Summary:

Ce travail rentre dans le cadre de la caractérisation des couches minces, de revêtements et de surfaces fonctionnelles (épaisseur, constantes élastiques, porosité?). Parmi les méthodes de caractérisation potentielles, les méthodes ultrasonores employant des ondes de surface (SAW) sont particulièrement intéressantes. En effet, les SAW de type Rayleigh se propagent à la surface d’un matériau et l’énergie véhiculée par ces ondes est confinée sous la surface sur une profondeur de l’ordre d’une longueur d’onde. Dans le cas de structures de type couche sur substrat, les SAW deviennent dispersives. En exploitant cette dispersion sur une large bande de fréquences, des variations importantes de vitesses peuvent être obtenues et il devient alors possible en les exploitant, par inversion, de caractériser ces structures avec des précisions intéressantes sur les caractéristiques mécaniques et dimensionnelle des couches. D’autre part, les couches peuvent être fragiles, transparentes et avec une morphologie complexe, c’est pourquoi, des transducteurs interdigités (IDT) sont envisagés. Ils présentent deux avantages : ils peuvent être déportés et ils peuvent être larges bandes. Pour optimiser ce type de transducteurs, et en particulier leur bande passante, il est nécessaire d’étudier différentes configurations sachant qu’il est notamment possible de faire varier le nombre d’électrodes, les dimensions des électrodes, leurs formes et leurs espacements. Enfin, pour exciter ces ondes de surface dans une large gamme de fréquence avec des niveaux de déplacement suffisants pour la caractérisation des couches minces et revêtements, la technique à double Chirp spatio-temporel basée sur des transducteurs SAW-IDT est privilégiée. Dans ce travail de thèse, les potentialités de cette approche ont été montrées en caractérisant premièrement des structures à couches minces métalliques d’épaisseurs de 50 nm et plus, ensuite des couches ultraminces continues et discontinues (îlots) d’épaisseurs 5 à 20 nm, ainsi que les revêtements transparents de type sol-gel. La possibilité de caractériser des couches de silicium mésoporeux a été aussi démontrée.

Abstract:

This work is related to the characterization of thin films, coatings and functional surfaces (thickness, elastic constants, porosity?). Among the potential characterization methods, ultrasonic methods using surface waves (SAW) are particularly interesting. Indeed, Rayleigh-type SAW propagate on the surface of a material and the energy carried by these waves is confined under the surface on a depth of the order of a wavelength. In the case of layer-on-substrate structures, SAWs become dispersive. By exploiting this dispersion over a large frequency band, important variations of velocities can be obtained and it becomes possible to characterize these structures with interesting precisions on the mechanical and dimensional characteristics of the layers by inversion. On the other hand, the layers can be fragile, transparent and with a complex morphology, that is why, interdigital transducers (IDT) are considered. They have two advantages: they can be offset and they can be wide band. To optimize this type of transducers, and in particular their bandwidth, it is necessary to study different configurations knowing that it is possible to vary the number of electrodes, the dimensions of the electrodes, their shapes and their spacing. Finally, to excite these surface waves in a wide frequency range with sufficient displacement levels for the characterization of thin films and coatings, the double space-time Chirp technique based on SAW-IDT transducers is preferred. In this thesis, the potential of this approach has been demonstrated by characterizing first metallic thin film structures with thicknesses of 50 nm and more, then continuous and discontinuous ultra-thin films (islands) with thicknesses of 5 to 20 nm, as well as transparent sol-gel coatings. The possibility to characterize mesoporous silicon layers has also been demonstrated.

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