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Mélanie GAILLET – Evry - 2008 L’Ellipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques HORIBA Jobin Yvon SAS Division Couches.

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1 Mélanie GAILLET – Evry - 2008
L’Ellipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques HORIBA Jobin Yvon SAS Division Couches Minces ZI de la Vigne aux Loups 5, avenue Arago CHILLY-MAZARIN Tel : Fax :

2 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

3 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

4 La société HORIBA JOBIN YVON
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 HJY

5 Présentation de la Division Couches Minces
Développe et produit des instruments optiques pour: ➫ 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 Film Substrat

6 Présentation de la Division Couches Minces
40 personnes Basée à Chilly-Mazarin (91)

7 Profils des Utilisateurs des Ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon
Universités – R&D: 50 % Industrie: 50 % 500 ellipsomètres dans le monde Marché scientifique universitaire EUROPE CHINE COREE USA JAPON TAIWAN Marché 50/50 Industriel/Scientifique AUSTRALIE Marché industriel – Fab Microélectronique, Ecran plat et photovoltaique

8 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

9 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. Substrat Interface Film Surface De Multiples Applications Microélectronique Ecran plat Dépôt optique fonctionnel Photovoltaique Optronique Biotechnologie, chimie

10 Informations Obtenues
Optical constants from FUV to NIR = Fingerprint of materials Interface composition: % Material % Material 2 Porosity composition: % Void + 65% Material Optical bandgap Eg Anisotropic materials have different optical properties in different directions Gradient = Evolution of optical constants from the bottom to the top of the layer Roughness measurement typically 25 to 150 Å Native oxide ~ 25 Å Thickness measurement up to x layers Layer 2 Material 1 Material 2 Graded Layer 1 Anisotropic Layer 1 Thickness measurement from 1 Å to 30 µm Layer 1 Substrate

11 Comparaison des Techniques d’Analyse de Surface
AFM, STM, TEM, SEM AES, 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 µm Dépend de l’absorption du matériau ~40 µm Instrumentation Technique « lourde » Vide Préparation échantillon Technique destructive Non destructive Mesure simple Pas de préparation d’échantillon

12 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

13 Interaction Lumière / Matière
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 amplitude phase frequency propagation vector X Electric field, E(z,t) Equation of an electromagnetic plane wave The electromagnetic wave equation derive from Maxwell’s equations. It describes the propagation of electromagnetic waves through a medium or in a vacuum. An electromagnetic wave is a transverse wave consisting of an electric field vector and magnetic field vector. They are mutually perpendicular and are both perpendicular to the direction of propagation. The equation for an electromagnetic plane wave describes the electric field as a function of position and time. Y Z Magnetic field, B(z,t) Direction of propagation

14 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 Polarization is the property of electromagnetic waves, such as light, that describes the direction of their transverse electric field. The electric field vector may be arbitrarily divided into 2 perpendicular components labelled x and y (with z indicated the direction of travel). Note that the maximum, minimum and zero points of the vertical wave coincide with those of the horizontal wave, that is, the waves are in phase. The tip of the vector traces out a single line in the plane, this is called linear polarization. The direction of this line depends on the relative amplitudes of the 2 components. wave2 Y E Z

15 Polarisation de la Lumière
3 Etats de Polarisation Polarisation circulaire > Ex & Ey ont un déphasage de 90° > Amplitude égale X wave1 Y wave2 E Z The 2 orthogonal components have exactly the same amplitude and are exactly ninety degrees out of phase. In this case, one component is zero when the other component is at maximum or minimum amplitude. In this special case the electric vector traces out a circle in the plane Ex= A cos(ωt-kz+φx) Ey= A cos(ωt-kz+φx± π/2)

16 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 All other cases that is where the 2 components are not in phase and either do not have the same amplitude and/or are not 90° out of phase are called elliptical polarization because the electric vector traces out an ellipse in the plane.

17 Intéraction Lumière/Matière
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 The plane of incidence is defined by the propagation direction and a vector normal to the plane of a reflecting surface. The components of the electric field parallel and perpendicular are termed p-like (parallel) and s-like (senkrecht, german for perpendicular).

