Ellipsométrie spectroscopique

L’ellipsométrie spectroscopique est une technique [32,33,34] qui permet de mesurer l’épaisseur et l’indice de refraction de films minces en scrutant simultanément l’ensemble des

plane d’un échantillon. On passe d’une polarisation linéaire à une polarisation elliptique (Figure II. 13). L’analyse de la modification de la polarisation permet de déterminer les paramètres optiques (calcul d’indice) de nos échantillons (couches fines déposées sur un substrat) ainsi que leur épaisseur.

Cette technique possède de nombreuses applications dans des domaines tel que la microélectronique, l'optoélectronique, la chimie, la métallurgie,… C'est une technique d'analyse facile à mettre en oeuvre, non destructive, non perturbatrice, non contaminante et qui permet de mesurer les épaisseurs avec une excellente sensibilité (de l'ordre du nm), la seule contrainte pour l’application de cette méthode réside dans le fait qu’au départ, il faut avoir une bonne idée de la composition de l’échantillon.

Figure II. 13 : Changement de polarisation de la lumière après réflexion sur une surface.

La lumière incidente est caractérisée par un champ électrique incident Ei qui peut être décomposé suivant deux cas :

- Epi, parallèle au plan d’incidence

- Esi, perpendiculaire au plan d’incidence

La modification du champ électrique après réflexion sur la surface peut être caractérisée par deux coefficients :

r

=

Epi

Epr

- le coefficient de réflexion du matériau pour une polarisation perpendiculaire au plan d’incidence :

r

=

L’ellipsométrie permet de déterminer le rapport

ȡ

r

r

=

ρ

La connaissance de cette grandeur complexe permet de remonter, soit en utilisant des spectres de références et l’approximation du milieu effectif de Bruggemann, soit en s’appuyant sur des modèles de dispersion, à différents paramètres optiques tels que l’indice de réfraction, le coefficient d’absorption, et les autres quantités qui en découlent. A côté de l’épaisseur, le rapport ȡ permet également la détermination de certaines caractéristiques structurales telles que la porosité, le degré de cristallisation ou la fraction amorphe.

Un ellipsomètre (Figure II. 14) est principalement constitué d'une source lumineuse polarisée linéairement. Après réflexion sur la surface, le rayonnement passe par un polariseur (l'analyseur) puis arrive sur le détecteur.

La différence de phase entre les coefficients de réflexion parallèle et perpendiculaire entraîne une modification de l’ellipse de polarisation dont l’analyse permet de remonter aux propriétés optiques de la couche.

Polariseur Analyseur Modulateur Détecteur Acquisition Data Ordinateur Filtres Shutter Source lumière Monochromateur Echantillon Fibre optique Fibre optique Polariseur Analyseur Modulateur Détecteur Acquisition Data Ordinateur Acquisition Data Ordinateur Filtres Shutter Source lumière Monochromateur Echantillon Fibre optique Fibre optique

Figure II. 14 : Schéma du montage de l’ellipsomètre.

Un ellipsomètre spectroscopique, permettant de faire des acquisitions sur une gamme de longueurs d’onde, commercialisé par la société Jobin-Hyvon (modèle UVISEL) a été utilisé au cours de cette thèse essentiellement pour contrôler l’épaisseur des films étudiés (films de polymère sur substrats de Silicium, couches d’or sur substrats du verre ou du Silicium)

IV.2 PM-IRRAS

La spectroscopie infrarouge s’est particulièrement développée ces dernières années grâce notamment à l’utilisation de spectromètres infrarouge à transformée de Fourier. La spectroscopie IRRAS (InfraRed Reflexion-Absorption Spectroscopy) est devenue une technique très utilisée pour l’étude de films minces sur substrat métallique. Pour les films minces (<100 nm), les techniques en absorption ne sont pas adaptées car le rapport signal est trop faible, ce qui justifie le développement de technique alternative telle que le PM-IRRAS. L’anisotropie et l’exaltation du champ électrique créées à la surface d’un métal sont exploitées pour tirer des informations sur l’orientation des molécules à la surface. Cependant, cette méthode ne permet pas de discriminer les absorptions surfaciques des absorptions volumiques. Il est donc nécessaire de normaliser le spectre de l’échantillon par le spectre du substrat seul afin de faire ressortir les absorptions dues uniquement au film. L’enregistrement

non simultané des deux spectres introduit des fluctuations inévitables du montage optique et de l’environnement qui affecte la qualité du spectre IRRAS.

IV.2.1 Principe de la spectroscopie PM-IRRAS

La spectroscopie PM-IRRAS combine les trois techniques suivantes :

- La réflectivité en lumière polarisée et sous incidence quasi-rasante (IRRAS).

- La modulation rapide de la polarisation du faisceau incident entre les polarisations linéaires p (dans le plan d'incidence) et s (normale au plan d'incidence).

- Le filtrage, la démodulation et le traitement mathématique de l'intensité détectée, afin d'obtenir les signaux (Rp-Rs) et (Rp+Rs), puis le signal de réflectivité différentielle normalisé : S P S P

R

R

R

R

R

R

+

−

=

∆

En plus du gain en détectivité de plusieurs ordres de grandeur et de la normalisation en temps réel réduisant considérablement les effets de dérive et d'instabilités (source, interféromètre, système de purge...), par rapport à l'IRRAS, cette méthode présente les avantages suivants : - la réalisation d'étude in-situ, le montage optique étant disposé à l'air libre.

- l'exaltation à incidence quasi-rasante du champ électrique perpendiculaire à la surface pour la lumière polarisée s dans le cas d'un très bon conducteur.

- les règles de sélection de surface impliquant une relation entre l'orientation des moments de transition des modes de vibration et l'intensité et la direction des bandes correspondantes sur les spectres PM-IRRAS.

L’instrument utilisé dans ce travail est un spectromètre Bruker IFS 66/S équipé avec un modèle de modulation de polarisation PMA 37 et un détecteur MCT refroidi à l’azote.

V. Analyse de la chimie de surface