2.2 Techniques de caractérisations
2.2.1 Ellipsométrie spectroscopique et porosimétrie
2.2.1.1 Ellipsométrie-spectroscopique
L’ellipsométrie-spectroscopique est une technique optique simple à mettre en place et non destructive. Elle permet d’étudier les propriétés physiques et morphologiques d’échan- tillons plans en mettant en œuvre une analyse à longueurs d’ondes variables.
Une lumière incidente polarisée rectiligne est utilisée. Considérée comme une onde électromagnétique plane, elle peut se décomposer en deux vecteurs de polarisation −E→s et
−→
Ep.
Les deux composantes p et s incidentes (Esi-Epi) sont déphasées après réflexion (Esr-
Epr). L’état de polarisation de la lumière initialement rectiligne se retrouve en état el-
liptique. Les angles Ψ et ∆ représentent respectivement le rapport des amplitudes et le déphasage entre p et s. Ces deux paramètres sont fonction de la longueur d’onde λ et de l’angle d’incidence Φ0 de la lumière. Ce sont les grandeurs obtenues lors de la mesure ellipsométrique comme présenté sur la Figure 2.10. Après traitement, des paramètres tels que l’épaisseur de la couche mince et l’indice optique sont alors accessibles.
Figure 2.10 – Schéma de principe de la mesure ellipsométrique
L’appareil utilisé dans cette étude est un MC2000 de la marque Woollam. Sur une gamme de longueur d’onde allant de 300 à 1700 nm, trois acquisitions de spectres à trois angles d’incidences différents (55, 65 et 75°) sont effectuées. L’objectif final de cette technique est d’avoir accès à l’épaisseur et l’indice de réfraction du matériau étudié. Les grandeurs mesurées Ψ et ∆ doivent être comparées à des modèles pré-établis. Dans ces travaux de thèse, un modèle de Cauchy est utilisé pour modéliser les résultats expérimen- taux. De plus, l’équation d’Urbach [20] à deux paramètres (α et β) permet de prendre en compte l’absorption de la lumière. Le coefficient d’extinction et l’indice optique s’ex- priment, d’après les modèles utilisés, de la manière suivante :
Chapitre 2. Techniques de dépôt et de caractérisation n(λ) = A + B λ2 + C λ4 (2.1) (λ) = αexp[β(1 λ − 1 γ)] (2.2) A, B, C : coefficients de Cauchy
α : facteur d’extinction de la fonction d’Urbach
β : facteur de décroissance exponentielle de la fonction d’Urbach
γ : largeur de bande
La présence de carbone dans les films minces amène le matériau à posséder une valeur d’énergie de gap Eg > 7 eV. Le matériau est alors absorbant dans la gamme de longueur
d’onde étudiée et justifie l’utilisation du modèle d’Urbach. Un oscillateur de Lorentz (non détaillé ici) peut-être ajouté dans certains cas. Le paramètre γ est fixé à 400 nm. Le logiciel WVASE32 est utilisé pour effectuer les régressions. Les variations des paramètres Φ et ∆ en fonction de la longueur d’onde sont ainsi suivis et l’erreur quadratique moyenne (MSE : Mean Square Error ) est minimisée en tant qu’indice de confiance de l’ajustement. Un second ellipsomètre à modulation de phase UVISEL (HORIBA Jobin Yvon) a également été utilisé. La particularité du second ellipsomètre est d’être équipé d’une lampe deutérium (en plus d’une lampe à arc Xénon), lui conférant une gamme spectrale plus importante dans le domaine UV débutant à 147 nm.
2.2.1.2 Ellipsométrie-Porosimétrie : porosité ouverte
Outre l’ellipsométrie spectroscopique, l’utilisation de l’ellipsométrie permet aussi d’es- timer la porosité ouverte des films minces. Avec l’émergence des couches minces poreuses dans le milieu de la microélectronique, plusieurs techniques non destructives ont vu le jour. L’ellipsométrie-porosimétrie (EP) est surement la technique de cette famille la plus utilisée. Il existe d’autres techniques telles que la spectroscopie par annihilation de posi- trons ou encore la diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante (GISAXS) que nous détaillerons plus tard.
Le principe de l’EP est basé sur la mesure de la partie réelle de l’indice de réfrac- tion n(P) de la couche en fonction de la pression P de la chambre lors de l’adsorp- tion/désorption d’un solvant. Plusieurs solvants peuvent être utilisés comme de la vapeur d’eau, du méthanol ou du toluène. L’épaisseur de la couche poreuse, l’indice de réfraction, le taux de porosité ouverte et le rayon des pores peuvent ainsi être extraits [21]. En effet, la réalisation d’un cycle d’adsorption/désorption permet d’atteindre l’isotherme d’adsorp- tion/désorption du matériau vis à vis du gaz. Ainsi, l’épaisseur du matériau et l’indice optique des deux contributions (matériau étudié et gaz) vont être modifiés. Il est, de plus, possible de remonter à la porosité accessible par le gaz. La fraction de solvant adsorbé dans les pores (V) pour chaque pression relative est calculée via l’équation de Lorentz :
(1 − V )n 2 m− 1 n2 m+ 2 + Vn 2 solvant− 1 n2 solvant+ 2 = n 2− 1 n2+ 2 (2.3)
2.2. Techniques de caractérisations V : volume de gaz adsorbé
nm : indice théorique du squelette
nsolvant : indice théorique du solvant
n : indice mesuré expérimentalement
Le solvant choisi dans notre étude est le toluène. Sa pression relative est Ps = 25
Torr à 20 °C. Il montre des caractéristiques intéressantes pour cette technique avec les matériaux p-SiOCH :
— Taille de la molécule < taille des pores mesurés — Inerte vis à vis du matériau étudié
— Indice optique nsolvant 6= nSiOCH
L’équipement de mesure utilisé est l’EP12 de l’équipementier SOPRA. Le schéma de fonctionnement et une photo de l’équipement sont présentés sur la Figure 2.11. L’appa- reil permet de travailler à des pressions entre 0.133 Pa et Ps du solvant considéré. Cela
permet de vider les pores du matériau SiOCH en début et en fin de cycle. Les courbes d’adsorption/désorption sont effectuées avec des temps d’équilibre de 20 secondes entre chaque point (' 40 points) sur une gamme de longueur d’onde comprise entre 300 nm et 800 nm.
Figure 2.11 – Schéma de principe et photo de l’équipement EP12.
Les données extraites dans le cas d’un matériau SiOCH d’une épaisseur de 190 nm sont présentées sur la Figure 2.12. L’analyse des courbes expérimentales renseigne sur le taux de porosité ouverte dans le matériau, sur le type de porosité [22] ou encore sur le rayon des pores donné par le modèle de Kelvin [23]. Les modèles sur le rayon moyen des pores permettent de relier le volume adsorbé à la taille des pores remplis.