FR2806479A1 - Procede et dispositif de detection de couches minces - Google Patents
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Abstract
Procédé et dispositif de détection de couches minces.Selon l'invention, pour détecter une couche mince (2), susceptible de se trouver sur un support (4), on utilise, en tant que support, un absorbeur de lumière dans un domaine spectral déterminé, contenu dans le domaine visible - proche infrarouge, on fait une mesure d'absorption en l'absence de couche mince, au moyen d'une technique de détection non-résonante et une autre mesure d'absorption lorsque la couche mince est susceptible de se trouver sur l'absorbeur et l'on compare les mesures. L'invention s'applique notamment à la détection de couches biologiques ou chimiques.
Description
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PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE DÉTECTION DE COUCHES MINCES
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de couches minces, dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm et vaut généralement moins de 10 nm.
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de couches minces, dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm et vaut généralement moins de 10 nm.
L'invention s'applique en particulier à la détection de couches minces biologiques ou chimiques.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
La détection, par des méthodes optiques classiques non-résonantes, de la présence d'une couche mince sur un substrat de verre est un problème difficile car les instruments de mesure classiques tels que les photomètres ou les ellipsomètres fonctionnent alors à la limite de leur sensibilité.
La détection, par des méthodes optiques classiques non-résonantes, de la présence d'une couche mince sur un substrat de verre est un problème difficile car les instruments de mesure classiques tels que les photomètres ou les ellipsomètres fonctionnent alors à la limite de leur sensibilité.
Typiquement, la présence d'une couche mince, de quelques nanomètres d'épaisseur, sur un substrat de silice se traduit par une variation d'environ 10-5 sur le facteur de réflexion du substrat.
Il est donc difficile de détecter la présence de cette couche par des techniques photométriques classiques.
Les techniques connues de détection optique de couches minces, de quelques nanomètres d'épaisseur, mettent en #uvre des dispositifs résonants. La présence d'une couche mince se traduit par une perturbation de la résonance que l'on est alors capable de détecter par des moyens classiques. Ces dispositifs résonants peuvent être classés en deux familles : les dispositifs
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résonants en espace libre et les dispositifs fondés sur l'Optique guidée.
Le plus simple des dispositifs résonants en espace libre comprend une cavité de Pérot Fabry dont la résonance est perturbée par la présence de la couche mince.
Dans le cas des dispositifs fondés sur l'Optique guidée, la lumière est transférée dans une couche guidante diélectrique dont les paramètres optogéométriques (indice de réfraction et épaisseur) satisfont aux conditions de propagation guidée. La présence de la couche mince à la surface de la couche guidante provoque une perturbation de cette dernière.
La détection de cette perturbation est réalisée de manière photométrique avec une barrette ( array ) du genre CCD. A ce sujet, on se reportera au document [1] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description.
La couche guidante peut aussi être métallique et transmet alors des ondes de plasmons de surface. Dans ce cas, on utilise encore une détection photométrique. A ce sujet, on se reportera au document [2] .
Ces techniques connues, mettant en #uvre des dispositifs résonants, sont sensibles et permettent la détection de couches de quelques nanomètres d'épaisseur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention vise à détecter une couche mince à l'aide d'une technique non-résonante
La présente invention vise à détecter une couche mince à l'aide d'une technique non-résonante
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mais en ayant une sensibilité de détection supérieure à celle que l'on obtient avec les techniques nonrésonantes connues, mentionnées plus haut.
Pour ce faire, l'invention utilise, en tant que support de la couche mince à détecter, un absorbeur dans le domaine visible-proche infrarouge.
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de détection d'au moins une couche mince, dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm, cette couche mince étant susceptible de se trouver sur un support, ce procédé étant caractérisé en ce que : - le support est un absorbeur de lumière dans un domaine spectral déterminé, contenu dans le domaine visible - proche infrarouge, - on fait au préalable, en l'absence de couche mince sur l'absorbeur, une première mesure de l'absorption, par cet absorbeur, d'une lumière du domaine spectral déterminé, au moyen d'une technique de détection non-résonante et avec cette lumière, - on fait une deuxième mesure, au moyen de cette technique, de l'absorption de cette lumière par l'absorbeur lorsque la couche mince est susceptible de s'y trouver, et - on compare la deuxième mesure à la première mesure.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'absorbeur comprend un substrat et, sur ce substrat, une couche ou un empilement de couches minces, qui est absorbant dans le domaine spectral déterminé.
