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RÉSUMÉ
L'ellipsométrie est une technique optique d'analyse de surface. Même si le principe de cette technique est connu depuis longtemps, son application n'a pu se développer que depuis l'apparition des micro-ordinateurs et de la commande électronique des moteurs, permettant l'automatisation, l'optimisation et l'exploitation des mesures. L'ellipsométrie a l'avantage d'être non destructive, avec une large gamme de mesure et des possibilités de contrôle in situ permettant la mesure d’épaisseur de couches pendant leur croissance en temps réel.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Frank BERNOUX : Docteur en Optoélectronique
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Jean-Philippe PIEL : Docteur en Physique du solide
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Bernard CASTELLON : Ingénieur INPG
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Christophe DEFRANOUX : Responsable du Laboratoire de caractérisation optique de SOPRA
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Jean-Hervé LECAT : Ingénieur ESO
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Pierre BOHER : Ingénieur ECP - Docteur en Physique du Solide
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Jean-Louis STEHLÉ : Directeur technique SOPRA
INTRODUCTION
L’ellipsométrie est une technique optique d’analyse de surface fondée sur la mesure du changement de l’état de polarisation de la lumière après réflexion sur une surface plane.
L’utilisation croissante des traitements de surface (optique, technologie des semi-conducteurs, métallurgie) a contribué au développement de techniques optiques d’analyse de surface : interférométrie, réflectométrie et ellipsométrie.
Le principe de l’ellipsométrie, qui a été découvert il y a plus d’un siècle, a trouvé un essor récent grâce à l’utilisation des micro-ordinateurs et de la commande électronique de moteurs, permettant l’automatisation et l’optimisation des mesures, ainsi que leur exploitation de plus en plus complexe.
Les points forts de l’ellipsométrie sont : son caractère non destructif, sa large gamme de mesure (mesure d’épaisseur depuis une fraction de couche monoatomique jusqu’à quelques micromètres), sa possibilité de contrôle in situ permettant la mesure d’épaisseur de couches pendant leur croissance en temps réel.
Il faut distinguer l’ellipsométrie à une seule longueur d’onde, qui est l’outil le plus simple, mais ne permet l’identification que de deux paramètres, de l’ellipsométrie spectroscopique, qui effectue des mesures sur tout un spectre et permet d’interpréter des structures complexes : multicouche, rugosité d’interface, homogénéité, etc.
L’article Ellipsométrie se compose de deux parties : la première [R 6 490], consacrée à la théorie, la seconde consacrée à l’instrumentation et aux applications.
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Techniques de mesure
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1. Principe de la mesure
Considérons une onde plane arrivant sur une surface plane. Une partie de l’onde est transmise ou absorbée à travers la surface, une autre partie est réfléchie par cette surface (figure 1).
se reporter à la référence [1] ainsi qu’aux articles [43] [44] des Techniques de l’Ingénieur.
Le champ électrique
de l’onde incidente peut être décomposé suivant deux axes :
-
l’un :
, parallèle au plan d’incidence ;
-
l’autre :
, perpendiculaire au plan d’incidence ;
avec indices : p pour parallèle, s pour perpendiculaire (de l’allemand senkrecht ), i pour incident.
La modification du champ électrique après réflexion sur l’échantillon (devenu champ
) peut être représentée par deux coefficients agissant sur chacune des composantes du champ :
-
le coefficient de réflexion de l’échantillon pour une polarisation parallèle au plan d’incidence est :
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