Analyse des déformations élastiques locales par la technique EBSD

par Sébastien Villert

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Roland Fortunier.


  • Résumé

    La quantification locale des contraintes est un axe de recherche majeur dans l'industrie microélectronique. Dans les lignes d'interconnexions de cuivre par exemple, les contraintes résiduelles participent à la formation et à la propagation de phénomènes liés à l'électro-migration, qui nuisent à la fiabilité des lignes. Étant donnée la faible largeur de ces lignes de l'ordre de quelques centaines voire dizaines de nanomètres, il est nécessaire de mettre au point des techniques de mesure des déformations avec une bonne résolution spatiale (inférieure à 50nm). Les contraintes sont alors calculées par application de la loi de comportement du matériau étudié. L'analyse bibliographique de différentes techniques de mesure de déformations élastiques locales montre que l'EBSD offre un des meilleurs compromis entre résolution spatiale et facilité de mise en oeuvre. D'ailleurs, cette technique est déjà utilisée pour caractériser la microstructure des lignes d'interconnexions de cuivre. La mesure de déformations élastiques par EBSD repose sur la comparaison de deux clichés de diffraction (un des clichés sert de référence) par la technique de corrélation d'images numériques. Dans nos travaux, nous reprenons cette méthode et nous en améliorons la précision de mesure. Nous proposons notamment une meilleure procédure de minimisation et optimisons la corrélation d'images. L'utilisation de diagrammes d'EBSD simulés permet dans un premier temps de mettre au point notre méthode et d'en estimer les performances théoriques. Nous étudions en particulier la précision de mesure et la sensibilité à divers paramètres expérimentaux. Ensuite, deux essais spécifiques sont réalisés pour valider notre méthode sur des diagrammes expérimentaux : la flexion quatre points d'un monocristal de silicium et l'étude de dépôts de SiGe sur substrat de silicium. Enfin, notre méthode est appliquée pour déterminer les déformations et rotations dans des lignes d'interconnexions de cuivre. Cette dernière étude révèle la nécessité d'une mesure absolue (c'est-à-dire sans diagramme de référence), pour laquelle nous proposons une perspective encourageante.

  • Titre traduit

    Analysis of localised elastic strains using the EBSD technique.


  • Résumé

    The quantification of local stresses has become a major field of research for microelectronic industry. In copper interconnects for example, the residual stresses contribute to the formation and growth of voids and hillocks which lead to the interconnect failure. Since the width of interconnects has steadily decreased, strain measurement methods with a good spatial resolution (< 50 nm) are required for device characterization. Several techniques have been recently developed to this aim, such as Convergent Beam Electron Diffraction, KOSSEL micro-diffraction, high resolution X ray diffraction, micro-Raman, Electron BackScatter Diffraction , etc. . . The latter technique offers a good spatial resolution and ease of use. Indeed, it has been already used to study the microstructure of copper interconnects. The elastic strain measurement by EBSD is based on the comparison of two diffraction patterns (one is considered as reference) using digital image cross-correlation. In our work, we also use this approach to which we bring several modifications to improve the measurement accuracy. To this aim, we propose an improved minimisation procedure and we optimised the cross-correlation algorithm. In order to develop and optimise the method, a program which simulates EBSD patterns has been created. This software enables fast simulations of EBSD images for strained materials given that it considers the influence of the displacement gradient tensor (assuming small shape changes). The theoretical performances of the method are so firstly discussed. Then, we realised two specific experiments to validate the method : the four-point bending of a silicone single crystal and the tetragonal distortion of SiGe layers on silicone substrates. Finally, we apply the method to study elastic strains and rigid body rotations in copper interconnects.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVII-159 p.)
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Bibliothèque : Ecole nationale supérieure des mines. Centre de documentation et d'information.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 531.38 VIL
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