Thermal characterization of nanostructures using scanning thermal microscopy

La caractérisation thermique est cruciale pour la conception et le développement d'applications critiques dans divers domaines. Elle trouve son utilisation dans la détection de défauts et de points chauds dans la fabrication de semi-conducteurs, l'imagerie sous-sol ainsi que la recherche de transport thermique et de charge à des longueurs inférieures à 100 nm. La capacité de comprendre et de contrôler les propriétés thermiques des nanostructures à un niveau de sous-micron est essentielle pour obtenir les performances souhaitées. Pour atteindre cet objectif, la microscopie thermique à balayage (SThM) est très bien adaptée pour cartographier la conductivité thermique à la surface des matériaux et des appareils à l'échelle nanométrique.SThM est une technique d'imagerie "champ proche". C'est une méthode de contact, la sondeétant en contact avec la surface à une force contrôlée. STHM utilise une structure cantilever identique à celle des sondes utilisées dans un Microscope à Force Atomique (AFM). La principale différence est le fait qu'un capteur thermique est intégré à la pointe de la sonde. En outre, ce capteur peut également être utilisé comme chauffage dans le cas d'éléments thermorésistants tels que Pt ou Pd. Par conséquent, le SThM est le résultat d'un AFM équipé d'une sonde thermique. Cet instrument fournit une résolution sous-micromètre dans la résolution spatiale, c'est-à-dire plus que la résolution des techniques optiques dans la gamme de longueurs d'onde visible. La résolution classique qui est réalisée de nos jours est de l'ordre de moins de 100nanomètres alors que celle obtenue avec la première sonde Wollaston était environ 10 fois plus élevée.Par conséquent, mesurer la température et les propriétés thermiques de la matière à la microscales ont deux objectifs difficiles qui ont monopolisé l'énergie et le temps de nombreux chercheurs partout dans le monde depuis plusieurs décennies. Ces deux objectifs ne sont pas similaires. Tout d'abord, la mesure d'une température dans un domaine dont la dimension caractéristique est inférieure au micromètre semble moins difficile que mesurer la conductivité thermique d'un matériau à cette échelle. [...]The objective of this thesis is to master quantitative aspects when using nearfield thermal microscopy by using the scanning thermal microscopy technique (SThM). We start by taking an in-depth look into the work performed previously by other scientist and research organizations. From there, we understand the progress the SThM probes have made through the decades, understand the probe sensitivity to the range of conductivity of the materials under investigation, verify the resistances encountered when the probe comes in contact with the sampl and the applications of SThM.Then we look into the equipment necessary for performing tests to characterize material thermal properties. The SThM we use is based on atomic force microscope (AFM) with a thermal probe attached at the end. The AFM is described in this work along with the probes we have utilized.For the purpose of our work, we are only using thermoresistive probes that play the role of the heater and the thermometer. These probes allow us to obtain sample temperature and thermalconductivity. We use two different types of thermal probes – 2-point probe and 4-point probe with SiO2 or with Si3N4 cantilever. Both the probes are very similar when it comes to functioning with the major difference being that the 4-point probe doesn’t have current limiters. Then, we present the use of recent heat-resistive probes allowing to reach a spatial resolution of the orde rof 100 nm under atmosphere and of 30 nm under vacuum. These probes can be used in passive mode for measuring the temperature at the surface of a material or component and in activemode for the determination of the thermal properties of these systems. Using thermoresistive probes means that no specialized devices are necessary for operation. Using simple commercialsolutions like simple AC or DC current and Wheatstone bridge are sufficient to provide basic thermal images. In our case we have also utilized other industrial devices and a home madeSThM setup to further improve the quality of measurement and accuracy. All the elements of the experimental setup have been connected using GPIB and that have been remotely controlled from a computer using a code developed under Python language. This code allows to make the frequency dependent measurement as well as the probe calibration. [...