LEllipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques HORIBA Jobin Yvon...
-
Upload
reynaud-durieux -
Category
Documents
-
view
110 -
download
2
Transcript of LEllipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques HORIBA Jobin Yvon...
L’Ellipsométrie Spectroscopique
et ses Applications Industrielles &
Scientifiques
HORIBA Jobin Yvon SAS
Division Couches Minces
ZI de la Vigne aux Loups
5, avenue Arago - 91380 CHILLY-MAZARIN
Tel : 01 64 54 13 00 - Fax : 01 69 74 88 61
Mélanie GAILLET – Evry - 2008
www.jobinyvon.com/Ellipsometry
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie
- Avantages et possibilités de la technique
- Principe de l’ellipsométrie
- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique
- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications
- Semiconducteur
- Ecrans plats
- Photovoltaique, optoélectronique
- Dépôts optiques fonctionnels
- Chimie / Biologie
La société HORIBA JOBIN YVON
Création de Jobin Yvon en 1819 par J.B Soleil
Société spécialisée dans la spectroscopie et l’instrumentation analytique
• Siège: Longjumeau (20 km de Paris), France
• 300 employés en France, 600 dans le monde
• 3 sites de fabrication en France
• 5 divisions
- Analyse moléculaire: Raman, fluorescence
- Analyse élementaire
- Composants optiques: monochromateur, réseaux, spectrographes
- Analyse de particules: granulomètres
- Couche Mince: ellipsométrie, contrôle de procédés
La société HORIBA JOBIN YVON
HJY
HJYHJY
HJYHJY
HJY
HJY
HJY
HJY
1997: Achat de Jobin Yvon par le groupe HORIBA, société japonaise
- + de 4500 employés dans le monde
- CA: $935,000,000
2004: Jobin Yvon devient HORIBA Jobin Yvon
HORIBA Jobin Yvon dans le Monde
8 filiales: UK, Allemagne, Italie, USA, Chine, Corée, Japon, Russie
Réseau de distributeurs couvrant 80 pays
Présentation de la Division Couches Minces
➫ Caractérisation de couches minces, surfaces et interfaces Ellipsométrie spectroscopique du VUV au NIR Combinaison avec la réflectométrie spectroscopique
➫ Contrôle in-situ des procédés de gravure et croissance des couches
Interférométrie laser Spectroscopie d’émission optique
Substrat
Film
Développe et produit des instruments optiques pour:
Présentation de la Division Couches Minces
Division Couches Minces 40 personnes Basée à Chilly-Mazarin (91)
Direction division
Commercial R&D Production
HardwareMarketing
Laboratoire
SAV
Software
Ordonnancement
Achat
Fabrication
Profils des Utilisateurs des Ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Universités – R&D: 50 % Industrie: 50 % 500 ellipsomètres dans le monde
EUROPE
USA
CHINE
JAPON
COREE
AUSTRALIE
TAIWAN
Marché industriel – Fab Microélectronique, Ecran plat et photovoltaique
Marché scientifique universitaire
Marché 50/50 Industriel/Scientifique
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie
- Avantages et possibilités de la technique
- Principe de l’ellipsométrie
- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique
- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications
- Semiconducteur
- Ecrans plats
- Photovoltaique, optoélectronique
- Dépôts optiques fonctionnels
- Chimie / Biologie
Ellipsométrie pour la Caractérisation des Matériaux en Couches minces
L’ellipsométrie est une technique optique utilisée pour la caractérisation des couches minces, surface et interface.
Elle détermine entre autres les épaisseurs des couches avec une résolution de l’ordre de l’Å et les constantes optiques (n,k) et est non destructive pour l’échantillon.
De Multiples Applications Microélectronique Ecran plat Dépôt optique fonctionnel Photovoltaique Optronique Biotechnologie, chimie
Substrat
Interface
Film
Surface
Informations Obtenues
Substrate
Layer 1 Thickness measurement from 1 Å to 30 µm
Roughness measurement typically 25 to 150 Å
Layer 2Native oxide ~ 25 Å
Thickness measurement up to x layers
Interface composition: 25% Material 1 + 75% Material 2
Porosity composition: 35% Void + 65% Material
Optical constants of a transparent material
Wavelength (nm)2 0001 5001 000500
n
1.6
1.58
1.56
1.54
1.52
1.5
1.48
1.46
k0
Optical constants from FUV to NIR = Fingerprint of materials
Optical bandgap EgGradient = Evolution of optical constants from the bottom to the top of the layer
Optical constants of anisotropic material
Photon Energy (eV)654321
n
1.46
1.44
1.42
1.4
1.38
1.36
1.34
k0
Graded optical constants
Photon Energy (eV)5432
n
2.16
2.14
2.12
2.1
2.08
2.06
2.04
2.02
2
1.98
k0
Optical constants of a semiconductor material
Wavelength (nm)800700600500400300
n
6
5
4
3
2
k
5
4
3
2
1
Anisotropic optical constants
Photon Energy (eV)5432
n
1.42
1.41
1.4
1.39
1.38
1.37
1.36
1.35
1.34
1.33
k0
Anisotropic materials have different optical properties in different directions
Material 1 Material 2
Graded Layer 1Anisotropic Layer 1
Comparaison des Techniques d’Analyse de Surface
Techniques AFM, STM, TEM, SEMAES, XPS/ESCA, EDS, SIMS, EELS
Ellipsométrie
Informations déterminées
Topographie de surface, épaisseur, structure de grain, morphologie
Analyse élémentaire
Epaisseur des couches, (n,k), composition alliages, porosité, anisotropie
Résolution latérale
Å à 1µm nm à µm 50µm à 3mm
Profondeur de pénétration
nm à 1µm Å à µmDépend de l’absorption du matériau ~40 µm
Instrumentation
Technique « lourde »
Vide
Préparation échantillon
Technique destructive
Technique « lourde »
Vide
Technique destructive
Non destructive
Mesure simple
Pas de préparation d’échantillon
Avantages de l’Ellipsométrie Spectroscopique