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Cette couche absorbante dans le domaine spectral déterminé peut être d'un seul tenant ou, au contraire, être morcelée et avoir alors une structure matricielle permettant la détection d'une pluralité de couches minces.
Cette couche absorbante peut se présenter sous la forme d'une multicouche absorbante dans le domaine spectral déterminé.
Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, cette multicouche comprend : - une pluralité de premières couches minces qui sont faites d'un métal ou d'un semiconducteur et - une pluralité de deuxièmes couches minces qui sont faites d'un composé diélectrique du métal ou du semiconducteur, sont transparentes à la lumière du domaine spectral déterminé et alternent avec les premières couches.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, cette multicouche comprend : - au moins une couche de métal mince, qui est absorbante dans ce domaine spectral déterminé, et - au moins une couche diélectrique, qui est transparente dans ce domaine spectral déterminé, cette couche diélectrique étant formée sur la couche de métal mince, cette couche de métal mince ayant un indice de réfraction et un coefficient d'extinction qui sont respectivement supérieur à l'indice de réfraction et inférieur au coefficient d'extinction du métal à l'état
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massif ( bulk ) dans ce domaine spectral déterminé ([6]).
Le substrat est par exemple fait d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les semiconducteurs, les verres et la silice.
Dans la présente invention, en tant que technique de détection non-résonante, on utilise par exemple une technique de détection par déflexion photothermique ou une technique de détection par polarimétrie.
De plus, dans la présente invention, l'absorbeur peut être placé aussi bien dans un gaz (par exemple l'air) que dans un liquide (par exemple l'eau) pour faire les première et deuxième mesures.
Cependant, lorsqu'il est placé dans un liquide, il est préférable que cet absorbeur de lumière soit recouvert d'une couche auxiliaire dont l'indice de réfraction est différent de celui du liquide.
La présente invention a également pour objet un dispositif de détection d'au moins une couche mince dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm, ce dispositif comprenant un support sur lequel cette couche mince est susceptible de se trouver, ce dispositif étant caractérisé en ce que : - le support est un absorbeur de lumière dans un domaine spectral déterminé, contenu dans le domaine visible-proche infrarouge, et - ce dispositif comprend en outre un système de détection non-résonante comportant une source de cette lumière du domaine spectral déterminé,
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ce système étant destiné à faire une première mesure de l'absorption de cette lumière par cet absorbeur, en l'absence de couche mince sur ce dernier, puis une deuxième mesure de l'absorption de la lumière par l'absorbeur lorsque la couche mince est susceptible de s'y trouver, en vue de comparer la deuxième mesure à la première mesure.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : # les figures 1 et 2 sont des vues schématiques de modes de réalisation particuliers du dispositif de détection de couches minces objet de l'invention, utilisant un absorbeur placé dans l'air, # les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversale schématiques de multicouches absorbantes utilisables dans la présente invention, # les figures 5 et 6 sont des courbes des variations de paramètres d'ellipsométrie (cos dans le cas de la figure 5 et tan# dans le cas de la figure 6) en fonction de la longueur d'onde, pour différentes épaisseurs de la couche mince à détecter, # la figure 7 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : # les figures 1 et 2 sont des vues schématiques de modes de réalisation particuliers du dispositif de détection de couches minces objet de l'invention, utilisant un absorbeur placé dans l'air, # les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversale schématiques de multicouches absorbantes utilisables dans la présente invention, # les figures 5 et 6 sont des courbes des variations de paramètres d'ellipsométrie (cos dans le cas de la figure 5 et tan# dans le cas de la figure 6) en fonction de la longueur d'onde, pour différentes épaisseurs de la couche mince à détecter, # la figure 7 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif
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objet de l'invention, utilisant un absorbeur placé dans l'eau, # la figure 8 est une vue de dessus schématique d'un absorbeur à structure matricielle, utilisable dans l'invention, # la figure 9 est une vue en coupe de la figure
8, et # les figures 10 et 12 sont des courbes des variations de paramètres de polarimétrie (Rp dans le cas de la figure 10, Rs dans le cas de la figure 11 et Rp/Rs dans le cas de la figure
12) en fonction de l'angle d'incidence a de la lumière utilisée pour la détection, selon qu'une couche mince de silice se trouve, ou ne se trouve pas, à la surface de l'absorbeur.
