Comment l'épaisseur d'un film est-elle calculée ? Obtenez des mesures précises grâce à l'interférence optique

La réponse courte est que l'épaisseur d'un film n'est pas mesurée directement, mais est calculée en analysant la façon dont les ondes lumineuses interagissent avec le film. Des instruments spécialisés mesurent le motif d'interférence créé par la lumière qui est soit réfléchie par, soit transmise à travers le film, et des algorithmes sophistiqués utilisent ensuite ce motif pour calculer une valeur d'épaisseur précise.

Le principe fondamental est l'interférence en couche mince. Le choix de la méthode de mesure — et donc le calcul spécifique — dépend entièrement de la transparence ou de l'opacité du matériau sous le film (le substrat).

Le principe fondamental : l'interférence des ondes lumineuses

Pour comprendre comment l'épaisseur est calculée, vous devez d'abord comprendre le phénomène d'interférence des ondes lumineuses. C'est le fondement sur lequel toutes les mesures optiques modernes d'épaisseur sont construites.

L'interaction à deux ondes

Lorsqu'une lumière frappe un film mince, une partie est réfléchie par la surface supérieure. Le reste de la lumière pénètre dans le film, le traverse et est réfléchie par la surface inférieure (l'interface film-substrat).

Ces deux ondes lumineuses réfléchies distinctes voyagent ensuite en retour et se recombinent. Parce qu'une onde a parcouru un chemin plus long (à travers le film et vers le haut), elle est déphasée par rapport à la première onde.

Interférence constructive et destructive

Selon l'épaisseur du film et la longueur d'onde de la lumière, ces deux ondes se recombinant se renforceront mutuellement (interférence constructive) ou s'annuleront mutuellement (interférence destructive).

Cette interférence crée une "empreinte" spectrale unique de pics (constructive) et de creux (destructive) à différentes longueurs d'onde de la lumière. La distance entre ces pics est directement proportionnelle à l'épaisseur du film.

Choisir la bonne méthode de mesure

Le substrat — le matériau sur lequel le film est déposé — est le facteur le plus important pour déterminer la technique de mesure à utiliser.

Pour les substrats opaques : la réflectométrie

Si le film est sur un substrat opaque comme une plaquette de silicium, vous devez utiliser la réflectométrie.

Un instrument projette une source lumineuse sur l'échantillon et un détecteur (spectromètre) mesure l'intensité de la lumière qui est réfléchie sur une gamme de longueurs d'onde. En analysant le motif d'interférence dans cette lumière réfléchie, un logiciel peut calculer l'épaisseur du film.

Pour les substrats transparents : la transmission

Si le film est sur un substrat transparent comme le verre ou le quartz, vous pouvez utiliser la méthode de transmission.

Ici, la lumière est projetée à travers l'échantillon entier, et le détecteur mesure la lumière qui le traverse entièrement. Cette méthode analyse les motifs d'interférence dans la lumière transmise pour déterminer l'épaisseur.

Comprendre les compromis et les variables clés

Mesurer un spectre ne suffit pas. Le calcul est un processus de modélisation qui repose sur des hypothèses critiques. Une erreur dans ces hypothèses entraînera un résultat incorrect.

L'importance de l'indice de réfraction (n)

Le calcul est inextricablement lié à l'indice de réfraction (n) du matériau du film, qui décrit la vitesse à laquelle la lumière le traverse.

Vous ne pouvez pas calculer l'épaisseur avec précision sans connaître l'indice de réfraction. Si vous fournissez une valeur d'indice de réfraction incorrecte au logiciel d'analyse, il renverra une valeur d'épaisseur incorrecte.

Uniformité et rugosité du film

Les techniques de mesure optique fonctionnent mieux sur les films lisses et uniformes.

Si la surface du film est rugueuse ou si son épaisseur varie considérablement sur le point de mesure, le motif d'interférence sera atténué ou déformé, rendant un calcul précis difficile, voire impossible.

Complications des multicouches

Lorsqu'il s'agit d'une pile de plusieurs films minces, la lumière se réfléchit à chaque interface. Cela crée un motif d'interférence très complexe qui nécessite un logiciel de modélisation plus avancé pour déconstruire et calculer avec précision l'épaisseur de chaque couche individuelle.

Faire le bon choix pour votre objectif

La méthode que vous choisissez est dictée par votre échantillon, mais la précision dépend de la compréhension de l'ensemble du système.

• Si votre objectif principal concerne les films sur silicium ou métal : Vous utiliserez la réflectométrie. Concentrez-vous sur la bonne caractérisation de l'indice de réfraction de votre matériau.
• Si votre objectif principal concerne les films sur verre ou plastique : Vous pouvez utiliser des mesures par transmission, qui sont souvent moins sensibles aux réflexions de la surface arrière et peuvent fournir des données plus propres.
• Si votre objectif principal est la précision absolue : Vous devez valider non seulement l'épaisseur mais aussi les constantes optiques (comme l'indice de réfraction) de votre matériau, car les deux sont calculées ensemble.

En fin de compte, maîtriser la mesure de l'épaisseur des films consiste à contrôler les variables qui influencent la façon dont la lumière interagit avec votre matériau.

Tableau récapitulatif :

Méthode de mesure	Idéal pour le type de substrat	Principe clé
Réflectométrie	Opaque (par exemple, plaquette de silicium)	Analyse le motif d'interférence dans la lumière réfléchie.
Transmission	Transparent (par exemple, verre, quartz)	Analyse le motif d'interférence dans la lumière transmise.

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