Brevet FR3032038A1 — publié le 20160729

PROCEDE, DISPOSITIF ET SYSTEME DE MESURE D'UNE CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE D'UN SUBSTRAT DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la caractérisation des performances électriques, notamment radiofréquences (RF), de substrats pouvant être employé pour la fabrication de dispositifs microélectroniques, optoélectroniques, micromécaniques ou photovoltaïques. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les dispositifs intégrés sont usuellement formés sur des substrats qui servent principalement de support à leur fabrication. Toutefois, l'accroissement du degré d'intégration et des performances attendues de ces dispositifs entraine un couplage de plus en plus important entre leurs performances et les caractéristiques du substrat sur lequel ils sont formés. C'est particulièrement le cas des dispositifs RF, traitant des signaux dont la fréquence est comprise entre environ 3kHz et 300GHz, qui trouvent notamment leur application dans le domaine des télécommunications (téléphonie, Wi-Fi, Bluetooth."). A titre d'exemple de couplage dispositif/substrat, les champs électromagnétiques, issus des signaux hautes fréquences se propageant dans les dispositifs, pénètrent dans la profondeur du substrat et interagissent avec les éventuels porteurs de charge qui s'y trouvent. Il s'en suit une consommation inutile d'une partie de l'énergie du signal par perte d'insertion et des influences possibles entre composants par diaphonie (« crosstalk » selon la terminologie anglo-saxonne). Il est donc particulièrement important de s'assurer de l'adéquation entre les caractéristiques électriques du substrat et les performances attendues des dispositifs. 3032038 2 Une technique de mesure usuelle des caractéristiques électriques d'un substrat pour la fabrication de dispositifs RF consiste à former sur ce substrat une structure de test en employant les moyens habituels de fabrication de la 5 microélectronique : dépôt, masquage, gravure... La structure de test peut être ainsi conçue pour mesurer une caractéristique particulière du substrat (comme par exemple sa résistance, sa linéarité, sa capacité, sa permittivité) et/ou caractériser son adéquation à une application particulière envisagée. La 10 structure de test peut par exemple consister en des lignes coplanaires dans lesquels un signal issu d'un générateur est propagé. Un analyseur de signal permet d'identifier la puissance dissipée dans le substrat et d'en déduire la caractéristique de perte d'insertion. 15 Les techniques connues, comme celles qui viennent d'être présentées, ne conviennent pas complètement. Elles nécessitent en effet la mise en oeuvre de moyens importants, par exemple pour la réalisation des structures de test sur le 20 substrat, qui sont lentes et couteuses. Ces moyens ne sont pas ou peu automatisables, et il s'agit par ailleurs de techniques destructives. Elles ne peuvent donc pas convenir pour opérer un contrôle de production de substrats ou un contrôle qualité des substrats à l'entrée d'une chaîne de fabrication de 25 dispositifs. Chaque caractéristique mesurée doit de plus faire l'objet d'un test séparé. Enfin, ces techniques connues, bien que permettant de mesurer localement une caractéristique électrique, ne sont pas adaptées pour réaliser une cartographie de cette caractéristique sur toute la surface du 30 substrat. Elles ne permettent donc pas de caractériser avec précision ce substrat. OBJET DE L'INVENTION 35 Un but de l'invention est donc de proposer une méthode et un dispositif de mesure d'une caractéristique électrique d'un substrat et un système de caractérisation d'un substrat 3032038 3 qui soient aisés à mettre en oeuvre, peu onéreux et polyvalents. Un autre but de l'invention est de proposer une méthode 5 et un dispositif de mesure et un système de caractérisation précis, permettant notamment de fournir la cartographie d'une caractéristique électrique sur toute la surface d'un substrat. Un autre but de l'invention est également de proposer 10 une méthode et un dispositif de mesure d'une caractéristique électrique et un système de caractérisation d'un substrat grâce auxquels il est possible de fonder un contrôle de production ou de qualité de ces substrats. 