ISO 23131:2021
(Main)Ellipsometry — Principles
Ellipsometry — Principles
This document specifies a method for determining optical and dielectric constants in the UV-VIS-NIR spectral range as well as layer thicknesses in the field of at-line production control, quality assurance and material development through accredited test laboratories. It is applicable to stand-alone measuring systems. The presentation of the uncertainty of results conforms to ISO/IEC Guide 98-3.
Ellipsométrie — Principes
Le présent document spécifie une méthode de détermination des constantes optiques et diélectriques dans la gamme spectrale UV-VIS-PIR ainsi que des épaisseurs de couche dans le domaine du contrôle de production sur ligne, de l’assurance qualité et de la mise au point de matériau par des laboratoires d’essai accrédités. Il s’applique aux systèmes de mesure indépendants. La présentation de l’incertitude des résultats est conforme à l’ISO/IEC Guide 98-3.
General Information
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 23131
First edition
2021-04
Ellipsometry — Principles
Ellipsométrie — Principes
Reference number
ISO 23131:2021(E)
©
ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols and abbreviated terms. 1
4 Experimental boundary conditions with respect to the sample . 2
5 Experimental boundary conditions with respect to the measurement .3
6 Model-correlated boundary conditions of the simulation. 4
7 Basic models . 4
7.1 General . 4
7.2 Bulk material (case 1 of application) . 5
7.3 Transparent single layer (case 2 of application) . 5
7.4 Semi-transparent single layer (case 3 of application) . 5
7.5 Multiple layers and periodic layers (case 4 of application) . 5
7.6 Effective materials (case 5 of application) . 5
8 Raw data . 5
9 Verification of correct adjustment of the device . 5
9.1 Straight line measurement . 5
9.2 Simple measurement of angles . 6
9.2.1 Measurement on a known sample, e.g. SiO /Si, with fitting of the angle of
2
incidence . 6
9.2.2 Measurement of the Brewster’s angle of water, of a solvent or of technical glass . 8
10 Verification of the device regarding correct calibration . 9
11 Test report . 9
Annex A (informative) Mathematical and physical principles of ellipsometry.10
Bibliography .15
© ISO 2021 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 107, Metallic and other inorganic coatings.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
Introduction
The ellipsometry measuring method is a phase-sensitive reflection technique using polarized light in
the optical far-field. Over a long time, ellipsometry has been established as a non-invasive measuring
method in the field of semiconductor technology — especially within the integrated production — in
the first instance as a single-wavelength, then as a multiple-wavelength and later as a spectroscopic
measuring method.
By means of ellipsometry, optical or dielectric constants of any material as well as the layer thicknesses
of at least semi-transparent layers or layer systems can be determined. Ellipsometry is an indirect
measuring method, the analysis of which is based on model optimization. The measurands, which differ
according to the procedural principle, are converted into the ellipsometric factors Ψ (Psi, amplitude
information) and Δ (Delta, phase information), based on which the physical target figures of interest
(optical or dielectric constants, layer thicknesses) will then be determined by means of a parameterized
fit.
Ellipsometry shows a high precision regarding the ellipsometric transfer quantities Ψ and Δ, which can
be equivalent to a layer thickness sensitivity of 0,1 nm for ideal layer substrate systems. As a result,
the measuring method can verify even the slightest discrepancies in the surface characteristics.
This is closely linked to the homogeneity and the isotropy of the material surface. In order to achieve
high precision, carrying out measurements at the exact same measuring point is a prerequisite for
inhomogeneous materials. The same applies to the orientation of the incident plane relative to the
material surface for anisotropic materials.
The absolute accuracy, e.g. of layer thickness values, substantially depends on the quality of the
chosen model for describing the material surface. For ideal layer substrate systems, such as SiO (ideal
2
transparent layer) on a Si wafer (nearly atomically smooth substrate surface with homogeneous and
isotropic material properties), the accuracy of the layer thickness can indeed reach the precision
values, since the model describes the reality of the layer substrate system in an ideal manner. For
inhomogeneous, anisotropic, contaminated, multi-component, damaged, imperfect or rough surfaces
or layers, the accuracy of the layer thickness determination can be significantly lower and generally
depends on the quality of the chosen model.
Despite these limitations, ellipsometry is a powerful procedure, which either enables material
fingerprints (without modelling) or which allows a model-based determination of optical and dielectric
constants (to the nearest 0,001) or of layer thicknesses (to the nearest 0,1 nm) within a broad layer
thickness range of approximately 0,1 nm up to approximately 10 µm (in special cases exceeding
100 µm).
© ISO 2021 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 23131:2021(E)
Ellipsometry — Principles
1 Scope
This document specifies a method for determining optical and dielectric constants in the UV-VIS-NIR
spectral range as well as layer thicknesses in the field of at-line production control, quality assurance
and material development through accredited test laboratories.
It is applicable to stand-alone measuring systems. The presentation of the uncertainty of results
conforms to ISO/IEC Guide 98-3.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/IEC Guide 98-3, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in
me a s ur ement (GUM: 1995)
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms
3.1 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.2 Symbols and abbreviated terms
Symbol or
Description
abbreviated term
P polarizer
C compensator
S sample
A analyzer
POI plane of incidence of light, formed by the normal to the surface and the direction
of propagation of the incident light
POP plane of polarization of light, formed by the electric field vector and the direction
of propagation of the incident light
Ψ, Δ ellipsometric transfer quantities Psi and Delta, which serve as raw data to be stored,
e.g. in accordance with ISO/IEC 17025
φ angle of incidence between the incident light wave and the axis of incidence
d layer thickness
© ISO 2021 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
4 Experimental boundary conditions with respect to the sample
Figures 1 and 2 schematically represent an ellipsometric measurement as a phase-sensitive reflection
technique using polarized light; both under photo-optical aspects (see Figure 1) as well as under
metrological aspects (see Figure 2).
Key
1 sample
2 POI
φ angle of incidence
Figure 1 — Schematic representation of the optical path/polarization state before and after
reflection (substrate surface, axis and angle of incidence, optical path/light wave, s- and
p-polarization)
Key
1 polarizer
2 compensator
3 sample
4 analyser
5 detector
6 light source
Figure 2 — Schematic representation of the metrological arrangement
(light source, P-C-S-A configuration)
2 © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
The following experimental boundary conditions with respect to the sample should be agreed upon in
advance and, if relevant, be documented in the test report:
— determine/specify the measuring point (evaluation of homogeneity) and the sample orientation
(evaluation of isotropy);
— surface condition: take a micrograph of the surface if necessary;
— surface topography: if necessary, measure the surface roughness;
— further sample properties to be considered or corrected:
— curved and wedged samples;
— influence of backside reflection (for transparent samples), if present;
— surface as-delivered or cleaned;
— fixation of the sample.
