5.2.1 Montage expérimental initial : interférométrie
De façon à ne pas contraindre mécaniquement les wafers, il est nécessaire de les poser à plat sur un support horizontal. Les échantillons sont orientés par un vé à l’aide du méplat. Compte tenu de leur grand diamètre,∼ 50 mm, nous avons initialement tenté une mesure de forme par interférométrie avec l’interféromètre de Michelson5. Une photographie du montage interféro-métrique est présentée sur la figure 5.1.
CUBE SÉPARATEUR LENTILLE D’ENTRÉE ÉCHANTILLON OBJECTIF PHOTOGRAPHIQUE DIFFUSEUR MIROIR TRANSLATEUR PIÉZOÉLECTRIQUE
FIG. 5.1 – Montage interférométrique.
Le principe de cette technique est simple. Dans un interféromètre de Michelson réglé en teinte plate, les éventuelles franges d’interférence observables dans le plan normal au faisceau de sortie caractérisent un écart de planéité6d’amplitude égale àλ/2 entre chaque frange. Ce défaut de planéité provient soit de l’un des deux miroirs, soit de l’une des faces du cube séparateur. La figure 5.2 présente par exemple des franges d’interférence générées par un cube séparateur défectueux.
Les wafers que nous testons présentent un poli-miroir7. Ils peuvent donc prendre la place de l’un des miroirs. On peut alors mesurer la forme de l’échantillon avant et après oxydation et mesurer, par soustraction, la déflexion due aux contraintes thermiques. Lorsque la déformée
5. Il est difficile de réaliser des franges rectilignes avec un interféromètre de Michelson sur une surface de
50×50 mm2avec le matériel dont nous disposons.
6. Au sens mécanique du terme, la planéité est défini par « la tolérance de planéité ». La tolérance de planéité d’une surface est la distance minimale entre deux plans parallèles entre lesquels l’enveloppe de la surface que l’on caractérise doit s’inscrire.
7. On utilise le terme relatif « poli-miroir » pour indiquer que la rugosité de la surface réfléchissante est bien
inférieure à la demi-longueur d’onde,λ/2, de la lumière qui s’y réfléchit. Ce terme ne donne aucune information
5.2. MONTAGE EXPÉRIMENTAL 63
FIG. 5.2 – Franges d’interférence générées par un cube séparateur défectueux.
du wafer présente une symétrie centrale de révolution, les franges sont circulaires8. Ces franges sont projetées sur un plastique translucide qui joue le rôle d’écran.
Une image de franges obtenue par cette technique sur un wafer non oxydé est présentée sur la figure 5.3. On peut remarquer la forte densité de franges montrant que, dans leur état brut, les échantillons présentent des défauts de planéité de plusieurs micromètres9. L’allure des franges donne déjà des indications pertinentes sur la forme des wafers. Ce type de forme initiale a déjà été indiquée par Campbell en 1970 [4]. La planéité des wafers de petit diamètre et de faible coût ne semble pas de meilleure qualité actuellement. Le constructeur assure cependant une incertitude assez faible sur l’épaisseur du wafer. Ce défaut de forme est due à la présence de contraintes intrinsèques au sein du silicium, principalement dans les wafers < 100 >, due à une probable mauvaise répartition du dopant. Il rend l’interférométrie inutilisable – car trop sensible – dans le cas des wafers et a réorienté notre choix vers la projection de franges. Elle est cependant régulièrement utilisée pour estimer la déflexion par comptage des franges [79]. Notons que des dispositifs spécialement dédiés à la mesure de forme dans ces sensibilités ont été développés par les opticiens [44][45][46].
5.2.2 Second montage expérimental : projection de franges
Pour ne pas ajouter un montage optique spécifique à cette étude, la projection de franges, telle que nous l’avons décrite au chapitre 3, a été mise au service de l’étude des contraintes rési-duelles dans les wafers bicouchesSiO2/Si par analyse de forme. Une photographie du montage
8. On les appelle dans ce cas les anneaux de Newton.
9. Le wafer présenté en figure 5.3, comporte des variations d’environ±4 µm (λ/2 entre chaque frange avec
x
X y
Y
FIG. 5.3 – Images de franges obtenues par interférométrie avec un wafer non oxydé.
finalement adopté est proposée sur la figure 5.4. La caméra reste verticale. L’échantillon est
z Y X OBJECTIF PHOTOGRAPHIQUE LENTILLE D’ENTRÉE ÉCHANTILLON MIROIR1 CUBE SÉPARATEUR MIROIR 2
5.2. MONTAGE EXPÉRIMENTAL 65
positionné comme énoncé précédemment. Son aspect poli-miroir nécessite par contre la pulvé-risation d’une poudre blanche permettant de diffuser la lumière donc d’observer les franges en dehors de la direction de réflexion spéculaire. Le montage semble plus simple mais nécessite l’étalonnage des angles de projection10.
X X Y x y Z ∆θ α VÉ zp SUPPORT SUPPORT ÉCHANTILLON ÉCHANTILLON FILTRE SPATIAL
REPRÉSENTATION DANS LE PLANxZ
LENTILLE MIROIR 1 MIROIR 1 MIROIR2 MIROIR LASER À ARGON TRANSLATEUR PIEZOÉLECTRIQUE CUBE SÉPARATEUR CUBE SÉPARATEUR
FIG. 5.5 – Montage de projection de franges pour l’analyse de forme d’un échantillon
horizon-tal.
La figure 5.5 représente le schéma du montage optique utilisé. Les angles adoptés pour l’ana-lyse de forme des wafersSiO2/Si sont : α≃ 88o± 12′′ et∆θ ≃ 0,2o± 12′′. Le coefficient de contour,C, est donc voisin de 74 µm. Une vingtaine de franges est projetée sur la surface de l’échantillon.
Comme nous avons déjà indiqué, la grande dimension des wafers empêche la réalisation de franges rectilignes avec le matériel utilisé. On peut observer sur la figure 5.6 un exemple de franges obtenues sur une surface plane. Cette allure complique les opérations d’extraction de la
x
X y
Y
MÉPLAT
FIG. 5.6 – Projection de franges sur un wafer non déformé.
forme des échantillons. L’idéal serait de procéder par soustraction entre l’état de référence et l’état témoin. Or s’il est stable au cours d’une journée, l’interféromètre de Michelson ne l’est pas durant les quelques jours nécessaires à l’oxydation11 des wafers. Les franges subissent en général une rotation dans l’image. Pour ne pas introduire de forme fictive due à cette rotation dans la topographie finale des wafers, nous utilisons une référence plane unique12. Une mesure de topographie sur chaque face de l’échantillon est effectuée à partir de cette référence. Il reste à en extraire les courbures dans le plan.
Dans le plan image, les directions dont la courbure nous intéresse sont : l’axe perpendiculaire au méplat,x, l’axe du méplat, y, et les axes orientés à 45o,X et Y 13.
11. La croissance du dioxyde de silicium dure environ8 heures pour une épaisseur de 1000 nm. Ces oxydations
sont lancées de nuit au Cetehor. Merci à M. Pascal Blint, Cetehor Besançon, pour son aide.
12. Il s’agit de la phase que nous avons obtenue avec un wafer non déformé de planéité correcte. Un miroir plan de même diamètre eu été bien sûr préférable.
13. Sur la figure 5.6 les zones tronquées des franges en haut et en bas de l’échantillon sont dues à la largeur du faisceau qui est légèrement inférieure au diamètre du wafer, le méplat étant situé dans le coin inférieur gauche.