Jean Philippe PIEL

Depuis plusieurs années, je participe aux développements instrumentaux dans le domaine de la métrologie optique et plus précisément l’ellipsométrie spectroscopique, technique très sensible à l’état de surface des matériaux, basée sur la modification de l’état de polarisation d’un faisceau lumineux polarisé rectilignement après réflexion sur un empilement de couches minces à caractériser. Un travail de simulation est nécessaire afin d’extraire les paramètres physiques utiles des couches à caractériser à savoir leur épaisseur et leur indice optique.

Dans ce cadre, à partir d’un montage de base, j’ai été fortement impliqué dans la conception et le développement de nouveaux outils, tels que l’extension du domaine spectral dans l’UV jusqu’à 140 nm ou dans l’IR jusqu’à 30 µm.

J’ai participé au développement de deux montages optiques à base de doublets achromatiques et de miroirs elliptiques pour focaliser le faisceau sur la surface des échantillons à caractériser en réalisant des spots de l’ordre de 50 µm de diamètre.

L’idée de coupler une seconde technique de mesure sur le même bâti de mesures s’est avérée bien utile dans de nombreux cas, entre autres pour la caractérisation de couches ultra-minces (inférieure à 10 nm) pour compléter les résultats ellipsométriques. C’est la raison pour laquelle j’ai participé au développement d’un réflectomètre de rayons X (1.54 A) rasants monté sur un goniomètre commun. Dans ce cas, l’épaisseur de la couche est déterminée par la mesure de réflectométrie X et l’indice de réfraction obtenu par ellipsomètre en fixant l’épaisseur de la couche donnée par la technique de réflectométrie X.

J’ai développé un montage spécifique basé sur l’ajout de deux lames quart d’onde en rotation, entre le polariseur et l’analyseur, afin de caractériser les échantillons selon le formalisme de Mueller. Ce formalisme requiert la mesure de 16 coefficients (au lieu de 2 en ellipsométrie traditionnelle) et permet de tenir compte de la dépolarisation partielle du faisceau lumineux induit soit par l’instrument lui-même soit par l’échantillon lorsqu’il présente par exemple une diffusion de surface due à une rugosité importante.

J’ai participé activement au développement industriel d’un ellipsomètre porosimètre en collaboration avec la société IMEC basée à Louvain en Belgique et qui possède un brevet sur ce type de mesure (Dr Baklanov) ainsi qu’avec le Laboratoire de Chimie et de la Matière Condensée LCMC (Université Paris 6, Cédric Boissière et David Grosso). Ce système permet d’avoir accès à la porosité ouverte des couches minces par mesures ellipsométriques soit en injectant un solvant sous vide soit à la pression atmosphérique, en utilisant un flux d’air humide dont on fait varier le degré d’hygrométrie durant l’expérience. Outre les épaisseurs et indices, on estime la porosité, la distribution de tailles de pores ainsi que la rigidité mécanique de la couche à l’aide de la détermination du module d’Young.

J’ai développé un prototype industriel, en collaboration avec l’ESPCI (Arnaud Dubois), d’un interféromètre basé sur un objectif de Mirau pour caractériser la topographie de surface d’échantillons et plus particulièrement pour mesurer la hauteur des connexions métalliques à la surface des écrans plats. Il s’agit là d’un profilomètre optique qui dans bien des cas peut remplacer avantageusement les techniques plus classiques de profilométrie mécanique par déplacement d’un pointe à la surface de la structure à analyser. Cette dernière technique peut endommager localement la surface des structures étudiées.

Par ailleurs, j’ai développé et implémenté, dans le cadre de l’analyse des spectres ellipsométriques, plusieurs modèles mathématiques permettant de décrire physiquement les structures à analyser.

Aujourd’hui, je travaille plus spécifiquement sur la caractérisation de l’anisotropie des couches minces à partir d’un ellipsomètre de Mueller.

Je participe à des colloques où je présente régulièrement des communications orales ou des posters.