Ellipsométrie vs réflectométrie : grandeurs mesurées, couches très minces, multicouches
Les deux méthodes éclairent une plaquette et mesurent la réflexion pour déterminer l’épaisseur de couches minces sans contact ni dommage. L’ellipsométrie spectroscopique envoie de la lumière polarisée sous un angle oblique et mesure, à chaque longueur d’onde, comment la réflexion modifie la polarisation (Psi et Delta). La réflectométrie spectrale éclaire généralement en incidence normale et mesure le spectre de l’intensité réfléchie (réflectance). Toutes deux ajustent un modèle optique pour obtenir l’épaisseur, mais l’ellipsométrie utilise aussi l’information de phase : elle est donc plus performante pour les couches de quelques nanomètres, les empilements multicouches et les constantes optiques, tandis que la réflectométrie est plus simple et plus rapide et convient au contrôle d’épaisseur des couches plus épaisses.
| Critère | Ellipsométrie spectroscopique | Réflectométrie spectrale |
|---|---|---|
| Grandeur mesurée | Rapport d’amplitude (tan Psi) et différence de phase (Delta) entre les réflexions polarisées p et s | Spectre de l’intensité réfléchie (réflectance) |
| Éclairage | Lumière polarisée sous un angle oblique (typiquement environ 60 à 75 degrés) | En général en incidence normale ; aucun contrôle de la polarisation nécessaire |
| Résultats | L’épaisseur et les constantes optiques (indice de réfraction n et coefficient d’extinction k) peuvent être déterminées ensemble | Surtout l’épaisseur ; on suppose généralement des constantes optiques connues |
| Dépendance au modèle | Forte : les valeurs proviennent de l’ajustement d’un modèle de l’empilement et de sa dispersion | Aussi fondée sur un modèle ; pour une couche unique épaisse, l’espacement des franges donne l’épaisseur assez directement, mais les résultats dépendent des constantes optiques supposées |
| Sensibilité aux couches très minces (quelques nm ou moins) | Élevée : Delta résout des écarts inférieurs à 0,1 nm, ce qui permet de mesurer les oxydes natifs et les diélectriques de grille | Faible : aucune frange d’interférence n’apparaît et la variation de réflectance est faible, d’où une précision moindre |
| Plage d’épaisseur optimale (repère) | De moins de 1 nm à quelques micromètres | De quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres |
| Multicouches | Performante : deux grandeurs par longueur d’onde aident à séparer l’épaisseur et les constantes optiques de chaque couche | La séparation des couches devient difficile à mesure qu’on en ajoute |
| Équipement et vitesse | Optique plus complexe avec polariseurs ; le faisceau oblique forme une tache allongée et chaque point prend un peu plus de temps | Simple et rapide, avec une petite tache facile à obtenir ; facile à intégrer dans d’autres équipements |
| Usages typiques | Diélectriques de grille et high-k, oxydes et nitrures minces, épaisseurs et constantes optiques d’empilements multicouches, métrologie optique des dimensions critiques (scatterométrie) | Épaisseur de résine, d’oxyde épais ou de diélectrique intercouche, et suivi d’épaisseur intégré aux équipements de CMP et autres |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.