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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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Traitement du signal
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2. Techniques de mesure
Plusieurs techniques de mesure de polarisation par réflexion existent ; elles utilisent toutes le montage optique suivant : une source, un polariseur, un analyseur, un détecteur. Ce sont les constituants de base auxquels peuvent être ajoutés différents éléments comme des modulateurs, un compensateur, etc.
2.1 Méthode de zéro
Cette méthode utilise l’extinction du signal pour effectuer une mesure angulaire [1].
Le montage optique est constitué d’une source monochromatique (laser ou lampe filtrée), d’un polariseur, d’un compensateur (par exemple une lame quart d’onde), d’un analyseur et d’un photomultiplicateur (figure 2).
La polarisation, linéaire après le polariseur, est transformée en polarisation elliptique par le compensateur. Ce dernier est orienté de manière à obtenir une polarisation linéaire après la réflexion sur l’échantillon ; le compensateur joue alors un rôle symétrique à l’échantillon. L’analyseur est ensuite orienté de manière à être croisé avec la polarisation linéaire ainsi obtenue, ce qui conduit à l’extinction du faisceau.
Les orientations du polariseur, de la lame quart d’onde et de l’analyseur permettent de connaître les paramètres ellipsométriques de l’échantillon :
avec :
- A, C, P :
- angles de l’analyseur, du compensateur, du polariseur, repérés par rapport au plan d’incidence.
Pour une position donnée du compensateur (ici une lame quart d’onde), à chaque couple de valeurs (Ψ, Δ ) correspondent deux paires d’angles P et A.
C étant fixé à – 45o, les angles A et P correspondants seront :
1er couple de valeurs :
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