15 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de l'un de ces buts au moins, l'objet de l'invention propose un dispositif de mesure d'une caractéristique électrique d'un substrat comportant un support 20 en un matériau diélectrique présentant une surface d'appui, le support comportant une structure de test électrique présentant une surface de contact affleurant la surface d'appui du support, la surface d'appui du support et la surface de contact de la structure électrique étant apte à entrer en 25 contact intime avec un substrat. Le dispositif de mesure comprend également au moins un plot de connexion formé sur une autre surface du support et électriquement relié à la structure électrique. 30 Ainsi, le dispositif de mesure peut être plaqué à un endroit choisi d'une face principal du substrat à tester pour qu'une mesure puisse être réalisée rapidement, sans détériorer le substrat. 35 De manière avantageuse, la caractéristique mesurée est une caractéristique radiofréquence (RF) et la structure de test électrique comprend au moins un composant RF actif ou passif. Le composant RF peut être une ligne de transmission, 3032038 4 une inductance, un contacteur, un composant de caractérisation de diaphonie, une antenne, un résonateur. On dispose ainsi d'un dispositif de mesure d'une 5 caractéristique RF d'un substrat. Dans une variante, la caractéristique mesurée peut également être une caractéristique statique. 10 De manière particulièrement avantageuse, le support diélectrique est rigide, ce qui facilite sa manipulation et sa mise en contact intime avec le substrat. De préférence, le plot de connexion du support est 15 formé sur la face opposée à la surface d'appui du support, ce qui simplifie son interconnexion dans le système. De manière avantageuse, le support comporte un via emplit d'un matériau électriquement conducteur pour relier 20 électriquement la structure de test électrique au plot de connexion. Le dispositif est ainsi plus compact. L'objet de l'invention concerne également un système de caractérisation d'un substrat comprenant le dispositif de 25 mesure selon l'invention. Avantageusement, le système de caractérisation comporte une platine pour y positionner le substrat, et cette platine peut être configurée pour appliquer une tension au substrat. 30 De manière particulièrement avantageuse, le système de caractérisation comprend également des moyens de déplacement relatif du dispositif de mesure vis-à-vis de la platine. Ces moyens permettent de facilement réaliser une cartographie de 35 la caractéristique électrique mesurée sur toute la surface du substrat. 3032038 5 Préférentiellement, le système de caractérisation comprend un organe de maintien, solidaire du support, et configuré pour mettre en contact intime le support avec le substrat. 5 Préférentiellement, le système de caractérisation comporte un calculateur d'analyse connecté au plot de connexion du support, le calculateur d'analyse comportant une source de signal électrique et un analyseur de signal. On 10 dispose alors d'un système de mesure intégré capable d'appliquer, prélever et traiter un signal de mesure pour fournir l'information de caractérisation. Un autre objet de l'invention concerne un procédé de 15 mesure d'une caractéristique électrique d'un substrat comportant les étapes suivantes : a) fournir un substrat présentant une face principale ; b) mettre en contact intime, par assemblage au 20 niveau d'une zone de contact, la face principale du substrat avec une surface de contact d'une structure de test électrique ; c) propager un signal dans la structure de test électrique tout en maintenant le contact intime ; 25 d) mesurer le signal propagé pour déterminer la caractéristique électrique du substrat. Selon d'autres caractéristiques de cette méthode prisent seules ou en combinaisons : - la structure de test électrique est comprise dans un support en un matériau diélectrique, la surface de contact de la structure électrique affleurant une surface d'appui du support. - L'étape de mise en contact intime consiste à placer le support sur la face principale de substrat, au niveau de la zone de contact, puis à appliquer un effort de 30 35 3032038 6 maintient contrôlé sur le support pendant l'étape c) de propagation et l'étape d) de mesure. - La séquence de mesure, consistant à réaliser la 5 succession des étapes B à D, est répétée. - La séquence de mesure est appliquée en des zones distinctes de contact de la face principale du substrat. 