18 Définition de l’Ellipsométrie
 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. r p Ei Ep Er r s fo Es Sample

19 Définition de l’Ellipsométrie
 L’ellipsométrie mesure le rapport des coefficients de réflexion de Fresnels >  and  : Angles ellipsométriques, Données mesurées > : Ratio des amplitudes > : Déphasage introduit lors de la réflexion sur l’échantillon

20 Spectre Expérimental (,) Ellipsométrique
Soit une onde plane arrivant sur une surface Le champ incident peut se décomposer selon les vecteurs de base , La modification du champ E après réflexion est donnée par les coefficients rp et rs

21 Ellipsométrie vs Reflectométrie
IR Io Reflectance Réflectométrie Mesure un rapport d’intensité Transmittance IT 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 Measures a ratio of the intensity of the incident ray to that of the reflected and transmitted rays. When light is at normal incidence to the interface the refelection and transmission coefficients are given by:

22 Ellipsométrie vs Reflectométrie
➫ La mesure de la phase par un ellipsomètre donne la plus grande précision pour la détection des couches ultra-minces 1 nm 2 nm 10 nm Oxyde / c-Si x A 190 nm (6.5eV) entre 1 et 10nm: δ(Ψ)= δ(Δ)=20.209 δ((R)=0.009

23 Ellipsométrie Spectroscopique vs Laser
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 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

24 Ellipsométrie Spectroscopique vs Laser
(Ψ, Δ) à λ=633 nm SiO2 Si substrat Epaisseur 5600 Å 2800 Å 0 Å 5700 Å 2900 Å 100 Å 5800 Å 3000 Å 200 Å 5900 Å 3100 Å 300 Å 6000 Å 3200 Å 400 Å 6100 Å 3300 Å 500 Å or or…..

25 Configuration d’un Ellipsomètre Spectroscopique
Light Polarizer Sample Analyzer Detector ➫ Les ellipsomètres spectroscopiques ex-situ caractérisent les propriétés de l’échantillon après sa fabrication. Monochromateur ou CCD Spectroscopique ~ 190 – 2000 nm Système d’auto collimation Goniomètre automatique Mesure de l’état de polarisation après réflexion Tête de détection Tête d’excitation Etablit une polarisation linéaire Porte échantillon Five steps: 1 – generation of an incident light beam in a polarization state known accurately in advance through instrument calibration 2 - Specular reflection of the beam from a sample surface leading to an emergent beam in a new polarization state 3 – accurate analysis of the new polarization state again relying on instrument calibration information 4 – calculation of beam/sample interaction parameters such as elliposmetric angles 5 – computation of optical and structural information on the sample such thickness and (n,k) Intéraction de la lumière avec l’échantillon et réflexion. Cette intéraction provoque un changement d’état de polarisation de la lumière.

26 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 In situ ellipsometry refers to measurements performed with the sample enclosed in a controlled environment. It involves either ellipsometer connection around a sample chamber (CVD, electron-beam, MBE, sputtering as well as any other chamber that has an entrance and exit window for the measuring beam) or sample cell use. Real time ellipsometry refers to in situ measurements performed during film growth or surface modification. Time scales of interest accessible to conventional ellipsometers range from microseconds, for example in studies of controlled oxidation or contamination of surfaces. In real time control the data collected in real time are also interpreted in real time using a process model. The resulting information is then applied to control the process in order to achieve prespecified thin film or surface characteristics. ➫ L’ellipsométrie in-situ permet le contrôle de la fabrication d’un empilement de couches, et le suivi des phénomènes de surface.

27 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

28 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

29 Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats
1 Mesure 2 Modèle SiO2 substrate (n0,k0) TiO (n1,k1) d1 SE data are acquired on the spectral range defined. The model describes the measured sample using layers for each material. The unknown properties are defined as « fit parameters ». The software automatically adjusts « fit parameters » to find best match between model and experimental curves.

30 Modèle Théorique Exemple: monocouche TiO2 sur substrat de verre (SiO2)
Bibliothèque de matériaux (n,k)=f(λ) Epaisseur de la couche Constantes optiques de TiO2

31 Constantes Optiques & Formules de Dispersion
Formule de dispersion : Equation calculant les valeurs de (n,k)=f(λ) Librairie formules de dispersion Paramètres de la formule de dispersion A dispersion formula is an equation which calculates the values of n,k as a function of wavelength. A set of parameters has to be initialized to describe the optical constants of the material. The reference is not available in the software library or need to improve the x2.