8, et # les figures 10 et 12 sont des courbes des variations de paramètres de polarimétrie (Rp dans le cas de la figure 10, Rs dans le cas de la figure 11 et Rp/Rs dans le cas de la figure
12) en fonction de l'angle d'incidence a de la lumière utilisée pour la détection, selon qu'une couche mince de silice se trouve, ou ne se trouve pas, à la surface de l'absorbeur.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On suppose que l'on souhaite détecter une couche mince 2 (figure 1) dont l'épaisseur vaut quelques nanomètres. Cette couche mince est susceptible de se trouver sur un support 4.
On suppose que l'on souhaite détecter une couche mince 2 (figure 1) dont l'épaisseur vaut quelques nanomètres. Cette couche mince est susceptible de se trouver sur un support 4.
Conformément à l'invention, on utilise en tant que support un absorbeur de lumière dans un domaine spectral contenu dans le domaine visible-proche infrarouge. Cet absorbeur 4 est sensible à la présence de la couche mince 2 à sa surface. Cette présence provoque un changement de l'absorption (et également du déphasage, lorsque la lumière du domaine spectral considéré se réfléchit sur la surface de cet absorbeur 4.
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Ce changement d'absorption est détecté, dans la présente invention, par une technique de détection non-résonante utilisant cette lumière.
Avec la technique choisie, on fait au préalable une première mesure d'absorption de lumière sur l'absorbeur 4, en l'absence de couche mince à sa surface, puis avec cette même technique, une deuxième mesure d'absorption de lumière sur l'absorbeur lorsque la couche mince est susceptible de s'y trouver.
On compare ensuite la deuxième mesure à la première. Si l'absorption a varié, on en déduit que la couche mince est présente. Dans le cas contraire, on en déduit qu'aucune couche mince n'est présente à la surface de l'absorbeur.
En tant que technique non-résonante, on utilise par exemple une technique de détection par déflexion photothermique (encore appelée méthode de détection par effet mirage ) qui est schématiquement illustrée par la figure 1. A ce sujet, on se reportera au document [3].
On voit sur la figure 1 un système de détection par déflexion photothermique fonctionnant en mode transverse et permettant de détecter la présence de la couche mince 2.
Ce système comprend un laser de pompe 6 ainsi qu'un laser de sonde 8, ce dernier émettant la lumière du domaine spectral considéré.
Dans l'exemple de la figure 1, la détection est faite dans l'air.
Le système comprend également un moyen de détection 10, par exemple une photodiode à quatre
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quadrants, qui est reliée à des moyens 12 de traitement des signaux électriques fournis par cette photodiode.
Ces moyens 12 fournissent la valeur de l'absorption.
Des moyens d'affichage non représentés sont reliés à ces moyens de traitement et prévus pour afficher cette valeur.
En tant que laser de pompe, on utilise par exemple un laser pulsé à colorant. On peut aussi utiliser un laser continu à colorant ou une lampe à arc à xénon munie d'un monochromateur. Lorsqu'une telle lampe ou un laser continu à colorant est utilisé, on prévoit un hacheur ( chopper ) mécanique pour moduler la sortie du laser ([3]) .
On voit que la lumière fournie par le laser de pompe 6 est focalisée par une optique appropriée 14 sur la surface de l'absorbeur 4 qui est susceptible de porter la couche mince 2.
Une autre technique utilisable dans l'invention est une technique de détection par méthode polarimétrique, par exemple une ellipsométrie.
La figure 2 illustre schématiquement un système de détection par méthode polarimétrique fonctionnant en réflexion. Au sujet des méthodes polarimétriques, on se reportera au document [4].
