L’Ellipsométrie Spectroscopique et ses Applications Industrielles & Scientifiques

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 - 91380 CHILLY-MAZARIN Tel : 01 64 54 13 00 - Fax : 01 69 74 88 61 www.jobinyvon.com/Ellipsometry

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. HJY HJY HJY HJY HJY HJY HJY HJY HJY 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

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 • Division Couches Minces • 40 personnes • Basée à Chilly-Mazarin (91)

7. Profils des Utilisateurs des Ellipsomètres HORIBA Jobin Yvon Marché scientifique universitaire • Universités – R&D: 50 % • Industrie: 50 % • 500 ellipsomètres dans le monde 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. Surface Film Interface Substrat 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

10. Anisotropic Layer 1 Graded Layer 1 Material 2 Material 1 Informations Obtenues Optical constants from FUV to NIR = Fingerprint of materials Interface composition: 25% Material 1 + 75% Material 2 Porosity composition: 35% 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 Thickness measurement from 1 Å to 30 µm Layer 1 Substrate

11. Comparaison des Techniques d’Analyse de Surface

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. amplitude phase frequency propagation vector 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 X Electric field, E(z,t) Y Z Direction of propagation Magnetic field, B(z,t)

14. wave1 E wave2 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 Y Z

15. wave1 wave2 E Polarisation de la Lumière • 3 Etats de Polarisation • Polarisation circulaire > Ex & Ey ont un déphasage de 90° > Amplitude égale X Y Z Ex= A cos(ωt-kz+φx) Ey= A cos(ωt-kz+φx± π/2)

16. X wave1 Y E wave2 Z Polarisation de la Lumière • 3 Etats de Polarisation • Polarisation elliptique > Ex and Ey ont une phase et une amplitude différente

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

18. Définition de l’Ellipsométrie L’ellipsométrie est unetechnique 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 Er r s Ep fo Es Sample

19. Définition de l’Ellipsométrie L’ellipsométrie mesurele 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

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

22. Ellipsométrie vs Reflectométrie ➫La mesure de la phase par un ellipsomètre donne la plus grande précision pour la détection des couches ultra-minces  1nm 2 nm 10 nm Oxyde / c-Si x A 190 nm (6.5eV) entre 1 et 10nm: δ(Ψ)=3.212 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. 200 Å 400 Å 300 Å 100 Å 0 Å 500 Å 2900 Å 3300 Å 3000 Å 3100 Å 3200 Å 2800 Å 5800 Å 6100 Å 6000 Å 5600 Å 5700 Å 5900 Å or or or….. Ellipsométrie Spectroscopique vs Laser (Ψ, Δ) à λ=633 nm SiO2 Si substrat Epaisseur

25. Polarizer Sample Analyzer Detector Light Configuration d’un Ellipsomètre Spectroscopique ➫ 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 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 ➫ 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. 1 Mesure 2 Modèle d1 TiO2 (n1,k1) SiO2 substrate (n0,k0) Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats

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

32. Exemple: Formules de Dispersion Empirique • Cauchy, Sellmeier… • Equation de Cauchy • Nombre de paramètres: 3 • Applications: matériaux transparent dans le VIS

33. 1 Mesure 2 Modèle 3 Fit 4 Résultats d2 roughness 2= 2.1 dTiO2 = 4200 Å d1 TiO2 (n1,k1) SiO2 substrate (n0,k0) Les Différentes Etapes de la Mesure aux Résultats 2= 1.6 drough= 20 Å

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

36. 2 Local minima Starting thickness Epaisseur Best fit Minimisation des Données • Méthodes de minimisation • Levenberg-Marquardt algorithm • Autres: Simplex, … • 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 Gamme de longueurs d’onde des ellipsomètres: VIS: 240 – 830 nm FUV: 190 – 830 nm NIR: 240-2100 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 AlGaAs SiO2 SiN x x c-Si x 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. θ0 r01 t01r12t10 t01r12r10r12t10 d θ1 Film t01r12r10t12 t01t12 t01r12r10r12r10t12 Substrate Modélisation Optique: Couche Mince sur Substrat R =  r relatifs aux interfaces 1&2 Ratio   (,) = f(0,1,2,θ0, d, 0) > 2 paramètres mesurés : (,) > 3 inconnus : n1 k1 and d  : Déphasage introduit lors de la réflexion

42. L3 L2 L1 Modélisation Optique: Traitement des Hétérogénéités • Tous les matériaux sont hétérogènes • Ex: Matériaux polycristallins, composites, variation de composition, densité 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. Polarizer Sample Analyzer Detector Light 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

47. Polarizer Sample Analyzer Detector Light Composants Optiques d’un Ellipsomètre • Monochromateur* / Spectrographe** • *Sélectionne une λà partir d'un spectre de λ plus large: Acquisition SEQUENTIELLE • **Sépare la lumière entrante selon sa λ et enregistre le spectre SIMULTANEMENT Optical system Input fiber Detection system

48. FUV 190 nm 400 nm VIS 700 nm NIR 2100 nm Polarizer Sample Analyzer Detector Light Composants Optiques d’un Ellipsomètre • Détecteur • Mesure l’intensité de la lumière réfléchie sur l’échantillon passant à travers l’analyseur Photomultiplicateur Photodiode Silicium** CCD** Photomultiplicateur UV Photodiode InGaAs

49. Polarizer Sample Analyzer Detector Light 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 Ellipsométrie Spectroscopique

50. Ellipsomètre à Polariseur/Analyseur Tournant D L P A Echantillon