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RÉSUMÉ
Cet article présente les applications concrètes de l'ellipsométrie, technique optique d'analyse de surface. Il détaille un ellipsomètre à polariseur tournant, et présente quelques développements et extensions récents de cette technique. Les domaines d’application de l’ellipsométrie sont ensuite présentés, puis un comparatif avec d’autres techniques d’analyse de surface est dressé.
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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
Lprès avoir étudié dans l’article les principes de l’ellipsométrie et les techniques d’acquisition et de traitement du signal, nous allons dans cette partie décrire plus en détail l’instrumentation, dans le cas d’un ellipsomètre à polariseur tournant, et présenter quelques développements et extensions récents de cette technique telle que décrite dans le premier article. Nous dressons un panorama rapide des domaines d’application de l’ellipsométrie et terminons par un comparatif avec d’autres techniques d’analyse de surface.
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1. Instrumentation
Nous décrivons ici le cas d’un ellipsomètre à polariseur tournant (modèle SOPRA GESP5) permettant d’expliquer la réalisation pratique d’un appareil de mesure (figure 1).
L’instrument est composé d’un bras source et d’un bras détecteur pouvant être orientés par rotation sur un goniomètre autour d’un axe passant par la surface de l’échantillon.
L’angle d’incidence est défini par l’axe optique du bras source et la normale à la surface de l’échantillon [34].
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Source
La source utilisée est une lampe à arc court au xénon à haute pression, à polarisation résiduelle très faible. Elle émet dans tout le spectre visible, le proche ultraviolet et le proche infrarouge (180 à 2 500 nm typiquement).
Le faisceau issu de l’arc, de dimension réduite (1,3 × 0,4 mm), est collimaté par un miroir de grande focale permettant d’obtenir un faisceau faiblement divergent (0,5 mrad), ce qui est nécessaire pour une bonne définition de l’angle d’incidence, et une bonne planéité de l’onde incidente.
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Polariseur
Une fois collimaté, le faisceau est modulé en polarisation par un polariseur tournant de faible déviation (0,025 mrad) et à fort taux d’extinction (10–5). Il tourne à une vitesse de 9 tr/s.
Ce polariseur est un séparateur de Rochon en quartz ou, si l’on souhaite faire des mesures dans l’ultraviolet en dessous de 200 nm, en MgF2 .
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Support d’échantillon
L’échantillon est maintenu sur un support par aspiration, ce qui permet de limiter toutes les contraintes à sa surface et de l’orienter suivant deux directions. La surface de l’échantillon doit être exempte de poussière et de traces de gras, ce qui nécessite certaines précautions de manipulations.
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Goniomètre
Les bras ellipsométriques sont montés sur un goniomètre motorisé haute résolution (
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AZZAM (R.M.A.), BASHARA (N.M.) - Ellipsometry and polarized light. - North Holland (1977).
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(2) - ASPNES (D.E.), STUDNA (A.A.) - High precision scanning ellipsometer. - Applied Optics vol. 14, no 1, janv. 1975.
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(3) - ERMAN (M.) - Ellipsométrie spectroscopique du proche IR au proche UV. - Thèse de 3e cycle. Université d’Orsay, mars 1982.
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(4) - DREVILLON (B.), PERRIN (J.), MARBOT (R.), VIOLET (A.), DARBY (J.L.) - A fast polarization modulated ellipsometer. - Rev. Scientific Instr. 53 (7), juill. 1982.
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(5) - ASPNES (D.E.) - The analysis of optical spectra by Fourier methods. - Surface Science 135, p. 284-306 (1983).
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(6) - COURDILE (H.), STEERS (M.), THEETEN (J.B.) - * - Brevet d’invention no 8020838, sept. 1980.
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