5 Experimental boundary conditions with respect to the measurement
The following experimental boundary conditions with respect to the measurement should be agreed
upon in advance and, if relevant, be documented in the test report:
— indication of whether an imaging ellipsometer or a mapping ellipsometer (manual or automatic) is
concerned;
— for imaging ellipsometers the following factors are relevant: resulting size of the measuring field/
of the region of integration [FOI (field of illumination: sample surface that is illuminated by the
incident light), FOV (field of view: sample surface within the FOI from which the light collected by
the detector originates), ROI (region of interest: sample surface within the FOV that is relevant for
the measurement)];
— for mapping ellipsometers the following factors are relevant: resulting size of the measuring field/
of the region of integration [FOI (field of illumination: sample surface that is illuminated by the
incident light), FOA (field of analysis: sample surface within the FOI from which the light collected
by the detector originates)];
— ellipsometer configurations: [P-S-A, P-C-S-A, P-S-C-A or P-C-S-C-A];
— ellipsometer principle [RAE (rotating analyser ellipsometer), RPE (rotating polarizer ellipsometer),
PME (phase modulated ellipsometer), RCE (rotating compensator ellipsometer), NE (nulling
ellipsometer), SSE (step scan ellipsometer), RSE (referenced spectral ellipsometer), etc.];
— ellipsometry class [SWE (single-wavelength ellipsometry), MWE (multiple-wavelength ellipsometry),
SE (spectroscopic ellipsometry)];
— spectral range used and resulting spectral resolution, especially dependent on the light source and
the spectrometer used;
— angle of incidence, multiple-angle measurement for the verification of the model, preferably/at least
for two substantially different angles of incidence;
— orientation of sample on the sample stage;
— position of the FOV or FOA on the sample;
— alignment of the sample relative to the plane of incidence (POI) and/or relative to the plane of
polarization (POP).
© ISO 2021 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 23131:2021(E)
6 Model-correlated boundary conditions of the simulation
The following boundary conditions with respect to the simulation shall be agreed upon in advance and,
if relevant, be documented in the test report:
— definition of the ellipsometric model (substrate material, roughness, layer architecture, layer
materials, initial layer thicknesses and fit parameters);
— application of database values for optical or dielectric constants or separate experimental
determination of these constants for non-fit parameters;
— applied dispersion formulae.
The condition that the root mean square deviation (D ) between measured and simulated curve
RMS
progressions of Ψ or Δ in accordance with Formula (A.20) will become minimal, will deliver the desired
fit parameters, such as layer thickness and refractive index, as the result of an iterative fit procedure
(see Figure 3).
NOTE In accordance with ISO/IEC Guide 98-3, the term “error” is no longer used; however, root mean square
error (RMSE), instead of D , can be found in many software products.
RMS
Figure 3 — Schematic representation of the iterative fit procedure
7 Basic models
7.1 General
The ellipsometric transfer quantities Ψ and Δ represent a spectral fingerprint of the surface of the
sample and thus can also be used for material identification. When determining optical and dielectric
constants/functions as well as layer thicknesses, a model is mandatory. For this purpose, the basic
models in accordance with 7.2 to 7.6 are used.
Note Further general information is provided in References [1] to [9].
4 © ISO 2021 – All rights rese
...
Style Definition: Heading 1: Indent: Left: 0 pt, First line:
ISO/TC 107
0 pt
Style Definition: Heading 2: Font: Bold, Tab stops: Not at
Date : 2022-11-21: 2021-04
18 pt
Style Definition: Heading 3: Font: Bold
ISO 23131:2021(F)
Style Definition: Heading 4: Font: Bold
ISO/TC 107
Style Definition: Heading 5: Font: Bold
Style Definition: Heading 6: Font: Bold
Secrétariat : KATS
Style Definition: ANNEX
Style Definition: RefNorm
Style Definition: List Continue 1
Style Definition: Figure Graphic
Style Definition: List Number 1
Style Definition: Body Text_Center
Style Definition: Dimension_100
Ellipsométrie — Principes
Style Definition: Figure subtitle
Style Definition: AMEND Terms Heading: Font: Bold
Ellipsometry — Principles
Style Definition: AMEND Heading 1 Unnumbered: Font:
Bold
Type du document: Norme internationale
Sous-type du document:
Stade du document: (60) Publication
Langue du document: F
STD Version 2.9p
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021 Commented [eXtyles1]: The reference is to a withdrawn
standard which has been replaced
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne
peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ISO 6586, Traitement de l'information — Matérialisation des
jeux de caractères codés à 7 éléments et à 8 éléments sur
ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur l’internet ou sur un Intranet, sans
cartes perforées
autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
Formatted: Pattern: Clear
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
Formatted: Pattern: Clear
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
Publié en Suisse
© ISO 2021 – Tous droits réservés
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Sommaire Page
Avant-propos . iv
Introduction . v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions, symboles et termes abrégés . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles et termes abrégés . 1
4 Conditions expérimentales limites concernant l’échantillon . 2
5 Conditions expérimentales limites concernant le mesurage . 3
6 Conditions limites de la simulation corrélées au modèle . 4
7 Modèles de base . 5
7.1 Généralités . 5
7.2 Matériau monolithe (cas d’application no 1) . 5
7.3 Couche unique transparente (cas d’application no 2) . 5
7.4 Couche unique semi-transparente (cas d’application no 3) . 5
7.5 Couches multiples et couches périodiques (cas d’application no 4) . 5
7.6 Matériaux réels (cas d’application no 5) . 5
8 Données brutes . 6
9 Vérification du réglage correct du dispositif . 6
9.1 Mesurage en ligne droite . 6
9.2 Simple mesurage des angles . 6
9.2.1 Mesurage sur un échantillon connu, par exemple SiO2/Si, avec régression de l’angle
d’incidence . 6
9.2.2 Mesurage de l’angle de Brewster de l’eau, d’un solvant ou d’un verre technique . 8
10 Vérification du bon étalonnage du dispositif . 9
11 Rapport d’essai . 9
Annexe A (informative) Principes mathématique et physique de l’ellipsométrie . 10
Bibliographie . 15
© ISO 2021 – Tous droits réservés
iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Avant-propos
L’ISOL'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale Formatted: French (Switzerland)
d’organismesd'organismes nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaborationl'ISO).
Formatted: Adjust space between Latin and Asian text,
L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux comités techniques de l’ISOl'ISO.
Adjust space between Asian text and numbers
Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique créé à cet
Formatted: French (Switzerland)
effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec
Formatted: French (Switzerland)
l’ISOl'ISO participent également aux travaux. L’ISOL'ISO collabore étroitement avec la Commission
Formatted: French (Switzerland)
électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Formatted: French (Switzerland)
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
Formatted: French (Switzerland)
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
Formatted: French (Switzerland)
critères d’approbationd'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent
Formatted: French (Switzerland)
document a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC,
Partie 2 (voir www.iso.org/directives www.iso.org/directives). Formatted: French (Switzerland)
Formatted: French (Switzerland)
L’attentionL'attention est appeléeattirée sur le fait que certains des éléments du présent document
Formatted: French (Switzerland)
peuvent faire l’objetl'objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISOL'ISO ne
Formatted: French (Switzerland)
saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur
existence. Les détails concernant les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits
Formatted: French (Switzerland)
analogues identifiés lors de l’élaborationl'élaboration du document sont indiqués dans
Formatted: French (Switzerland)
l’Introductionl'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par l’ISOl'ISO (voir
Formatted: French (Switzerland)
www.iso.org/brevetswww.iso.org/brevets).
