L’ellipsométrie est une technique optique qui mesure le changement de l’état de polarisation de la lumière réfléchie par une surface. C’est la méthode principale pour déterminer l’épaisseur et les constantes optiques des couches minces, avec une sensibilité allant jusqu’à l’épaisseur sub-angström pour les films de haute qualité.
La technique mesure deux paramètres : psi (Ψ) et delta (Δ). Ψ est le rapport d’amplitude des composantes polarisées p et s de la lumière réfléchie. Δ est la différence de phase entre elles. Ces paramètres sont liés aux coefficients de réflexion de Fresnel, qui dépendent de l’angle d’incidence, de la longueur d’onde de la lumière, des constantes optiques du substrat et du film, et de l’épaisseur du film.
L’ellipsométrie spectroscopique mesure Ψ et Δ sur une gamme de longueurs d’onde, typiquement de l’ultraviolet au proche infrarouge. De multiples longueurs d’onde fournissent suffisamment d’informations pour déterminer simultanément l’épaisseur et les constantes optiques. L’ellipsométrie spectroscopique à angle variable ajoute des données angulaires pour les structures multicouches complexes.
L’analyse des données nécessite un modèle optique de la structure de l’échantillon et une procédure de régression pour ajuster les Ψ et Δ calculés aux valeurs mesurées. L’algorithme de Levenberg-Marquardt minimise l’erreur quadratique moyenne. Le modèle inclut le nombre de couches, leur composition approximative et les constantes optiques paramétrées par des formules de dispersion. Le modèle de Cauchy décrit les matériaux transparents. Le modèle de Tauc-Lorentz décrit les semi-conducteurs amorphes. Le modèle de Drude décrit les métaux.
L’ellipsométrie est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour mesurer l’épaisseur de l’oxyde de grille, l’épaisseur des couches de résine photosensible et les dimensions critiques. En recherche sur les matériaux, elle caractérise les films organiques minces, les monocouches auto-assemblées, les revêtements polymères et les matériaux 2D. En biologie et en médecine, l’ellipsométrie mesure l’adsorption des protéines sur les surfaces, la formation de biofilms et l’attachement cellulaire. L’ellipsométrie d’imagerie fournit une cartographie spatiale de l’épaisseur du film avec une résolution latérale micrométrique.
L’ellipsométrie in situ surveille la croissance du film en temps réel pendant les processus de dépôt. L’ellipsométrie dynamique suit la cinétique d’adsorption, les réactions de surface et la dégradation du film. La technique fonctionne dans l’air, le vide ou les environnements liquides.
Les limites incluent la nécessité d’un modèle optique approprié, l’ambiguïté dans la détermination de l’épaisseur et des constantes optiques pour les films très minces ou transparents, et la résolution latérale limitée par la taille du spot de mesure. De multiples angles et longueurs d’onde réduisent la corrélation des paramètres.
