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Concept
Ellipsométrie
Résumé
vignette|upright|Ellipsomètre dans un laboratoire du LAAS à Toulouse.
vignette|upright|L'ellipsomètre calcule uniquement Psi et Delta, et c'est à partir de cela qu'il réalise ses calculs.
L’ellipsométrie est une technique optique de caractérisation et d'analyse de surface, fondée sur le changement d'état de polarisation de la lumière, par réflexion de la lumière sur la surface plane d'un échantillon. Bien que son principe soit connu depuis le début du , c'est surtout à partir des années 1990, avec l'apparition d'ellipsomètres spectroscopiques, que son utilisation s'est généralisée, en particulier dans le domaine de la micro-électronique. La technique présente l’avantage d’être très simple et rapide à mettre en œuvre, d’être non destructive, de permettre des suivis in situ et en temps réel et d’être applicable à une très large gamme d’échantillons.
Elle est largement mise en œuvre pour la caractérisation des milieux isotropes. On peut citer parmi ses nombreuses applications :
mesure des constantes optiques des matériaux ;
mesure de l'épaisseur de couches minces (du nanomètre au micromètre) telles que les couches antireflets, couches d'or, de silice ou de silicium dans les circuits intégrés ;
suivi in situ de la croissance d'une couche ;
caractérisation des interfaces liquide-solide ou liquide-liquide ;
analyse des couches de protection (électrodéposition, dépôt plasma, polymères), traitement de surface par recuit (application dans la métallurgie) ;
mesure de rugosité d'une surface ;
mesure, par scatterométrie, des propriétés (matériaux, géométrie) d'un motif périodique.
Dans sa version la plus simple un ellipsomètre met en jeu un faisceau lumineux collimaté à une incidence donnée et polarisé linéairement à 45°. La réflexion du faisceau sur l'échantillon modifie l'état de polarisation et l'intensité du faisceau est mesurée en fonction de l'angle d'un second polariseur (l'analyseur). On obtient typiquement une réponse sinusoïdale de période 180°.
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Polariseur
Un polariseur est un instrument d'optique qui sélectionne dans une onde lumineuse incidente une direction de polarisation préférentielle : la plupart des polariseurs permettent d'obtenir une lumière polarisée rectilignement dans une certaine direction. Dans ce cas, cette direction est appelée l’axe du polariseur. Mis en fin de système optique, le polariseur est appelé « analyseur ». Les polariseurs sont présents dans de nombreuses expériences d'optique et sont donc utilisés dans des instruments d'optique.
Coefficient de Fresnel
Les coefficients de Fresnel, introduits par Augustin Jean Fresnel (1788-1827), interviennent dans la description du phénomène de réflexion-réfraction des ondes électromagnétiques à l'interface entre deux milieux, dont l'indice de réfraction est différent. Ils expriment les liens entre les amplitudes des ondes réfléchies et transmises par rapport à l'amplitude de l'onde incidente. On définit le coefficient de réflexion en amplitude r et le coefficient de transmission en amplitude t du champ électrique par : où Ei, Er et Et sont les amplitudes associées respectivement au champ électrique incident, réfléchi et transmis (réfracté).
Formalisme de Jones
Le formalisme de Jones est un formalisme matriciel permettant de décrire l'état de polarisation de la lumière, ou de manière générale d'une onde électromagnétique, et son évolution à travers un système optique. Ce formalisme doit son nom à son inventeur Robert C. Jones qui le définit en 1941. Dans ce formalisme, on représente la lumière polarisée par un vecteur de Jones et les éléments optiques linéaires sont représentés par des matrices de Jones.