Brevet FR2697087A1 — publié le 19940422

PROCEDE ACOUSTIQUE D'ANALYSE MICROSCOPIQUE OU D'IMAGERIE D'UN OBJET EN PROFONDEUR PAR APPLICATION D'UNE POINTE VIBRANTE ET MICROSCOPE EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne le domaine technique général de l'analyse de la surface et du volume d'un objet solide au sens général, à partir d'un signal acoustique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'analyse en profondeur d'un objet relevant, par exemple, du domaine de la micro-électronique ou de la micro-métallurgie, afin de déceler d'éventuels défauts, tels que des microfailles, des déformations localisées ou des inhomogénéités. L'art antérieur a proposé une première catégorie de microscope acoustique considéré comme classique. Une telle technique décrite, par exemple, par l'article A. ATALAR, M. HOPPE, "High-performance acoustic microscope", Rev. Sci. Instrum., 57, (10), pp. 2568-2576, (1986) utilise une lentille acoustique qui focalise une onde en un point situé à la surface ou dans le volume du matériau examiné. L'observation ne peut s'effectuer que par utilisation d'un milieu de couplage liquide ou gazeux. Pour obtenir une bonne résolution, il convient d'augmenter la fréquence d'émission. Cette augmentation engendre notamment une forte atténuation dans le milieu de couplage et dans l'objet à examiner. Ainsi, l'article précité indique une résolution de 0,8 im à une fréquence de 1,6 0Hz et une profondeur de pénétration limitée à 1 ,um environ. il n'apparaît donc pas possible, par cette technique d'obtenir une bonne résolution et une analyse en profondeur de l'objet.De plus, une telle technique s'avère onéreuse et délicate à mettre en oeuvre en raison de l'utilisation d'un milieu de couplage et d'une électronique d'émission et de détection fonctionnant à hautes fréquences. Une amélioration de ce dispositif décrite notamment par la demande de brevet européen 0 198 944 prévoit d'adjoindre à la lentille acoustique une pointe vibrant à une fréquence supérieure à 1 MHz. La pointe vibrante est plongée dans un milieu de couplage dans lequel est immergé l'objet devant être examiné. Les limitations observées en microscopie classique sont toutefois conservées par cette technique. Une autre catégorie de technique antérieure concerne la microscopie acoustique en champ proche mettant en oeuvre l'effet tunnel. Cette technique, décrite notamment par le document B. T. KHURI YAKUB, S. AKAMINE, B. HADIMIOGLU, H. YAMADA, C. F. QUATE, "Near field acoustic microcopy", Scan. Microscopy Instr., pp. 30-39, 1991, prévoit l'utilisation d'une pointe vibrante dont le diamètre, d'une manière générale, varie de quelques fractions de nanomètres à 50 nanomètres environ. Une telle technique permet d'obtenir une haute résolution. Toutefois, les informations recueillies permettent uniquement d'analyser le profil de la surface de l'objet et ne peuvent, en aucun cas, servir à analyser en profondeur l'objet scruté. L'étude de l'état de la technique conduit donc à constater qu'il n'existe pas de technique de microscopie acoustique offrant l'avantage d'être facilement mise en oeuvre, tout en présentant une bonne résolution et une capacité à permettre une analyse en surface et en profondeur d'un objet. La présente invention vise à satisfaire ce besoin en proposant un procédé acoustique permettant de caractériser la surface et le volume d'un objet présentant une bonne résolution et une mise en oeuvre relativement simple et peu onéreuse. Pour atteindre cet objectif, le procédé acoustique selon l'invention consiste à - à exciter la pointe vibrante à une fréquence comprise entre 10 KHz et 1 MHz et, de préférence, entre 50 et 200 KHz, - à choisir une pointe vibrante dont la partie terminale destinée à être en appui sur l'objet présente un diamètre ou une diagonale dont la mesure est comprise entre 0,1 et 100 jm et, de préférence, entre 1 et 30 jum, - et à exercer par la pointe vibrante sur l'objet une pression d'appui présentant une valeur prédéterminée. L'objet de l'invention vise, également, à proposer un microscope acoustique permettant la mise en oeuvre du procédé d'analyse selon l'invention. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La Fig. 1 est une vue générale d'un microscope acoustique fonctionnant en transmission et permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La Fig. 2 est une courbe donnant l'amplitude du signal acoustique transmis en fonction de la distance de la tête d'excitation à l'objet à examiner. La Fig. 3 illustre le principe général d'un microscope acoustique selon l'invention fonctionnant en réflexion. Tel que cela apparaît plus précisément à la Fig. 1, le microscope acoustique selon l'invention est destiné à assurer l'analyse de la surface et du volume d'un objet 1, au sens général. Le microscope comporte une pointe vibrante 2 présentant une partie terminale libre 3 de section circulaire ou polygonale destinée à venir en appui sur la surface 1l de