Chapitre 2 Techniques de Caractérisation A

Chapitre 2
Techniques de Caractérisation

Chapitre 2 : Technique de caractérisation.
-57-
Chapitre 2
Techniques de Caractérisation
A - Introduction.
Le but de ce chapitre est de présenter les divers moyens de caractérisations employés
au cours de ce travail, ainsi que les informations qu’ils fournissent. Ces dernières seront
détaillées ainsi que leurs conditions de validités. De ce fait, dans les chapitres suivants, les
résultats seront exploités en citant un minimum d’information sur la méthode utilisée, les
détails étant contenus dans les paragraphes suivants.
B - Profilométrie optique.
B-1. Principe de fonctionnement.
Une diode laser émet un faisceau dans le proche infrarouge, qui est focalisé sur la
surface à étudier grâce à une lentille collimatrice et à un objectif mobile. La lumière réfléchie
par l’échantillon est alors collectée par un séparateur de faisceau, puis dirigé vers un prisme
d’où émergent deux spots. Chaque spot est alors analysé par deux photodiodes.
Tant que la distance D, entre l’objectif et l’échantillon reste égal à la distance focale,
les deux photodiodes perçoivent le même flux lumineux. En revanche, si cette distance
change, ce n’est plus le cas. L’erreur de focalisation est alors détectée. Le système est asservi
pour corriger cette erreur, et conserver cette distance D constante, grâce à un système de
translation magnétique permettant de corriger la position de l’objectif. C’est le principe de la
focalisation dynamique.
Comme D est une constante, il suffit d’enregistrer les déplacements de la lentille
mobile afin d’obtenir un profil de la surface étudiée.

Chapitre 2 : Technique de caractérisation.
-58-
1 : Diode laser.
2 : Prisme.
3 : Photodiodes.
4 : Séparateur de faisceau.
5 : Lentille collimatrice.
6 : Objectif mobile.
7 : Surface de l’échantillon.
8 : Diode émettant dans le visible.
Figure 21 : Schéma de principe du profilomètre optique.
L’échantillon est placé sur une table à coussin d’air, mobile suivant X et Y, destinée à
amortir les vibrations venant de l’extérieur. L’ensemble des déplacements, en Z pour
l’optique, et en XY pour la table, est géré par informatique. De plus un logiciel permet
d’effectuer automatiquement des calculs usuels comme l’estimation du rayon de courbure du
profil mesuré, mais aussi du traitement du signal (filtrage, moyennes, Root Mean Square,
mise à niveau…), ainsi que la visualisation des variations de réflectivité.
Afin de faciliter le positionnement des échantillons, une diode émettant dans le visible
permet de visualiser l’échantillon sous test.
B-2. Domaines d’investigation.
L’appareil utilisé est un modèle Microfocus d’UBM. Il permet d’acquérir aussi bien
des profils de lignes que de surfaces. Les déplacements dans l’espace du banc de mesure (plan
XY) et de la lentille collimatrice (translation suivant Z) sont gérés par informatique. La
résolution théorique maximum en X et en Y est 0.5 µm (2000 pts/mm). L’amplitude de la
table de déplacement dans ces deux directions est de 150 mm. De plus le capteur optique est
réglable en hauteur ce qui permet de traiter une large gamme d’épaisseur et d’ajouter des
bancs de mesures supplémentaires afin d’obtenir des profils sous pression.

Chapitre 2 : Technique de caractérisation.
-59-
Dans la direction Z, il existe deux gammes de mesures :
± 50 µm (100 µm d’amplitude), résolution max = 6 nm.
± 500 µm (1 mm d’amplitude), résolution max = 60 nm.
Afin de conserver au mieux ces performances théoriques, liées à la technologie de
l’appareil, le profilomètre est isolé des vibrations parasites extérieures grâce à un double
marbre et une table de déplacement XY montée sur coussin d’air. Malgré ces précautions, la
résolution théorique est multipliée au moins par un facteur 2 dans les conditions usuelles
d’utilisation, ce qui reste très acceptable.
B-3. Avantages et inconvénients.
L’intérêt principal de la profilométrie optique (sans contact) est de s’affranchir des
perturbations de la mesure liées à la présence du capteur [ASH 91], appelées erreurs de
finesse. A titre d’exemple, dans la technique de profilométrie mécanique, la pression exercée
par le stylet n’est pas négligeable lors de l’acquisition de profils sur membranes fines
[DJU 90]. Le laser quant à lui n’influence aucunement la position des flèches au centre de
telles structures. De plus, le capteur optique peut effectuer des mesures même pour de faibles
réflectivités (jusqu’à 1%), ce qui donne accès à une large gamme de matériaux.
En revanche, pour des matériaux transparents au proche infrarouge, comme le SiO2, et
même le SiC, cette technique ne peut être employée sans une préparation préalable des
échantillons. En effet le capteur ne peut focaliser correctement le spot laser sur la surface à
étudier. Dans le cas du SiO2, il focalise quelque part au milieu de la couche, alors que pour le
SiC, une partie est réfléchie à l’interface Si/SiC, une autre à la surface de l’échantillon, ce qui
donne naissance à des franges d’interférences (Fizeau, Haidinger, cf. Annexe A). Une parade
à ces inconvénients est le dépôt d’une couche mince réflective sur la surface avant
l’acquisition des données, par exemple de l’or.
Un exemple de profil de surface par profilométrie optique est donné ci-dessous (Figure
22 et Figure 23). Il s’agit d’une membrane carrée auto-suspendue de 3C-SiC, de 3.11 mm de
côté ayant 2.8 µm pour épaisseur. Elle est déformée, sous une pression de 975 mbar, à
température ambiante. La vue de dessus (Figure 23) permet, après une mise à niveau, d’avoir
accès aux dimensions des cotés et d’extraire des lignes caractéristiques comme les médianes