La miniaturisation continue des composants électroniques et l'optimisation de leurs propriétés impliquent une maîtrise et donc un contrôle des contraintes à l'échelle nanométrique sur l'ensemble des dispositifs. L'holographie électronique en champ sombre (Dark Field Electron Holography, DFEH) est une technique de microscopie électronique qui a été développée dans le but de cartographier les déformations dans ces systèmes à l'échelle du nanomètre tout en disposant du plus grand champ de vue possible. Son principe se base sur la mesure du déphasage de l'onde électronique induit par un champ de déformation et appelé phase géométrique. Il était admis jusqu'à présent que la mesure de la phase géométrique apportait une information sur la déformation moyennée le long de l'épaisseur de l'échantillon et projetée dans la direction de propagation du faisceau électronique.
Le but de ce travail a été de connaitre exactement l'information portée par la phase géométrique du faisceau diffracté en fonction de la profondeur traversée. En effet, pour des raisons propres à la structure du cristal ou simplement à cause des effets de relaxation inhérents aux échantillons de microscopie électronique, la déformation le long de l'axe optique ne peut être constante. En conjuguant la théorie dynamique en condition deux ondes avec la théorie des perturbations, nous proposons dans cette thèse une règle de projection tridimensionnelle de la phase géométrique qui varie en fonction du faisceau diffracté, de l'épaisseur et de l'orientation de l'échantillon.
Une partie théorique de ce manuscrit est consacrée au développement de cette règle de projection, ainsi qu'à la méthode de simulation employée pour l'intégrer dans les calculs par éléments finis. Une seconde partie plus expérimentale présente des résultats obtenus par DFEH pour des couches et multicouches de SiGe épitaxiées sur un substrat de silicium et qui ont pu être interprétés à l'aide de la théorie développée. Enfin, dans une dernière partie dédiée à la reconstruction tridimensionnelle de la déformation nous montrons en quoi cette règle de projection se présente comme un précurseur de la cartographie 3D du champ de déformation par DFEH. |
Stress control at the nanometer scale has become an indispensable tool to help the miniaturization of devices and increase performance of transistors arrays. Dark Field Electron Holography (DFEH) is an electron microscopy technique which has been developed in the aim to map strain in electronic devices at the nanometer scale and with a large field of view. The principle is based on measuring the phase shift of diffracted beams due to strain (and/or displacement) fields, the so-called geometric phase. Currently, it is assumed that the measured geometric phase corresponds to the strain averaged over the sample thickness, projected in the propagation direction.
The aim of this work is to know exactly how the geometric phase information as a function of depth in the sample is transmitted in the diffracted beam. Indeed, strain fields are never constant over the thickness of the TEM foil, either due to the structure of the specimen itself or due to thin-film relaxation. In so doing, we have developed 3D projection rules depending on thickness and sample orientation (deviation parameter), and based on a combination between 2-beam dynamical theory and perturbation theory to fill this gap.
A first theoretical part of the manuscript concerns the development of this projection rule and the method used to integrate it into finite element method (FEM) modelling. A more experimental second part presents DFEH results obtained from strained SiGe layers epitaxialy grown on Si substrate, which have been analyzed thanks to this new theory. In the last part, which is dedicated to the tridimensional reconstruction, we show how the linear projection rule lays the necessary theoretical basis for mapping 3D strain field with DFEH. |