Formatted: French (Switzerland)
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
Formatted: French (Switzerland)
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
Formatted: French (Switzerland)
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISOl'ISO liés à l’évaluationl'évaluation de la conformité, ou pour toute information au Formatted: French (Switzerland)
sujet de l’adhésionl'adhésion de l’ISOl'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC)
Formatted: French (Switzerland)
concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant : www.iso.org/iso/fr/avant-
Formatted: French (Switzerland)
proposwww.iso.org/avant-propos.
Formatted: French (Switzerland)
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 107, Revêtements métalliques et autres
Formatted: French (Switzerland)
revêtements inorganiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
Formatted: French (Switzerland)
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
Formatted: Adjust space between Latin and Asian text,
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.htmlwww.iso.org/fr/members.html.
Adjust space between Asian text and numbers
Formatted: Emphasis, Font color: Black, French
(Switzerland)
Formatted: French (Switzerland)
© ISO 2021 – Tous droits réservés
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Introduction
La méthode de mesure de l’ellipsométrie est une technique de réflexion sensible à la phase utilisant de la
lumière polarisée dans le champ optique lointain. Au fil du temps, l’ellipsométrie s’est imposée comme
une méthode de mesure non exclusive au domaine de la technologie des semi-conducteurs, en particulier
dans la production intégrée, d’abord comme une méthode à une seule longueur d’onde, puis comme une
méthode à multiples longueurs d’onde et plus tard comme une méthode de mesure spectroscopique.
Grâce à l’ellipsométrie, les constantes optiques ou diélectriques de tout matériau ainsi que les épaisseurs
de couche des couches ou systèmes de couches au moins semi-transparents peuvent être déterminées.
L’ellipsométrie est une méthode de mesure indirecte, dont l’analyse repose sur l’optimisation d’un
modèle. Les grandeurs mesurées, qui diffèrent selon le principe opératoire, sont convertis en facteurs
ellipsométriques Ψ (Psi, information d’amplitude) et Δ (Delta, information de phase), sur la base desquels
les valeurs physiques cibles étudiées (constantes optiques ou diélectriques, épaisseurs de couche) seront
ensuite déterminées au moyen d’une régression paramétrée.
L’ellipsométrie offre une haute précision en ce qui concerne les grandeurs de transfert ellipsométriques
Ψ et Δ, qui peut être équivalente à une sensibilité d’épaisseur de couche de 0,1 nm pour les systèmes
substrat/couche parfaits. La méthode de mesure peut donc vérifier les écarts même les plus minimes des
caractéristiques de surface. Cela est étroitement lié à l’homogénéité et à l’isotropie de la surface du
matériau. Afin d’obtenir une haute précision, il est nécessaire de réaliser les mesurages exactement au
niveau du même point pour les matériaux non homogènes. Il en va de même pour l’orientation du plan
d’incidence par rapport à la surface du matériau pour les matériaux anisotropes.
La précision absolue, par exemple de valeurs d’épaisseur de couche, dépend grandement de la qualité du
modèle choisi pour décrire la surface du matériau. Pour les systèmes substrat/couche parfaits, tels que
SiO (couche transparente parfaite) sur une tranche de Si (surface de substrat quasiment atomiquement
2
lisse ayant des propriétés de matériau homogène et isotrope), la précision de l’épaisseur de couche peut
effectivement atteindre les valeurs absolues, étant donné que le modèle décrit parfaitement la réalité du
système substrat/couche. Pour les surfaces ou couches non homogènes, anisotropes, contaminées, à
multiples composés, endommagées, imparfaites ou rugueuses, la précision de la détermination de
l’épaisseur de couche peut être nettement moindre et dépend généralement de la qualité du modèle
choisi.
Malgré ces restrictions, l’ellipsométrie est une méthode très efficace, qui soit permet de caractériser les
matériaux (sans modélisation), soit permet une détermination à partir d’un modèle des constantes
optiques et diélectriques (à 0,001 près) ou des épaisseurs de couche (à 0,1 nm) dans une vaste plage
d’épaisseur de couche entre environ 0,1 nm et environ 10 µm (dans des cas particuliers, au-delà
de 100 µm).
© ISO 2021 – Tous droits réservés
v
---------------------- Page: 5 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 23131:2021(F)
Ellipsométrie — Principes
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie une méthode de détermination des constantes optiques et diélectriques
dans la gamme spectrale UV-VIS-PIR ainsi que des épaisseurs de couche dans le domaine du contrôle de
production sur ligne, de l’assurance qualité et de la mise au point de matériau par des laboratoires d’essai
accrédités.
Il s’applique aux systèmes de mesure indépendants. La présentation de l’incertitude des résultats est
conforme à l’ISO/IEC Guide 98-3. Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
2 Références normatives
Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3 : Guide pour l’expression de l’incertitude de
mesure (GUM:1995) Commented [eXtyles2]: eXtyles Inline Standards Citation
Match reports that the normative reference
"Guide ISO/IEC 98-3" is not cited in the text.
Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure
(GUM:1995)
3 Termes et définitions, symboles et termes abrégés
3.1 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document. Formatted: Adjust space between Latin and Asian text,
Adjust space between Asian text and numbers
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes ::
— ISO Online browsing platform : disponible à l’adresse
https://www.iso.org/obphttps://www.iso.org/obp Formatted: Hyperlink
— IEC Electropedia : disponible à l’adresse
https://www.electropedia.org/https://www.electropedia.org/
3.2 Symboles et termes abrégés
Symbole ou
Formatted Table
Description
terme abrégé
P polariseur
C compensateur
S échantillon
A analyseur
© ISO 2021 – Tous droits réservés
1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
POI plan d’incidence de la lumière, formé par la normale à la surface et la direction de
propagation de la lumière incidente
POP plan de polarisation de la lumière, formé par le vecteur de champ électrique et la direction
de propagation de la lumière incidente
Ψ, Δ grandeurs de transfert ellipsométriques Psi et Delta, qui servent de données brutes à
conserver, par exemple conformément à l’ISO/IEC 17025
Formatted: Pattern: Clear
φ angle d’incidence entre l’onde lumineuse incidente et l’axe d’incidence Formatted: Pattern: Clear
d épaisseur de couche
4 Conditions expérimentales limites concernant l’échantillon
Les Figures 1 et 2 représentent de manière schématique un mesurage ellipsométrique en tant que
Formatted: Pattern: Clear
technique de réflexion sensible à la phase utilisant de la lumière polarisée ; tant en ce qui concerne les
aspects photo-optiques (voir Figure 1) qu’en ce qui concerne les aspects métrologiques (voir Figure 2). Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
23131_ed1fig1.EPS
Légende
1 échantillon
2 POI
φ angle d’incidence
Figure 1 — Représentation schématique du trajet optique/de l’état de polarisation avant et
après réflexion (surface de substrat, axe et angle d’incidence, trajet optique/onde lumineuse,
polarisation s et p)
23131_ed1fig2.EPS
© ISO 2021 – Tous droits réservés
2
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Légende
1 polariseur
2 compensateur
3 échantillon
4 analyseur
5 détecteur
6 source de lumière
Figure 2 — Représentation schématique du montage métrologique
(source de lumière, configuration P-C-S-A)
Il convient de fixer préalablement d’un commun accord les conditions expérimentales limites suivantes
concernant l’échantillon et, si cela est pertinent, de les documenter dans le rapport d’essai :
— déterminer/spécifier le point de mesure (évaluation de l’homogénéité) et l’orientation de
l’échantillon (évaluation de l’isotropie) ;);
— état de la surface : faire une micrographie de la surface si nécessaire ;
— topographie de la surface : si nécessaire, mesurer la rugosité de la surface ;
— autres propriétés de l’échantillon à prendre en compte ou à corriger :
— échantillons courbes ou angulaires ;
— influence de la réflexion par la face arrière (pour les échantillons transparents), le cas échéant ;
— surface en l’état ou nettoyée ;
— fixation de l’échantillon.
5 Conditions expérimentales limites concernant le mesurage
Il convient de fixer préalablement d’un commun accord les conditions expérimentales limites suivantes
concernant le mesurage et, si cela est pertinent, de les documenter dans le rapport d’essai :
— indication du type d’ellipsomètre utilisé : ellipsomètre d’imagerie ou ellipsomètre de cartographie
(manuel ou automatique) ;);
— pour les ellipsomètres d’imagerie, les facteurs suivants sont pertinents : taille résultante du champ
de mesure/de la région d’intégration [champ d’illumination (FOI, de l’anglais « field of
illumination ») :»): surface de l’échantillon qui est illuminée par la lumière incidente, champ de vision
(FOV, « field of view ») :»): surface de l’échantillon dans le FOI à partir de laquelle la lumière est
© ISO 2021 – Tous droits réservés
3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
collectée par les coordonnées d’origine du détecteur, région d’intérêt (ROI, « region of interest ») :»):
surface de l’échantillon dans le FOV qui est pertinente pour le mesurage] ;];
— pour les ellipsomètres de cartographie, les facteurs suivants sont pertinents : [champ d’illumination
(FOI) :): surface de l’échantillon qui est illuminée par la lumière incidente, champ d’analyse (FOA,
« field of analysis ») :»): surface de l’échantillon dans le FOI à partir de laquelle la lumière est collectée
par les coordonnées d’origine du détecteur] ;];
— configurations de l’ellipsomètre : [P-S-A, P-C-S-A, P-S-C-A ou P-C-S-C-A] ;];
— principe de l’ellipsomètre [ellipsomètre à analyseur rotatif (RAE, « rotating analyser ellipsometer »),
ellipsomètre à polariseur rotatif (RPE, « rotating polarizer ellipsometer »), ellipsomètre à
modulation de phase (PME, « phase modulated ellipsometer »), ellipsomètre à compensateur rotatif
(RCE, « rotating compensator ellipsometer »), ellipsomètre à annulation (NE, « nulling
ellipsometer »), ellipsomètre à pas de balayage (SSE, « step scan ellipsometer »), ellipsomètre
spectroscopique référencé (RSE, « referenced spectral ellipsometer »), etc.] ;.];
— classe d’ellipsométrie [ellipsométrie à une seule longueur d’onde (SWE, « single-wavelength
ellipsometry »), ellipsométrie à multiples longueurs d’onde (MWE, « multiple-wavelength
ellipsometry »), ellipsométrie spectroscopique (SE, « spectroscopic ellipsometry »)] ;»)];
— domaine spectral utilisé et résolution spectrale résultante, qui dépendent notamment de la source
de lumière et du spectromètre utilisés ;
— angle d’incidence, mesurage selon plusieurs angles pour la vérification du modèle, de préférence/au
moins selon deux angles d’incidence sensiblement différents ;
— orientation de l’échantillon sur la platine pour échantillon ;
— position du FOV ou du FOA sur l’échantillon ;
— alignement de l’échantillon par rapport au plan d’incidence (POI) et/ou par rapport au plan de
polarisation (POP).
6 Conditions limites de la simulation corrélées au modèle
Les conditions limites suivantes concernant la simulation doivent être fixées préalablement d’un
commun accord et, si cela est pertinent, être documentées dans le rapport d’essai :
— définition du modèle ellipsométrique (matériau du substrat, rugosité, architecture des couches,
matériaux des couches, épaisseurs de couche initiales et paramètres de régression) ;);
— application de valeurs issues d’une base de données pour les constantes optiques ou diélectriques ou
détermination expérimentale distincte de ces constantes pour des paramètres sans régression ;
— formules de dispersion appliquées.
L’application d’une procédure de régression itérative (voir Figure 3) visant à obtenir le plus faible écart Formatted: Pattern: Clear
moyen de la racine carrée (D ) entre les courbes d’évolution mesurées et simulées de Ψ ou Δ
RMS
conformément à la Formule (A.20) donnera les paramètres de régression voulus, tels que l’épaisseur de
Formatted: Pattern: Clear
couche et l’indice de réfraction.
© ISO 2021 – Tous droits réservés
4
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
NOTE Conformément à l’ISO/IEC Guide 98-3, le terme « erreur » n’est plus utilisé ; toutefois, dans bon nombre
Formatted: Pattern: Clear
de produits logiciels, le terme d’erreur quadratique moyenne (RMSE, de l’anglais « root mean square error ») peut
Formatted: Pattern: Clear
être rencontré à la place de D .
RMS
Formatted: Pattern: Clear
23131_ed1fig3.EPS Formatted: Pattern: Clear
Figure 3 — Représentation schématique de la procédure de régression itérative
7 Modèles de base
7.1 Généralités
Les grandeurs de transfert ellipsométriques Ψ et Δ constituent une carte d’identité spectrale de la surface
de l’échantillon et peuvent donc être également utilisées pour l’identification des matériaux. Pour la
détermination des constantes/fonctions optiques et diélectriques ainsi que des épaisseurs de couche, un
modèle est obligatoire. À cette fin, les modèles de base conformément aux paragraphes 7.2 à 7.6 sont Formatted: Pattern: Clear
utilisés.
]]
NOTE: De plus amples informations générales sont disponibles dans les Références [1 ] à [9].
