Ellipsometry, Transmission/Reflection and Scatterometry: QAS Lab/fr

Cette page a été développée par le Groupe de recherche sur le développement durable appliqué de l' Université Queen's .

l'introduction

L'ellipsométrie est une technique puissante qui analyse la variation de polarisation de la lumière réfléchie par une surface afin de déterminer les propriétés optiques et diélectriques d'un film mince. Cette analyse permet d'obtenir des informations sur des couches plus minces que la longueur d'onde de la lumière incidente, voire jusqu'à l'échelle atomique. L'ellipsométrie permet de sonder le tenseur complexe de l'indice de réfraction ou de la fonction diélectrique, donnant ainsi accès à des paramètres physiques fondamentaux et liés à diverses propriétés de l'échantillon, telles que l'épaisseur, la morphologie, la qualité cristalline, la composition chimique ou la conductivité électrique.

Contrairement à l'ellipsométrie monochromatique (laser) qui utilise un faisceau lumineux monochromatique, l'ellipsométrie spectroscopique (ES) emploie des sources lumineuses à large bande couvrant une certaine gamme spectrale dans l'infrarouge, le visible ou l'ultraviolet. Dans ces régions, l'ES étudie l'indice de réfraction dans la zone de transparence (ou en dessous de la bande interdite) et les propriétés électroniques telles que les transitions interbandes ou les excitons. - Wikipédia

Informations sur l'équipement

L'ellipsomètre utilisé est un ellipsomètre spectroscopique à angle variable vertical (V-VASE) de JA Woollam Co. , Inc. Le monochromateur HS-190 est un monochromateur à balayage Czerny-Turner d'une distance focale de 160 mm. Un module de contrôle VB-400 intègre l'alimentation et les pilotes de moteur. Un retardateur automatique est installé, mais son utilisation est optionnelle pour chaque test. Ce dispositif améliore la précision de l'analyseur en transformant la lumière incidente, polarisée linéairement, en une lumière polarisée circulairement.

les spécifications de l'équipement

V-VASE avec AutoRetarder, NIR, DUV, mise au point, caméra, ellipsomètre spectroscopique à angle variable avec une gamme spectrale de 190 à 1700 nm.

• La platine porte-échantillon verticale avec système de vide peut accueillir des échantillons jusqu'à 200 mm de diamètre (*nous contacter pour un montage d'échantillon personnalisé*).
• Angle d'incidence automatisé de 20° à 90°.
• Monochromateur à double chambre pour une réjection supérieure de la lumière parasite.
• L'AutoRetarder offre une précision optimale sur tous types d'échantillons. Il permet également des mesures avancées telles que la dépolarisation, l'anisotropie et la matrice de Mueller.
• Mise à niveau NIR – augmenter la limite spectrale maximale à ~1700 nm.
• Mise à niveau DUV – augmenter la limite spectrale minimale à ~190 nm.
• Amélioration de la mise au point : système optique de mise au point amovible permettant de réduire le diamètre du faisceau de mesure à environ 100 µm (fibre optique de 100 µm incluse). Ce système limite la plage spectrale en dessous de 1 700 nm et l’angle d’incidence à 75° et moins.
• Amélioration de la caméra : caméra avec écran permettant de visualiser l’emplacement du point lumineux sur l’échantillon. Le faisceau lumineux n’apparaîtra pas sur les surfaces lisses et spéculaires.

du protocole

Mise en marche (après la mise en marche, attendre 20 minutes avant utilisation pour permettre à la lampe de chauffer)

• Mettez d'abord le module de commande sous tension, puis l'alimentation du monochromateur.
• Attendez quelques secondes, puis allumez la lampe. Attendez encore quelques secondes et appuyez sur le bouton d'allumage pour allumer la lumière.
• Dans la fenêtre Matériel, cliquez sur Initialiser pour synchroniser l'ordinateur avec l'ellipsomètre (la clé logicielle doit être insérée dans l'ordinateur pour exécuter le programme WVASE32).
• Vérifiez que le câble à fibres optiques approprié est bien connecté – cela dépend de la portée/taille du faisceau lumineux

• UV : 200 nm - 2100 nm (plage morte de 1350 nm à 1450 nm en raison de l'absorption par l'eau)
• IR : 270 nm – 2300 nm

Éteindre

• Appuyez sur le bouton Lumière du monochromateur pour éteindre la lumière, appuyez de nouveau sur Lumière sans allumer pour le laisser éteint mais sous tension.
• Si vous éteignez tout le système, éteignez d'abord la lumière, puis le monochromateur, puis le module de commande et l'aspirateur.

Étalonnage (pour s'assurer que le zéro est connu pour le polariseur et l'analyseur - doit être effectué au début de chaque nouvelle session de test)

• Insérer la plaquette d'étalonnage en silicium (à appliquer directement depuis le boîtier en forme d'araignée)
• Cliquez sur Acquisition de données – Calibrage du système (les paramètres par défaut conviennent).
• L'étalonnage est terminé lorsque la progression de l'« acquisition des données d'étalonnage » atteint 100 %.
• Cliquez sur Fichier – Afficher le journal pour comparer les valeurs de Ps et As aux étalonnages précédents.