32 Exemple: Formules de Dispersion Empirique
Cauchy, Sellmeier… Equation de Cauchy Nombre de paramètres: 3 Applications: matériaux transparent dans le VIS Empirical dispersion law to calculate n versus wavelength.

33 Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats
1 Mesure 2 Modèle 3 Fit 4 Résultats roughness d2 2= 2.1 dTiO2 = 4200 Å 2= 1.6 SiO2 substrate (n0,k0) TiO (n1,k1) d1 drough= 20 Å SE data are acquired on the spectral range defined. The model describes the measured sample using layers for each material. The unknown properties are defined as « fit parameters ». The software automatically adjusts « fit parameters » to find best match between model and experimental curves.

34 Fenêtre des Résultats: Logiciel DeltaPsi2

35 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 Rugosité 23 Å a-Si 2353 Å 2396 Å Substrat Verre ➙ X2 = 0.5 Résultats X2 = 7.8

36 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

37 Spectre Electromagnétique
Longueurs d’onde Wavelength (λ) Photon energy (eV) Wavenumber (K) Relations E(nm) = E(microns) x 1000 Several units describe light: wavelength in angstroms, nanometer or microns; photon energy in eV, wavenumber in reciprocal centimeters (cm-1). The choice depends on the spectral range and the application and the user habit. The following relationships will help to convert various unit systems. Gamme de longueurs d’onde des ellipsomètres: VIS: 240 – 830 nm FUV: 190 – 830 nm NIR: nm VUV: 140 – 830 nm

38 Familles des Matériaux & Constantes Optiques
(n,k) dépendent du matériau et de la gamme spectrale mesurée Isolant Semiconducteur Métal SiO2 AlGaAs x SiN x x c-Si Transparent dans le NIR-VIS (k=0): n ↓ quand λ ↑ Grand gap Eg > 4 Ev Opaque dans le VIS 0 < Eg < 4eV Absorbant dans le NIR Eg=0

39 Gamme Spectrale & Matériaux
FUV 190 nm 400 nm VIS 700 nm NIR 2100 nm ➫ Région Absorbante pour les mat diélectriques et semiconducteurs ➫ Région transparente pour les mat semiconducteurs Couche transparente: franges d’interference Couche absorbante: pas de franges d’interference Impossibilité de mesurer l’épaisseur de la couche = substrat

40 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)

41 Modélisation Optique: Couche Mince sur Substrat
R =  r relatifs aux interfaces 1&2 t01t12 t01r12r10t12 t01r12r10r12r10t12 t01r12r10r12t10 r01 t01r12t10 θ0 θ1 Substrate Film d  : Déphasage introduit lors de la réflexion Ratio   (,) = f(0, 1, 2, θ0, d, 0) > 2 paramètres mesurés : (,) > 3 inconnus : n1 k1 and d

42 Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
Tous les matériaux sont hétérogènes Ex: Matériaux polycristallins, composites, variation de composition, densité L2 L3 L1 Théorie des milieux effectifs (EMA) > 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.

43 Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
Exemples d’hétérogénités Rugosité Interface Porosité Matériaux polycristallins

44 Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités
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.

45 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

46 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 nm Xenon (Xe) UV-VIS-NIR nm Quartz Tungsten Halogen (QTH) VIS-NIR nm Silicon carbide globar NIR-IR µm

47 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 Detection system Optical system Input fiber

48 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 nm 400 nm VIS 700 nm Photomultiplicateur Photodiode Silicium** CCD** Photomultiplicateur UV Photodiode InGaAs

49 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 Light Polarizer Sample Analyzer Detector Ellipsométrie Spectroscopique Techniques Ellipsomètre Laser Polariseur/ Analyseur tournant Compensateur tournant Modulation de phase Cristaux liquides Fabricants Fin de vie Sopra France Woollam USA HJY