• Technique non-destructive
• Pas de préparation d’échantillon
– Echantillons solide (monocouche et multicouche) et liquide
– Matériau transparent et semi-transparent
• Très précise pour la mesure de couches minces < 10 nm
• Mesure spectroscopique : large gamme spectrale du VUV au NIR
• Cartographie des couches en épaisseur, (n,k)
• Microspot pour les échantillons patternés
• Mesure en temps réel
– In-situ: contrôle de croissance / gravure des couches
– Mesure cinétique rapide: modification de surface
Interaction Lumière / Matière
Directionof propagation
X
Y
Z
Electric field, E(z,t)
Magnetic field, B(z,t)
Lumière = onde électromagnétique– Derive des équations de Maxwell
– Composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, tous deux perpendiculaires à la direction de propagation
)r.kwt(iexpEE 0 Reamplitude phase
frequencypropagation vector z
2
c
2f2
Polarisation de la Lumière
Etat de Polarisation– Définit par 2 paramètres: phase & amplitude du champ électrique– Décrit la trajectoire du champ électrique
3 Etats de Polarisation– Polarisation linéaire
> 2 composantes orthogonales Ex & Ey se propagent dans la même direction
> Ondes perpendiculaires
X
wave1
wave2
YE
Z
xx
yy E
A
AE pour φ=0 et x
x
yy E
A
AE pour φ=π
Polarisation de la Lumière
3 Etats de Polarisation– Polarisation circulaire
> Ex & Ey ont un déphasage de 90°
> Amplitude égale
X
Y
Z
wave1
wave2
E
Ex= A cos(ωt-kz+φx)
Ey= A cos(ωt-kz+φx± π/2)
Polarisation de la Lumière
3 Etats de Polarisation– Polarisation elliptique
> Ex and Ey ont une phase et une amplitude différente
X
Y
Z
wave1
wave2
E
2yx
yx
2
y
y2
x
x sinEEAA
cos2
A
E
A
E, avec φ =φy-φx
Intéraction Lumière/Matière
plane ofincidence
Ep
Es
Ep
EsEp
Es
Reflected lightIncident light
plane ofincidence
Ep
Es
Ep
EsEp
Es
Reflected lightIncident light
Définition du plan d’incidence
Coefficients de Fresnel– Décrivent le comportement de la lumière à l’interface entre 2 milieux d’indice différents– Dépendent de la polarisation de la lumière (p ou s)– Sont des nombres complexes
sis
ttii
ttii
si0
r0s er
cosncosn
cosncosn
E
Er
si
sttii
ttii
si0
r0s er
cosncosn
cosncosn
E
Er
pip
itti
tiit
pi0
r0p er
cosncosn
cosncosn
E
Er
pi
pitti
tiit
pi0
r0p er
cosncosn
cosncosn
E
Er
L’ellipsométrie est une technique optique basée sur
la mesure du changement d’état de polarisation de la
lumière (Ψ, Δ) suite à son intéraction avec l’échantillon.
Définition de l’Ellipsométrie
Sample
Ep
Es
Eirp
rsEr
i)(i
s
p
s
p
incidents
refls
incidentp
reflp e)tan(e
r
r
r
r
EE
EEsp i)(i
s
p
s
p
incidents
refls
incidentp
reflp e)tan(e
r
r
r
r
EE
EEsp
Définition de l’Ellipsométrie
> and : Angles ellipsométriques, Données mesurées
s
p
r
rtan
s
p
r
rtan > : Ratio des amplitudes
> : Déphasage introduit lors de la réflexion sur l’échantillons p s p
i)(i
s
p
s
p
incidents
refls
incidentp
reflp e)tan(e
r
r
r
r
EE
EEsp i)(i
s
p
s
p
incidents
refls
incidentp
reflp e)tan(e
r
r
r
r
EE
EEsp
L’ellipsométrie mesure le rapport des coefficients de réflexion de Fresnels
360,0
90,0
Spectre Expérimental (,) Ellipsométrique
SiO2 (100 nm) / c-Si
Wavelength (nm)800700600500400300
¶ (ß)
4442403836343230282624222018161412
£ (ß)
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
Ellipsométrie vs Reflectométrie
s
pi
r
re)ψtan(
Ellipsométrie– Mesure 2 grandeurs simultanément
• Très précise et reproductible• Pas de spectre de référence• Pas de problèmes dus aux fluctuations de source• Très grande sensibilité
IoIR
IT
Réflectométrie– Mesure un rapport d’intensité
0
R
I
I
0
T
I
I
Reflectance
Transmittance
Ellipsométrie vs Reflectométrie
➫ La mesure de la phase par un ellipsomètre donne la plus grande
précision pour la détection des couches ultra-minces
Photon Energy (eV)65432
¶ (ß)
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
Photon Energy (eV)65432
£ (ß)
170.000
160.000
150.000
140.000
130.000
120.000
110.000
100.000
90.000
80.000
1 nm
2 nm
10 nm
Oxyde / c-Si
x
Photon Energy (eV)65432
R
0.700
0.650
0.600
0.550
0.500
0.450
0.400
0.350
A 190 nm (6.5eV) entre 1 et 10nm:
δ(Ψ)=3.212 δ(Δ)=20.209
δ((R)=0.009
Ellipsométrie Spectroscopique vs Laser
Ellipsométrie Spectroscopique– Variation de la longueur d’onde (Ψ, Δ) =f(λ)
➫ Elimine le problème de périodicité
➫ Permet la mesure de multicouches
➫ Mesure des (n,k) des matériaux sur une large gamme spectrale
Ellipsométrie Laser (633 nm)– Mesure 1 paire de (Ψ, Δ) à 1 longueur d’onde
➫ Problème de périodicité (P): Incertitude de l’épaisseur mésurée tous les nP
220
21 sinn~n~2
P
220
21 sinn~n~2
P
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
PSI
DE
LTAEpaisseur
or or…..or 5600 Å5600 Å2800 Å2800 Å0 Å0 Å 5700 Å5700 Å2900 Å2900 Å100 Å100 Å 5800 Å5800 Å3000 Å3000 Å200 Å200 Å 5900 Å5900 Å3100 Å3100 Å300 Å300 Å 6000 Å6000 Å3200 Å3200 Å400 Å400 Å 6100 Å6100 Å3300 Å3300 Å500 Å500 Å
Ellipsométrie Spectroscopique vs Laser
Si substrat
SiO2
(Ψ, Δ) à λ=633 nm
Configuration d’un Ellipsomètre Spectroscopique
Light Polarizer Sample Analyzer Detector
Système d’auto collimation
Tête de détection Tête
d’excitation
Porte échantillon
Goniomètre automatique
Spectroscopique ~ 190 – 2000 nm
Etablit une polarisation linéaire
Intéraction de la lumière avec l’échantillon et réflexion. Cette intéraction provoque un changement d’état de polarisation de la lumière.
Mesure de l’état de polarisation après réflexion
Monochromateur ou CCD
➫ Les ellipsomètres spectroscopiques ex-situ caractérisent les propriétés de l’échantillon après sa fabrication.
