Concepts

4.1.2.1 Profilométrie et interférométrie

Comparaison des autres systèmes

Il existe différents systèmes de profilométrie, [97]. Les plus courants sont :

• L’utilisation d’un stylet, soit « stylus instrument » en anglais, qui vient en contact avec la surface

• La microscopie à balayage de sonde, soit « Scanning Probe Microscope » (SPM) en anglais telle que la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique qui viennent mesurer la force créée par la proximité de la surface

• La profilométrie confocale, soit « confocal microscope » en anglais, avec ou sans utilisation des effets de chromatismes

• La microscopie électronique à balayage (MEB), soit « Scanning Electron Microscope » (SEM) en anglais

• La mesure de la lumière diffusée, soit « light scattering » en anglais, qui donnent accès à une mesure globale des hautes fréquences spatiales du composant

4.1 Dispositif optique

Les gammes et les résolutions de ces différentes techniques de profilométrie sont résumées dans la Figure 4-1.

Figure 4-1 Gamme et résolution de différents systèmes de profilométrie

L’analyse des spécifications nous oriente vers une technique possédant une résolution dans-le-plan de quelques microns pour une résolution hors-du-plan de l’ordre du nanomètre. De plus, cette technique doit permettre une mesure de champ ce qui exclue les méthodes de mesure ponctuelle telles que l’utilisation de stylet, la microscopie à balayage de sonde ou la microscopie confocale. Enfin, l’application de mesures dynamiques semble délicate avec ces méthodes.

La technique qui semble donc le mieux correspondre à nos besoins est la microscopie interférentielle.

Microscopie interférentielle

Il existe plusieurs montages permettant de combiner fort grandissement dans le plan et interférométrie. Pour avoir de forts grandissements, il faut que l’objectif soit très ouvert et donc une frontale faible. Les montages classiques peuvent devenir inutilisables pour de fort grandissement. Les principaux montages sont listés ci-dessous et montrés dans la Figure 4-2 :

• Michelson et Fizeau : ce sont les montages les plus connus. Ils nécessitent une grande frontale, la lame séparatrice ou la surface de référence étant placée entre l’objectif et l’échantillon. Il est donc difficile d’atteindre des résolutions plus grandes que 2µm. Ils ont généralement des grandissements plus faibles que 5X.

• Mirau : Deux lames de verre sont placées entre l’objectif et le composant. La première est la lame séparatrice et la seconde est transparente exceptée une petite zone réfléchissante qui est

Chapitre 4 Banc de caractérisation

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Toutefois, parce que la cavité interférométrique les deux objectifs, il faut que ceux-ci soient exactement identiques, parfaitement alignés et possèdent de faibles aberrations.

• Nomarski : Ce type de microscope basé sur les interférences en lumière polarisée est utilisé surtout de manière qualitative et ne correspond pas à nos besoins.

Figure 4-2 Objectifs de microscope interférométrique

Une grande frontale est indispensable puisque des pointes seront placées sur l’échantillon afin d’alimenter le composant. De plus, les spécifications en terme de résolution dans le plan ne sont pas critiques (quelques microns semblent suffisants). Mais ce n’est pas le cas des spécifications en terme de champ. En effet, un champ de 50mm est impossible à atteindre directement pour les configurations Mirau ou Linnik et nécessite le raccordement d’un grand nombre de champs élémentaires.

De plus, l’analyse de phase obtenue avec des faisceaux convergents (cas des configurations Mirau et Linnik) est plus délicate que dans le cas de faisceaux collimaté où le vecteur k est uniforme. Le choix va donc devoir se faire entre le montage Fizeau et le montage Michelson.

Fizeau ou Michelson

La configuration Michelson a été sélectionnée face à la configuration Fizeau pour différentes raisons :

• La première raison est la présence d’ondes multiples. Il est quasiment impossible d’obtenir des interférences à deux ondes en prenant un miroir comme échantillon. Le système d’extraction de la phase est alors plus complexe et plus dépendant de la réflectivité locale de l’échantillon avec le montage Fizeau.

• La deuxième raison est le contraste des franges. Pour avoir un contraste maximum, il est nécessaire que les flux des deux faisceaux interférents soient identiques, voir paragraphe 4.2.3. Cette égalité est quasi impossible à obtenir dans le cas de la configuration Fizeau. En effet, les composants à caractériser sont des micro-miroirs qui possèdent une réflectivité de 100% or la lame de référence étant utilisée en transmission, elle possède une réflectivité forcément inférieure à 100%. Le contraste des franges est donc a priori faible. Une solution consiste à diminuer le flux réfléchi en mettant un élément diffractant dans la cavité optique mais on perd alors du flux qui peut être précieux. Une autre solution est d’augmenter la réflectivité de la lame de référence et donc diminuer le flux transmis au miroir, renforçant encore le nombre d’ondes qui interférent.

• La troisième raison est qu’une grande longueur de cohérence (donc laser) est forcément requise, les différences de chemin optique entre les deux faisceaux étant typiquement de l’ordre de la dizaine de centimètres.