Le système de la figure 2 comprend encore l'absorbeur de lumière 4, sur lequel la couche mince 2 est susceptible de se trouver, ainsi qu'un laser 16 prévu pour émettre la lumière du domaine spectral considéré vers la surface de l'absorbeur. Le système de la figure 2 comprend aussi un polariseur 18 qui polarise la lumière émise par ce laser.
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La détection a encore lieu dans l'air, dans l'exemple de la figure 2.
Le système représenté sur cette dernière comprend en outre un analyseur 20 qui reçoit la lumière réfléchie par la surface de l'absorbeur 4, des moyens 22 de photodétection de la lumière ayant traversé cet analyseur et des moyens électroniques 24 de traitement des signaux électriques fournis par ces moyens de photodétection. Ces moyens électroniques de traitement 24 fournissent la valeur du rapport Rp/Rs et du déphasage entre les ondes P et S.
Des moyens d'affichage non représentés sont reliés à ces moyens de traitement et prévus pour afficher cette valeur.
L'un des avantages de la présente invention réside dans la simplicité des moyens optiques utilisés qui ne nécessitent aucun instrument sophistiqué. De plus, avec des valeurs d'absorption supérieures à 90%, l'invention ne nécessite pas de laser de forte puissance (méthode par déflexion photothermique). Le gain de sensibilité résulte du comportement de l'absorbeur utilisé et non plus d'un apport de signal lié au flux lumineux incident.
Dans le cas de la détection par une méthode polarimétrique, on peut utiliser un système optique fonctionnant en transmission au lieu d'un système fonctionnant en réflexion et, dans le cas de la détection par déflexion photothermique, on peut utiliser un système fonctionnant en mode longitudinal au lieu d'un système fonctionnant en mode transverse.
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Considérons maintenant le choix de la longueur d'onde de travail.
Pour le mode de détection par déflexion photothermique, on utilise de préférence une zone spectrale telle que la dérivée dA/d pour l'absorbeur de lumière soit importante, A représentant les pertes par absorption de cet absorbeur et # représentant la longueur d'onde de la lumière émise par le laser de sonde.
En ce qui concerne le mode de détection par méthode polarimétrique, on choisit de préférence une zone spectrale où la réflexion de l'absorbeur est la plus faible possible. On mesure dans ce cas le rapport tan#=Rp/Rs où Rp (respectivement Rs) représente le coefficient de réflexion pour la composante parallèle (respectivement perpendiculaire) du champ électromagnétique.
Dans les exemples des figures 1 et 2, on utilise en tant qu'absorbeur une couche 28 qui est absorbante dans le domaine spectral considéré et formée sur un substrat 30 par exemple en verre.
Il existe diverses possibilités pour former des couches ayant à la fois un faible coefficient de réflexion et un fort coefficient d'absorption dans un domaine spectral.
De telles couches sont souvent utilisées pour des applications spatiales et dans les écrans plats à cristaux liquides, pour former ce que l'on appelle des matrices noires .
La couche absorbante 28 peut être une couche de cermet (mélange d'un métal et d'un
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diélectrique) ou une multicouche dans laquelle des couches minces diélectriques alternent avec des couches minces métalliques.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 3 où l'on voit le substrat 30 en verre sur lequel est formé une multicouche comprenant successivement une couche d'oxyde de chrome 32, une couche métallique 34 par exemple en chrome, une autre couche d'oxyde de chrome 36 et une couche supérieure de chrome 38. A ce sujet on se reportera au document [9].
Un autre exemple est schématiquement illustré par la figure 4 où l'on voit le substrat 30 qui peut être en verre (ou en un matériau semiconducteur) et une multicouche comprenant successivement une couche 40 d'aluminium de 50 nm d'épaisseur, une couche d'alumine 42 de 84 nm d'épaisseur, une couche d'aluminium 44 de 7 nm d'épaisseur et une couche d'alumine 46 de 79 nm d'épaisseur. A ce sujet on se reportera au document [6]. On se reportera également au document [8].
Dans l'exemple de la figure 4, la lumière servant à la détection se propage de l'air vers l'aluminium.
On a étudié les variations des paramètres détectés en fonction de l'épaisseur d'une couche mince formée à la surface de la multicouche, en utilisant une lumière de détection qui se propage de l'air vers la couche d'aluminium 40. Cette épaisseur va de 1 nm à 4 nm.
