/K à 200 W/m/K.
Afin d’être en mesure de caractériser thermiquement ce type de matériaux bons conducteur et de faible temps de conduction, une méthode opto-électrothermique issue de la classe de méthodes Flash (excitation optique pulsée, combinée ici à une mesure électrothermique) est développée : l’effet thermorésistif d’une électrode métallique déposée sur le matériau est utilisé comme transducteur afin de déterminer la variation de température de diffusion en surface de l’électrode – au moyen d’un pont de Wheatstone équilibré et d’une sonde de mesure. Ce dépôt opaque et unique est souvent nécessaire pour collecter l’excitation laser lors de l’utilisation de méthodes optiques du fait du caractère semi-transparent des couches minces. Toutefois, lorsqu’une mesure simultanée des charges d’espace est réalisée pour caractériser électriquement le film mince (e.g. HVDC), celui-ci peut être enchâssé entre deux électrodes métalliques. Ce tricouche symétrique offre alors une possibilité de mesure sur chaque face (avant et arrière) de l’échantillon. Finalement, une méthode inverse permet à partir de ces mesures temporelles de déterminer les propriétés du film mince.
Le papier proposé présente une preuve de concept de la méthode opto-électrothermique développée en l’appliquant dans cette configuration symétrique à un échantillon mince ( 100 μm) d’AlN présentant des propriétés de semi-transparence. Il est ainsi montré que la méthode est adaptable aux mesures en faces avant et arrière. A cette fin, différentes modélisations quadripolaires du transfert conducto-radiatif 1D au sein du tricouche sont proposés. En particulier, un modèle adapté aux mesures en face avant a été développé afin de permettre la prise en compte des effets de semi-transparence du film en considérant un transfert conductif en milieu semi-infini. Une étude des performances de la méthode d’estimation sur données synthétiques est menée afin d’évaluer l’influence des biais de modèles thermiques dus au transfert par conduction et aux effets de semi-transparence.
Les valeurs de conductivité effective du film déterminées à partir des mesures expérimentales réalisées en faces avant et arrière ont pu être corroborées entre elles avec un écart relatif de l’ordre de 2 %.