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








Applications

- Semiconducteur

- Ecrans plats



- 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


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


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


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)


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


¶ (ß)

40.000

35.000

30.000

25.000

20.000

15.000

10.000


£ (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


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








Applications

- Semiconducteur

- Ecrans plats



- 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


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


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


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


PLAN








Applications

- Semiconducteur

- Ecrans plats



- Chimie / Biologie

Composants Optiques d’un Ellipsomètre


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



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



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


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


~ 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


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


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








Applications

- Semiconducteur

- Ecrans plats



- 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


Introduction à l’ellipsométrie- Avantages et possibilités de la technique- Principe de l’ellipsométrie- Analyses des données ellipsométriques et modélisation optique- Aspect instrumental


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


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



> (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)


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


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



> (n,k) des matériaux organiques

Films Plastiques

• Porte échantillon pour film plastique

• Matériaux anisotropes complexes « biaxes »


> (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)


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


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


Wavelength (nm)850800750700650600550500450

n

1.72

1.715

1.71

1.705

1.7

1.695

➫ Résultats obtenus avec chambre de dépôt 1



Al2O3_system1.dsp (n) Al2O3_system2.dsp (n)


n

1.72

1.72

1.71

1.71

1.70

1.70

1.69



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)


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


> Epaisseur des couches

> (n,k) des matériaux organiques

VerrePEDOT:PSSP3HT

543 Å143 Å

P3HT Optical Constants


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


– 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

LEllipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques HORIBA Jobin Yvon...

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