50 Ellipsomètre à Polariseur/Analyseur Tournant
D 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 P A Echantillon For the rotating polarizer configuration, the polarization state of light is modulated by rotating the polarizer continuously during measurement at a constant angular frequency w, typically between 10 and 100 Hz. Each types of instruments has its strengths and weaknesses with respect to instrument speed, spectral resolution, measurement precision. The 2 primary advantages of the rotating element design include its fully parallel operation when used with an integrating photodiode array detector and its versatility. The rotating ellipsometer is best suited for studies strongly absorbing material structures, e.g, semiconductor or metal thin films on semiconductor substrates, structures that are isotropic and homogeneous over the full extent of the incident beam (and hence non depolarizing). The advantage of the rotating ellipsometer is its simplicty, ease of calibration, wide spectral range and its high speed. This instrument provides only partial information on the stockes vector of the reflected beam and is not accurate when the ellipticity angle of the reflected beam polarization state is small. For sample structures that incorporate thick weakly absorbing layers or transparent substrates, structures that are inhomogeneous and depolarizing or structures that include anisotropic materials or films, the rotating configuration becomes less accurate and or provides insufficient information. In the automatic rotating analyzer/polarizer instruments, an encoder with two inputs is attached to th emotor shaft that continuously drives the rotating element. The 1st output provides one pulse per rotation and is used to initiate overall data acquisition. The 2nd output provides a series of equally spaced clock pulses (typically ) over a 180° rotation of the optical element and is used to initiate sampling of the detector. A fourier analysis of the resulting detector output as a function of the polarizer or analyzer azimuth provides the dc and 2w fourier coefficients of the irradiance waveform at the detector, where w is the angular frequency of optical element rotation (either the polarozer or analyzer). The 2 normalized ac fourier coefficients obtained by taking the ratios of the ac to the dc coefficients, can be used to determine the ellipsometric angles. For typical optical element, rotation frequencies w/2pi of 10 to 100Hz, a single pair of ellipsometric angles can be obtained in a minimum time pi/w of 5 to 50ms. Rotating polarizer/analyzer ellipsometers exhibit ranges in (psi,delta) for which the sensitivity of the instrument is poor. Because the rotating ellipsometers measures cos delta, their accuracy and precision are poor when delta near 0 and +/- 180°. As a result, this design leads to difficulties when measuring film growth on dielectric substrates for which delta=0° over a wide spectral range, or when measuring thick dielectric films on semiconductor or metal substrates for which delta periodically crosse 0° and 180° as a function of wavelength.

51 Ellipsomètre à Compensateur Tournant
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 L P D C A SAMPLE A compensator is a retarder element that introduces a 90° phase change. Therefore, if linearly polarized light is input, it will exit the compensator with circularly polarized light. The retardance can not be adjusted resulting in limited spectral range. The rotating compensator provides accurate measurements of psi and delta, along with the degree of polarization useful for situations in which the sample depolarizes the incident light beam. Rough surfaces, backside reflections can cause depolarization. This instrument is immune to source polarization and detector polarization sensitivity. The disadvantage is the complexity of calibration of the compensator. The addition of a rotating MgF2 compensator improve the accuracy and/or provide more information at the expense of more complicated calibration and data reduction procedures. The single rotating compensator provides the complete stokes vector for the analysis of sample structures that incorporate weakly absorbing layers or transparent substrates, and can also handle some sample inhomogeneities.

52 Ellipsomètre à Modulation de Phase
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 D L A P PM SAMPLE The phase retardation is wavelength dependent, which necessitates close control of the modulation amplitude as a function of wavelength. The retardance is adjusted allowing to cover a large spectral range. Both the polarizer and analyzer are fixed, thus errors due to source polarization or polarization sensitivity of the detection system are avoided. The phase modulation ellipsometer measures either

53 Ellipsomètre à Modulation de Phase
UVISEL

54 Polarisation linéaire Polarisation elliptique
Principe du Modulateur Photoélastique 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)/ Ex Ey ei Ey n0 n1 Polarisation linéaire Polarisation elliptique d

55 Lumière polarisée elliptiquement Lumière polarisée linéairement
Le Modulateur Photoélastique Lumière polarisée elliptiquement modulateur Lumière polarisée linéairement Céramiques piezoelectriques (50 kHz) d

56 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) For the analysis of samples exhibiting both heterogenity and anisotropy.