10 - Le procédé comporte, après l'étape d) de mesure, une étape e) de retrait de la structure électrique du substrat. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels : 20 la figure 1 représente un schéma de principe du dispositif de mesure selon l'invention ; la figure 2 représente un schéma de principe du 25 système de caractérisation d'un substrat selon l'invention ; la figure 3 représente les étapes principales de la méthode de mesure selon l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 2, on a représenté un système 35 10 de caractérisation d'un substrat 11. Le substrat 11 peut être de n'importe quel nature : il peut s'agir d'un substrat semi-conducteur, tel qu'un substrat 3032038 7 de silicium, ou d'un substrat isolant, par exemple de saphir. Il peut s'agir également d'un substrat composé tel qu'un substrat de silicium sur isolant. 5 Dans le système 10, on a prévu une platine 7 pour recevoir le substrat 11. Comme cela est bien connu en soit, la platine peut être pourvue de moyen permettant de maintenir en place le substrat, mécaniquement ou encore par dépression. Le substrat 11 peut être positionné sur la platine par 10 l'intermédiaire d'un robot manipulateur non représenté sur la figue 2. Le système de caractérisation 10 comporte également un dispositif 1 de mesure d'une caractéristique électrique du 15 substrat dont la description sera détaillée ultérieurement. Ce dispositif de mesure permet d'appliquer et/ou extraire un signal se propageant à la surface et à proximité de la surface du substrat 11. 20 A cet effet, et comme cela est représenté sur la figure 2, le dispositif de mesure est placé en contact intime avec le substrat 11. Pour se faire, le système 10 est pourvu d'un organe de maintien 8 solidaire du dispositif de mesure 1. Il peut s'agir par exemple d'un bras articulé commandable par le 25 calculateur 9, et capable d'appliquer un effort de maintien contrôlé sur le dispositif 1 afin de le plaquer contre le substrat 11. Le dispositif 1 de mesure peut comporter, du côté de sa 30 surface d'appui 3 en contact avec le substrat 11, des capteurs permettant d'ajuster l'effort de maintien appliqué par l'organe de maintien 8 sur le dispositif 1 de mesure. Le système de caractérisation 10 est également muni de 35 moyens permettant d'ajuster la position relative de la platine 7 vis-à-vis du dispositif 1 de mesure. On peut alors placer et déplacer le dispositif de mesure 1 à un endroit choisi de la face principale du substrat 11. 3032038 8 Dans une première configuration du système, ces moyens peuvent correspondre au bras articulé formant l'organe de maintien 8 donné à titre d'exemple précédemment. 5 Dans une seconde configuration, la platine 7 peut être rendue mobile par un robot 12 capable de la déplacer dans toutes les directions du plan dans laquelle elle réside. Cette seconde configuration est préférée, car elle évite de déplacer le dispositif 1 de mesure qui peut être fragile. 10 Bien entendu, ces deux moyens d'ajustement de la position relative de la platine 7 et du dispositif de mesure 1 peuvent être combinés. 15 Le système de caractérisation comporte également un calculateur d'analyse 9. Ce calculateur peut assurer la commande des différents éléments mobiles du système (l'organe de maintien 8, le robot 12) et le séquencement du procédé de mesure qui sera décrit ultérieurement. A cette fin, il est 20 relié à tous les éléments du système avec lesquels il est susceptible de communiquer. Le calculateur d'analyse 9 peut également comporter un générateur de signal électrique 9a et un analyseur 9b. Le 25 générateur 9a et/ou l'analyseur 9b sont connectés au(x) plot(s) de connexion du dispositif 1 de mesure. On peut ainsi appliquer, propager et/ou prélever un signal du dispositif 1 de mesure. 30 La mesure peut être traitée par le calculateur 9 pour fournir la caractérisation du substrat 11. Un ensemble de mesures peut également être traité par le calculateur 9 pour établir une caractérisation plus 35 élaborée, telle qu'une cartographie de caractérisation du substrat 11. 