Ellipsométrie In Situ & Temps Réel
• Montage des têtes sur les chambres de dépôt (hublot)
• Calcul temps réel de l’épaisseur et (n,k) des couches
• Accessoires: cellule liquide, électrochimique, chauffante, cryostat …
• Mesures cinétiques des phénomènes de surface
➫ L’ellipsométrie in-situ permet le contrôle de la fabrication d’un
empilement de couches, et le suivi des phénomènes de surface.
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie
- Avantages et possibilités de la technique
- Principe de l’ellipsométrie
- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique
- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications
- Semiconducteur
- Ecrans plats
- Photovoltaique, optoélectronique
- Dépôts optiques fonctionnels
- Chimie / Biologie
Concrètement… de la Mesure aux Analyses des Données Ellipsométriques
L’ellipsométrie ne mesure pas des épaisseurs, ni des constantes optiques, elle mesure les angles and
Pour extraire ces informations, il est nécessaire d’utiliser un modèle théorique
Ce modèle est une représentation idéale mathématique de la
structure de l’échantillon
TiO2 on SiO2 substrate
E (eV)3.532.521.5
Psi (°
)
19181716151413121110
987654
De
lta (°)
350
300
250
200
150
100
50
Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats
EXPERIMENTAL DATA
E (eV)3.532.521.5
Psi
(°)
19181716151413121110
987654
Delta (°)
350
300
250
200
150
100
50
GENERATED DATA
E (eV)3.53.2532.752.52.2521.751.5
Psi
(°)
19181716151413121110
987654
Delta (°)
350
300
250
200
150
100
50
1
Mesure
2
Modèle
SiO2 substrate
(n0,k0)
TiO2 (n1,k1)d1
Modèle Théorique
Exemple: monocouche TiO2 sur substrat de verre (SiO2)
(n,k)=f(λ)
Bibliothèque de matériaux
Constantes optiques de TiO2
Epaisseur de la couche
Constantes Optiques & Formules de Dispersion
Formule de dispersion : Equation calculant les valeurs de (n,k)=f(λ)
Paramètres de la formule de dispersion
Librairie formules de dispersion
Exemple: Formules de Dispersion Empirique
Cauchy, Sellmeier…
Equation de Cauchy
Nombre de paramètres: 3
Applications: matériaux transparent dans le VIS
Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats
EXPERIMENTAL DATA
E (eV)3.532.521.5
Psi
(°)
19181716151413121110
987654
Delta (°)
350
300
250
200
150
100
50
GENERATED DATA
E (eV)3.53.2532.752.52.2521.751.5
Psi
(°)
19181716151413121110
987654
Delta (°)
350
300
250
200
150
100
50
FIT RESULTS
E (eV)3.532.521.5
Psi
(°)
19181716151413121110
987654
De
lta (°)
350
300
250
200
150
100
50
1
Mesure
2
Modèle
3
Fit
4
Résultats
2= 2.1
dTiO2 = 4200 Å
(n,k) = f(lambda) for the TiO2 layer
lambda (nm)800700600500400
Re
(Ind
ex)
3.2
3.1
3
2.9
2.8
2.7
2.6
2.5
2.4
2.3
Im(Inde
x)
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
SiO2 substrate
(n0,k0)
TiO2 (n1,k1)d1
roughnessd2
drough= 20 Å
2= 1.6
Fenêtre des Résultats: Logiciel DeltaPsi2
Minimisation des Données
• Le paramètre 2 quantifie la différence entre les données expérimentales et le modèle
• Durant le processus de minimisation, un algorithme mathématique ajuste les paramètres sélectionnés pour obtenir le plus petit 2
n
1i i,
2iexpth
i,
2iexpth2 )()(
min
Substrat Verre
a-Si
23 Å Rugosité
2396 Å
Résultats X2 = 7.8
Wavelength (nm)800600400
Is
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.400
Ic
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.400
-0.600
2353 Å
➙ X2 = 0.5
Wavelength (nm)800600400
Is
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.400
Ic
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.400
-0.600
Minimisation des Données
Méthodes de minimisation Levenberg-Marquardt algorithm Autres: Simplex, …
Epaisseur
Local minima
Best fit
Starting thickness
2
Difficultés Minimum locaux Beaucoup de variables Ne pas être trop loin de la solution
Avoir un bon modèle de départ Bonne description de l’échantillon
Simulation du modèle et comparaison au spectre expérimental
Fit
Spectre Electromagnétique
)nm(
1240h)eV(E
E(nm) = E(microns) x 1000
)cm(K
10000)µm(
1
Longueurs d’onde– Wavelength (λ)– Photon energy (eV)– Wavenumber (K)
Relations
Gamme de longueurs d’onde des ellipsomètres:
VIS: 240 – 830 nm FUV: 190 – 830 nm
NIR: 240-2100 nm VUV: 140 – 830 nm
Familles des Matériaux & Constantes Optiques
Semiconducteur
Photon Energy (eV)654321
n
6
5
4
3
2
1
k
5
4
3
2
1
0
xx
Wavelength (nm)1 5001 000500
n
6
5
4
3
2
k
5
4
3
2
Wavelength (nm)1 5001 000500
n
2.5
2.25
2
1.75
1.5
Isolant Métal
SiO2
SiNx c-Si
AlGaAs
(n,k) dépendent du matériau et de la gamme spectrale mesurée
Opaque dans le VIS
0 < Eg < 4eV
Absorbant dans le NIR
Eg=0
Transparent dans le NIR-VIS (k=0): n ↓ quand λ ↑
Grand gap Eg > 4 Ev
Gamme Spectrale & Matériaux
FUV 190 nm NIR 2100 nm400 nm VIS 700 nm
Fit results of APD structure
APD (Is) Fit (Is) APD (Ic) Fit (Ic)
Wavelength (nm)1 6001 4001 2001 000800600
Is
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
Ic
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
-0.25
-0.30
-0.35
-0.40
-0.45
➫ Région transparente pour les mat semiconducteurs
Couche absorbante: pas de franges d’interference• Impossibilité de mesurer l’épaisseur de la couche = substrat
Couche transparente: franges d’interference
➫ Région Absorbante pour les mat diélectriques et semiconducteurs
Modélisation Optique: Substrat
Mesure ellipsométrique d’un substrat donne directement le (n,k) du matériau
Ratio (,) = f(0, 1, θ0)
2 paramètres mesurés : (,) 2 inconnues : n1 k1
(n1,k1)
Tantalum Sheet
Wavelength (nm)850800750700650600550500450
¶ (ß)
37.000
36.000
35.000
34.000
33.000
32.000
31.000
30.000
29.000
28.000
27.000
26.000
25.000
£ (ß)
104.000
103.000
102.000
101.000
100.000
99.000
98.000
97.000
96.000
95.000
94.000
93.000
92.000
91.000
90.000
1001
1001p01 cosΦncosΦn
cosΦncosΦnr
1100
1100s01 cosΦncosΦn
cosΦncosΦnr
2
02
02
021 ρ1
ρ1Φtg1Φsinεnε
Modélisation Optique: Couche Mince sur Substrat
Ratio (,) = f(0, 1, 2, θ0, d, 0)
> 2 paramètres mesurés : (,)
> 3 inconnus : n1 k1 and d
2jβ1201
2jβ1201
err1
errR
11cosnλ
d2πβ
R = r relatifs aux interfaces 1&2
: Déphasage introduit lors de la réflexion
t01t12 t01r12r10t12 t01r12r10r12r10t12
t01r12r10r12t10r01 t01r12t10
2n~
1n~
0n~θ0
θ1
Substrate
Film
d
Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
• Tous les matériaux sont hétérogènes
• Ex: Matériaux polycristallins, composites, variation de composition, densité
Théorie des milieux effectifs (EMA)
L2L3
L11
2
3> Permet de traiter les matériaux hétérogènes
> Elle consiste à associer localement une constante diélectrique aux hétérogénéités et par une moyenne spatiale, considérer le milieu comme macroscopiquement homogène et lui attribuer ainsi une constante diélectrique effective.