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On suppose que la couche mince a un indice de réfraction égal à 1,46 et ne présente pas de pertes par absorption.
Le tableau I, que l'on trouvera à la fin de la Description, avant la liste des documents cités, montre les résultats d'une mesure de détection par déflexion photothermique pour une telle couche mince, formée sur la multicouche de l'exemple de la figure 4.
On voit sur ce tableau les variations de l'absorption, exprimée en ppm (parties par million), en fonction de l'épaisseur (mécanique) de la couche mince, exprimée en nanomètres.
On précise que l'absorption a été calculée à une longueur d'onde de 488 nm et que la valeur 0 nm correspond au cas où aucune couche mince n'est formée sur la multicouche.
La variation d'absorption détectée est tout à fait compatible avec la sensibilité de la technique de détection par déflexion photothermique. Cette variation est sensiblement linéaire et peut permettre une mesure absolue de l'épaisseur de la couche mince.
Donnons maintenant des résultats obtenus avec la technique de détection par polarimétrie.
Les figures 5 et 6 montrent l'évolution des propriétés ellipsométriques pour différentes épaisseurs d'une couche mince formée sur la multicouche de la figure 4 (c'est-à-dire sur la couche d'alumine 46). Les propriétés ellipsométriques ont été calculées pour un angle d'incidence de 45 .
Plus précisément, la figure 5 représente les variations du cosinus du déphasage relatif 4 entre
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la vibration S (composante perpendiculaire du champ électromagnétique associé à la lumière servant à la mesure) et la vibration P (composante parallèle de ce champ) après réflexion sur la multicouche, en fonction de la longueur d'onde # (exprimée en nanomètres) de la lumière servant à la mesure et pour des épaisseurs de couche mince valant respectivement 0,1, 2,3 et 4 nanomètres et correspondant respectivement aux courbes I, II, III, IV et V de la figure 5.
La figure 6 représente les variations du rapport Rp/Rs = tan# que l'on a déjà défini plus haut, en fonction de la longueur d'onde # et pour ces épaisseurs allant de 0 à 4 nanomètres et correspondant respectivement aux courbes I à V de la figure 6.
Dans les exemples des figures 1 et 2 l'absorbeur 4 est dans l'air. Cependant, les mesures peuvent également être effectuées lorsque cet absorbeur 4 est placé dans un liquide tel que l'eau par exemple.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 7 où l'on voit l'absorbeur 4 placé dans l'eau 48 qui est contenue dans un récipient 50.
L'exemple de la figure 7 utilise le système de détection par méthode polarimétrique de la figure 2 : le faisceau lumineux issu du laser 16 est envoyé sur la couche absorbante 28 par l'intermédiaire du polariseur 18 et de la couche de liquide qui se trouve au-dessus de l'absorbeur et la lumière réfléchie parvient aux moyens de photodétection 22 après avoir traversé cette couche de liquide et l'analyseur 20.
Dans le cas d'une mesure dans un liquide, pour optimiser la sensibilité du système de mesure, il
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est préférable d'utiliser un absorbeur comprenant une couche supplémentaire 52 formée à la surface de la couche absorbante 28 et ayant un indice de réfraction différent de celui du liquide utilisé.
A titre d'exemple, cette couche supplémentaire est en oxyde de titane (dont l'indice de réfraction est supérieur à 2) et a une épaisseur de 20 nm.
Une telle couche améliore le fonctionnement de l'invention en milieu liquide.
La figure 8 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, permettant une détection parallèle grâce à une matrice de détecteurs.
Plus précisément, en vue d'effectuer une détection collective, il est possible d'utiliser une couche anti-reflet absorbante qui est morcelée pour réaliser une matrice de détection. Le pas ( pitch ) de cette dernière est défini par la technique que l'on utilise pour fabriquer cette matrice.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 8 où l'on voit un substrat 54 par exemple en verre, à la surface duquel on a formé une couche morcelée 56 qui est absorbante dans le domaine spectral considéré.
A la surface du substrat 54, on a ainsi une matrice de couches élémentaires absorbantes 58, par exemple des multicouches élémentaires ayant chacune la structure décrite en faisant référence à la figure 4.