3032038 9 Le système 10 forme donc un ensemble automatisé de caractérisation d'un substrat qui est bien adapté pour être intégré dans une chaine de production, par exemple pour le contrôle de production de substrats ou pour le contrôle de 5 qualité des substrats. Un élément essentiel du système 10 réside dans le dispositif 1 de mesure qui va être décrit dans les paragraphes qui suivent. 10 Les inventeurs de la présente demande se sont aperçus de manière tout à fait inattendue qu'il n'était pas impératif de former les structures de test électriques directement sur et dans le substrat 11 en utilisant les techniques 15 traditionnelles de dépôt, masquage, gravure de la microélectronique pour appliquer et extraire des signaux électriques exploitables de cette structure de test. Ils se sont en effet aperçus qu'il était suffisant, si 20 certaines précautions étaient prises, de positionner ces structures de test électrique en contact intime avec le substrat, par assemblage. La figure 1 représente un schéma de principe d'un tel 25 dispositif 1 de mesure selon l'invention. Il comporte un support 2 en un matériau diélectrique, tel que du verre, de l'alumine, un polymère, du quartz, du saphir, SiC, .... De préférence, en particulier dans le cas où le 30 dispositif 1 de mesure est intégré dans le système de caractérisation qui a été décrit précédemment, ce support 2 est rigide. Le support 2 présente une surface d'appui 3 et comporte 35 une structure de test électrique 4 dont une surface de contact 5 exposée affleure la surface d'appui 3 du support 2. Ce côté du dispositif 1 présente donc une surface plane, composée de 3032038 10 la surface d'appui 3 et la surface de contact 5, et apte à entrer en contact intime avec le substrat 11. Par « contact intime » on signifie, dans la présente 5 demande, que l'on forme un couplage électromagnétique satisfaisant entre la structure de test électrique 4 et le substrat 11. Ce couplage satisfaisant est obtenu par exemple lorsque 10 les surfaces en contact sont suffisamment planes et/ou lisses pour éviter la formation de poches d'air entre le dispositif 1 de mesure et le substrat 11, qui pourraient affecter la propagation du signal électrique dans la structure de test électrique 4 ou dans le substrat 11 et perturber la mesure. 15 Selon l'invention, un effort de maintien appliqué sur le dispositif 1 de mesure assure cette condition de contact intime. 20 La structure de test électrique 4 peut consister en n'importe quel type de composants RF, actif ou passif, permettant de propager un signal utile à la caractérisation du substrat. Il peut s'agir de lignes de transmission, d'inductance, d'un composant de caractérisation diaphonique, 25 de commutateurs, d'antennes, de résonateurs, .... Le circuit de test électrique 4 est donc choisi suivant la caractéristique ou la performance du substrat que l'on souhaite caractériser : résistance, linéarité, capacité, permittivité ... 30 Comme cela est bien connu en soi, la structure de test électrique 4 peut être formée de plusieurs éléments, tels que des lignes ou des plots électriquement disjoints, mais couplés électro-magnétiquement entre eux et avec le substrat 11. 35 Afin de pouvoir appliquer et extraire le signal qui se propage dans la structure de test électrique 4, le support 2 est muni d'au moins un plot de connexion 6 formé sur une face 3032038 11 du support 2 distincte de la face d'appui 3 et électriquement relié à la structure de test électrique 4. De préférence, le ou les plots sont formés sur la 5 surface opposée à la surface d'appui 3 du support 2. De préférence également, le support 2 comporte un ou des vias 7 emplis d'un matériau électriquement conducteur pour relier électriquement la structure électrique 4 et les plots de connexion 6. 10 On décrit maintenant le procédé de mesure en référence à la figure 3 d'une caractéristique électrique d'un substrat 11. 15 Ce procédé comporte une première étape a) consistant à fournir le substrat 11 à mesurer. Comme on l'a vu précédemment, cette étape peut consister à placer, de manière automatisée, le substrat 11 sur une platine 7 du système de caractérisation 10. 