Rugosité
Interface
Matériaux polycristallins
Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
Porosité
Exemples d’hétérogénités
Modèle de Maxwell Garnett
Le modèle de Maxwell-Garnett consiste en des inclusions de un ou deux matériaux (noté i) totalement environnées par un milieu hôte (noté h).
Limitation: hétérogénéités réparties en faible proportion dans le milieu hôte.
Modèle de Bruggeman
Non limitatif du nombre de constituants du mélange. Il traite chacun d’eux de manière équivalente en ne tenant compte que de leur proportion.
f)(2εf)(1εf)(12ε2f)(1ε
hi
hi
h
i i
ii 2εε
εεf
Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie
- Avantages et possibilités de la technique
- Principe de l’ellipsométrie
- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique
- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications
- Semiconducteur
- Ecrans plats
- Photovoltaique, optoélectronique
- Dépôts optiques fonctionnels
- Chimie / Biologie
Composants Optiques d’un Ellipsomètre
Light Polarizer Sample Analyzer Detector
Source
- Lampe Xenon 75 ou 150 Watt
Polariseur/Analyseur
- Type Glan (VIS) ou Rochon (FUV)
- Taux d’extinction : 10-5
Type de lampe Gamme spectrale Longueur d’onde
Deuterium (D2) VUV-UV 140-400 nm
Xenon (Xe) UV-VIS-NIR 190-2000 nm
Quartz Tungsten Halogen (QTH)
VIS-NIR 350-2000 nm
Silicon carbide globar NIR-IR 1.5-40 µm
Composants Optiques d’un Ellipsomètre
Light Polarizer Sample Analyzer Detector
Monochromateur* / Spectrographe** *Sélectionne une λ à partir d'un spectre de λ
plus large: Acquisition SEQUENTIELLE **Sépare la lumière entrante selon sa λ et
enregistre le spectre SIMULTANEMENT
Optical system
Detection system
Input fiber
Composants Optiques d’un Ellipsomètre
Light Polarizer Sample Analyzer Detector
Détecteur Mesure l’intensité de la lumière réfléchie sur l’échantillon passant à
travers l’analyseur
FUV 190 nm NIR 2100 nm400 nm VIS 700 nm
Photomultiplicateur
Photodiode Silicium**
CCD**
Photodiode InGaAs
Photomultiplicateur UV
Différentes Technologies d’Ellipsomètres
Les ellipsomètres spectroscopiques– Tirent leurs informations de la variation d’intensité sur le détecteur en fonction de l’échantillon analysé– Le signal mesuré est modulé: de façon mécanique, piezo-électrique
Différentes technologies
TechniquesEllipsomètre
Laser
Polariseur/ Analyseur tournant
Compensateur tournant
Modulation de phase
Cristaux liquides
Fabricants Fin de vieSopra
France
Woollam
USA
HJY
France
HJY
France
Ellipsométrie Spectroscopique
Light Polarizer Sample Analyzer Detector
Technologie Rotation polariseur ou analyseur
Fréquence de modulation
~ 100 Hz
Paramètres Mesurés TanΨ - CosΔ
Forces
- Simple design, simple calibration
- Large gamme spectrale
- Detection CCD
- Bonne précision pour les matériaux homogènes, isotropes, absorbants
Faiblesses
- Pas précis pour Δ près 0 or 180° → substrat transparent, couches minces, matériaux faiblement absorbants
- Moins sensibles aux structures inhomogènes type gradient, anisotropie
- Déviation du faisceau possible
- Erreurs dues aux polarisations résiduelles
Ellipsomètre à Polariseur/Analyseur Tournant
Echantillon
P
L
A
D
Ellipsomètre à Compensateur Tournant
SAMPLE
P
L
C A
D
Technologie Compensateur tournant
Fréquence de modulation
~ 100 Hz
Paramètres Mesurés TanΨ - TanΔ
Forces- Mesure précise de (Ψ,Δ)
- Détection CCD
Faiblesses
- Technologie difficile: calibration et alignment
- Lame ¼ d’onde couvrant un large domaine spectral
- Elements tournants
Technologie Modulation de phase
Fréquence de modulation
50 kHz
Paramètres Mesurés
Sin2Ψ - CosΔ
Sin2Ψ – SinΔ
Cos2 Ψ
Forces
- Pas d’éléments tournants
- Large gamme spectrale
- Très bon rapport signal sur bruit
- Très précis pour la mesure des échantillons transparents, couches ultra-minces…
- Suivi cinétique très rapide
Faiblesses
- Technologie difficile: calibration
- Modulateur photoélastique sensible à la température
- Non compatible avec une détection CCD
Ellipsomètre à Modulation de Phase
SAMPLE
P
L
PM
A
D
Ellipsomètre à Modulation de Phase
UVISEL
Principe du Modulateur Photoélastique
Ex Ex
Ey ei Ey
n0
n1
Polarisation linéaire
Polarisation elliptique
d
• Modulateur Barreau de silice parallélépipèdique
solidaire d’un élément piezoélectrique oscillant à une fréquence f=50 kHz
Orienté à 45° / polariseur
• Contrainte introduite par le piezo Effet photoélastique : le modulateur
devient biréfringent Les 2 composantes orthogonales du
champ sont déphasées
• Variation sinusoidale de la contrainte
Modulation de la biréfringence à la pulsation w
• Déphasage (t)
(t) = A sinwt
avec : A = 2 d (N1-N0)/
Lumière polarisée elliptiquement
modulateur
Lumière polarisée linéairement
Céramiques piezoelectriques
(50 kHz)
d
Le Modulateur Photoélastique
Ellipsomètre à Modulation par Cristaux Liquides
Technologie Cristaux liquides
Fréquence de modulation
50 kHz
Paramètres Mesurés
Sin2Ψ - CosΔ
Sin2Ψ – SinΔ
Cos2 Ψ
16 éléments de la matrice de Mueller
Forces
- Pas d’éléments tournants
- Facile à installer et utiliser
- Mesure précise de (Ψ,Δ)
- Mesure complète de la matrice de Mueller
- Détection CCD
Faiblesses - Gamme spectrale limitée (Visible)
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie
- Avantages et possibilités de la technique
- Principe de l’ellipsométrie
- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique
- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications
- Semiconducteur
- Ecrans plats
- Photovoltaique, optoélectronique
- Dépôts optiques fonctionnels
- Chimie / Biologie
Plusieurs gammes dédiées à 3 marchés
• Recherche fondamentale UVISEL– Caractérisation de couches minces, analyse de surface
• R&D industrielle Auto SE & MM-16– Contrôle qualité, développement de procédés
• Industrie du Semiconducteur & Ecrans plats UT-300 et FF-1000– Système automatique de contrôle en ligne