La figure 9 est une vue en coupe transversale schématique de l'absorbeur à structure matricielle de la figure 8.
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De cette façon, plusieurs sortes de couches minces telles que les couches 60,62, 64 peuvent être détectées sur un même support.
On considère maintenant un exemple d'absorbeur de lumière utilisable dans l'invention. Cet exemple est fondé sur une structure multicouche utilisant une alternance de métaux et de diélectriques.
A ce sujet on se reportera par exemple au document [6].
Les couches minces de cette structure multicouche sont déposées par la technique de pulvérisation radio-fréquence. Avec cette technique, on fabrique par exemple la multicouche de la figure 4.
Il convient de noter qu'une multicouche métal-diélectrique peut être obtenue par d'autres techniques de dépôt, par exemple la pulvérisation par faisceau ionique ou l'évaporation par canon à électrons.
Il est cependant préférable d'utiliser une technique de dépôt qui garantit une bonne maîtrise des épaisseurs. À ce point de vue les techniques qui présentent la particularité d'avoir une faible vitesse de dépôt sont intéressantes. Il est donc préférable d'employer la pulvérisation au lieu de l'évaporation sous vide.
Dans le cas particulier où l'on fait des mesures avec une multicouche absorbante placée dans un milieu liquide, il est avantageux, comme on l'a vu plus haut, d'utiliser une couche mince supplémentaire dont l'indice de réfraction est très différent de celui du liquide (par exemple TiO2 dont l'indice est supérieur à 2). Cette couche mince supplémentaire peut être formée
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par une évaporation classique ou par une pulvérisation par faisceau d'ions. A ce sujet on se reportera au document [7].
On précise également que pour la fabrication collective des zones de détection (figures 8 et 9), on utilise par exemple une technique de pelage ( lift-off ) . A ce sujet on se reportera au document [5] .
On considère maintenant deux modes de détection en réflexion, l'un se rapportant à la détection par déflexion photothermique et l'autre à la méthode polarimétrique.
Dans les deux cas, il convient d'avoir une connaissance précise de la réponse spectrale de l'absorbeur. Par réponse spectrale , on entend l'évolution des propriétés optiques (réflexion, transmission et absorption) en fonction de la longueur d'onde. De telles données sont accessibles au moyen d'un spectrophotomètre.
Considérons d'abord la détection par déflexion photothermique. Dans ce cas, on choisit la longueur d'onde du laser de pompe de telle sorte que le rapport dA/d, soit important comme on l'a vu plus haut.
Pour des questions de sensibilité, il est alors préférable de former la couche absorbante sur du verre (par exemple du genre BK7, silice ou B1664). On pourrait utiliser un substrat de nature différente, par exemple en matériau semiconducteur, mais la sensibilité de la technique serait moins bonne.
Pour la détection de la déflexion, on utilise par exemple une photodiode à quatre cadrans ou
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une photodiode avec un couteau. Les mesures sont effectuées de façon relative, par rapport à la déflexion provoquée par l'absorbeur sans couche mince à détecter.
Considérons maintenant la détection par la méthode polarimétrique. Dans ce cas, on choisit la longueur d'onde dans une zone spectrale où la réflexion est faible, par exemple inférieure à 1%, comme on l'a vu plus haut.
On mesure le coefficient de réflexion en polarisation S, noté Rs, et le coefficient de réflexion en polarisation P, noté Rp, et l'on calcule tanF qui est égal à Rp/Rs.
De façon avantageuse, on utilise un ellipsomètre afin d'avoir accès au déphasage relatif à la réflexion entre les ondes S et P. Comme on l'a vu plus haut, une grandeur représentative de ce déphasage # est cos#.
A titre d'exemple, on a mesuré l'évolution de Rs, Rp et Rp/Rs avant et après dépôt d'une couche mince de silice sur la surface de l'absorbeur de lumière. Cette couche mince a été déposée par évaporation par canon à électrons.
La figure 10 montre les variations de Rp en fonction de l'angle d'incidence a de la lumière (voir figure 2), exprimé en degrés. La courbe I correspond à l'absorbeur sans couche de silice et la courbe II à l'absorbeur muni de la couche de silice.
