Développement de la microscopie interférométrique pour une meilleure analyse morphologique des couches minces et épaisses des matériaux semiconducteurs et optiques

• Auteur / Autrice : Abderrazzaq Benatmane
• Direction : Paul Montgomery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffraction

Semiconducteurs

Interférométrie

Mesures optiques

Résumé

Les techniques d'interférométrie microscopiques, basées sur le principe de l'interférence lumineuse, ont connu un développement considérable au cours des dernières années. On distingue deux familles de techniques : la microscopie à saut de phase (PSM) bien adaptée pour l'analyse de défauts peu profonds à l'échelle nanométrique et la microscopie à sonde de faible cohérence (CPM) pour permettre la mesure de reliefs beaucoup plus profonds. Le but de cette étude porte sur l'amélioration des performances du montage de l'interféromètre microscopique en termes de sa précision, de sa résolution, de son contrôle automatique et de son utilisation dans la caractérisation des couches minces et épaisses utilisées dans la microélectronique et dans l'optique. En particulier, de nouveaux algorithmes de contrôle, de traitement et d'analyse ont été conçus pour faciliter la caractérisation des couches, et pour corriger certaines erreurs dans les méthodes PSM et CPM. Pour mieux cerner les performances et les limites du système, nous avons effectué des études comparatives entre nos propres mesures en PSM et en CPM et les mesures faites avec d'autres techniques (stylet, AFM, MEB et microscopie confocale) à travers trois applications. Nous avons montré dans la première application que la PSM pourrait être utilisée pour l'étalonnage quantitatif du procédé de recuit laser des couches de Si-poly pour les écrans plats d'une manière souple, non-destructive et beaucoup plus rapide que les méthodes classiques. Dans la deuxième application, nous avons montré que l'utilisation de la CPM pourrait contribuer à un prototypage rapide des Éléments Optiques Diffractifs (EODs) en raison de sa rapidité, de sa précision et de sa capacité de profiler correctement des couches transparentes épaisses. Dans la troisième et dernière application, une nouvelle technique interférométrique non-destructive a été développée pour caractériser les interfaces enterrées sous une couche transparente.

Interference microscopy techniques, based on the principle of optical interference, have gone through considerable development during the last few years. Two families of techniques can be distinguished : Phase Stepping Microscopy (PSM), which is well adapted for the analysis of nanometric surface roughness, and Coherence Probe Microscopy (CPM) for the measurement of deeper micronic surface relief. The aim of this work is to improve the performance of the interference microscopy system, in terms of its precision, resolution, automatic control and use in the characterization of thin and thick layers used in microelectronics and optics. In particular, new algorithms for controlling the system and for processing and analysing the data have been developed to facilitate the characterization of layers, and to correct certain errors in the PSM and CPM measurements. To better understand the performances and limits of the system, some comparative studies were carried out between PSM and CPM measurements and those made with other techniques (stylus, SEM, AFM, and confocal microscopy) through three applications. We have shown in the first application that PSM could be used for the quantitative optimisation of the laser annealing process of poly-Si layers for flat panel displays in a flexible, non-destructive and faster manner than by using classical methods. In the second application, we have shown that the use of CPM could contribute to a new method of rapid prototyping of Diffractive Optical Elements (DOEs) due to its rapidity, precision, and ability to correctly profile thick transparent layers. In the third and last application, a new non-destructive interference technique has been developed for characterizing interfaces buried under a transparent layer.