Application de l'échantillon

• Assurez-vous que le boîtier d'aspirateur est allumé.
• Sélectionnez l'orifice d'aspiration approprié, comme indiqué au dos. Les fentes et les trous servent respectivement aux grands et petits échantillons.
• Basculez l'interrupteur de l'ellipsomètre de « ventilation » à « vide ».
• Utilisez une pince à épiler (serrez fermement) à travers la rainure de l'étage d'échantillon pour appliquer l'échantillon sur les ouvertures de vide.

Alignement de l'échantillon (effectué pour chaque nouvel échantillon placé)

• Dans la fenêtre Matériel, cliquez sur Acquisition de données – Alignement
• Insérez soigneusement le détecteur d'alignement
• Alignez la croix rouge au centre des quatre cases grises à l'écran en ajustant les molettes d'alignement (deux molettes noires à l'arrière de la platine porte-échantillon). La croix se déplacera naturellement, mais il est préférable qu'elle soit proche du centre (valeurs X et Y < 1 idéalement). Appuyez sur Échap pour quitter.

• Si le détecteur d'alignement est très imprécis (absence ou très petite zone grise), il faut d'abord localiser manuellement le faisceau pour obtenir un alignement approximatif de l'échantillon.

• Supprimer le détecteur d'alignement
• Alignez l'axe Z en ajustant le bouton argenté pour maximiser la hauteur de la ligne rouge à l'écran (elle peut augmenter progressivement si la lumière a été allumée récemment). Appuyez sur Échap pour quitter.

Acquisition de données - Analyse spectroscopique

• Calibrer et aligner l'échantillon
• Dans la fenêtre Matériel, cliquez sur Acquisition de données – Analyse spectroscopique
• Options recommandées :

• Intervalles de longueur d'onde de 0,025 eV à 0,05 eV
• 20 tours/mesure – plus élevé si bruyant
• 3 angles : un en dessous, un égal et un au-dessus de l'angle de Brewster pour le substrat (53°, 56°, 59° pour les échantillons sur un substrat en verre ; 70°, 74°, 78° pour les échantillons sur un substrat en silicium)
• Moyenne dynamique (100 max)
• Enregistrer le fichier toutes les 15 minutes (oblige à nommer le fichier et à ajouter un commentaire au départ)

• Plus de paramètres :

• Polariseur de piste activé
• Ralentisseur automatique si le delta devrait dépasser 180° (il est préférable de l'activer)
• Type d'échantillon : Isotrope + dépolarisation

• Durée : Le test d'un échantillon prendra 35 à 50 minutes (si AutoRetarder est utilisé, 3 angles, intervalles de longueur d'onde de 0,025 eV, plage de 1 à 4,5 eV)

Acquisition de données - Analyse de la réflexion et de la transmission

• Calibrer et aligner l'échantillon
• Dans la fenêtre Matériel, cliquez sur Acquisition de données – Données R+T
• Analyses de référence et de données

• Il faut déplacer la platine coulissante pour effectuer le balayage de base ; pour ce faire, repoussez la base de la platine et coincez un objet épais (porte-échantillon beige) entre la molette grise de l’axe Z et la platine.

• Options recommandées :

• Intervalles de 0,05 ou 0,1 eV en longueur d'onde
• 20 tours/mesure – plus élevé si bruyant
• POUR TRANSMISSION DIRECTE : régler l’angle de 0 à 0 avec un incrément non nul
• Ajuster les angles pour qu'ils correspondent aux angles de balayage spectroscopique si l'on combine des données de transmission avec des données d'ellipsométrie (par exemple, pour déterminer la composition du matériau).
• Enregistrer le fichier toutes les 15 minutes (oblige à nommer le fichier et à ajouter un commentaire au départ)

• Durée : Le test d'un échantillon prendra environ 10 à 15 minutes.

Acquisition de données - Analyse de scatterométrie

• Calibrer et aligner l'échantillon
• Dans la fenêtre Matériel, cliquez sur Acquisition de données – Données R+T
• En scatterométrie :

• Vérifier la scatterométrie activée
• Détecteur à balayage (le détecteur se déplace pour capter la lumière diffusée)
• Sélectionnez la zone de balayage du détecteur (par exemple, -10 à 10 correspond à un balayage de 60 à 80 degrés si l'angle est réglé sur 70) et définissez l'intervalle de mesures.

• Analyses de référence et de données

• Il faut déplacer la platine coulissante pour effectuer le balayage de base ; pour ce faire, repoussez la base de la platine et coincez un objet épais (porte-échantillon beige) entre la molette grise de l’axe Z et la platine.

• Options recommandées

• Sélectionnez un angle de réflexion (0 à 0 par 1 pour une transmission normale, 60 à 60 par 1 pour une diffusion à un angle de réflexion de 60 degrés, etc.)
• Intervalles de 0,1 eV en longueur d'onde
• 20 tours/mesure
• Enregistrer le fichier toutes les 15 minutes (oblige à nommer le fichier et à ajouter un commentaire au départ)

• Durée : Le test d'un échantillon prendra environ 1 à 1,5 heure, avec un balayage angulaire de -10° à 10° par incréments de 0,2°, la plage de longueurs d'onde étant mesurée à 0,1 eV près.