tp - Dida Concept
Thèmes abordés
Principe de l’ellipsométrie, ellipsométrie par extinction, polarisation de
la lumière, identification des axes rapide et lent d’une lame à retard de
phase, détermination des angles ellipsométriques d’un matériau,
méthode d’alignement optique, mesures des indices d’un substrat de
silicium (n et k), de l’indice (n) et de l’épaisseur (e) d’une monocouche
de SiO
2
sur substrat de silicium, des indices d’un métal (n et k), des
indices du verre (n et k), conséquence d’une variation de l’angle
d’incidence sur les indices d’un échantillon, effet d’un changement de
longueur d’onde sur n et e, mise en évidence de l’influence d’une
erreur de mesure sur les valeurs de n, k et e.
Principes et objectifs
L’ellipsométrie est une technique optique reposant sur la mesure du
changement de l’état de polarisation d’un faisceau lumineux après
réflexion sur une surface. Cette modification dépend de la surface à
étudier. Ainsi, pour une longueur d’onde et un angle d’incidence
donnés, il est possible de déterminer les angles ellipsométriques d’un
matériau et d’en déduire ses caractéristiques (indices n et k, épaisseur
e). L’ellipsométrie à extinction, objet de l’étude, est basée sur la
recherche du minimum de lumière réfléchie par ajustement des angles
d’un polariseur et d’un analyseur.
L’objectif du TP proposé est d’assembler et de régler un ellipsomètre
didactique dans le but de déterminer les indices et l’épaisseur de
différents échantillons (substrat de silicium, monocouche de SiO
2
sur
substrat de silicium, aluminium, verre).
Une étude sur les conséquences de la variation de longueur d’onde et
de l’angle d’incidence est menée. Une approche relative aux erreurs de
mesure et leurs origines est également abordée.
Matériels nécessaires
Ellipsomètre de précision 1
Polariseur circulaire 1
Polariseur de précision en verre avec monture rotative 2
Lame quart d'onde 560 nm en monture à billes 1
Laser compact vert (532 nm) 1mW 1
Diode Laser rouge (650 nm) 1mW 1
Détecteur luxmètre 1
Substrat de Silicium 1
Monocouche SiO
2
sur Silicium 1
Echantillon d’Aluminium 1
Lame de verre 1
Adaptateur diam. 40 mm vers diapositive 4
Logiciel "Ellipso" de calcul d'indices et d'épaisseur 1
Cours, Texte de TP, Notice de résultats 1
TP "MESURE D’INDICES ET D’EPAISSEUR PAR ELLIPSOMETRIE
"
Photo1 : Montage expérimental du TP Ellipsométrie
" Ce TP est particulièrement bien étudié pour débuter une formation et initier les étudiants
aux principes et applications de l’el
lipsométrie.
"
Théorie et résultats
On considère une onde incidente, dont la polarisation est associée au
champ électrique E, arrivant sur une surface plane. Une partie de cette
onde est transmise et absorbée alors qu’une autre est réfléchie par cette
surface. La mesure du changement de l’état de polarisation de la
lumière après réflexion va permettre de définir le matériau étudié.
Fig. 1 : Réflexion des axes de polarisation à la surface de l’échantillon
Dans le cadre de l’ellipsométrie par extinction, la caractérisation de la
lumière réfléchie est effectuée à partir de la recherche du minimum du
flux réfléchi par l’échantillon.
Le polariseur circulaire transforme toute polarisation incidente en une
polarisation circulaire. Le compensateur (lame quart d’onde) permet
d’éclairer l’échantillon avec une polarisation elliptique. L’analyseur est
ensuite orienté de manière à obtenir une extinction sur le détecteur.
Après avoir aligné et orienté les différents éléments, il est nécessaire de
déterminer les axes rapide et lent du compensateur. Cette opération
s’effectue à l’aide d’un échantillon de métal poli.
Les orientations du polariseur (P), du compensateur (C) et de
l’analyseur (A) permettent alors de calculer les paramètres
ellipsométriques (Ψ et ∆) de l’échantillon par la formule :
Pour une position donnée du compensateur, à chaque couple de valeurs
(Ψ, ∆) correspond deux paires d’angles P et A mesurés à l’extinction.
Les angles Ψ et ∆ sont définis par les relations :
La mesure des angles P et A est effectuée par différentes méthodes plus
ou moins précises :
- Méthode d’évaluation de l’extinction "à l’œil", sur un écran blanc
- Recherche du minimum à l’aide de l’option Fit du logiciel "ellipso"
- Recherche du minimum d’un angle à l’aide d’une courbe de
tendance (parabole).
Une fois les valeurs de Ψ et ∆ déterminées, le logiciel "ellipso" (Fig. 3)
permet d’accéder aux paramètres physiques du matériau analysé :
indices (n et k) et épaisseur de l’échantillon.
Remarques et commentaires
Ce TP est le fruit d’une collaboration avec un Laboratoire de recherche
spécialisé en éllipsométrie qui présente un savoir faire d’une vingtaine
d’années sans ce domaine (LPMD - Université Paul Verlaine - Metz).
L’ellipsométrie est une technique de mesure optique non destructive
largement utilisée dans le milieu industriel (mesures d’épaisseurs, de
propriétés optiques, cartographie de couches…).
Ce TP "clé en main" (cours/texte de TP/notice de résultats) permet une
approche théorique et pratique de l’éllipsométrie.
Le materiel sélectionné est adapté, précis et robuste.
Le logiciel spécifiquement dévelloppé en fait un outil de caractérisation
précis et innovant.
De plus, la base de ce materiel peut être utilisé pour d’autres types
d’études (Réflexion vitreuse, Brewster, Polarisation…).
Photo2
: ellipsomètre à extinction
L
ux
A
1
(°)
Points expérimentaux
L’équation de la parabole est :
y = 7,281x
2
- 1654x + 94103
Le minimum est atteint pour
x=A
1
=113,58°
Fig. 2 : exemple de fit utilisé pour la recherche du Minimum
Fig. 3 : interface du logiciel "ellipso"
Lors de ce TP, différents échantillons sont étudiés :
- Substrat de silicium : calcul de n et k
- Monocouche de SiO
2
sur un substrat de silicium : mesure de n et e
- Aluminium poli : détermination de n et k
- Lame de verre : estimation de n et k
L’influence de la longueur d’onde et de l’angle d’incidence sur les
paramètres physiques est également traitée :
- Les indices n et k varient en fonction de la longueur d’onde
- L’épaisseur est indépendante de la longueur d’onde
- Les paramètres n, k et e sont indépendants de l’angle d’incidence
Enfin une étude sur la précision des mesures, les erreurs de
manipulation commises et leurs conséquences sur les valeurs des
paramètres physiques est menée.
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