Caractérisation thermique de couches minces par une méthode opto-électrothermique : étude de l’influence des biais et des non-idéalités expérimentales.

Sébastien Peillon¹, Christophe Rodiet^1
⋆ : sebastien.peillon@epfedu.fr
¹ EPF / IES
Mots clés : Caractérisation thermique, méthode Flash, films/couches minces, multicouches, chaîne de mesure, méthodes inverses.
Résumé :

Le contexte de ce travail est celui de la caractérisation thermique de couches minces diélectriques, dont l’usage est à visée microélectronique (dissipateurs passifs, cellules photovoltaïques, …) ou électrotechnique (isolants diélectriques pour le transport de puissance, …). Il s’inscrit en continuité de travaux précédents [1,2] sur le développement d’une méthode impulsionnelle « opto-électrothermique », basée sur la classe des méthodes Flash.

Il existe un large panel de méthodes de caractérisation thermique de couches minces, adaptées à différentes gammes de temps de réponses. Parmi les plus connues, la méthode 3ω ainsi que les méthodes de thermoréflectance (en fréquence ou en temps).

Le but est ici d’étendre le cadre d’application de la méthode Flash à des couches minces dont le temps de réponse thermique peut être inférieur à la microseconde.

L’étude sera faite dans le cas de couches minces déposées sur substrat rigide. Afin de faire face aux temps de réponse thermique très courts, un ruban métallique servant de transducteur électrothermique est déposé sur le film mince diélectrique à caractériser, ayant pour conséquence l’étude thermique d’un tricouches (ruban/film mince/substrat). La variation de température de surface induite par diffusion du film mince après excitation optique par laser pulsé ( 6 ns) est mesurée grâce à l’effet thermorésistif du ruban. Ce dernier est relié à un pont de Wheatstone équilibré dont la tension différentielle est observée à l’aide d’un appareil de mesure (oscilloscope, sonde de mesure ou différentielle).

Ce papier s’intéresse particulièrement aux biais de modélisation ainsi qu’aux non-idéalités expérimentales impactant l’estimation de paramètres, telles que les modélisations du comportement thermique de l’échantillon (tricouche) dans le cadre de certains cas limites, les résistances thermiques d’interface, la prise en compte du caractère non impulsionnel (Dirac en temps) de l’excitation laser, ou encore les non-idéalités de la chaîne de mesure (réponse fréquentielle, erreurs de quantification, fréquences d’échantillonnage limitées,...).

L’objectif est de déterminer les possibilités de réduction de modèles et de définir des critères ainsi que des méthodes permettant de minimiser les erreurs sur les paramètres d’intérêt. En particulier, il sera montré que la mise en œuvre des méthodes proposées peut permettre de diviser par dix les erreurs d’estimations sur les paramètres d’intérêt (conductivité ou diffusivité thermique).

 [1] C. Rodiet et al., « Étude d’une méthode de caractérisation thermique de couches minces par technique opto-électro-thermique sur données synthétiques », SFT 2018.

 [2] S. Peillon et al., « Étude d’une chaîne de mesure pour la caractérisation thermique de couches minces – Impact sur l’estimation de paramètres sur données synthétiques dans un cas simplifié », SFT 2019.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-053

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