Plusieurs configurations d’instruments• Gamme spectrale• Options: table échantillon, goniomètre, microspot,…
Les Ellipsomètres Spectroscopiques HORIBA Jobin Yvon
UVISEL
• Technologie à modulation de phase
• Précision et sensibilité
• Large gamme spectrale : 190 – 2100 nm
• Taille du spot : de 1 mm à 50 µm
• Grande variétés d’accessoires
• Applications Avancées
Ellipsomètres pour la Recherche
Configuration sur table
Configuration intégrée en baie
Les Accessoires des Ellipsomètres
La table XY automatique• Pour la réalisation de cartographie en épaisseur, en indice…
La table XY automatique• Pour la réalisation de cartographie en épaisseur, en indice…
La table θ – 360°• Pour la rotation des échantillons
• Applications: échantillons anisotropes
La table θ – 360°• Pour la rotation des échantillons
• Applications: échantillons anisotropes
La table thermostatée• Contrôle la température des échantillons (-196 à 600°C)
• Applications: transition thermique des polymères, structure de bande des alliages semiconducteurs, hystéris des matériaux magnétiques
La table thermostatée• Contrôle la température des échantillons (-196 à 600°C)
• Applications: transition thermique des polymères, structure de bande des alliages semiconducteurs, hystéris des matériaux magnétiques
Ellipsomètres pour le Contrôle Qualité
Detection head
Excitation head
Manual sample stage
• Technologie à modulation par cristaux liquides
• Mesure rapide <2s
• Plug & play
• Gamme spectrale: 430 - 850 nm
• Nombreux accessoires
• Applications SimplesConfiguration
In-Situ
Configuration sur TableAuto SE & MM-16
FF-1000
• 8ème génération d’écrans plats
• Large platine automatique pour les écrants plats
Digiscreen
3.00 m
Ellipsomètres AutomatiquesPour l’Industrie des Semiconducteurs et des Ecrans Plats
UT-300
• Chargement automatique des wafers
• Taille des wafers : compatible 200, 300 mm
• Pattern/Rec, autofocus
• Débit: 100 wafers/h
• Microspot 30 µm
Précision des ellipsomètresTests en sortie de production
Echantillons standards certifiés NIST
Mesure de l’air en transmission L’air est le seul matériau dont les paramètres ellipsométriques sont connus. Ψ=45° et Δ=0°
Th
ickn
ess
(A)
98
100
102
104
106
108
110
0 5 10Measurement numbers
Mesure UVISEL NIST mean valueNIST min valueNIST max value
Précision des ellipsomètresMesure de l’air en transmission
UVISEL Specifications
Δ= 0° ± 0.083° Spectral range: 190 – 2100 nm
Straight-through air measurements - UVISEL 190-2100 nm
Wavelength (nm)2 0001 6001 200800400
£ (ß)
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
-0.050
-0.100
-0.150
-0.200
-0.250
Straight-through air measurements - UVISEL 190-2100 nm
Wavelength (nm)2 0001 6001 200800400
¶ (ß)
45.1
45.05
45
44.95
44.9
44.85
44.8
UVISEL Specifications
Ψ= 45° ± 0.06° Spectral range: 190 – 2100 nm
PLAN
Présentation de la société HORIBA Jobin Yvon
Introduction à l’ellipsométrie- Avantages et possibilités de la technique- Principe de l’ellipsométrie- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique- Aspect instrumental
Instrumentation: la gamme des ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Applications- Semiconducteur- Ecrans plats- Photovoltaique, optoélectronique- Dépôts optiques fonctionnels- Chimie / Biologie
Semiconducteur
– Transistors, mémoires, stockage de données…
Ecrans Plats
– TFT-LCD, OLED, Plasma
Optoélectronique
– Matériaux pour l’infra-rouge, à propriétés optiques non linéaires, telecom
Photovoltaique
– Cellules solaires
Dépôts Optiques Fonctionnels
– Traitement anti-reflet, électrochrome, verre autonettoyant, miroir …
Biologie / Biotechnologie / Chimie
– Biocompatibilité, biocapteurs, chimie de surface, fonctionnalisation
Les Applications de l’Ellipsométrie Spectroscopique
Les Applications Semiconducteurs
Propriétés physiques à caractériser– Epaisseur (multicouches, oxyde natif, rugosité, interface)
– Constantes optiques
– Composition d’alliages III-V, II-VI
– Gap optique
– Cristallinité du silicium
– Cartographie d’épaisseur
Configuration de l’ellipsomètre– Motorisation: Table XY, goniomètre automatique
– Microspot
– NIR (alliages, silicium)
– FUV (polymères, couche ultra-mince, high k, lithographie)
Couche mince d ’oxyde sur substrat de siliciumDétermination de l’épaisseur et de l’indice
4010 Å
Modèle optique
Si substrate
SiO2
SiO2 on Si substrate
E (eV)54.543.532.521.5
Is
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
Ic
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
-1
(n,k) = f(E) for the SiO2 layer
E (eV)54.543.532.521.5
Re
(Inde
x)
1.525
1.52
1.515
1.51
1.505
1.5
1.495
1.49
1.485
1.48
1.475
Im(In
de
x)
0
Ajustement entre le modèle théorique et la mesure expérimentale
Oxyde natif sur substrat de silicium Détermination de l’épaisseur
Si substrate
Sio2 20 Å
Ultra thin SiO2 layer on Si substrate
E (eV)65432
Is
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Ic
0-0.05-0.1-0.15-0.2-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5-0.55-0.6-0.65-0.7
(n,k) = f(E) for the SiO2 layer
E (eV)6.565.554.543.532.521.5
Re
(Ind
ex)
1.57
1.56
1.55
1.54
1.53
1.52
1.51
1.5
1.49
1.48
1.47
1.46
1.45
Im(Inde
x)
0
Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMOSFET
• Nouveaux Matériaux: high K → HfO2
• Propriétés caractérisées:
> Epaisseurs des couches
> (n,k) du high k
> Bandgap du high k ~ 6.5 eV
HfO2
Silicon subsrate
Source Drain
Gate oxide HfO2
SiO2 interface
channel
8 - 12 Å
20 ÅOptical constants of HfO2
Photon Energy (eV)8765432
n
2.8
2.7
2.6
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2
k
0.750.70.650.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050
Large gamme spectrale: 1.5 – 8.0 eV ↔ 155 – 826 nm
Semiconducteur: Transistor Organic Thin Film Transistor
• Nouvelle génération de transistor
• Propriétés caractérisées:
> Epaisseurs des couches
