Corrélation des ondes acoustiques diffuses dans des microstructures de type couche-sur-substrat – DACLOS

L’originalité du projet repose sur la combinaison inédite de deux savoir-faire complémentaires développés au sein de l’équipe DACLOS : la maîtrise des techniques de corrélation d’ondes acoustiques diffuses issues du domaine des grandes structures, et l’expertise en ondes de surface à haute fréquence et en caractérisation des couches minces par IDT et LDV. À notre connaissance, il s’agirait de la première application du contrôle non destructif par corrélation d’ondes diffuses à l’échelle micrométrique, ouvrant la voie à une nouvelle classe de techniques de CND et d’évaluation basées sur l’exploitation de bruit acoustique aléatoire artificiel dans la gamme du MHz.

Pour le CND des couches sur substrat, l'équipe TPIA, a l'expertise de développer des transducteurs interdigités (IDT) à large bande. Pour tirer parti de l’approche évoquée précédemment, dans la gamme des hautes fréquences (10-30 MHz), les IDTs sont utilisés pour générer le champs diffus haute fréquence dans les échantillons. Ces IDTs sont alimentés par des séquences de bruit blanc. Différents échantillons fournis notamment par STMicroelectronic ont été testés au laboratoire. Il s'agit de couches métalliques (50-500 nm) déposées sur des substrats isotropes (silice) et anisotropes (silicium). Les premiers essais ont été d'abord axés sur l'estimation des paramètres expérimentaux et des conditions permettant une reconstruction satisfaisante de la FG vis-à-vis du nombre d’IDTs, et de la géométrie optimale de l'échantillon. On s’est intéressé notamment à l’étude :

• des caractéristiques de réverbération des échantillons (durée des signaux, nature de l’excitation, l’atténuation, géométrie de l’échantillon, etc.)

• de la qualité de reconstruction des fonctions de Green reconstruites par corrélation de signaux mesurés (nombre d’IDTS, type d’IDT, type de matériau, etc.)

Par la suite, on s’est intéressé à la détection de défauts dans les échantillons étudiés. Pour cela, on dispose au laboratoire IEMN des moyens techniques pour l’usinage de défauts localisés (gravure chimique, rajout de masse par évaporation, etc.). Dans ces travaux, on a testé des défauts comme le dépôt d’une couche de laque d’argent.

Les livrables D1 et D2 concernent la conception, la fabrication et la caractérisation de transducteurs interdigités (IDTs) pour générer des ondes acoustiques de surface (SAWs) divergentes à haute fréquence sur substrat piézoélectrique en niobate de lithium (Y128° LiNbO₃). L’objectif est de produire des champs acoustiques diffus permettant le contrôle non destructif de structures couche-sur-substrat, notamment en microélectronique, en maximisant l’angle d’ouverture des ondes tout en limitant les pertes d’énergie liées au contact avec l’échantillon.

Trois configurations d’IDTs ont été étudiées : un IDT circulaire émettant depuis une extrémité convexe large, un IDT circulaire émettant depuis une extrémité concave étroite, et un IDT étroit d’ouverture proche de deux longueurs d’onde. L’IDT concave étroite génère la plus forte amplitude de SAWs, favorable à la mesure de champs diffus détaillés, tandis que l’IDT étroit réduit la zone de contact et préserve l’énergie acoustique, augmentant le nombre de réverbérations utiles. Ces résultats permettent de définir des critères de conception optimisant le compromis entre amplitude et limitation du contact mécanique, essentiels pour des champs diffus efficaces à haute fréquence.

Le livrable D3 porte sur le développement d’imagerie par corrélation de bruit appliquée à des wafers de silicium anisotropes. L’approche repose sur la reconstruction passive de la fonction de Green à partir de corrélations d’ondes diffuses. Les profils de vitesse des ondes de surface ont été calculés numériquement à partir des équations de Christoffel, permettant d’identifier deux modes principaux dans la plage 4,5–5,5 km/s et de générer des courbes de lenteur du silicium (100). Ces profils ont été intégrés dans un algorithme combinant corrélation différentielle et beamforming : la présence d’un défaut est détectée par différence entre matrices de corrélation avec et sans défaut, et la rétropropagation tient compte de l’anisotropie pour localiser précisément les défauts.

Une validation expérimentale a été réalisée sur un wafer de 7 cm de diamètre et 2 mm d’épaisseur, utilisant un IDT large bande (7–25 MHz) et une vibrométrie laser. Les fonctions de corrélation obtenues sans défaut montrent une asymétrie temporelle, indiquant une reconstruction insuffisante de la fonction de Green, du à l’atténuation engendrée à ces fréquences et donc à une réverbération insuffisante des ondes de surface et à des conversions de modes probablement.

Les travaux menés jusqu’ici ont montré le potentiel de l’imagerie passive par corrélation d’ondes acoustiques pour le contrôle non destructif de microstructures. Les perspectives se déclinent sur plusieurs axes complémentaires : il s’agit d’abord de mieux comprendre les conditions minimales permettant une reconstruction fiable de la fonction de Green pour des ondes de Rayleigh dans des couches minces. La sensibilité aux défauts micrométriques précoces sera également étudiée, afin de quantifier les limites de détection en termes de résolution spatiale et de contraste. D’un point de vue expérimental, pour augmenter le niveau de maturité technologique (TRL), les méthodes seront testées sur des applications industrielles réelles. Cela permettra de vérifier l’efficacité de l’approche dans des conditions proches de l’usage opérationnel. La coordinatrice a bénéficié récemment dans le cadre du programme BRIDGE de l’UPHF d’un financement d’un stagiaire (mars–juillet 2026), celui-ci contribuera à ces travaux. Enfin, les résultats scientifiques obtenus serviront de base pour préparer des candidatures à des appels à projets européens, notamment Horizon Europe RIA (Cluster 4 : Digital, Industry & Space, thématiques advanced NDT, smart sensing, materials characterization), ERC et EIC Pathfinder. Cette stratégie vise à renforcer la visibilité et l’impact européen du projet DACLOS, en commençant par une demande d’aide ANR PERCEE (en cours). La thématique a atteint un TRL 2–3 grâce aux projets ANR précédents (PASNI, PANSCAN, DACLOS). Le programme PERCEE permettra de structurer et d’accompagner la recherche pour progresser vers des applications industrielles et déposer des projets européens ambitieux.

Ce projet ouvre la voie à une technique originale d'auscultation de microstructures basée sur la corrélation d'ondes diffuses. L'objectif est le contrôle et l'évaluation non destructifs des échantillons couche-sur-substrat. Actuellement, une possibilité pour inspecter ces structures consiste à utiliser des IDTs en émission et de la vibrométrie laser en réception. La mise en oeuvre de la corrélation des ondes acoustiques diffuses et du principe associé de reconstruction de la fonction de Green passive devrait permettre de détecter et d'imager des hétérogénéités en 2D. Des applications prometteuses sur des plaques soumises à un bruit ambiant basse fréquence (10-30 kHz) ont été montrées. Compte tenu des dimensions des structures LOS, une telle analyse peut être menée à plus hautes fréquences (10-30 MHz), soit un facteur 1000 en fréquence. Ainsi, l'application de la technique DWC à l'échelle micrométrique nécessitera un bruit diffus artificiel, une instrumentation et un traitement adapté.