Formatted: Not Superscript/ Subscript
Formatted: Not Superscript/ Subscript, Pattern: Clear
7.2 Matériau monolithe (cas d’application no 1)
Formatted: Pattern: Clear
Voir DIN 50989-2. Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
Matériau non revêtu, propre, homogène et isotrope d’épaisseur suffisante, de sorte qu’il n’est pas
Formatted: Pattern: Clear
nécessaire de tenir compte des réflexions par la face arrière, même pour des matériaux transparents.
7.3 Couche unique transparente (cas d’application no 2)
Formatted: Pattern: Clear
Voir DIN 50989-3.
Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
© ISO 2021 – Tous droits réservés
5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Couche délimitée, pour laquelle l’extinction de lumière peut être négligée.
7.4 Couche unique semi-transparente (cas d’application no 3)
Voir DIN 50989-4.
Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
Couche délimitée, pour laquelle l’extinction de lumière de la couche ne peut pas être négligée.
Formatted: Pattern: Clear
7.5 Couches multiples et couches périodiques (cas d’application no 4)
Voir DIN 50989-5. Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
Système de couches composé de multiples couches uniques conformément à 7.3 et/ou 7.4 sous la forme
Formatted: Pattern: Clear
d’empilements de couches ou avec plusieurs répétitions de deux matériaux de couche en alternance.
Formatted: Pattern: Clear
7.6 Matériaux réels (cas d’application no 5) Formatted: Pattern: Clear
Voir DIN 50989-6. Formatted: Pattern: Clear
Formatted: Pattern: Clear
Rugosité, couches à gradient de composition, couches en îlot et couches composites.
Formatted: Pattern: Clear
8 Données brutes
L’ellipsométrie à annulation est la première méthode de mesure qui a été mise au point dans le domaine
de l’ellipsométrie. Les grandeurs de transfert ellipsométriques Ψ et Δ, qui sont encore largement utilisées
à l’heure actuelle, doivent être traitées comme des données de mesure directes exclusivement dans le
cadre de l’ellipsométrie à annulation. Pour bon nombre de dispositifs (RAE, RCE, RPE, etc.), ces
paramètres sont actuellement générés à partir du signal d’intensité modulée à l’aide d’une analyse de
Fourier. Toutefois, une autre méthode a été depuis mise au point, laquelle contourne l’analyse de Fourier
à partir d’un traitement de signal analogique en calculant à la place directement les valeurs de Ψ et Δ par
régression des données de mesure. Ainsi, chaque fois que des erreurs sont analysées, il doit être observé
que dans bon nombre des cas, même les grandeurs de transfert ellipsométriques (en données brutes)
représentent souvent le résultat d’un processus de régression.
C’est pourquoi l’approche vers un traitement de données brutes est passée des paramètres Ψ et Δ aux
grandeurs qui sont plus profitables en métrologie moderne. Des exemples sont le calcul avec des vecteurs
de Stokes et le calcul avec des éléments de la matrice de Jones ou de Mueller. Il est actuellement estimé
que le calcul avec les seuls éléments N , C et S de la matrice de Mueller [voir Formule (A.23)] est la Formatted: Pattern: Clear
M M M
méthode la plus adaptée pour garantir une analyse stricte de l’incertitude, voir Annexe A.
Formatted: Pattern: Clear
9 Vérification du réglage correct du dispositif
9.1 Mesurage en ligne droite
Le mesurage en ligne droite permet de vérifier que le mesurage de l’état de polarisation est réalisé
correctement par l’ellipsomètre. Ce mesurage n’est généralement pas influencé par le réglage
géométrique du goniomètre permettant de déterminer l’angle d’incidence. En cas d’erreurs de réglage
importantes du goniomètre, ce mesurage échoue le plus souvent à cause d’un signal trop faible.
Pour un mesurage sans réflexion sur la trajectoire rectiligne du faisceau entre la source de lumière et le
module récepteur, en l’absence d’objet sur le trajet optique, le mesurage donne idéalement les résultats
suivants : Δ = 0° et Ψ = 45° à chaque longueur d’onde.
© ISO 2021 – Tous droits réservés
6
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Pour un mesurage de matrice de Mueller isotrope, pour lequel seuls les paramètres NM (= −M21 = −M12),
C (= M = M ) et S (= M = −M ) sont pris en compte, le mesurage donne idéalement N = S = 0 et
M 33 44 M 34 43 M M
C = 1 (matrice d’identité de 4 × 4).
M
Pour les dispositifs à élément rotatif (REE, de l’anglais « rotating element ellipsometer »), il convient que
les écarts de Ψ soient inférieurs à ±0,1° et que les écarts de Δ soient inférieurs à ±1°.
9.2 Simple mesurage des angles
9.2.1 Mesurage sur un échantillon connu, par exemple SiO2/Si, avec régression de l’angle
d’incidence
Une analyse incluant plusieurs angles d’incidence peut être utilisée pour vérifier le réglage correct de
l’angle d’incidence. Cette méthode est présentée sur les Figures 4 et 5. Si les angles d’incidence réels ne Formatted: Pattern: Clear
correspondent pas aux angles d’incidence nominaux, cela peut être révélé par un mesurage et une analyse
appropriés. Toutefois, une condition préalable est qu’un modèle robuste soit déjà disponible pour cette
analyse, y compris les constantes optiques, qu’il n’est pas nécessaire de déterminer dans un premier
temps. Dans le cas contraire, il est probable que le nombre de degrés de liberté soit trop élevé, auquel cas
la régression semble correcte alors qu’elle ne l’est pas. Par exemple, un échantillon d’étalonnage, qui a
déjà été caractérisé par un dispositif correctement réglé et pour lequel des enregistrements de données
corrects des constantes optiques de tous les matériaux et de l’épaisseur de couche sont ensuite
disponibles, est approprié à cette fin. Lorsqu’une mesure obtenue avec le matériau de référence à des
angles d’incidence mal réglés ou mal déterminés de 62°, 71° et 77° est comparée à une mesure obtenue
aux bons angles d’incidence de 65°, 70° et 75°, un net écart est observé (voir Figure 4). Formatted: Pattern: Clear
23131_ed1fig4.EPS
© ISO 2021 – Tous droits réservés
7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Légende
23131_ed1fig4_ke
λ nm y1.EPS 75° 23131_ed1fig4_key4.EPS 77°
23131_ed1fig4_ke
Δ degré y2.EPS 70° 23131_ed1fig4_key5.EPS 71°
23131_ed1fig4_ke
y3.EPS 23131_ed1fig4_key6.EPS
Ψ degré 65° 62°
1 25 nm de SiO2 sur Si
Figure 4 — Mesure obtenue sur un matériau de référence connu et à des angles d’incidence mal
réglés
L’analyse de l’enregistrem
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 23131
Première édition
2021-04
Ellipsométrie — Principes
Ellipsometry — Principles
Numéro de référence
ISO 23131:2021(F)
© ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions, symboles et termes abrégés . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles et termes abrégés . 1
4 Conditions expérimentales limites concernant l’échantillon . 2
5 Conditions expérimentales limites concernant le mesurage. 3
6 Conditions limites de la simulation corrélées au modèle . 4
7 Modèles de base . 4
7.1 Généralités . 4
7.2 Matériau monolithe (cas d’application no 1) . 5
7.3 Couche unique transparente (cas d’application no 2). 5
7.4 Couche unique semi-transparente (cas d’application no 3). 5
7.5 Couches multiples et couches périodiques (cas d’application no 4) . 5
7.6 Matériaux réels (cas d’application no 5) . 5
8 Données brutes . 5
9 Vérification du réglage correct du dispositif . 6
9.1 Mesurage en ligne droite . 6
9.2 Simple mesurage des angles . 6
9.2.1 Mesurage sur un échantillon connu, par exemple SiO2/Si, avec régression
de l’angle d’incidence . 6
9.2.2 Mesurage de l’angle de Brewster de l’eau, d’un solvant ou d’un verre
technique . 8
10 Vérification du bon étalonnage du dispositif . 9
11 Rapport d’essai .9
Annexe A (informative) Principes mathématique et physique de l’ellipsométrie .10
Bibliographie .15
iii
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 107, Revêtements métalliques et
autres revêtements inorganiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Introduction
La méthode de mesure de l’ellipsométrie est une technique de réflexion sensible à la phase utilisant
de la lumière polarisée dans le champ optique lointain. Au fil du temps, l’ellipsométrie s’est imposée
comme une méthode de mesure non exclusive au domaine de la technologie des semi-conducteurs,
en particulier dans la production intégrée, d’abord comme une méthode à une seule longueur d’onde,
puis comme une méthode à multiples longueurs d’onde et plus tard comme une méthode de mesure
spectroscopique.