> (n,k) du pentacène: 4 pics d’absorption 540, 580, 630, 654 nm
Modèle 5 couches
SiN
Si substrate
Sio2
p-si
82.2 % p-si + 17.8 % wet oxide
Wet oxide
Wet oxide / polysilicon / LPCVD nitride / thermal oxide / c-Si
Photon Energy (eV)4.64.44.243.83.63.43.232.82.62.42.221.81.6
Is
0.9000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1000.000
-0.100-0.200-0.300-0.400-0.500-0.600-0.700-0.800-0.900
Ic
0.9000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1000.000-0.100-0.200-0.300-0.400-0.500-0.600-0.700-0.800-0.900
Empilement multicouchesPrésence d’une interface wet oxide/p-si
Modèle 4 couches
SiN
Si substrate
Sio2
p-siWet oxide
Epaisseur (Å)Modèleoptique Interface Wet oxide p-Si SiN SiO2
2
Modèle 4couches
/ 1905 3591 790 1807 24.5
Modèle 5couches
110 1950 3506 790 1807 8.7
Contact métalliqueLimitation dans la détermination de l’épaisseur
c-Si substrat
Sio2
Modèle optique
75 Å CobaltCouche métallique Opaque après 500-1000 Å
Co / SiO2 / Si substrate
E (eV)54.543.532.521.5
Is
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
Ic
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
(n,k) = f(E) for the Co layer
E (eV)54.543.532.521.5
Re
(Inde
x)
2.7
2.6
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
Im(In
de
x)
2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
Al(x)Ga(1-x)As Optical Constants
algaas-0.1-1 (n) algaas-0.3-2 (n) algaas-0.5-3 (n) algaas-0.7-4 (n) algaas-0.9-5 (n)
Photon Energy (eV)54.543.532.521.51
n
5.000
4.750
4.500
4.250
4.000
3.750
3.500
3.250
3.000
2.750
2.500
2.250
Al(x)Ga(1-x)As Optical Constants
algaas-0.1-1 (k) algaas-0.3-2 (k) algaas-0.5-3 (k) algaas-0.7-4 (k) algaas-0.9-5 (k)
Photon Energy (eV)54.543.532.521.51
k
4.0003.7503.5003.2503.0002.7502.5002.2502.0001.7501.5001.2501.0000.7500.5000.2500.000
• AlxGa1-xAs : matériau transparent dans le NIR, absorbant dans le vis/FUV
• Shift des constantes optiques avec des compositions d’alliages différentes
• Quand x augmente : décalage du seuil d’absorption vers les hautes énergies
Alliages Semiconducteurs AlxGa1-x As
SIMS Data0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
DEPTH (Angstroms)
Co
mpo
sitio
n (S
i(1
-x)G
ex)
)
← Ave 14.9% for Ge
c-Si substrat
Si(1-x)Gex (x=0.15) 830 Å
Oxyde natif30 Å
Modèle optique
Caractérisation de la Composition Si(1-x)Gex Corrélation entre l’ellipsométrie/SIMS
Optical constants of SiGe - x=0.15
Photon Energy (eV)54.543.532.521.5
n
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
k
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
Corrélation Nanostructure – Constantes OptiquesCouches minces de SnO2
3: 160nm2: 110nm1: 95nm
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
1 2 3 4 5 6ENERGY (eV)
3
2
1
RE
FR
AC
TIV
E IN
DE
X
Grain Size
SiO2
SnO2
c-Si substrat
40 Å
2710 Å
rugosité 120 Å
The lower the grain size, the larger n
2D sample view
3D sample view
Cartographie des Couches & Uniformité
Les Applications Ecrans Plats
Propriétés physiques à caractériser– Epaisseur (multicouches, oxyde natif, rugosité, interface)
– Constantes optiques
– Anisotropie
– Cartographie des couches
– Mesure de substrats transparents (verre, plastique)
Configuration de l’ellipsomètre– Motorisation: Table XY, goniomètre automatique
– Microspot
– VIS pour la majorité des applications
– FUV (polymères, couche ultra-mince, plastique)
1er système
2nd système
Technologie TFT-LCD
1 mmGlass substrate
950 ÅITO
polymer 110 Å
1 mmGlass substrate
20 µmLiquid crystal
Glass substrate 1 mm
• Caractérisation: épaisseur - (n,k)
ZLI liquid crystal
Wavelength (nm)2 0001 5001 000500
Is
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
-0.050
-0.100
-0.150
-0.200
-0.250
Ic
0.700
0.650
0.600
0.550
0.500
0.450
0.400
0.350
0.300
0.250
0.200
0.150
> 1St système : ITO matériau inhomogène
> 2nd système: Couche épaisse de cristaux liquides et propriétés optiques anisotropes
5 Layer Model
Glass substrate
a-Si
4 Layer Model
SiN
a-Si
Glass substrate
Thickness ()Model
SiO2 SiN a-Si Doped a-Si Oxideχ2
4 Layer Model 2000.0 1890.0 2500.0 33.0 0.255 Layer Model 2000.0 1895.0 1800.0 695.0 33.0 0.11
Doped a-Si
Adressage des pixels par un transistor
SiN
SiO2 SiO2
Modèles optiques
Native OxideNative Oxide Détection couche dopée
(n,k) = f(E) for the CuPc layer
Photon Energy (eV)43.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.91.851.8
1.751.7
1.651.6
1.551.5
1.451.4
1.351.3
1.251.2
1.151.1
k
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
(n,k) = f(E) for the CuPc layer
Photon Energy (eV)43.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.91.851.8
1.751.7
1.651.6
1.551.5
1.451.4
1.351.3
1.251.2
1.151.1
k
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
(n,k) = f(E) for the NPB layer
Photon Energy (eV)3.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
2.12.082.062.042.02
21.981.961.941.92
1.91.881.861.841.82
1.81.781.761.741.72
1.71.681.66
k
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
(n,k) = f(E) for the NPB layer
Photon Energy (eV)3.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
2.12.082.062.042.02
21.981.961.941.92
1.91.881.861.841.82
1.81.781.761.741.72
1.71.681.66
k
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
(n,k) = f(E) for the Alq3 layer
Photon Energy (eV)43.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.861.851.841.831.82
1.811.8
1.791.781.771.761.751.74
1.731.721.71
1.71.69
k
0.10.0950.090.0850.080.0750.070.0650.060.0550.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050
(n,k) = f(E) for the Alq3 layer
Photon Energy (eV)43.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.861.851.841.831.82
1.811.8
1.791.781.771.761.751.74
1.731.721.71
1.71.69
k
0.10.0950.090.0850.080.0750.070.0650.060.0550.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050
Ecrans plats: Technologie OLEDTéléphone portable, PDA, TV...