La figure 11 représente les variations de Rs en fonction de l'angle [alpha] (exprimé en degrés). La courbe I correspond encore à l'absorbeur sans couche de
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silice et la courbe II à l'absorbeur muni de la couche de silice.
La figure 12 représente les variations du rapport Rp/Rs en fonction de a (exprimé en degrés). La courbe I (respectivement II) correspond à l'absorbeur sans (respectivement avec) la couche de silice.
De manière plus quantitative, la variation de réflexion en polarisation P, à 632,8 nanomètres et pour un angle d'incidence a de 5 degrés, vaut 650 ppm.
Une simulation a permis d'obtenir l'ordre de grandeur de l'épaisseur (mécanique) de la couche mince de silice. Cette épaisseur vaut 10 nanomètres.
Tableau I
<tb>
<tb> Epaisseur <SEP> mécanique <SEP> de <SEP> Absorption <SEP> à <SEP> 488 <SEP> nm <SEP> Variation <SEP> d'absorption
<tb> la <SEP> couche <SEP> mince <SEP> en <SEP> en <SEP> ppm <SEP> à <SEP> 488 <SEP> nm
<tb> nanomètres
<tb> 0 <SEP> 0,9728 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 0,9706 <SEP> -2200 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 0,9683 <SEP> -4500 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 0,9660 <SEP> -6800 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 0,96359 <SEP> -9210 <SEP>
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<tb> Epaisseur <SEP> mécanique <SEP> de <SEP> Absorption <SEP> à <SEP> 488 <SEP> nm <SEP> Variation <SEP> d'absorption
<tb> la <SEP> couche <SEP> mince <SEP> en <SEP> en <SEP> ppm <SEP> à <SEP> 488 <SEP> nm
<tb> nanomètres
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<tb> 2 <SEP> 0,9683 <SEP> -4500 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 0,9660 <SEP> -6800 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 0,96359 <SEP> -9210 <SEP>
<tb>
Les documents cités dans la présente description sont les suivants : [1] S. Mendes et al., SPIE, OIC 98 Tucson 7-12 juin 1998, volume 9 p.397 à 329 [2] Z. Salomon et al., SPIE, OIC 98 Tucson 7-12 juin 1998, volume 9 p.400 à 402
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[3] W. Jackson et al., Photothermal défection spectroscopy and détection , Applied Optics, vol.20 n08, 15 Avril 1981, p.1333 à 1344 [4] AZZAM et BASHARA, Ellipsometry and polarized light , 1977 North Holland, p 364 à 433.
[5] J.Y. Robic et al., Faisabilité d'un séparateur spectral intégré : étude des filtres optiques localisés et d'un diaphragme absorbant , International conference on space optics, 2 décembre 1997, TOULOUSE, France [6] E. Quesnel, P. Chaton, 0. Lartigue, F. Baume, A very thin coating technology for the production of Broad-band absorbers , SPIE,
OIC 98 Tucson 7-12 juin 1998, volume 9 p.362 à
364 [7] T. Boudet et al., Optical engineering, vol.37 n07, juillet 1998, p.2175 à 2181 [8] EP 0921419A correspondant à FR2772141A,
Revêtement absorbeur de lumière à haut pouvoir absorbant, invention de E. Quesnel et P.
OIC 98 Tucson 7-12 juin 1998, volume 9 p.362 à
364 [7] T. Boudet et al., Optical engineering, vol.37 n07, juillet 1998, p.2175 à 2181 [8] EP 0921419A correspondant à FR2772141A,
Revêtement absorbeur de lumière à haut pouvoir absorbant, invention de E. Quesnel et P.
Chaton [9] EP0716334A (AT&T Corporation) correspondant à
US5566011A et aussi à US5570212A.
US5566011A et aussi à US5570212A.