Grâce à l’ellipsométrie, les constantes optiques ou diélectriques de tout matériau ainsi que les épaisseurs
de couche des couches ou systèmes de couches au moins semi-transparents peuvent être déterminées.
L’ellipsométrie est une méthode de mesure indirecte, dont l’analyse repose sur l’optimisation d’un
modèle. Les grandeurs mesurées, qui diffèrent selon le principe opératoire, sont convertis en facteurs
ellipsométriques Ψ (Psi, information d’amplitude) et Δ (Delta, information de phase), sur la base
desquels les valeurs physiques cibles étudiées (constantes optiques ou diélectriques, épaisseurs de
couche) seront ensuite déterminées au moyen d’une régression paramétrée.
L’ellipsométrie offre une haute précision en ce qui concerne les grandeurs de transfert ellipsométriques
Ψ et Δ, qui peut être équivalente à une sensibilité d’épaisseur de couche de 0,1 nm pour les systèmes
substrat/couche parfaits. La méthode de mesure peut donc vérifier les écarts même les plus minimes
des caractéristiques de surface. Cela est étroitement lié à l’homogénéité et à l’isotropie de la surface du
matériau. Afin d’obtenir une haute précision, il est nécessaire de réaliser les mesurages exactement au
niveau du même point pour les matériaux non homogènes. Il en va de même pour l’orientation du plan
d’incidence par rapport à la surface du matériau pour les matériaux anisotropes.
La précision absolue, par exemple de valeurs d’épaisseur de couche, dépend grandement de la qualité du
modèle choisi pour décrire la surface du matériau. Pour les systèmes substrat/couche parfaits, tels que
SiO (couche transparente parfaite) sur une tranche de Si (surface de substrat quasiment atomiquement
2
lisse ayant des propriétés de matériau homogène et isotrope), la précision de l’épaisseur de couche peut
effectivement atteindre les valeurs absolues, étant donné que le modèle décrit parfaitement la réalité
du système substrat/couche. Pour les surfaces ou couches non homogènes, anisotropes, contaminées,
à multiples composés, endommagées, imparfaites ou rugueuses, la précision de la détermination de
l’épaisseur de couche peut être nettement moindre et dépend généralement de la qualité du modèle
choisi.
Malgré ces restrictions, l’ellipsométrie est une méthode très efficace, qui soit permet de caractériser
les matériaux (sans modélisation), soit permet une détermination à partir d’un modèle des constantes
optiques et diélectriques (à 0,001 près) ou des épaisseurs de couche (à 0,1 nm) dans une vaste plage
d’épaisseur de couche entre environ 0,1 nm et environ 10 µm (dans des cas particuliers, au-delà
de 100 µm).
v
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 5 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 23131:2021(F)
Ellipsométrie — Principes
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie une méthode de détermination des constantes optiques et diélectriques
dans la gamme spectrale UV-VIS-PIR ainsi que des épaisseurs de couche dans le domaine du contrôle
de production sur ligne, de l’assurance qualité et de la mise au point de matériau par des laboratoires
d’essai accrédités.
Il s’applique aux systèmes de mesure indépendants. La présentation de l’incertitude des résultats est
conforme à l’ISO/IEC Guide 98-3.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure
(GUM: 1995)
3 Termes et définitions, symboles et termes abrégés
3.1 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.2 Symboles et termes abrégés
Symbole ou
Description
terme abrégé
P polariseur
C compensateur
S échantillon
A analyseur
POI plan d’incidence de la lumière, formé par la normale à la surface et la direction de propa-
gation de la lumière incidente
POP plan de polarisation de la lumière, formé par le vecteur de champ électrique et la direction
de propagation de la lumière incidente
Ψ, Δ grandeurs de transfert ellipsométriques Psi et Delta, qui servent de données brutes à
conserver, par exemple conformément à l’ISO/IEC 17025
φ angle d’incidence entre l’onde lumineuse incidente et l’axe d’incidence
d épaisseur de couche
1
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
4 Conditions expérimentales limites concernant l’échantillon
Les Figures 1 et 2 représentent de manière schématique un mesurage ellipsométrique en tant que
technique de réflexion sensible à la phase utilisant de la lumière polarisée; tant en ce qui concerne les
aspects photo-optiques (voir Figure 1) qu’en ce qui concerne les aspects métrologiques (voir Figure 2).
Légende
1 échantillon
2 POI
φ angle d’incidence
Figure 1 — Représentation schématique du trajet optique/de l’état de polarisation avant et
après réflexion (surface de substrat, axe et angle d’incidence, trajet optique/onde lumineuse,
polarisation s et p)
Légende
1 polariseur
2 compensateur
3 échantillon
4 analyseur
5 détecteur
6 source de lumière
Figure 2 — Représentation schématique du montage métrologique
(source de lumière, configuration P-C-S-A)
2
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
Il convient de fixer préalablement d’un commun accord les conditions expérimentales limites suivantes
concernant l’échantillon et, si cela est pertinent, de les documenter dans le rapport d’essai:
— déterminer/spécifier le point de mesure (évaluation de l’homogénéité) et l’orientation de l’échantillon
(évaluation de l’isotropie);
— état de la surface: faire une micrographie de la surface si nécessaire;
— topographie de la surface: si nécessaire, mesurer la rugosité de la surface;
— autres propriétés de l’échantillon à prendre en compte ou à corriger:
— échantillons courbes ou angulaires;
— influence de la réflexion par la face arrière (pour les échantillons transparents), le cas échéant;
— surface en l’état ou nettoyée;
— fixation de l’échantillon.