(n,k) = f(E) for the Alq3 doped layer
Photon Energy (eV)3.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.84
1.83
1.82
1.81
1.8
1.79
1.78
1.77
1.76
1.75
1.74
1.73
1.72
1.71
1.7
1.69
1.68
1.67
1.66
k
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
(n,k) = f(E) for the Alq3 doped layer
Photon Energy (eV)3.753.53.2532.752.52.2521.751.51.251
n
1.84
1.83
1.82
1.81
1.8
1.79
1.78
1.77
1.76
1.75
1.74
1.73
1.72
1.71
1.7
1.69
1.68
1.67
1.66
k
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
1021 Å
141 Å487 Å386 Å
338 Å• Système multicouches organiques émettant de la lumière
• Propriétés caractérisées:
> Epaisseurs des couches
> (n,k) des matériaux organiques
Films Plastiques
• Porte échantillon pour film plastique
• Matériaux anisotropes complexes « biaxes »
• Propriétés caractérisées:
> (n,k) : 3 indices optiques: nx, ny, nz
MatériauxEpaisseur des
films (µm)
PET 25 ; 200
PC 12 ; 780
PP 13
PEN 25
TAC 80
nx
ny
nz
Film Plastique tac.clc (n) pen.clc (n) pc.clc (n) pet.clc (n) pp.clc (n)
Wavelength (nm)800700600500400300200
n
2.2
2
1.8
1.6
1.4
Anisotropie des films
➫ TAC: quasi-isotrope
➫ PEN & PET plastiques les plus anisotropes
Anisotropie des films
➫ TAC: quasi-isotrope
➫ PEN & PET plastiques les plus anisotropes
Matériaux nx à 633 nm nx - ny nx - nz
PET 1.63 -0.03 0.18
PC 1.53 0.015 0.016
PP 1.49 -0.01 0.02
PEN 1.88 0.17 0.22
TAC 1.462 < 10-4 -0.001
Films Plastiques
Nouvelle Génération d’Ecrans Flexibles
Motifs de 10µm
avec metal
sans metal
Cross section
Glass
Plastic substrateMetal
Polymer 1
Polymer 2
Polymer 3 • Empilement de multicouches organiques
• Caractérisation: épaisseur - (n,k)
> Combinaison Ellipsométrie & Réflectométrie spectroscopique
> Taille de spot: 10 µm
Mesure de R
eV432
R
1.000
0.900
0.800
0.700
0.600
0.500
0.400
0.300
0.200
0.100
0.000
Les Applications des Dépôts Optiques Fonctionnels
Propriétés physiques à caractériser– Grande précision des épaisseurs
– Grande précision des constantes optiques
– Mesure de substrat transparent (verre)
– Transmittance (T)
Configuration de l’ellipsomètre– Motorisation: goniomètre automatique (mesure en transmission)
– VIS pour la majorité des applications
Lentilles pour Verre Ophtalmique
Echantillon Mesuré Empilement Couches
GlassScratch proofing
Anti reflective
Smudge proofing
GlassTreatment 1
Treatment 2
Treatment 3
Interface
80.3 nm
626.8 nm
125.2 nm
3394.5 nmInterface composition: 50/50 treatment
2+3Interface composition: 50/50 treatment
2+3
Lentilles: multicouches de traitements
- Anti-reflet- Anti-rayure- Anti-salissure
Optical constants of 3 treatments
Wavelength (nm)850800750700650600550500450
n
1.591.581.571.561.551.541.531.521.51
1.51.491.48
Traitement ElectrochromeVitres, miroirs, verres opthalmiques…
2999 Å
22 Å1732 Å
Verre
ITO
Interface
Rugosité
WOx
74 Å
• Propriété de s’obscurcir ou de s’éclaircir sous effet tension
• Système à 5 couches: 2 électrodes transparentes, milieu de stockage d’ions (électrolyte), matériau électrochrome, matériau conducteur ions ITO/WOx/Ta2O5/TiVOx/ITO
• Propriétés caractérisées: Epaisseurs et propriétés optiques couche par couche
<
> Détection interface riche en tungsten
35.5 % W + 64.5 % WOx
> Paramètre de fit ² = 9.11 → 2.86
Traitement ElectrochromeVitres, miroirs, verres opthalmiques…
1643 Å
2818 Å
977 Å
596 Å
Verre
ITO
Ta2O5
TiVOx
WOX
Rugosité 57 Å Generated and experimental spectra
Wavelength (nm)1 050700350
Is
0.200
0.000
-0.200
-0.400
-0.600
Ic
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.400
-0.600
ITO Optical Constants
Wavelength (nm)1 2001 000800600400
n
2.25
2.1
1.95
1.8
1.65
1.5
1.35
1.2
1.05
0.9
0.75
k
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
Ta2O5 Optical Constants
Wavelength (nm)1 2001 000800600400
n
2.26
2.24
2.22
2.2
2.18
2.16
2.14
2.12
2.1
2.08
2.06
k
0.06
0.055
0.05
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
TiVOx Optical Constants
Wavelength (nm)1 2001 000800600400
n
2.552.5
2.452.4
2.352.3
2.252.2
2.152.1
2.052
1.95
k
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
WOx Optical Constants
Wavelength (nm)1 2001 000800600400
n
2.62.55
2.52.45
2.42.35
2.32.25
2.22.15
2.12.05
k
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Verre AutonettoyantPare-brise de voitures, Vitres de bâtiment
• Couche TiO2 hydrophile
> Préparation par dip coating: dépôt sur les 2 faces
> Couches inhomogènes dues à la méthode de dépôt
• Propriétés caractérisées: Epaisseurs, constantes optiques et composition de l’interface et transmittance
Couche Décorative et Protectrice
Rouleau d’aluminium
- Films anodisés pour optimiser la réflectance de l’application finale
Couche Décorative et Protectrice
Plaque d’Aluminium Empilement des couches
Al
Al2O3135.8 nm
Wavelength (nm)2 0001 5001 000500
n
1.46
1.44
1.42
1.4
1.38
1.36
1.34
Anisotropic optical constants
Well aligned cylindrical pores perpendicular to the substrate
→ Anisotropic film
Step1: Compact layerStep2: Porous layer
70.9 nm
936.7 nm
AlAl2O3
Al2O3 dense interface
Al2O3 porous layerTiO2
➫ Reflectance optimisée avec la couche poreuse ➫ Reflectance optimisée