20 Dans une deuxième étape b), la surface de contact 5 de la structure de test électrique 4 est placée en contact intime, par assemblage, à une zone de contact de la face principale du substrat 11. 25 Cette étape peut consister à employer l'organe de maintien 8 du système de caractérisation solidaire du dispositif 1 pour plaquer ce dispositif 1 contre le substrat 11. Eventuellement, un effort de maintien contrôlé est 30 appliqué. Lors de cette étape, et comme cela a été explicité auparavant, on crée un couplage électromagnétique satisfaisant entre la structure de test électrique 4 et le substrat 11. Dans une troisième étape c), on propage un signal dans 35 la structure électrique 4 tout en maintenant le contact intime avec le substrat 11. Dans une étape finale d), le signal propagé est mesuré pour déterminer la caractéristique électrique du substrat 11. 3032038 12 Le signal peut être issu de la source 9a du calculateur 9 et la mesure effectuée par l'analyseur 9b du calculateur 9. A l'issue de ce procédé, il est possible d'interrompre le 5 contact intime au cours d'une étape de retrait, et désassembler par exemple par l'intermédiaire de l'organe de maintien 8, la structure de test électrique 4 du substrat 11. Il est alors possible de positionner directement un autre substrat pour une nouvelle mesure. 10 On note que cette mesure n'est pas destructrice du substrat, et que la cadence des mesures peut être très rapide. De plus, la séquence de mesure comportant les étapes 15 successives b) à d) peut être répétée sur un même substrat 11. Cette répétition peut être réalisée au niveau d'une même zone de contact de la face principale du substrat 11, par exemple pour moyenner un ensemble de mesures. 20 Mais, de manière avantageuse, les séquences de mesures répétées sont appliquées en des zones de contact distinctes de la face principale du substrat 11. Cela permet de réaliser une cartographie de la caractéristique mesurée sur toute la 25 surface du substrat de manière très efficace. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans pour autant sortir du cadre de l'invention, 30 tel que celui-ci est défini par les revendications qui suivent. Ainsi, bien que l'on ait pris en exemple la mesure d'une caractéristique RF d'un substrat, l'invention n'est pas 35 limitée à ce type de mesure. On pourrait également mesurer une caractéristique électrique statique, la structure de test électrique pouvant alors être constituée par un ou plusieurs 3032038 13 pavés métalliques, permettant d'appliquer ou de mesurer une grandeur statique. Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée à un nombre 5 particulier de structures de test électrique et/ou de plots de connexion. On pourra dupliquer autant que de besoin ces éléments du dispositif 1 de mesure. Enfin, il n'est pas impératif que le matériau du 10 support 2 soit rigide et que le contact intime soit obtenu par application d'un effort de maintien. On peut en effet envisager que le matériau du support 2 soit souple permettant d'assurer un contact intime avec un substrat non plan à caractériser. Il peut également être muni d'une couche 15 d'adhésif lui permettant d'être positionné de manière stable sur le substrat 11 pendant la mesure, l'adhésif favorisant la mise en contact intime et le couplage électromagnétique avec le substrat. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure (1) d'une caractéristique électrique d'un substrat comportant : un support (2) en un matériau diélectrique présentant une surface d'appui (3), le support comportant une structure de test électrique (4) présentant une surface de contact affleurant la surface d'appui (3) du support, la surface d'appui (3) du support (2) et la surface de contact de la structure électrique (4) étant aptes à entrer en contact intime avec le substrat ; au moins un plot de connexion (6) formé sur une autre surface du support (2) et électriquement relié à la structure électrique (4). 2. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans lequel la caractéristique électrique mesurée est statique, et la structure de test électrique (4) comprend un pavé formé d'un matériau électriquement conducteur. 3. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans lequel la caractéristique électrique mesurée est une caractéristique radiofréquence et la structure de test électrique (4) comprend au moins un composant radiofréquence actif ou passif. 4. Dispositif de mesure (1) selon la revendication précédente, dans lequel la structure de test électrique (4) comprend au moins un élément choisi dans la liste formée de : une ligne de transmission, une inductance, un composant de caractérisation de la diaphonie, un commutateur, une antenne, un résonateur. 3032038 15 5. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans lequel le support (2) est rigide. 6. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans 5 lequel le support (2) est souple. 7. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans lequel le matériau diélectrique du support (2) est choisi dans la liste formée de : le verre, l'alumine, un polymère, 10 le quartz, le saphir, le SiC. 8. Dispositif de mesure (1) selon la revendication 1, dans lequel le plot de connexion (6) est formé sur la surface opposée à la surface d'appui (3) du support (2). 15 9. Dispositif de mesure (1) selon la revendication précédente, dans lequel le support (2) comporte un via (7) empli d'un matériau électriquement conducteur pour relier électriquement la structure de test électrique (4) et le 20 plot de connexion (6). 10. Système de caractérisation d'un substrat comportant le dispositif (1) de mesure selon l'une des revendications 1 à 8, et une platine (7) pour recevoir le substrat (11). 25 11. Système de caractérisation (10) selon la revendication précédente, dans lequel la platine est configurée pour appliquer une tension au substrat. 30 12. Système de caractérisation (10) selon la revendication 10 ou 11, comprenant également des moyens de déplacement relatif du dispositif (1) de mesure vis-à-vis de la platine (7). 35 13. Système de caractérisation (10) selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le dispositif de mesure (1) est solidaire d'un organe de maintien (8) configuré pour mettre en contact intime le support (2) avec le substrat. 3032038 16 14. Système de caractérisation (10) selon l'une des revendications 10 à 13, comportant également un calculateur d'analyse (9) connecté au plot de connexion (6) du 5 dispositif de mesure (1). 15. Système de caractérisation (10) selon la revendication précédente, dans lequel le calculateur d'analyse (9) comporte une source (9a) de signal électrique et un 10 analyseur de signal électrique (9b). 16. Procédé de mesure d'une caractéristique électrique d'un substrat (11) comportant les étapes suivantes : 15 a) fournir un substrat (11) présentant une face principale ; b) mettre en contact intime, par assemblage au niveau d'une zone de contact, la face principale du substrat 20 (11) avec une surface de contact (5) d'une structure de test électrique (4) ; c) propager un signal dans la structure électrique (4) tout en maintenant le contact intime ; 25 d) mesurer le signal propagé pour déterminer les caractéristiques électriques du substrat. 17. Procédé de mesure selon la revendication 16, dans lequel 30 la structure de test électrique (4) est comprise dans un support (2) en un matériau diélectrique, la surface de contact de la structure de test électrique (4) affleurant une surface d'appui (3) du support (2). 35 18. Procédé de mesure selon la revendication 17, dans lequel l'étape de mise en contact intime consiste à placer le support (2) sur la face principale du substrat (11) au niveau de la zone de contact puis à appliquer un effort de 3032038 17 maintien contrôlé sur le support (2) pendant l'étape c) de propagation. 19. Procédé de mesure selon l'une des revendications 16 à 18, 5 dans lequel la séquence de mesure consistant dans la succession des étapes b) à d) est répétée. 20. Procédé de mesure selon la revendication précédente, dans lequel la répétition des séquences de mesure est appliquée 10 en des zones de contact distinctes de la face principale du substrat (11). 21. Procédé de mesure selon l'une des revendications 16 à 20, le procédé comportant, après l'étape c) de propagation, une 15 étape e) de retrait de la structure de test électrique (4) du substrat (11).