5 Conditions expérimentales limites concernant le mesurage
Il convient de fixer préalablement d’un commun accord les conditions expérimentales limites suivantes
concernant le mesurage et, si cela est pertinent, de les documenter dans le rapport d’essai:
— indication du type d’ellipsomètre utilisé: ellipsomètre d’imagerie ou ellipsomètre de cartographie
(manuel ou automatique);
— pour les ellipsomètres d’imagerie, les facteurs suivants sont pertinents: taille résultante du
champ de mesure/de la région d’intégration [champ d’illumination (FOI, de l’anglais « field of
illumination »): surface de l’échantillon qui est illuminée par la lumière incidente, champ de vision
(FOV, « field of view »): surface de l’échantillon dans le FOI à partir de laquelle la lumière est collectée
par les coordonnées d’origine du détecteur, région d’intérêt (ROI, « region of interest »): surface de
l’échantillon dans le FOV qui est pertinente pour le mesurage];
— pour les ellipsomètres de cartographie, les facteurs suivants sont pertinents: [champ d’illumination
(FOI): surface de l’échantillon qui est illuminée par la lumière incidente, champ d’analyse (FOA,
« field of analysis »): surface de l’échantillon dans le FOI à partir de laquelle la lumière est collectée
par les coordonnées d’origine du détecteur];
— configurations de l’ellipsomètre: [P-S-A, P-C-S-A, P-S-C-A ou P-C-S-C-A];
— principe de l’ellipsomètre [ellipsomètre à analyseur rotatif (RAE, « rotating analyser ellipsometer »),
ellipsomètre à polariseur rotatif (RPE, « rotating polarizer ellipsometer »), ellipsomètre à modulation
de phase (PME, « phase modulated ellipsometer »), ellipsomètre à compensateur rotatif (RCE,
« rotating compensator ellipsometer »), ellipsomètre à annulation (NE, « nulling ellipsometer »),
ellipsomètre à pas de balayage (SSE, « step scan ellipsometer »), ellipsomètre spectroscopique
référencé (RSE, « referenced spectral ellipsometer »), etc.];
— classe d’ellipsométrie [ellipsométrie à une seule longueur d’onde (SWE, « single-wavelength
ellipsometry »), ellipsométrie à multiples longueurs d’onde (MWE, « multiple-wavelength
ellipsometry »), ellipsométrie spectroscopique (SE, « spectroscopic ellipsometry »)];
— domaine spectral utilisé et résolution spectrale résultante, qui dépendent notamment de la source
de lumière et du spectromètre utilisés;
— angle d’incidence, mesurage selon plusieurs angles pour la vérification du modèle, de préférence/au
moins selon deux angles d’incidence sensiblement différents;
— orientation de l’échantillon sur la platine pour échantillon;
— position du FOV ou du FOA sur l’échantillon;
3
© ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 23131:2021(F)
— alignement de l’échantillon par rapport au plan d’incidence (POI) et/ou par rapport au plan de
polarisation (POP).
6 Conditions limites de la simulation corrélées au modèle
Les conditions limites suivantes concernant la simulation doivent être fixées préalablement d’un
commun accord et, si cela est pertinent, être documentées dans le rapport d’essai:
— définition du modèle ellipsométrique (matériau du substrat, rugosité, architecture des couches,
matériaux des couches, épaisseurs de couche initiales et paramètres de régression);
— application de valeurs issues d’une base de données pour les constantes optiques ou diélectriques
ou détermination expérimentale distincte de ces constantes pour des paramètres sans régression;
— formules de dispersion appliquées.
L’application d’une procédure de régression itérative (voir Figure 3) visant à obtenir le plus faible
écart moyen de la racine carrée (D ) entre les courbes d’évolution mesurées et simulées de Ψ ou Δ
RMS
conformément à la Formule (A.20) donnera les paramètres de régression voulus, tels que l’épaisseur de
couche et l’indice de réfraction.
NOTE Conformément à l’ISO/IEC Guide 98-3, le terme « erreur » n’est plus utilisé; toutefois, dans bon nombre
de produits logiciels, le terme d’erreur quadratique moyenne (RMSE, de l’anglais « root mean square error ») peut
être rencontré à la place de D .
RMS
Figure 3 — Représentation schématique de la procédure de régression itérative
7 Modèles de base
7.1 Généralités
Les grandeurs de transfert ellipsométriques Ψ et Δ constituent une carte d’identité spectrale de la
surface de l’échantillon et peuvent donc être également utilisées pour l’identification des matériaux.
Pour la détermination des c
...
FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 23131
ISO/TC 107
Ellipsometry — Principles
Secretariat: KATS
Voting begins on: Ellipsométrie — Principes
20210101
Voting terminates on:
20210226
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO
ISO/FDIS 23131:2021(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
©
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols and abbreviated terms. 1
4 Experimental boundary conditions with respect to the sample . 2
5 Experimental boundary conditions with respect to the measurement .3
6 Model-correlated boundary conditions of the simulation. 4
7 Basic models . 4
7.1 General . 4
7.2 Bulk material (case 1 of application) . 5
7.3 Transparent single layer (case 2 of application) . 5
7.4 Semi-transparent single layer (case 3 of application) . 5
7.5 Multiple layers and periodic layers (case 4 of application) . 5
7.6 Effective materials (case 5 of application) . 5
8 Raw data . 5
9 Verification of correct adjustment of the device . 5
9.1 Straight line measurement . 5
9.2 Simple measurement of angles . 6
9.2.1 Measurement on a known sample, e.g. SiO /Si, with fitting of the angle of
2
incidence . 6
9.2.2 Measurement of the Brewster’s angle of water, of a solvent or of technical glass . 8
10 Verification of the device regarding correct calibration . 9
11 Test report . 9
Annex A (informative) Mathematical and physical principles of ellipsometry.10
Bibliography .15
© ISO 2021 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and nongovernmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 107, Metallic and other inorganic coatings.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
Introduction
The ellipsometry measuring method is a phase-sensitive reflection technique using polarized light in
the optical far-field. Over a long time, ellipsometry has been established as a non-invasive measuring
method in the field of semiconductor technology — especially within the integrated production — in
the first instance as a single-wavelength, then as a multiple-wavelength and later as a spectroscopic
measuring method.
By means of ellipsometry, optical or dielectric constants of any material as well as the layer thicknesses of
at least semi-transparent layers or layer systems can be determined. Ellipsometry is an indirect measuring
method, the analysis of which is based on model optimization. The measurands, which differ according to
the procedural principle, are converted into the ellipsometric factors Ψ (Psi, amplitude information) and Δ
(Delta, phase information), based on which the physical target figures of interest (optical or dielectric
constants, layer thicknesses) will then be determined by means of a parameterized fit.