57 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

58 Les Ellipsomètres Spectroscopiques HORIBA Jobin Yvon
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,…

59 Ellipsomètres pour la Recherche
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 Configuration sur table Configuration intégrée en baie

60 Les Accessoires des Ellipsomètres
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 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

61 Ellipsomètres pour le Contrôle Qualité
Configuration sur Table Auto SE & MM-16 Technologie à modulation par cristaux liquides Mesure rapide <2s Plug & play Gamme spectrale: nm Nombreux accessoires Applications Simples Detection head Excitation head Configuration In-Situ Manual sample stage

62 Ellipsomètres Automatiques Pour l’Industrie des Semiconducteurs et des Ecrans Plats
8ème génération d’écrans plats Large platine automatique pour les écrants plats 3.00 m FF-1000 Chargement automatique des wafers Taille des wafers : compatible 200, 300 mm Pattern/Rec, autofocus Débit: 100 wafers/h Microspot 30 µm UT-300 Digiscreen

63 Précision des ellipsomètres Tests 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° 110 108 Mesure UVISEL NIST mean value NIST min value NIST max value 106 Thickness (A) 104 102 100 98 Measurement numbers 5 10

64 Précision des ellipsomètres Mesure de l’air en transmission
UVISEL Specifications  Δ= 0° ± 0.083° Spectral range: 190 – 2100 nm UVISEL Specifications  Ψ= 45° ± 0.06° Spectral range: 190 – 2100 nm

65 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

66 Les Applications de l’Ellipsométrie Spectroscopique
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

67 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)

68 Ajustement entre le modèle théorique et la mesure expérimentale
Couche mince d ’oxyde sur substrat de silicium Détermination de l’épaisseur et de l’indice Modèle optique SiO2 4010 Å Si substrate Ajustement entre le modèle théorique et la mesure expérimentale

69 Oxyde natif sur substrat de silicium Détermination de l’épaisseur
Sio2 20 Å Si substrate

70 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET HfO2 20 Å Gate oxide HfO2 SiO2 interface Å Source channel Drain Silicon subsrate Nouveaux Matériaux: high K → HfO2 Propriétés caractérisées: > Epaisseurs des couches > (n,k) du high k > Bandgap du high k ~ 6.5 eV Large gamme spectrale: – 8.0 eV ↔ 155 – 826 nm

71 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

72 Empilement multicouches Présence d’une interface wet oxide/p-si
Modèle 5 couches Modèle 4 couches Wet oxide 82.2 % p-si % wet oxide Wet oxide p-si p-si SiN SiN Sio2 Sio2 Si substrate Si substrate

73 Contact métallique Limitation dans la détermination de l’épaisseur
Modèle optique Couche métallique Opaque après Å Cobalt 75 Å Sio2 c-Si substrat

74 Alliages Semiconducteurs
AlxGa1-x As 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

75 Caractérisation de la Composition Si(1-x)Gex
Corrélation entre l’ellipsométrie/SIMS Modèle optique Oxyde natif 30 Å Si(1-x)Gex (x=0.15) 830 Å c-Si substrat SIMS Data

76 Corrélation Nanostructure – Constantes Optiques Couches minces de SnO2
Grain Size 1: 95nm 2: 110nm 3: 160nm rugosité 120 Å SnO2 2710 Å SiO2 40 Å c-Si substrat 2.7 The lower the grain size, the larger n 1 2.5 2 3 REFRACTIVE INDEX 2.3 2.1 1.9 1 2 3 4 5 6 ENERGY (eV)

77 Cartographie des Couches & Uniformité
2D sample view 3D sample view

78 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)

79 Technologie TFT-LCD 1er système 2nd système polymer 110 Å ITO 950 Å
Glass substrate 1 mm Glass substrate 1 mm Liquid crystal 20 µm Glass substrate 1 mm 2nd système Caractérisation: épaisseur - (n,k) > 1St système : ITO matériau inhomogène > 2nd système: Couche épaisse de cristaux liquides et propriétés optiques anisotropes

80 Adressage des pixels par un transistor
Modèles optiques Native Oxide Native Oxide Détection couche dopée Doped a-Si a-Si a-Si SiN SiN SiO2 SiO2 Glass substrate Glass substrate 4 Layer Model 5 Layer Model

81 Ecrans plats: Technologie OLED
Téléphone portable, PDA, TV... Système multicouches organiques émettant de la lumière Propriétés caractérisées: > Epaisseurs des couches > (n,k) des matériaux organiques 338 Å 386 Å 487 Å 141 Å 1021 Å