4.1 Dispositif optique

• La quatrième raison est l’introduction de franges parasites avec un haut contraste. Du fait que l’on passe au travers de la lame étalon, les premières franges à apparaître sont les franges dues à ses deux faces. En augmentant la réflectivité de la surface choisie à une valeur de 30% environ et en mettant un traitement anti-réfléchissant sur la deuxième face, ce problème peut être résolu.

Le Michelson permet d’éviter les problèmes énumérés ci-dessus mais il est plus contraignant sur la qualité des optiques car la lame séparatrice doit être de qualité identique à la qualité du miroir de référence.

Le système choisi sera donc un interféromètre de Michelson. Vu la gamme de grandissement voulu, il va être nécessaire d’avoir un banc permettant un changement d’optique aisé. Pour les mesures des formes et des déplacements hors du plan, la technique de balayage de phase semble la mieux adaptée comme on le verra dans les parties suivantes. Les mesures dynamiques seront faites à l’aide de l’interférométrie à brouillage de franges. Aucun appareil scientifique commercial ne permet une étude aussi globale, il faut donc développer notre propre montage.

4.1.2.2 Laser ou filtres interférentiels

Du fait que l’on soit dans une configuration Michelson autour de la frange blanche, le choix de la source est plus libre que dans le cas de la configuration Fizeau.

Le grand avantage du Laser est sa grande puissance. Quelle que soit la réflectivité du composant et le champ utilisé, un flux suffisant est toujours obtenu en retour. Par contre, il comporte quelques inconvénients :

• Sa grande cohérence entraîne l’apparition de nombreuses franges parasites.

• Il n’est pas possible de changer aisément la longueur d’onde à moins d’utiliser un laser accordable.

• La longueur d’onde manque de stabilité. Les sauts de mode sont courant sur les lasers et il est nécessaire d’attendre quelques heures que le laser soit stabilisé.

Le choix va donc se porter sur une source blanche (à incandescence) associée à des filtres interférentiels, ce qui permettra de changer facilement la longueur d’onde et la longueur de cohérence.

4.1.2.3 Eclairage Kohler

Ce type d’éclairage est utilisé dans les microscopes, il permet une décorrélation entre l’éclairement de l’échantillon et la taille du champ illuminé. Pour cela, il faut avoir une conjugaison entre un diaphragme et le composant et que le trou source soit au foyer. De plus il permet de jouer facilement sur la cohérence spatiale de l’éclairage.

4.1.2.4 Lame séparatrice avec ou sans polariseur

Il est possible d’utiliser un cube séparateur polarisé, c’est-à-dire avec un cube transmettant totalement une polarisation et réfléchissant complètement l’autre. Le montage le plus standard

Chapitre 4 Banc de caractérisation

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P A

λ/4

Figure 4-3 Principe du Michelson à cube séparateur polarisé

Ce montage est intéressant puisqu’il permet d’ajuster facilement les flux interférant en tournant le polariseur et donc le contraste des franges (cf. paragraphe 4.2.3). En revanche, il ne permet pas d’avoir un flux plus important car il y a au minimum 50% de pertes sur l’analyseur, comme sur une lame séparatrice normale. Une autre moitié du flux peut aussi être perdue sur le polariseur si la source n’est pas polarisée rectilignement. D’autre part, ce montage impose deux lames quart d’onde dans la cavité, ce que l’on veut éviter.

Dans notre cas les composants auront toujours un traitement réfléchissant, un cube séparateur non polarisé est donc choisi.

4.1.2.5 Choix des optiques

Il faut une frontale supérieure à 100mm pour pouvoir utiliser les pointes de contact. Les objectifs de microscope ayant des frontales et des champs trop faibles ont donc été écartés. La taille maximale des plaquettes de silicium à observer étant de deux pouces, toutes les optiques sont choisies avec un diamètre de deux pouces. La focale « classique » est 150mm, ce qui fait un nombre d’ouverture de 3. Des objectifs de Clairaut (doublets collés aplanétiques) sont choisis car ils sont corrigés de l’aberration sphérique, du chromatisme primaire (bien que chaque prise de vue soit mono longueur d’onde, on peut quand même avoir à changer de longueur d’onde) et de la coma pour la conjugaison infini-foyer. Toutes les optiques possèdent des traitements anti-réfléchissants pour éviter la perte de lumière, les franges parasites, les réflexions multiples et les sur-intensités parasites dans le champ. Toutes les optiques seront utilisées dans la configuration infini-foyer qui a l’avantage de découpler les réglages de l’illumination des réglages de l’imagerie. En effet si l’un est convergent, l’autre est collimaté donc insensible à la défocalisation et inversement.

D’autre part, un simple changement d'objectif doit suffire pour passer d’une configuration de grandissement optique à l’autre. En effet, on désire :

• Soit une résolution élevée dans le plan avec un petit champ,

• Soit un grand champ mais avec une résolution moindre.