Ellipsometry shows a high precision regarding the ellipsometric transfer quantities Ψ and Δ, which can
be equivalent to a layer thickness sensitivity of 0,1 nm for ideal layer substrate systems. As a result,
the measuring method can verify even the slightest discrepancies in the surface characteristics.
This is closely linked to the homogeneity and the isotropy of the material surface. In order to achieve
high precision, carrying out measurements at the exact same measuring point is a prerequisite for
inhomogeneous materials. The same applies to the orientation of the incident plane relative to the
material surface for anisotropic materials.
The absolute accuracy, e.g. of layer thickness values, substantially depends on the quality of the
chosen model for describing the material surface. For ideal layer substrate systems, such as SiO (ideal
2
transparent layer) on a Si wafer (nearly atomically smooth substrate surface with homogeneous and
isotropic material properties), the accuracy of the layer thickness can indeed reach the precision
values, since the model describes the reality of the layer substrate system in an ideal manner. For
inhomogeneous, anisotropic, contaminated, multicomponent, damaged, imperfect or rough surfaces
or layers, the accuracy of the layer thickness determination can be significantly lower and generally
depends on the quality of the chosen model.
Despite these limitations, ellipsometry is a powerful procedure, which either enables material
fingerprints (without modelling) or which allows a model-based determination of optical and dielectric
constants (to the nearest 0,001) or of layer thicknesses (to the nearest 0,1 nm) within a broad layer
thickness range of approximately 0,1 nm up to approximately 10 µm (in special cases exceeding
100 µm).
© ISO 2021 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 23131:2021(E)
Ellipsometry — Principles
1 Scope
This document specifies a method for determining optical and dielectric constants in the UV-VIS-NIR
spectral range as well as layer thicknesses in the field of at-line production control, quality assurance
and material development through accredited test laboratories.
It is applicable to stand-alone measuring systems. The presentation of the uncertainty of results
conforms to ISO/IEC Guide 983.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/IEC Guide 983, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in
me a s ur ement (GUM: 1995)
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms
3.1 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.2 Symbols and abbreviated terms
Symbol or abbre-
Description
viated term
P polarizer
C compensator
S sample
A analyzer
POI plane of incidence of light, formed by the normal to the surface and the direction of
propagation of the incident light
POP plane of polarization of light, formed by the electric field vector and the direction of
propagation of the incident light
Ψ, Δ ellipsometric transfer quantities Psi and Delta, which serve as raw data to be stored,
e.g. in accordance with ISO/IEC 17025
φ angle of incidence between the incident light wave and the axis of incidence
d layer thickness
© ISO 2021 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
4 Experimental boundary conditions with respect to the sample
Figures 1 and 2 schematically represent an ellipsometric measurement as a phase-sensitive reflection
technique using polarized light; both under photo-optical aspects (see Figure 1) as well as under
metrological aspects (see Figure 2).
Key
1 sample
2 POI
φ angle of incidence
Figure 1 — Schematic representation of the optical path/polarization state before and after
reflection (substrate surface, axis and angle of incidence, optical path/light wave, s- and
p-polarization)
Key
1 polarizer
2 compensator
3 sample
4 analyser
5 detector
6 light source
Figure 2 — Schematic representation of the metrological arrangement
(light source, P-C-S-A configuration)
2 © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
The following experimental boundary conditions with respect to the sample should be agreed upon in
advance and, if relevant, be documented in the test report:
— determine/specify the measuring point (evaluation of homogeneity) and the sample orientation
(evaluation of isotropy);
— surface condition: take a micrograph of the surface if necessary;
— surface topography: if necessary, measure the surface roughness;
— further sample properties to be considered or corrected:
— curved and wedged samples;
— influence of backside reflection (for transparent samples), if present;
— surface as-delivered or cleaned;
— fixation of the sample.
5 Experimental boundary conditions with respect to the measurement
The following experimental boundary conditions with respect to the measurement should be agreed
upon in advance and, if relevant, be documented in the test report:
— indication of whether an imaging ellipsometer or a mapping ellipsometer (manual or automatic) is
concerned;
— for imaging ellipsometers the following factors are relevant: resulting size of the measuring field/
of the region of integration [FOI (field of illumination: sample surface that is illuminated by the
incident light), FOV (field of view: sample surface within the FOI from which the light collected by
the detector originates), ROI (region of interest: sample surface within the FOV that is relevant for
the measurement)];
— for mapping ellipsometers the following factors are relevant: resulting size of the measuring field/
of the region of integration [FOI (field of illumination: sample surface that is illuminated by the
incident light), FOA (field of analysis: sample surface within the FOI from which the light collected
by the detector originates)];
— ellipsometer configurations: [P-S-A, P-C-S-A, P-S-C-A or P-C-S-C-A];
— ellipsometer principle [RAE (rotating analyser ellipsometer), RPE (rotating polarizer ellipsometer),
PME (phase modulated ellipsometer), RCE (rotating compensator ellipsometer), NE (nulling
ellipsometer), SSE (step scan ellipsometer), RSE (referenced spectral ellipsometer), etc.];
— ellipsometry class [SWE (single-wavelength ellipsometry), MWE (multiple-wavelength ellipsometry),
SE (spectroscopic ellipsometry)];
— spectral range used and resulting spectral resolution, especially dependent on the light source and
the spectrometer used;
— angle of incidence, multiple-angle measurement for the verification of the model, preferably/at least
for two substantially different angles of incidence;
— orientation of sample on the sample stage;
— position of the FOV or FOA on the sample;
— alignment of the sample relative to the plane of incidence (POI) and/or relative to the plane of
polarization (POP).
© ISO 2021 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/FDIS 23131:2021(E)
6 Model-correlated boundary conditions of the simulation
The following boundary conditions with respect to the simulation shall be agreed upon in advance and,
if relevant, be documented in the test report:
— definition of the ellipsometric model (substrate material, roughness, layer architecture, layer
materials, initial layer thicknesses and fit parameters);
— application of database values for optical or dielectric constants or separate experimental
determination of these constants for non-fit parameters;
— applied dispersion formulae.
The condition that the root mean square deviation (D ) between measured and simulated curve
RMS
progressions of Ψ or Δ in accordance with Formula (A.20) will become minimal, will deliver the desired
fit parameters, such as layer thickness and refractive index, as the result of an iterative fit procedure
(see Figure 3).
NOTE In accordance with ISO/IEC Guide 98-3, the term “error” is no longer used; however, root mean square
error (RMSE), instead of D , can be found in many software products.
RMS
Figure 3 — Schematic representation of the iterative fit procedure
7 Basic models
7.1 General
The ellipsometric transfer quantities Ψ and Δ represent a spectral fingerprint of the surface of the
sample and thus can also be used for material identification. When determi
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.