82 Epaisseur des films (µm)
Films Plastiques Matériaux Epaisseur des films (µm) PET 25 ; 200 PC 12 ; 780 PP 13 PEN 25 TAC 80 Porte échantillon pour film plastique Matériaux anisotropes complexes « biaxes » Propriétés caractérisées: > (n,k) : 3 indices optiques: nx, ny, nz

83 Films Plastiques ➫ TAC: quasi-isotrope
nx ny nz Anisotropie des films ➫ TAC: quasi-isotrope ➫ PEN & PET plastiques les plus anisotropes Film Plastique 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

84 Nouvelle Génération d’Ecrans Flexibles
Empilement de multicouches organiques Caractérisation: épaisseur - (n,k) Glass Plastic substrate Metal Polymer 1 Polymer 2 Polymer 3 > Combinaison Ellipsométrie & Réflectométrie spectroscopique > Taille de spot: 10 µm Cross section Motifs de 10µm avec metal sans metal DP2: 1- Bound Multimodel d’une mesure R et (Is,Ic) . {polymere/Si} 2- Montrer le résultat d’une mesure R sur au et sur Pet (on voit bien la différence entre les deux- grace au spot de 10µm} 3- montrer le fit de la mesure sur l’empilement 3 couches.

85 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

86 Lentilles pour Verre Ophtalmique
Echantillon Mesuré Empilement Couches nm Glass Treatment 1 Treatment 2 Treatment 3 Interface Interface composition: 50/50 treatment 2+3 Glass Scratch proofing Anti reflective Smudge proofing 125.2 nm 626.8 nm 80.3 nm Lentilles: multicouches de traitements Anti-reflet Anti-rayure Anti-salissure Being able to detect and successfully target the enemy under dark is now a necessity for the modern solider and therefore for all Soldier Modernisation Programmes. Ensuring precision engagement, view of sight and user functionality are all key challenges facing SMP leaders facilitating advances for their dismounted troops in poorly light and built up urban areas. As night vision technology continues to develop, ensuring the soldier and human aspects are front of mind is key to implementing a successful operations under dark. This unique session will draw on the vast research and experience of the U.S. Army Infantry Unit and their findings on producing the ultimate night vision system. Dr. Redden occupies the prestigious position of Chief Of The Human Research And Engineering Directorate Field Element at the U.S. Army Infantry Centre, and has unrivalled experience in working with cutting edge night vision technology, as well as specific areas relating to soldier usability and human aspects for soldier modernisation. Other areas of expertise include; sensors, image intensifiers, target acquisition, thermal imaging and many more. Dr. Redden will be focusing her presentation on the following: Night vision is essential to the US Army ‘owning the dark,’ and PEO Soldier are world leaders in developing night vision capabilities for the future soldier. Just as important as overall visibility in night battle environment is the ability to detect, track and target the enemy. This essential session will examine the current US approach to target detection, imaging and tracking the opposition and the advances made by the PEO Soldier projects. Lieutenant Colonel James Smith has recently taken over as the Product Manager Soldier Sensors and Lasers looking specifically at night vision and operational effectiveness. This session will undoubtedly deliver essential insight into advancing the capabilities of your own dismounted infantry. Lieutenant Colonel Smith will be addressing the following points:

87 Traitement Electrochrome Vitres, miroirs, verres opthalmiques…
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 Rugosité 74 Å > Détection interface riche en tungsten 35.5 % W % WOx > Paramètre de fit ² = 9.11 → 2.86 WOx 2999 Å Interface < 22 Å ITO 1732 Å Verre

88 Traitement Electrochrome Vitres, miroirs, verres opthalmiques…
ITO Ta2O5 TiVOx WOX Rugosité 57 Å 2818 Å 596 Å 977 Å 1643 Å

89 Verre Autonettoyant Pare-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

90 Couche Décorative et Protectrice
Rouleau d’aluminium Films anodisés pour optimiser la réflectance de l’application finale

91 Couche Décorative et Protectrice
Plaque d’Aluminium Empilement des couches Step2: Porous layer Step1: Compact layer 70.9 nm 936.7 nm Al Al2O3 Al2O3 dense interface Al2O3 porous layer TiO2 Al2O3 compact + TiO2 films Al2O3 porous + TiO2 films Al Al2O3 135.8 nm Anisotropic optical constants Well aligned cylindrical pores perpendicular to the substrate → Anisotropic film ➫ Reflectance optimisée avec la couche poreuse Obtained by anodization of aluminum films

