Brevet FR3127564A1 — publié le 20230331

Un dispositif (1) de détermination d’informations polarimétriques comprenant : - une source d’excitation (2) adaptée pour venir exciter un point de mesure (31) d’un échantillon (3) pour provoquer une émission d’un faisceau de luminescence par le point de mesure ; - un système optique de collecte (5) configuré pour collecter le signal de luminescence. - un analyseur rotatif (7) configuré pour moduler l’intensité du faisceau de luminescence en fonction de l’angle de polarisation de l’analyseur rotatif; - un détecteur (9) adapté pour acquérir un signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé ; - une unité de synchronisation (11) configurée pour synchroniser l'acquisition du signal par le détecteur (9) et la rotation de l’analyseur rotatif (7) de sorte que la fréquence d'acquisition du signal soit un multiple de la fréquence de rotation de l’analyseur (7) ; - une unité de traitement de données (20) configurée pour déterminer au moins une information polarimétrique contenue dans le signal du faisceau de luminescence. Figure de l’abrégé : Figure 1 Dispositif de détermination d’informations polarimétriques d'un faisceau lumineux et procédé associé La présente divulgation concerne un dispositif et un procédé de détermination d’informations polarimétriques d'un faisceau lumineux dont l'une des applications principales est la caractérisation des contraintes mécaniques dans un échantillon, et notamment un échantillon en matériaux semi-conducteurs. Les composants semi-conducteurs présentent des contraintes mécaniques en fonction des conditions expérimentales (température, pression, etc.) et de la nature des matériaux utilisés pour la fabrication des circuits semi-conducteurs. L’utilisation de ces structures dans le domaine de la micro-électronique et l’optoélectronique requiert une connaissance détaillée de la distribution des contraintes dans la structure ainsi que leur grandeur. En effet, certaines applications telles que les transistors à effet de champ nécessitent des contraintes induites pour augmenter la mobilité des porteurs. En revanche, la présence des contraintes résiduelles dans les cavités des diodes laser à semi-conducteurs diminuent les performances de celles-ci, car elles peuvent entraîner une réduction de leur durée de vie. La contrainte doit être dans ce cas éliminée ou réduite. Il est donc essentiel de pouvoir caractériser avec précision les contraintes mécaniques, qu’elles soient appliquées ou résiduelles dans la structure cristalline du matériau semi-conducteur. La caractérisation de la structure ou microstructure des matériaux semi-conducteurs peut être réalisée à l’aide d’un microscope électronique à balayage qui utilise le mode de fonctionnement EBSD pour « Electron BachScatter Diffraction »), ou à l’aide d’un microscope électronique à transmission TEM pour « Transmission Electronic pour Microscope »). Ces techniques de caractérisation nécessitent une mise en œuvre complexe du fait qu’elles nécessitent une préparation d’échantillon qui consiste à réaliser un polissage de surface pour éliminer les rugosités. Il est également connu d’utiliser la spectroscopie Raman, capable de détecter les fréquences de vibrations des liaisons atomiques, pour mesurer l’état de contrainte par la mesure du décalage du pic Raman par rapport à sa position de référence dans les structures. Une telle technique nécessite un laser de haute qualité spectrale ainsi qu’un spectromètre de très haute résolution. En outre, la spectroscopie Raman n’est pas adaptée pour la mesure de contraintes résiduelles, en raison de l’effet Raman qui est très faible, ce qui se traduit par des temps d'acquisition très élevés. Une autre technique de mesures de contraintes utilise la diffraction des rayons X, via la mesure des distances entre deux plans atomiques. Cette méthode permet une description précise de l’état mécanique du cristallin, y compris la présence d’une anisotropie. Toutefois, cette technique nécessite un synchrotron, qui est un très grand instrument difficilement accessible. En outre, son autre inconvénient majeur réside dans le fait que c’est une technique semi-destructrice dans la mesure où elle nécessite un traitement préalable de l’échantillon. La présente divulgation propose une technique d’analyse non destructrice de l'état de polarisation d'un faisceau lumineux duquel dépend les contraintes présentes dans la structure cristalline d’un matériau semi-conducteur. Dans le cas de la caractérisation des contraintes d'un matériaux semi-conducteur, le faisceau lumineux est un faisceau de photoluminescence. Plus précisément, l’invention propose de mesurer en chaque point d’une région d’intérêt prédéterminée du matériau, les informations polarimétriques contenues dans le signal de luminescence réémis et de générer une image des caractéristiques polarimétriques de la luminescence, lesquels sont directement reliées aux contraintes. Le dispositif et le procédé de mesure des contraintes de la présente invention permettent une caractérisation simple, rapide et peu onéreuse des contraintes mécaniques en comparaison des techniques évoquées ci-dessus. Par ailleurs, le dispositif et le procédé de la présente invention permettent de mesurer des degrés de polarisation très faibles, généralement compris entre 10 -3 et 10 -4 . Résumé La présente divulgation vient améliorer la situation. La présente divulgation concerne un dispositif de détermination d’au moins une information polarimétrique d’un échantillon, le dispositif comprenant : - une source d’excitation adaptée pour venir exciter localement un point de mesure de