l'objet, à partir de laquelle l'analyse en profondeur doit être réalisée. Selon une caractéristique de l'invention, la partie terminale 3 présente un diamètre dans le cas d'une section circulaire ou une diagonale dans le cas d'une section polygonale, dont la valeur ou la mesure est comprise entre 0,1 et 100 itm et, de préférence, entre 1 et 30 clam. La pointe vibrante 2 présente une forme générale cylindrique ou tronconique.La pointe 2 est reliée à un transducteur acoustique 4 constitué, par exemple, par un cristal piézoélectrique. La pointe 2 est directement intégrée au transducteur ou rapportée directement sur l'élément piézoélectrique ou, comme illustré sur les dessins, se trouve reliée mécaniquement au transducteur par l'intermédiaire d'une poutre de flexion 5. Le cristal d'excitation 4 est un piézoélectrique classique (PZT) dont les électrodes sont soit des lames métalliques placées face à face pour une vibration en épaisseur ou en flexion, soit une couche piézoélectrique déposée ou collée sur une lame fléchissante. Le transducteur 4, la poutre 5 et la pointe 2 forment la tête d'excitation. La pointe 2 est destinée à être mise en vibration par l'intermédiaire d'un circuit de commande 7 relié au transducteur acoustique 4. Selon une caractéristique de l'invention, le générateur 7 permet d'exciter la pointe vibrante 2 à une fréquence comprise entre 10 KHz et 1 MHz et, de préférence, entre 50 et 200 KHz. La gamme de fréquences choisie permet d'assurer une vibration correcte de la pointe, tout en permettant de s'affranchir des vibrations mécaniques parasites environnantes et de la mise au point d'un circuit de commande 7 complexe, dans la mesure où celui-ci travaille en basses fréquences. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pointe vibrante 2 est destinée à appliquer sur l'objet à analyser une pression d'appui présentant une valeur prédéterminée. La pointe vibrante, qui constitue la source acoustique, transmet ainsi les vibrations à l'objet 1. Le procédé selon l'invention vise donc à utiliser une pointe vibrante destinée à assurer des microdéformations à l'objet, dans la mesure où elle exerce une pression d'appui donnée sur l'objet. L'utilisation d'une pointe vibrante présentant une taille comprise entre 0,1 et 100 m permet d'obtenir une résolution correspondante. La pointe vibrante, qui présente une dimension très inférieure à la longueur d'onde d'excitation X sert de point source acoustique et conditionne la nature des microdéformations dans l'objet. La résolution peut ainsi facilement atteindre une valeur de X/10 000. Un tel procédé permet d'obtenir des renseignements liés à la topographie de la surface balayée et aux propriétés élastiques du matériau sous cette couche. A titre d'exemple, il peut être atteint une profondeur d'analyse de l'ordre de 100 ym avec une résolution inférieure à 10 ,um. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le procédé prévoit un contact de la pointe 2 avec la surface de l'objet, afin d'exercer la pression d'appui prédéterminée. Le contact direct entre la pointe et l'objet assure un couplage acoustique optimal. Selon une caractéristique de l'invention, la pointe vibrante 2 exerce une pression d'appui dont la valeur engendre une contrainte d'appui a inférieure à la contrainte d'appui limite o, du matériau, placé en contact avec la pointe vibrante. Le choix d'une telle pression d'appui permet ainsi de ne pas atteindre la contrainte d'appui limite du matériau pour laquelle il apparaît un endommagement ou une rainure sur l'objet. Afin d'éviter un éventuel endommagement de la surface de l'objet examiné, le procédé selon l'invention prévoit, selon un autre mode de mise en oeuvre, d'interposer, entre la pointe 2 et l'objet 1, un milieu de lubrification et de transmission de la pression d'appui. L'interposition d'un tel milieu assure un contrôle non destructif de l'objet sans, toutefois, entraîner une perte significative de la résolution ou de la profondeur de pénétration. ll est à noter que la détermination de la pression d'appui exercée par la pointe vibrante sur l'objet peut être contrôlée à partir de l'amplitude ou de la phase du signal acoustique transmis. A partir de la courbe illustrée à la Fig. 2, indiquant l'amplitude A du signal acoustique transmis en fonction de la distance d entre la tête d'excitation et l'objet, il peut être déterminé que la pointe vibrante se trouve correctement couplée avec la surface de l'objet à analyser, pour les valeurs d'amplitude A supérieures à la valeur A,. Dans l'exemple illustré à la Fig. 1, relatif à un microscope fonctionnant en transmission, le signal transmis est détecté par l'intermédiaire d'un transducteur acoustique de réception 9 relié mécaniquement à l'objet 1 et placé sur la face opposée de celle en contact avec la pointe 2. Le transducteur 9, constitué également par un cristal piézoélectrique, est soit collé sur le support de l'objet, soit directement sur l'objet 1. Le