92 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

93 Matériaux pour l’infra-rouge: Verre chalcogénure
Optique 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 As2S3 1091 Å Verre Couche inhomogène à gradient d’indice L’indice de réfraction en haut de la couche est inférieure à celui en bas de la couche. n en bas de la couche n en haut de la couche

94 Détecteur Photosensible pour Vision de Nuit
Tube Intensifieur d’image Echantillon Mesué Empilement des couches Verre Interface Al2O3 1161 Å 359 Å Al2O3 Glass 1073 Å ➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 1 ➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 2 Being able to detect and successfully target the enemy under dark is now a necessity for the modern solider and therefore for all Soldier Modernisation Programmes. Ensuring precision engagement, view of sight and user functionality are all key challenges facing SMP leaders facilitating advances for their dismounted troops in poorly light and built up urban areas. As night vision technology continues to develop, ensuring the soldier and human aspects are front of mind is key to implementing a successful operations under dark. This unique session will draw on the vast research and experience of the U.S. Army Infantry Unit and their findings on producing the ultimate night vision system. Dr. Redden occupies the prestigious position of Chief Of The Human Research And Engineering Directorate Field Element at the U.S. Army Infantry Centre, and has unrivalled experience in working with cutting edge night vision technology, as well as specific areas relating to soldier usability and human aspects for soldier modernisation. Other areas of expertise include; sensors, image intensifiers, target acquisition, thermal imaging and many more. Dr. Redden will be focusing her presentation on the following: Night vision is essential to the US Army ‘owning the dark,’ and PEO Soldier are world leaders in developing night vision capabilities for the future soldier. Just as important as overall visibility in night battle environment is the ability to detect, track and target the enemy. This essential session will examine the current US approach to target detection, imaging and tracking the opposition and the advances made by the PEO Soldier projects. Lieutenant Colonel James Smith has recently taken over as the Product Manager Soldier Sensors and Lasers looking specifically at night vision and operational effectiveness. This session will undoubtedly deliver essential insight into advancing the capabilities of your own dismounted infantry. Lieutenant Colonel Smith will be addressing the following points:

95 Cellules Photovoltaiques (Ex: à base de Polymères)
Maximiser conversion Esolaire → Electricité Propriétés caractérisées: > Epaisseur des couches > (n,k) des matériaux organiques Verre PEDOT:PSS 543 Å Verre PEDOT:PSS P3HT 543 Å 143 Å

96 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)

97 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

98 Formation du Complexe: Biotine-Avidine
Introduction of avidin solution in the liquid cell Biotin c-Si substrate 38 Å Mesure de l’épaisseur de la couche de biotine déposée sur c-Si Formation du complexe en milieu liquide : mesure effectuée dans la cellule liquide Mesure de l’épaisseur finale de la couche biotine/avidine 38 Å c-Si substrate 62 Å Biotin Avidin 62 Å ➫ L’augmentation de l’épaisseur montre la grande affinité du couple biotine / avidine

99 Etude de Copolymères à l’Interface Air/Liquide
Conditions Expérimentales Etude cinétique de l’évolution de la solution durant 3h hydrophilic PEO PEO PDMS hydrophobic ➫ Formation d’une interface à l’interface air/liquide Introduction de la solution polymère dans la cellule ➫ Mesure de l’épaisseur et des constantes optiques de l’interface

100 ➫ L’épaisseur de l’interface augmente avec le temps
Etude de Copolymères à l’Interface Air/Liquide Paramètres ellipsométriques (Ψ, Δ) = f(t) Solution Copolymère: 0.05 g/L ➫ L’épaisseur de l’interface augmente avec le temps Evolution of Δ From t = 0h To t = 3 h Evolution of Ψ To t =3h From t = 0h ➫ L’épaisseur de l’interface augmente indiquant que la structure de l’interface a changé: les chaînes hydrophiles ont plongé dans la solution. t = 0 h t = 3 h Epaisseur 18 Å 34 Å 633nm 1.38

101 L’ellipsométrie Spectroscopique
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 ideal measurement technique for determining optical and physical properties of materials at the nano scale.


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