l’échantillon de manière à provoquer une émission d’un faisceau de luminescence par le point de mesure ; - un système optique de collecte configuré pour collecter le signal de luminescence émis par le point de mesure. - un analyseur rotatif positionné sur le chemin optique du faisceau de luminescence, l’analyseur étant configuré pour moduler l’intensité du faisceau de luminescence en fonction de l’angle de polarisation de l’analyseur rotatif; - un détecteur adapté pour mesurer l’intensité du faisceau de luminescence modulé ; - une unité de synchronisation configurée pour synchroniser l'acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence par le détecteur et la rotation de l’analyseur rotatif de sorte que la fréquence d'acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence par le détecteur soit un multiple de la fréquence de rotation de l’analyseur; - une unité de traitement de données comprenant une unité de calcul configurée pour déterminer au moins une information polarimétrique contenue dans le signal de l’intensité du faisceau de luminescence. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres. L’analyseur rotatif est entraîné par un moteur tournant. La source d’excitation est une source lumineuse adaptée pour émettre un faisceau lumineux de manière à générer l’émission spontanée d’un faisceau de photoluminescence par le point de mesure. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un système optique de focalisation configuré pour focaliser le faisceau lumineux incident sur le point de mesure de l’échantillon. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un système de visualisation positionné sur le chemin optique du faisceau lumineux incident et configuré pour visualiser la position du point focal généré par le faisceau lumineux incident sur l’échantillon. De préférence, le système de visualisation comprend une source d’éclairage, une caméra et deux diviseurs de faisceau. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un capteur optique configuré pour permettre d'asservir la fréquence d’acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence à un multiple de celle de la fréquence de rotation de l'analyseur rotatif. Selon un autre mode de réalisation, l’unité de traitement de données comprend en outre une unité de construction d’au moins une image polarimétrique représentative d’une information polarimétrique d’un ensemble de points de mesure d’une zone d’intérêt de l’échantillon. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une table de translation motorisée configurée pour déplacer l’échantillon dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau lumineux incident de manière à diriger le faisceau lumineux incident vers un ensemble de points de mesure de l’échantillon. De préférence, la fréquence de rotation de l’analyseur est comprise entre 1Hz et 50kHz. La présente divulgation concerne également un procédé de détermination d’au moins une information polarimétrique en un point de mesure prédéfini dans une zone d’intérêt d’un échantillon comprenant : - émission d’un signal d’excitation incident par une source d’excitation; - orientation du faisceau lumineux incident à l’aide d’un ensemble d’éléments optiques en direction de l’entrée d’un système optique de focalisation et de collecte de faisceau lumineux; - focalisation du faisceau lumineux incident à l’aide du système optique de focalisation et de collecte sur le point de mesure ; - excitation locale de l’échantillon au point de mesure de manière à générer l’émission d’un faisceau de luminescence ; - collecte du faisceau de luminescence à l’aide du système de focalisation et de collecte; - modulation du faisceau de luminescence à l’aide d’un analyseur rotatif en fonction de la variation de l’angle de la polarisation de l’analyseur rotatif ; - acquisition par un détecteur d’un signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé, l’acquisition étant synchronisée avec la rotation de l’analyseur rotatif à l’aide d’une unité de synchronisation de sorte que la fréquence d’acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence par le détecteur est un multiple de la fréquence de rotation de l’analyseur ; - calcul d’au moins une information polarimétrique à partir des caractéristiques du signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé à l’aide d’une unité de calcul. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend : - détermination d’au moins une information polarimétrique pour une pluralité de points de mesure prédéfinis dans une zone d’intérêt de l’échantillon selon les étapes définies ci-dessus ; - génération d’une image polarimétrique représentative d’une information polarimétrique pour la pluralité de points de mesure à l’aide d’une unité de construction d’images polarimétriques. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 La est une vue schématique du dispositif de mesure d’informations polarimétriques selon un mode de réalisation. Fig. 2 La représente le repère fixe de référence (XYZ) associé à l’échantillon, la direction de polarisation du faisceau de luminescence orientée d’un angle θ dans le repère fixe (XYZ), et la direction de la polarisation de l’analyseur rotatif orientée d’un angle α dans le repère fixe (XYZ). Fig. 3A La est une image polarimétrique représentative d’une distribution de la composante constante DC de la photoluminescence obtenue avec le dispositif de la sur un échantillon de GaAs. Fig. 3B La est une image polarimétrique représentative d’une distribution du degré de polarisation DO LP obtenue avec le dispositif de la sur le même échantillon. Fig. 3C La est une image polarimétrique représentative de l’angle de polarisation θ du faisceau de luminescence obtenue avec le dispositif de la sur le même échantillon. Fig. 4 La est un diagramme des étapes du procédé de mesure d’informations polarimétriques selon un mode de réalisation. Dispositif (1) de détermination d’au moins une information polarimétrique d’un échantillon (3), le dispositif (1) comprenant : - une source d’excitation (2) adaptée pour venir exciter localement un point de mesure (31) de l’échantillon de manière à provoquer une émission d’un faisceau de luminescence par le point de mesure ; - un système optique de collecte (5) configuré pour collecter le faisceau de luminescence émis par le point de mesure. - un analyseur rotatif (7) positionné sur le chemin optique (19) du faisceau de luminescence, l’analyseur (7) étant configuré pour moduler l’intensité du faisceau de luminescence en fonction de l’angle de polarisation de l’analyseur rotatif; - un détecteur (9) adapté pour mesurer l’intensité du faisceau de luminescence modulé ; - une unité de synchronisation (11) configurée pour synchroniser l'acquisition d’un signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé par le détecteur (9) et la rotation de l’analyseur rotatif (7) de sorte que la fréquence d'acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence par le détecteur (9) soit un multiple de la fréquence de rotation de l’analyseur (7) ; - une unité de traitement de données (20) comprenant une unité de calcul (21) configurée pour déterminer au moins une information polarimétrique contenue dans le signal de l’intensité du faisceau de luminescence. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’analyseur rotatif (7) est entraîné par un moteur tournant (12). Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source d’excitation est une source lumineuse (2) adaptée pour émettre un faisceau lumineux de manière à générer l’émission spontanée d’un faisceau de photoluminescence par le point de mesure. Dispositif selon la revendication 3, comprenant un système optique (5) de focalisation configuré pour focaliser le faisceau lumineux incident sur le point de mesure de l’échantillon. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, comprenant en outre un système de visualisation (6) positionné sur le chemin optique (19) du faisceau lumineux incident et configuré pour visualiser la position du point focal généré par le faisceau lumineux incident sur l’échantillon. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le système de visualisation (6) comprend une source d’éclairage (61), une caméra (62) et deux diviseurs de faisceau (63, 64). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un capteur optique (8) configuré pour permettre d'asservir la fréquence d’acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence à un multiple de celle de la fréquence de rotation de l'analyseur rotatif (7). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’unité de traitement de données (20) comprend en outre une unité de construction (22) d’au moins une image polarimétrique représentative d’une information polarimétrique d’un ensemble de points de mesure d’une zone d’intérêt de l’échantillon. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre une table de translation motorisée (4) configurée pour déplacer l’échantillon (3) dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau lumineux incident de manière à diriger le faisceau lumineux incident vers un ensemble de points de mesure de l’échantillon. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la fréquence de rotation de l’analyseur (7) est comprise entre 1Hz et 50kHz. Procédé de détermination d’au moins une information polarimétrique en un point de mesure (31) prédéfini dans une zone d’intérêt d’un échantillon (3) comprenant : - émission (51) d’un signal d’excitation incident par une source d’excitation (2) ; - orientation (52) du faisceau lumineux incident à l’aide d’un ensemble d’éléments optiques (14, 15, 16) en direction de l’entrée d’un système optique de focalisation et de collecte de faisceau lumineux (5) ; - focalisation (53) du faisceau lumineux incident à l’aide du système optique de focalisation et de collecte (5) sur le point de mesure ; - excitation (54) locale de l’échantillon au point de mesure de manière à générer l’émission d’un faisceau de luminescence ; - collecte (55) du faisceau de luminescence à l’aide du système de focalisation et de collecte (5) ; - modulation (56) du faisceau de luminescence à l’aide d’un analyseur rotatif (7) en fonction de la variation de l’angle de la polarisation de l’analyseur rotatif ; - acquisition (57) par un détecteur (9) d’un signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé, l’acquisition étant synchronisée avec la rotation de l’analyseur rotatif (7) à l’aide d’une unité de synchronisation (11) de sorte que la fréquence d’acquisition du signal de l’intensité du faisceau de luminescence par le détecteur (9) est un multiple de la fréquence de rotation de l’analyseur (7) ; - calcul (58) d’au moins une information polarimétrique à partir des caractéristiques du signal de l’intensité du faisceau de luminescence modulé à l’aide d’une unité de calcul (21). Procédé selon la revendication 11, comprenant : - détermination d’au moins une information polarimétrique pour une pluralité de points de mesure prédéfinis dans une zone d’intérêt de l’échantillon selon les étapes (51) à (58) ; - génération (59) d’une image polarimétrique représentative d’une information polarimétrique pour la pluralité de points de mesure à l’aide d’une unité de construction d’images polarimétriques (22).