L'ellipsométrie spectroscopique est une technique non invasive, non destructive et sans contact, permettant de déterminer simultanément plusieurs propriétés de films. Rapide et sans préparation d'échantillon, elle est également précise, reproductible et très sensible aux films minces de moins de 10 nm. Elle couvre une large gamme spectrale, généralement comprise entre 190 et 2100 nm. L'ellipsométrie spectroscopique s'applique à la quasi-totalité des matériaux en films minces et est idéale pour les applications in situ.
Les matériaux adaptés à l'ellipsométrie spectroscopique comprennent les semi-conducteurs, les diélectriques, les polymères, les composés organiques et les métaux. L'ellipsométrie peut également être utilisée pour étudier les interfaces solide-liquide ou liquide-liquide.
Selon le type de matériau, l'ellipsométrie permet de mesurer des épaisseurs allant de quelques μm à quelques dizaines de microns. La profondeur de pénétration de la lumière dans le matériau dépend de son coefficient d'absorption. Il est important de garder à l'esprit que pour les échantillons optiquement opaques, tels que les films métalliques de plus de 50 nm environ, l'ellipsométrie ne permet de déterminer que les propriétés optiques et NON l'épaisseur. Cela est dû au fort pouvoir absorbant des métaux, qui pénètrent donc très peu la lumière. En revanche, pour les échantillons transparents ou semi-transparents, l'épaisseur maximale mesurable par un ellipsomètre dépend de la résolution spectrale de l'instrument.
Selon l'instrument, la gamme spectrale peut s'étendre de 145 nm à 2 100 nm. Par exemple, les instruments Auto-SE et Smart-SE ont une gamme spectrale fixe de 450 nm à 1 000 nm ; le système UVISEL PLUS offre deux gammes spectrales différentes : 190 nm à 920 nm et 190 nm à 2 100 nm ; et la gamme spectrale de l'UVISEL 2 s'étend de 190 nm à 1 000 nm, avec une extension NIR optionnelle jusqu'à 2 100 nm. Nous proposons également l'instrument UVISEL 2-VUV, dont la gamme spectrale s'étend de 145 nm à 880 nm, avec également une extension NIR optionnelle jusqu'à 2 100 nm.
Le domaine NIR est utile pour mesurer l'épaisseur des matériaux absorbant dans le visible, ainsi que celle des échantillons épais. Il peut également être utile pour connaître les propriétés optiques dans le domaine NIR.
La région de l'ultraviolet lointain (FUV) est utile pour déterminer la bande interdite, la cristallinité, la composition et l'absorption des diélectriques et des semi-conducteurs. Elle permet également de mesurer les films ultra-minces et les films à faible contraste d'indice. De plus, les mesures dans la gamme FUV sont, bien sûr, nécessaires pour les applications nécessitant la connaissance des propriétés optiques du matériau dans cette région, par exemple en photolithographie.
Réflectométrie (à gauche), ellipsométrie (à droite)
L'ellipsométrie spectroscopique et la réflectométrie sont toutes deux des techniques optiques sans contact, et toutes deux nécessitent une modélisation pour obtenir un résultat. Un réflectomètre, en revanche, mesure un rapport d'intensité lumineuse, tandis que l'ellipsométrie spectroscopique mesure la variation de l'état de polarisation de la lumière (c'est-à-dire le vecteur champ électrique).
Résultats de la réflectométrie
La réflectométrie n'est pas sensible aux faibles variations d'épaisseur des couches minces ; elle est donc généralement utilisée sur des échantillons plus épais (> 100 nm), tandis que l'ellipsométrie est très sensible aux couches ultrafines. Les figures de droite illustrent la réflectométrie (en haut) et le paramètre Δ, mesuré par ellipsométrie (en bas), pour une couche d'oxyde natif sur c-Si.
Résultats de l'ellipsométrie
De toute évidence, la réflectométrie n'est pas sensible à la couche ultrafine, contrairement à l'ellipsométrie. De plus, la réflectométrie étant basée sur l'intensité, des facteurs tels que les variations d'intensité de la lampe peuvent altérer les résultats. L'ellipsométrie étant basée sur la polarisation, l'intensité de la lampe n'est importante que pour obtenir un bon rapport signal/bruit. Un ellipsomètre peut également mesurer la réflectance et la transmittance.
La réflectométrie permet de mesurer des films simples et épais (> 100 nm), mais sa sensibilité est inférieure à celle de l'ellipsométrie pour la manipulation de films minces (< 100 nm). De plus, la réflectométrie est généralement utilisée pour les films transparents monocouches. Elle n'est pas utile pour certains échantillons, tels que les films multicouches, anisotropes, absorbants et/ou gradués.
L'ellipsométrie spectroscopique est utile partout où des couches minces sont présentes, notamment dans le photovoltaïque, la microélectronique et les semi-conducteurs, les écrans plats, l'optoélectronique, la métallurgie, les revêtements optiques, la biochimie, les nanotechnologies, les polymères et les matériaux organiques. Parmi les matériaux mesurés par ellipsométrie et utilisés dans les applications mentionnées ci-dessus, on trouve notamment le c-Si, l'a-Si, le p-Si, le mc-Si, le CdTe, le CIGS, le CdS, le SiN, le SiC, le GaAs, l'AlGaAs, l'AlN, l'InGaN, le SnO2, le SiO2, le PET, le PEN, le ZnO, le PbS, le PbSe, le TiO2, l'Al, l'Ag, l'Au et les nanotubes de carbone. Si vous avez des doutes quant à la compatibilité de l'ellipsométrie spectroscopique avec votre application, veuillez nous contacter.
