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Ellipsomètre spectroscopique Jobin-Yvon


Ellipsomètre spectroscopique Jobin-Yvon
(UVISEL-NIR)
Ellipsomètre spectroscopique Jobin-Yvon (UVISEL-NIR)



Contact :

Laurent ROBERT
Bâtiment TEMIS Sciences – Bureau N1-21
03 81 66 66 47 (Bureau)
03 63 08 21 04 (Salle Caractérisation)
laurent.robert@femto-st.fr

Site :

Salle Blanche TEMIS
Zone Caractérisation



Fonctionnement :

L'ellipsométrie est une méthode non destructive de mesure de l'indice et de l'épaisseur de fines couches de matériaux diélectriques, semi-conducteurs ou métallique. L’appareil exploite la variation de polarisation elliptique d’un faisceau réfléchi sur la surface de l’échantillon dans un large domaine de longueurs d’onde (spectro-ellipsomètre).

Fonctionnement_ellipsomètre



Caractéristiques techniques :

- Gamme spectrale de mesure : 260 < lambda< 2100 nm
- Taille du spot réglable (système microspot) : 50, 100 µm et 1 mm. Le rapport S/B augmente avec la taille du spot. La dernière valeur est donc utilisée s’il n’y a pas de contrainte quant à la zône examinée.
L’angle d’incidence étant en général phi0 = 70°, la tâche d’analyse est une ellipse de 3 mm x 1 mm.
- Source Xe 75 W
- Tête d'analyse équipée d'un modulateur photoélastique thermiquement stabilisé monté sur une platine de rotation automatique (fréquence de modulation : 50 kHz)
- Monochromateur double sortie à haute résolution HR460 avec extension proche infra-rouge (résolution typique : 0.1 nm)
- 2 détecteurs : un photomultiplicateur pour le domaine visible - UV et un détecteur InGaAs pour la gamme infra-rouge.
- Porte échantillon : diamètre 6 pouces avec réglage de l'assiette et ajustable en rotation. L’horizontalité de l’échantillon est contrôlée à l’aide d’une lunette autocollimatrice.
- Réglage manuel de la hauteur, épaisseur max = 20 mm
- Goniomètre automatique réglable de 40 à 90 degrés par pas de 0.05 degré (précision de 0.01 degré) : option absente de notre appareil.
- Logiciel d'extraction de l'épaisseur et de l'indice : 2 (version 2.4.3)
- Possibilité de mesure en transmission (phi0 = 90°)



Limites :

Plus petite épaisseur de couche mesurable :
Il faut distinguer la plus petite épaisseur détectable, de l’ordre de quelques Å, et la précision sur la mesure d’une couche, typiquement de l’ordre de 10 Å. Elle peut varier selon la connaissance du substrat et des autres couches. Quant à la précision sur la mesure d’indice, elle dépend de l’épaisseur de la couche et de l’éventuelle mesure de l’épaisseur par profilomètre mécanique ou AFM.

Plus grande épaisseur mesurable :
Pour des épaisseurs quelques centaines de nm, les spectres Is(E), Ic(E) sont modulés par des oscillations régulières (spectres cannelés) dont l’espacement est lié à l’épaisseur optique ne de la couche par la relation :

ΔE/E= Δλ/λ= λ/ne d' où ΔE = hc/ne= (1.24 eV)/(ne (μm))

Pour lambda= 1 µm et une résolution égale à 0.1 µm, il faut ne < 25 µm.
Par exemple, une lamelle couvre-objet de 0.17 mm ne peut être mesurée par cet appareil.



Matériaux mesurables :

- Matériaux diélectriques transparents (SiO2, TiO2, Ta2O5, Si3N4, SiOxNy , polymères …)
- Semi-conducteurs (Si, AsGa, …)
- Métaux

Pour les matériaux très absorbants comme les métaux, on peut mesurer les épaisseurs de couches très minces (quelques nm). Pour les couches épaisses (> 100 nm), tout comme pour les échantillons massifs, l’ellipsomètre devient un réfractomètre : on mesure son indice.

L’ellipsomètre peut aussi mesurer des empilements complexes de couches, ou des gradients d’indice au sein d’une couche. On veut parfois connaître à la fois l’indice et l’épaisseur des couches, les dispersions d’indice pouvant elles-mêmes être modélisées par un grand nombre de paramètres. Il faut alors être prudent, partir d’hypothèses simples et compliquer progressivement le modèle. Jobin-Yvon proposent une liste des modèles les plus utilisés selon le type de matériau.