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Ellipsométrie SPECTROSCOPIQUE
milieux 0 et 1, lesquels varient avec la longueur d’ onde.
r̃s = ñ0cosθ 0 – ñ1cosθ
—— 1 ñ0cosθ 0 + ñ1cosθ 1
r̃p = ñ1cosθ 0 – ñ0cosθ
—— 1 ñ0cosθ 0 + ñ1cosθ 1 Dans le cas d’ une structure multicouche( voir Figure 2), les calculs de ces coefficients sont effectués en utilisant un produit matriciel et vont dépendre des épaisseurs et des indices de réfraction des couches. L’ ellipsométrie spectroscopique mesure le rapport ρ des coefficients r̃p et
r̃s en fonction de la longueur d’ onde et de l’ angle d’ incidence.
ρ =— r̃p = | ̃r p |
— r̃s | r̃s | ej∆ = tanΨe j∆ et ∆ = δ p – δ s
avec 0 0 ≤ Ψ ≤ 90 0 et 0 0 ≤ Δ ≤ 360 0 Expérimentalement, en ellipsométrie, on cherchera à effectuer la mesure des angles Ψ et Δ.
INSTRUMENTATION Un ellipsomètre spectroscopique est essentiellement constitué d’ une source de lumière, d’ un générateur de polarisation, d’ un analyseur et d’ un système de détection. En fonction du domaine spectral désiré, la source de lumière utilisée peut être soit une source Xénon( 190 nm – 2200 nm), soit une lampe halogène( 350 nm – 2500 nm). Le système de détection est constitué d’ un spectromètre couplé soit à un détecteur monocanal( photomultiplicateur ou photodiode) soit à un détecteur multicanal( barrette linéaire de photodiode ou CCD).
Figure 2. Schéma synoptique d’ un ellipsomètre à annulation.
Méthode de zéro Cette méthode est basée sur l’ extinction du signal pour effectuer une mesure. Le schéma synoptique d’ un ellipsomètre a annulation est donnée par la figure 2. Le montage optique est constitué d’ une source monochromatique( laser ou lampe filtrée), d’ un polariseur, d’ une lame retardatrice( e. g lame quart-d’ onde), d’ un analyseur et d’ un système de détection( généralement un photomultiplicateur). La polarisation linéaire générée par le polariseur est transformée en polarisation elliptique par la lame retardatrice. Cette dernière est orientée de manière à obtenir une polarisation linéaire après la réflexion sur 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 retardatrice et de l’ analyseur permettent de déduire les paramètres ellipsométriques( Ψ, Δ) de l’ échantillon. Basée sur la recherche d’ un minimum d’ intensité, la mesure nécessite l’ utilisation d’ une source monochromatique et sa précision dépend du bruit de fond du détecteur. De nos jours, cette méthode est rarement utilisée.
Méthode de modulation de polarisation Les méthodes de mesure basées sur la modulation de l’ état de polarisation de la lumière se prêtent bien à leur utilisation sur un large domaine spectral d’ une façon automatique. Il existe deux manières de moduler la polarisation d’ un faisceau lumineux, soit en tournant mécaniquement un composant optique de l’ ellipsomètre( polariseur, analyseur, ou compensateur), soit en utilisant un modulateur photoélastique.
Ellipsomètre à polariseur tournant L’ ellipsométrie à polariseur tournant est la technique spectroscopique la plus simple et ancienne utilisée pour la mesure des paramètres Ψ et Δ d’ un échantillon. La technique repose sur une modulation de la polarisation de la lumière incidente grâce à la rotation mécanique d’ un polariseur, ce qui permet d’ extraire les paramètres ellipsométriques Tan Ψ et Cos Δ à partir des variations d’ intensité détectées. Nous présentons dans la figure 3 le schéma synoptique d’ un ellipsomètre à polariseur tournant à une fréquence de quelques hertz. Après l’ échantillon, l’ analyseur étant fixe, il n’ est pas nécessaire d’ avoir un système de détection insensible à la polarisation. Cela permet de placer un spectromètre( qui modifie la polarisation du faisceau) entre l’ analyseur et le détecteur. Ce spectromètre dispersera et filtrera la lumière parasite présente au niveau de l’ échantillon. Du fait de la faible fréquence de rotation du polariseur, un détecteur multicanal( barrettes de photodiodes ou CCD), peut être utilisée pour mesurer l’ ensemble du spectre en quelques secondes. Cette technique, en raison de sa faible sensibilité à l’ angle Δ lorsqu’ elle est proche de 00 et de 1800, est de moins en moins utilisée.
Ellipsomètres à compensateur tournant Afin de s’ affranchir de toutes les contraintes de polarisation au niveau de la source et du système de détection et afin d’ augmenter la précision sur la mesure du paramètre Δ, des ellipsomètres à compensateur tournant ont fait leur apparition sur le marché dès les années 90. Le schéma synoptique d’ un ellipsomètre à compensateur
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