avec la couche poreuse
Photon Energy (eV)654321
R
0.900
0.800
0.700
0.600
0.500
0.400
0.300
Al2O3 compact + TiO2 films
Al2O3 porous + TiO2 films
Les Applications Optoélectroniques
Propriétés physiques à caractériser– Epaisseurs
– Constantes optiques (1300, 1550 nm)
– Anisotropie (propriétés optiques non linéaires)
Configuration de l’ellipsomètre– NIR pour la majorité des applications
Matériaux pour l’infra-rouge: Verre chalcogénureOptique passive, active: multiplexeur, amplificateur, lentille…
• Excellente transmission dans l’IR: k=0
• Caractérisation: épaisseurs et (n,k)
• Matériau As2S3: dépôt inhomogène de la couche créant une non-uniformité de l’indice au sein de la couche
Verre
As2S3 1091 Å
n en bas de la couche
n en haut de la couche
Couche inhomogène à gradient d’indice
L’indice de réfraction en haut de la couche est inférieure à celui en bas de la couche.
Détecteur Photosensible pour Vision de Nuit
Tube Intensifieur d’image
Echantillon Mesué Empilement des couches
Al2O3 Optical Constants
Wavelength (nm)850800750700650600550500450
n
1.72
1.715
1.71
1.705
1.7
1.695
Al2O3 Optical Constants
Wavelength (nm)850800750700650600550500450
n
1.72
1.715
1.71
1.705
1.7
1.695
➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 1
➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 1
Al2O3 Optical Constants
Al2O3_system1.dsp (n) Al2O3_system2.dsp (n)
Wavelength (nm)800700600500
n
1.72
1.72
1.71
1.71
1.70
1.70
1.69
➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 2
➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 2
Al2O3
Glass
1073 Å
Verre
Interface
Al2O3 1161 Å
359 Å
Cellules Photovoltaiques (Ex: à base de Polymères)
VerrePEDOT:PSS 543 Å
PEDOT:PSS Uniaxial Anisotropic Optical Constants
pedot e.udf (n) pedot o.udf (n) pedot e.udf (k) pedot o.udf (k)
Photon Energy (eV)654321
n
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
k
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
• Maximiser conversion Esolaire → Electricité
• Propriétés caractérisées:
> Epaisseur des couches
> (n,k) des matériaux organiques
VerrePEDOT:PSSP3HT
543 Å143 Å
P3HT Optical Constants
Photon Energy (eV)54.543.532.521.51
n
2.4
2.3
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
k
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Les Applications Biologie / Biotechnologie / Chimie
Propriétés physiques à caractériser– Epaisseur
– Anisotropie
– Mesures cinétiques d’absorption de couche sur une surface
Configuration de l’ellipsomètre– Accessoires: table thermostatée, cellule liquide, électrochimique
– VIS pour la majorité des applications
– NIR-VIS-FUV (applications complexes, couches ultra-minces, matériaux organiques)
Adsorption de la Protéine BSA à Différentes Interfaces
• Suivi cinétique de l’adsorption de la protéine
• Mesure effectuée dans une cellule liquide
➫ Intéraction préférentielle avec la couche de SiO2➫ Intéraction préférentielle avec la couche de SiO2
Formation du Complexe: Biotine-Avidine
1. Mesure de l’épaisseur de la couche de biotine déposée sur c-Si
2. Formation du complexe en milieu liquide : mesure effectuée dans la cellule liquide
3. Mesure de l’épaisseur finale de la couche biotine/avidine
Biotin
c-Si substrate
38 Å
c-Si substrate
62 Å
Biotin
Avidin
➫ L’augmentation de l’épaisseur montre la grande affinité du couple biotine / avidine
➫ L’augmentation de l’épaisseur montre la grande affinité du couple biotine / avidine
Introduction of avidin solution in the liquid cell
38 Å
62 Å
Etude de Copolymères à l’Interface Air/Liquide
Conditions Expérimentales
• Etude cinétique de l’évolution de la solution durant 3h
Introduction de la solution polymère dans la cellule
➫ Mesure de l’épaisseur et des constantes optiques de l’interface➫ Mesure de l’épaisseur et des
constantes optiques de l’interface
➫ Formation d’une interface à l’interface air/liquide
➫ Formation d’une interface à l’interface air/liquide
hydrophobic
hydrophilic
PDMSPEOPEO
Etude de Copolymères à l’Interface Air/Liquide
Paramètres ellipsométriques (Ψ, Δ) = f(t)
t = 0 h t = 3 h
Epaisseur 18 Å 34 Å
n @ 633nm
1.38 1.38
Evolution of Ψ
Photon Energy (eV)6.565.554.543.532.521.5
¶ (ß)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
To t =3h
From t = 0hPhoton Energy (eV)
6.565.554.543.532.521.5
£ (ß)
340
320
300
280
260
240
220
200
Evolution of Δ
From t = 0hTo t = 3 h
➫ L’épaisseur de l’interface augmente avec le temps
➫ L’épaisseur de l’interface augmente indiquant que la structure de l’interface a changé: les chaînes hydrophiles ont plongé dans la solution.
• Solution Copolymère: 0.05 g/L
CONCLUSION
• L’ellipsométrie Spectroscopique
– Technique performante & non destructive pour une caractérisation précise des couches minces, interface et état de surface
• Multicouches
• Hétérogénéités des couches (interface, gradient, rugosité, etc…)
• Constantes optiques (n,k)
• Propriétés des matériaux: information sur les composition, cristallinité des matériaux déterminées à partir de la variation des constantes optiques
– Technique modulaire pour un large domaine d’applications