Complex layers

Couches complexes

En science des matériaux on trouve de plus en plus le développement de couches complexes, c’est-à-dire, les couches épaisses, très rugueuses (> 1 µm), en "sandwich", structurées, ou inhomogènes. On pourrait citer par exemple les couches de passivation en micro-électronique, les couches de hydroxyapatite en biomatériaux, et les couches de colloïdes en chimie.

La sonde optique employée dans la microscopie interférométrique permet de caractériser les interfaces et les objets enterrés sous une couche transparente ou semi-translucide aussi bien que la rugosité de la surface. Néanmoins, il existe certaines difficultés à surmonter liées à la complexité de la couche. Nous développons de nouvelles techniques en interférométrie en lumière blanche pour caractériser les couches complexes.

Méthode Z-scan

La technique "Z-scan" consiste à acquérir d’une série d’images XY en fonction de Z, pour donner une "pile d’images" . L’application de différents outils de traitement du signal ou d’images permet d’en extraire différents types d’informations pertinentes. Cette technique permet de mieux comprendre la structure physique de couches complexes et dans certains cas, de mesurer l’indice effectif de la couche, ou de mesurer la forme 3D d’une interface enterrée.

Sonder la profondeur

Pour illustrer la technique, une couche de photorésine couvrant une marche en Si a été mesurée. Une rotation de "l’image stack" XYZ permet de visualiser le profil des franges sur la couche et la marche avec l’image XZ (figure 1.a). Une mesure du signal d’intensité en fonction de Z montre les deux pics correspondant à la surface air/résine et l’interface résine/Si (figure 1.b).

• 
• 

Fig. 1: Analyse d’une marche en Si enterrée sous une couche de photorésine par la CPM ; (a) Image XZ montrant les franges à chaque niveau, (b) Profils de franges à position A dans (a) montrant la surface air/résine et l’interface résine/silicium

Si l’épaisseur de la couche est d, et l’indice est n1, la distance Δ représente le chemin optique, où Δ = n1.d.

Mesurer une interface enterrée en 3D

Un traitement d’images appliquée à toutes les images XZ en fonction de Y pour détecter les deux pics de franges permet de mesurer la forme 3D de la marche enterrée et la surface de la couche de photorésine (figure 2).

• 
• 

Fig. 2.a: Image 3D de la structure, Fig. 2.: Profils de la résine et de la marche après corrections

En interférométrie, les mesures des couches enterrées ne sont pas simples, à cause de la séparation du plan image et le plan franges due à la présence du dioptre [Montgomery, Benhaddou et al. 1997]. Dans une première approximation, l’altitude de l’interface enterrée, Z2, doit être corrigée par la formule suivante, où Z1 est l’altitude de la surface et n1 est l’indice de réfraction de la couche transparente :

• 

Après correction dans cet exemple, la hauteur de la marche de Si mesurée à travers la couche est de 1,6 µm et l’épaisseur de la couche de résine est de 1 µm. Si l’incertitude de mesure de la marche est de 4% dans l’air, elle passe à 9% quand elle est couverte par une couche [Benatmane & Montgomery 2004]. D’autres exemples de couches sont :

• Distinguer jusqu’à 3 interfaces superposées dans les guides optiques planaires séparées de quelques microns [Montgomery et al. 1993, Perrot et al. 1995].
• Mesurer la rugosité d’un contact ohmique par l’arrière face d’une plaquette de GaAs, dont l’épaisseur était de 300 µm, en travaillant dans le proche IR [Montgomery, Benhaddou et al. 1997].