Conception et realisation d'un ellipsometre de mueller achromatique fonctionnant en temps reel

par ERIC COMPAIN

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernard Drévillon.

Soutenue en 1999

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

mots clés

• Ellipsométrie

Résumé

Un ellipsometre de mueller (mme) mesure la reponse polarimetrique complete d'un systeme physique quelconque. Cette reponse est une matrice 4x4, dite de mueller. Elle decrit la facon dont un systeme physique modifie les quatre etats de polarisation de la lumiere. Les applications potentielles incluent la caracterisation et le controle de depots de couches minces sur des surfaces planes ou rugueuses, l'etude des defauts de surface des circuits de micro-electronique ou la caracterisation de particules spheriques ou non en suspension. Durant cette these, un mme mesurant simultanement les 16 coefficients de la matrice de mueller a ete concu puis realise. Il est achromatique, rapide (50khz), precis (erreur<0. 5%), facile a mettre en uvre et possede un excellent rapport signal sur bruit. Ces caracteristiques ont pu etre obtenues grace au developpement de deux sous systemes brevetes constituant les bras d'entree et de sortie : le bras d'entree est un modulateur de phase couple (cpm) : la lumiere est modulee deux fois de suite en traversant un modulateur de phase. Entre les deux traversees, un coupleur d'etats de polarisation comprenant un prisme droit et une ou plusieurs lames a incidence de brewster modifie l'etat de polarisation. Les quatre etats de polarisation du faisceau envoye sur l'echantillon, y compris l'intensite, sont alors modules independamment. Le bras de sortie est un polarimetre a prisme. Il mesure l'etat de polarisation de la lumiere ayant interagi avec l'echantillon. Pour ce faire, le faisceau entrant est separe en quatre faisceaux secondaires par un prisme suivi de deux polariseurs de wollaston. Les intensites de ces faisceaux sont liees de facon inversible aux quatre etats de polarisation du faisceau entrant. La mise en uvre du mme est facilitee par la methode de calibration dite des valeurs propres. Cette methode simple et efficace ne necessite que la mesure in-situ de quelques echantillons de reference dont les caracteristiques exactes n'ont pas besoin d'etre connues. Ce mme a ete utilise pour caracteriser des solutions de billes de polystyrene en suspension dans l'eau. Les effets de diffusions multiples intervenant aux fortes concentrations ont ete mis en evidence. Un bon accord a ete obtenu entre les mesures et des simulations numeriques de type monte-carlo.

Titre traduit

Conception and realisation of an achromatic real-time mueller matrix ellipsometer

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