L’ellipsométrie est une technique optique permettant de mesurer l’épaisseur et les propriétés optiques de films ou de couches extrêmement minces de matériau. Les propriétés mesurables sont l’indice de réfraction, ou la quantité de lumière courbée, et le niveau d’absorption de la lumière, appelé coefficient d’absorption. Un ellipsomètre est un appareil utilisé pour effectuer ces mesures.
Les ellipsomètres fonctionnent en projetant une source de lumière bien définie sur un matériau et en capturant la réflexion. Les ellipsomètres modernes utilisent des lasers, généralement des lasers à hélium-néon, comme source. Le faisceau de l’ellipsomètre traverse d’abord un polariseur de sorte que seule la lumière orientée dans une direction connue puisse passer. Il passe ensuite par un dispositif appelé compensateur, qui polarise de manière elliptique le faisceau lumineux. La lumière restante est ensuite réfléchie sur le matériau à l’étude.
L’analyse dépend de la loi de Snell ; lorsqu’un faisceau de lumière frappe un matériau, certains se réfléchiront immédiatement et d’autres passeront jusqu’à l’autre côté du matériau avant de se refléter. En mesurant la différence entre les deux réflexions, l’épaisseur du dispositif peut être déterminée. La lumière réfléchie subit également un changement de polarisation ; ce changement est utilisé pour calculer l’indice de réfraction et le coefficient d’absorption.
Pour qu’un ellipsomètre fonctionne correctement, le matériau examiné doit satisfaire à certaines propriétés physiques. L’échantillon doit être composé d’un petit nombre de couches bien définies. Les couches doivent être optiquement homogènes, avoir une structure moléculaire identique dans toutes les directions et refléter des quantités importantes de lumière. Si l’une de ces exigences n’est pas respectée, les procédures standard ne fonctionneront pas.
Les ellipsomètres sont des appareils extrêmement sensibles, capables de mesurer des couches aussi fines qu’un atome. Ils sont largement utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs où des couches successives de matériau sont formées chimiquement les unes sur les autres.
L’ellipsométrie est non destructive ; un matériau mesuré par un ellipsomètre n’est pas affecté par le processus. En raison de cette caractéristique, l’utilisation des ellipsomètres dans les sciences biologiques est en augmentation. Les matériaux biologiques sont beaucoup moins uniformes que les matériaux manufacturés et n’ont généralement pas les caractéristiques physiques nécessaires à l’ellipsométrie traditionnelle. De nouvelles techniques, telles que l’utilisation de plusieurs ellipsomètres disposés à différents angles, ont été développées pour travailler avec ces matériaux.