transducteur de réception 9, dont l'épaisseur dépend du choix de la fréquence de travail, assure la détection des microdéformations provoquées par la pointe vibrante 2. Le transducteur de réception 9 est relié à un circuit 10 de détermination de l'amplitude et de la phase du signal acoustique transmis par l'objet. De préférence, le circuit 10 constitue un détecteur synchrone permettant d'obtenir une bande passante étroite. Ce détecteur synchrone 10 est connecté au circuit de commande 7 et délivre des signaux à une unité 12 d'affichage et de traitement constituée, par exemple, par un ordinateur. L'unité de traitement 12 est adaptée pour piloter des moyens 13 de déplacement relatif de la surface 1l de l'objet par rapport à la pointe 2, de manière à obtenir un balayage complet de la surface de l'objet. L'unité 12 comporte des moyens programmés connus en soi, permettant de traiter les signaux reçus, afin d'obtenir une analyse ou une caractérisation de l'objet en surface et en profondeur. La Fig. 3 illustre un microscope acoustique présentant les mêmes caractéristiques que celui précédemment décrit mais fonctionnant en mode de réflexion. A cet effet, le transducteur acoustique 4 est connecté à un circuit de détection 15 du signal acoustique réfléchi. Un tel circuit 15, qui est relié au circuit de commande 7 formant un oscillateur, permet d'analyser en fréquences le signal acoustique réfléchi, afin de permettre d'obtenir une image de la surface et du volume de l'objet. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Procédé pour caractériser la surface et le volume d'un objet solide (1), par l'intermédiaire d'une pointe vibrante (2) émettant un signal acoustique destiné à être appliqué à l'objet, de manière à obtenir un signal acoustique transmis ou réfléchi permettant l'analyse de l'objet, caractérisé en ce qu'il consiste - à exciter la pointe vibrante à une fréquence comprise entre 10 KHz et 1 MHz et, de préférence, entre 50 et 200 KHz, - à choisir une pointe vibrante (2) dont la partie terminale (3) destinée à être en appui sur l'objet présente un diamètre ou une diagonale dont la mesure est comprise entre 0,1 et 100 ,um et, de préférence, entre 1 et 30 Ccm, - et à exercer, par la pointe vibrante sur l'objet, une pression d'appui présentant une valeur prédéterminée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer la pression d'appui de la pointe (2), par l'intermédiaire d'un milieu de lubrification et de transmission de la pression, interposé entre l'objet (1) et la partie terminale (3) de la pointe. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer par la pointe vibrante (2), une pression d'appui dont la valeur engendre une contrainte d'appui inférieure à la contrainte d'appui limite du matériau constitutif de l'objet, placé en contact avec la pointe vibrante. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer la détermination de la phase et de l'amplitude du signal acoustique transmis. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer l'application de la pression de la pointe sur l'objet selon une valeur prédéterminée, à partir de l'amplitude ou de la phase du signal acoustique transmis ou réfléchi. 6 - Microscope acoustique pour analyser un objet (1) en surface et en profondeur, le microscope comportant: - une pointe vibrante (2) reliée à un transducteur (4) délivrant un signal acoustique produit par l'intermédiaire d'un circuit de commande (7), - des moyens de détection du signal acoustique transmis ou réfléchi par l'objet, - une unité (12) d'affichage et de traitement des signaux, - et des moyens (13) pour déplacer latéralement l'objet relativement à la pointe vibrante, caractérisé:: en ce que la pointe vibrante (2) possède une partie terminale (3) présentant un diamètre ou une diagonale dont la mesure est comprise entre 0,1 et 100 ,um et, de préférence, entre 1 et 30 clam, et en ce que le circuit (10) de commande en vibration de la pointe délivre un signal acoustique dont la fréquence est comprise entre 10 KHz et 1 MHz et, de préférence, entre 50 et 200 KHz. 7 - Microscope selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection sont formés par: - un transducteur acoustique de réception (9) relié mécaniquement à l'objet (1) du côté opposé de celui en contact avec la pointe vibrante, - et un circuit (10) de détermination de l'amplitude et de la phase du signal acoustique transmis par l'objet et détecté par le transducteur de réception (9). 8 - Microscope selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit (10) de détermination de l'amplitude et de la phase du signal acoustique transmis est constitué par un circuit de détection synchrone relié au circuit de commande (7) et au transducteur de réception (9). 9 - Microscope selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de commande (7) et le transducteur (4) sont reliés à un circuit (15) de détection du signal acoustique réfléchi permettant d'analyser en fréquence ledit signal.