Claims (14)
1. Procédé de détection d'au moins une couche mince (2 ; 60,62, 64), dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm, cette couche mince étant susceptible de se trouver sur un support (4), ce procédé étant caractérisé en ce que : - le support (4) est un absorbeur de lumière dans un domaine spectral déterminé, contenu dans le domaine visible - proche infrarouge, - on fait au préalable, en l'absence de couche mince sur l'absorbeur, une première mesure de l'absorption, par cet absorbeur, d'une lumière du domaine spectral déterminé, au moyen d'une technique de détection non-résonante et avec cette lumière, - on fait une deuxième mesure, au moyen de cette technique, de l'absorption de cette lumière par l'absorbeur lorsque la couche mince est susceptible de s'y trouver, et - on compare la deuxième mesure à la première mesure.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'absorbeur comprend un substrat (30,54) et, sur ce substrat, une couche (28,56) ou un empilement de couches minces, qui est absorbant dans le domaine spectral déterminé.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel cette couche absorbante dans le domaine spectral déterminé (28) est d'un seul tenant.
4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel cette couche absorbante dans le domaine spectral déterminé (56) est morcelée et a une structure
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matricielle permettant la détection d'une pluralité de couches minces (60,62, 64).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel cette couche absorbante est une multicouche absorbante dans le domaine spectral déterminé (32,34, 36,38, 40,42, 44, 46).
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel cette multicouche comprend : - une pluralité de premières couches minces (34,38) qui sont faites d'un métal ou d'un semiconducteur et - une pluralité de deuxièmes couches minces (32,36) qui sont faites d'un composé diélectrique du métal ou du semiconducteur, transparentes à la lumière du domaine spectral déterminé et alternent avec les premières couches.
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel cette multicouche comprend : - au moins une couche de métal mince (44), qui est absorbante dans ce domaine spectral déterminé, et - au moins une couche diélectrique (46), qui est transparente dans ce domaine spectral déterminé, cette couche diélectrique étant formée sur la couche de métal mince, cette couche de métal mince ayant un indice de réfraction et un coefficient d'extinction qui sont respectivement supérieur à l'indice de réfraction et inférieur au coefficient d'extinction du métal à l'état massif dans ce domaine spectral déterminé.
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8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le substrat (30,54) est fait d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les semiconducteurs, les verres et la silice.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la technique de détection non-résonante utilisée est une technique de détection par déflexion photothermique.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la technique de détection non-résonante utilisée est une technique de détection par polarimétrie.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l'absorbeur (4) est placé dans un gaz pour faire les première et deuxième mesures.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l'absorbeur (4) est placé dans un liquide (48) pour faire les première et deuxième mesures.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'absorbeur (4) est recouvert d'une couche auxiliaire (52) dont l'indice de réfraction est différent de celui du liquide (48).
14. Dispositif de détection d'au moins une couche mince (2 ; 60,62, 64), dont l'épaisseur ne dépasse pas 50 nm, ce dispositif comprenant un support (4) sur lequel cette couche mince est susceptible de se trouver, ce dispositif étant caractérisé en ce que :
<Desc/Clms Page number 24>
16) de cette lumière du domaine spectral déterminé, ce système étant destiné à faire une première mesure de l'absorption de cette lumière par cet absorbeur, en l'absence de couche mince sur ce dernier, puis une deuxième mesure de l'absorption de la lumière par l'absorbeur lorsque la couche mince est susceptible de s'y trouver, en vue de comparer la deuxième mesure à la première mesure.
- le support (4) est un absorbeur de lumière dans un domaine spectral déterminé, contenu dans le domaine visible-proche infrarouge, et - ce dispositif comprend en outre un système de détection non-résonante comportant une source (8,
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| FR (1) | FR2806479A1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1431747A2 (fr) * | 2002-12-20 | 2004-06-23 | Commissariat A L'energie Atomique | Biocapteur à substrat quelconque pouvant être caracterisé en deflexion photothermique |
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| EP0716334A2 (fr) * | 1994-12-08 | 1996-06-12 | AT&T Corp. | Matrice noire antiréfléchissante pour l'utilisation dans des dispositifs d'affichage et son procédé de préparation |
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- 2000-07-03 FR FR0008626A patent/FR2806479A1/fr active Pending
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| EP1431747A3 (fr) * | 2002-12-20 | 2009-11-04 | Commissariat A L'energie Atomique | Biocapteur à substrat quelconque pouvant être caracterisé en deflexion photothermique |
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