Techniques microscopiques

L'objectif de Mirau

Il s'agit d'une adaptation de l'interféromètre de Michelson à la microscopie. Son schéma de principe est donné figure 17.


   
    Figure 17 : Schéma de principe de l'objectif de Mirau
Figure 17 : Schéma de principe de l'objectif de Mirau [zoom...]Info

Un tel objectif s'utilise en épiscopie. La lumière injectée par l'éclairage Köhler est focalisée par l'objectif (voir Fig.17) puis séparée en deux ondes par la lame semi-réfléchissante. Les deux faisceaux se réfléchissent, sur l'échantillon pour l'un, sur le miroir de référence pour l'autre, puis sont recombinés par la lame semi-réfléchissante. Cela conduit à observer des franges d'égale épaisseur superposées à l'image de l'objet (voir Fig.18). Pour des raisons de coût en lien avec la grande frontale requise pour placer mécaniquement l'interféromètre et également des raisons plus fondamentales évoquées ultérieurement, les objectifs de Mirau ont usuellement des ouvertures numériques relativement faibles ( ). Ceci conduit à une latitude axiale de mise au point (de l'ordre de ) très supérieure au déplacement nécessaire pour modifier sensiblement les franges (un déplacement axial de change le déphasage de radians, et donc l'ordre d'interférence de ±1). Le mouvement fin de mise au point du microscope déplace donc fortement les franges dans le champ alors même que la netteté de l'objet évolue peu.


   
    Figure 18 : Image donnée en lumière blanche par un objectif de Mirau
Figure 18 : Image donnée en lumière blanche par un objectif de Mirau [zoom...]Info

Les franges rectilignes traduisent essentiellement une très légère inclinaison entre le substrat et le miroir de référence de l'objectif de Mirau. Le relief des motifs est caractérisé par le déplacement des franges par rapport à celles présentes sur le substrat.

Ces franges matérialisent des courbes d'iso-déphasage plus ou moins caractéristiques du relief de l'échantillon. Un tel interférogramme peut être analysé par toutes les techniques classiques utilisées en contrôle interférométrique d'objet macroscopiques. En particulier, il est possible et même relativement classique d'utiliser la technique du glissement de phase (‘phase-shift') [] en plaçant l'objectif de Mirau sur une cale piézoélectrique, afin d'induire un mouvement axial contrôlé du bloc objectif + lame semi-réfléchissante + miroir de référence par rapport à la surface de l'échantillon à étudier (voir Fig.19), ce qui donne accès à une cartographie du relief de haute précision (de l'ordre de ) ayant par ailleurs une résolution latérale correspondant au pouvoir de résolution d'un objectif de microscope.


   
    Figure 19 : Photographie d'un objectif de Mirau commercial et de la cale piézoélectrique permettant de réaliser le ‘phase-shift'
Figure 19 : Photographie d'un objectif de Mirau commercial et de la cale piézoélectrique permettant de réaliser le ‘phase-shift' [zoom...]Info

On remarquera également la platine porte échantillon spéciale avec réglage micrométrique de basculement 2 axes qui permet de régler finement le parallélisme de l'échantillon et du miroir de référence de l'objectif de Mirau (contrôle du nombre de franges visibles dans le champ).

Les franges données par l'objectif de Mirau sont fondamentalement reliées à la phase de la lumière après réflexion sur l'échantillon (comparativement à la phase de la lumière réfléchie sur le miroir de référence). Ceci peut soulever quelques problèmes pratiques et des difficultés d'interprétation :

  • Tout d'abord, à une longueur d'onde donnée, le déphasage entre les deux ondes dans la lame d'air d'épaisseur e de l'interféromètre de Michelson, n'est bien défini que pour un angle d'incidence donné [expression ) bien connue]. L'ouverture numérique de l'objectif doit donc être limitée pour éviter une chute du contraste des franges lorsque l'on s'éloigne de la frange d'ordre 0 et donner un lien clair entre le déphasage et l'épaisseur locale de la lame d'air à caractériser.

  • Si l'on travaille avec un éclairage monochromatique, les franges ont un contraste indépendant de l'ordre d'interférence. Dans le cas d'objet présentant des marches abruptes ayant des dénivelés plus grand que , il n'est plus possible de déterminer la hauteur des marches par suite de la détermination modulo de la phase. On peut lever cette indétermination en travaillant en lumière blanche (revoir la Fig.18 où l'on constate, par exemple, un déplacement de deux interfranges sur le motif rectangulaire en haut à gauche de la photographie). Il est en fait possible d'étendre la technique du ‘phase-shift' à la lumière à faible cohérence temporelle pour combiner précision nanométrique et dynamique élevée de mesure [].

  • Dans le cas d'un échantillon inhomogène, par exemple constitué d'un substrat de silicium sur lequel sont déposés des motifs localisés de diélectrique transparent comme de la résine ou encore des empilements localisés de différents matériaux (oxyde, nitrure, résine, ...), le déphasage de l'onde à la réflexion en différents points de l'échantillon dépend de la structure locale de l'échantillon (indices de réfraction, épaisseurs), de la longueur d'onde, de l'angle d'incidence et de la polarisation (problème d'électromagnétisme, voir par exemple []). La différence de phase entre l'onde réfléchie entre deux empilements voisins n'est alors pas directement reliée à la différence de hauteur des empilements. De surcroît, la dépendance avec l'angle d'incidence et avec la longueur d'onde du déphasage à la réflexion sur un empilement de matériaux diffère, éventuellement fortement, de celle sur le miroir de référence, ce qui peut conduire à une variation du contraste des franges suivant la structure locale de l'objet (Voir Fig.20). Ces phénomènes rendent l'interprétation des données brutes très délicates dès que l'objet n'est pas constitué de simples variations d'altitude de la surface d'un matériau homogène épais [ ].


   
    Figure 20 : Variation du contraste des franges données par un objectif de Mirau en fonction de la nature locale de l'objet
Figure 20 : Variation du contraste des franges données par un objectif de Mirau en fonction de la nature locale de l'objet [zoom...]Info

Microphotographie en lumière blanche avec objectif de Mirau 10×/0,30 de motifs de résine transparente sur un substrat de silicium. La différence de contraste des franges (en particulier de la frange noire d'ordre 0) entre les différentes régions est bien visible ici.

AccueilOutils transversesNouvelle pageInformations sur le cours (ouvrir dans une nouvelle fenêtre)GénéralitésContraste interférentiel différentiel ‘NOMARSKI'