Développement des méthodes de Ptychographie et diffraction cohérente des rayons X en géométrie de Bragg : application à l'étude de nano-structures

par Gaétan Girard

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Vincent Favre-Nicolin et de Joël Eymery.

Soutenue le 04-03-2020

à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec European synchrotron radiation facility (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Marc de Boissieu.

Le jury était composé de Virginie Chamard.

Les rapporteurs étaient Sylvain Ravy, Stéphane Labat.


  • Résumé

    L’ingénierie des contraintes révolutionne actuellement le monde de la nanotechnologie, en ce qu’elle permet d’améliorer les performances de dispositifs tels que les structures semi-conductrices, en manipulant les propriétés physiques des matériaux à travers une déformation élastique. La nécessité de méthodes de caractérisation non-invasives, précise à l’échelle nanométrique et ultra-sensible aux déformations, s’en trouve donc accrue. Les nanostructures étudiées servent d’étalons pour le développement d’une méthodologie basée sur la diffraction de rayons X en condition de Bragg. Dans ce travail, la technique de Microscopie par balayage de diffraction X (SXDM) est d’abord détaillée et appliquée à des couches ultra minces de SiGe contraint sur isolant, démontrant être un puissant outil statistique pour évaluer la relaxation de la contrainte après gravure. Ensuite,le manuscrit décrit les techniques d’imagerie par diffraction de rayons X cohérents (CDI) en condition de Bragg, qui permets de reconstruire la densité électronique complexe 3D d’une cristal, et de Ptychographie, qui se base sur l’introduction d’une diversité par translation du faisceau sonde. L’objectif est de combiner ces deux techniques pour développer une technique de haute précision spatiale et ultra-sensible aux déformation, sur des objets pouvant être étendus. Par conséquent, la Ptychographie en condition de Bragg est introduite, ainsi que les algorithmes associés qui permettent de reconstruire à la fois l’échantillon et le faisceau probe, ce dernier étant essentiel pour obtenir des reconstructions concluantes. Il est démontré qu’une approche 2D par projection est suffisante et quantitative dans les cas limites auxquels la thèse se confronte: matériaux ultra-fin approximés par des couches 2D et matériaux ultra-deformés pour lesquels seuls les sous-volumes dans lesquels la déformation varie peu (isostrain) peuvent être reconstruits.

  • Titre traduit

    Development of Bragg coherent X-ray diffraction and ptychography methods : application to the study of semiconductor nanostructures


  • Résumé

    Nanotechnologies rely on the introduction of strain engineering to enhance semiconductor devices performances. As a consequence, non-invasive characterization methods with high spatial resolution and strain sensitivity on low-amount-of-matter samples are required. This PhD work focuses on methodology of X-ray diffraction techniques performed in the Bragg geometry, which allows probing the structural properties of crystalline samples. Firstly, the Scanning X-ray Diffraction Microscopy technique, developed on a fast-timescale at the ESRF ID01 undulator beamline, is described through a thorough analysis of an experiment performed on ultra-thin strained SiGe-on-insulator patterns. Secondly, this manuscript focuses on two coherent diffraction imaging techniques, namely Bragg CDI, which yields complex density and strain map of nano-meso crystalline objects, and Ptychography, which use translational diversity to produce quantitative maps of complex transmission function of non-crystalline objects. The motivation developed in this PhD work is to combine these two techniques that both promote highly sensitive phase-contrast properties, in order to provide ultra-high resolution on complex/extended samples. Bragg Ptychography is thus introduced, along with algorithmic descriptions and considerations on the X-ray beam characterization, the latter being still a key component for successful reconstructions.


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