Brevet FR2028342A1 — publié le 19701009

Ha présente invention concerne un appareil utilisant des configurations d'interférences optiques pour déterminer l'épaisseur d'un film transparent. Dans l'art antérieur, l'épaisseur d'un film était déterminé manuellement en utilisant des techniques d'interférences lumineuses. Cette technique ma-5 nuelle est trop lente lorsque l'on doit mesurer des quantités importantes de films. L'objet de la présente invention est un nouvel appareil qui mesure automatiquement une épaisseur de film et en beaucoup moins de temps qu'avec les techniques manuelles de l'art antérieur. On utilise habituellement des films 10 d'oxyde transparents sur des pastilles de silicium dans l'industrie des semiconducteurs comme masque pour la diffusion d'impûretés et pour passivation ultérieure. Lorsqu'on doit traiter un grand nombre de pastilles semiconductri-ces, la technique manuelle lente de l'art antérieure n'est pas adéquate. La présente invention est un appareil de mesure d'épaisseur de film qui est rapide, 15 non destructeur et complètement automatique. L'appareil comprend un circuit qui est l'analogie électrique de la formule exprimant l'épaisseur du film en fonction de l'angle d'incidence d'un faisceau lumineux incident au film quand on obtient des maxima ou des minima d'intensité lumineuse dans la configuration d'interférence lumineuse formée. 20 D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit» fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent des modes de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un diagramme de blocs schématiques du nouvel appareil automatique de mesure d'épaisseur de film; 25 La figure 1A est un diagramme de blocs schématiques partiel d'une modifi cation de la figure 1j La figure 2 représente un diagramme de blocs schématiques partiel d'une autre modification de la figure 1; La figure 3 représente un diagramme de circuit schématique du circuit 30 analogique électrique de la figure 1; La figure 4 représente un diagramme de circuit détaillé du détecteur de minimum de la figure 1j La figure 5 représente un diagramme de circuit détaillé du circuit analogique de la figure 1. 35 Dans la réalisation préférée décrite dans la figure 17 la lumière prove nant d'une lampe à incandescence 10 est rendue parallèle par les fentes 12 et 14 afin de former un faisceau lumineux 16 qui traverse un polariseur 17 et qui est réfléchie par un miroir semi-argenté 18 sur un miroir 20. On pourrait aussi rendre le faisceau parallèle à l'aide d'une ouverture convenable 40 et de lentilles. La lumière est réfléchie du miroir 20 de telle sorte qu'elle 69 44496 2 2028342 soit incidente à un film d'oxyde transparent 22 sur une pastille de silicium 24. On définit l'angle d'incidence comme l'angle $ compris entre le faisceau incident et la normale au plan du film. La lumière est réfléchie à la fois de la surface extérieure 26 et de la surface de fond 28 du film à. travers 5 le miroir semi-argenté 18 vers un filtre monochromatique 30 et un photodétec-teur, tel qu'un tube photomultiplicateur 32. La lumière réfléchie des surfaces 26 et 28 forme une configuration d'interférences consistant en franges, avec des minima et des maxima d'intensité lumineuse. Lorsque le détecteur 32 produit un courant minimum correspondant à une intensité de lumière minimale, 10 un détecteur de minimum de courant 34 produit une impulsion de commande 38 sur la ligne 36 qui fait fonctionner un voltmètre numérique 40 pour la lecture d'un signal de potentiel apparaissant sur la ligne 42. Un courant "minimum" I n'est pas nécessairement la valeur la plus faible du courant. On définit un minimum comme point de pente nul de la courbe de courant, où la modification 15 dans la direction de la courbe est positive sur les deux côtés du point. Cela signifie, que la première dérivée est nulle et que la seconde dérivée est dX 2 positive, ou -7T «0 et d 1, 2 est positive. Bien que l'on puisse aussi dé- 'd $ tecter un maximum d'intensité lumineuse à l'aide d'un détecteur de maximum de courant, la réalisation illustrée de l'invention utilise les minima, puis-20 que les minima d'une configuration d'interférence ont une définition supérieure au maxima. On fait varier l'angle d'incidence $ en faisant tourner le miroir 20 Bt le film 22 autour de l'axe 44. Le miroir 20 est monté sur un mandrin à vide 46 qui maintient la pastille 24 en place de telle sorte qu'il n'existe 25 aucun mouvement relatif entre le miroir 20 et la pastille. On fait tourner l'assemblage autour de l'axe à l'aide d'un arbre 48 commandé par un moteur qui commande aussi un générateur de fonction cosinus électromécanique, tel qu'un potentiomètre à cosinus 50, qui est relié électriquement à un circuit analogique électrique 52 comme représenté avec plus de détails dans les figures 30 3 et 5. La sortie de potentiel provenant du circuit 52 apparaissant sur la ligne 42 en même temps que le minimum d'intensité lumineuse est incidente au tube photomultiplicateur 32 et est proportionnelle à l'épaisseur du film 22. L'impulsion 38 met en marche le voltmètre 40 qui indique alors la valeur du potentiel sur la ligne 42. Pour las valeurs de circuit choisi selon les 35 discussions plus détaillées ci-dessous, le voltmètre donnera l'épaisseur du film directement en millimicrons ou en angstroms» Le système décrit détecte le premier minimum qui se produit, c'est-à-dire, le minimum à l'angle d'incidence le plus petit. On suppose que l'épaisseur approximative du film est connue de telle sorte que l'ordre P est aussi 44496 3 2028342 connu. Si l'ordre P n'est pas connu,-alors on réalise deux mesures en utilisant des longueurs d'onde de lumière différentes, ce qui permet d'obtenir la solution de deux équations simultanées oâ l'ordre P n'a pas besoin d'Stre connu, □n suppose aussi que le voltmètre 40 a été calibré pour la longueur d'onde 5 du filtre 30. On peut utiliser d'autres filtres à condition de recalibrer le voltmètre. Le système est conçu pour des épaisseurs de film de 200 à 3000 millimicrons, c'est-à-dire,, 2000 Angstroms à 30 000 Angstroms. Pour des films plus épais ou des angles de rotation plus importants, on peut détecter plus de un minimum et dans ce cas un compteur doit être incorporé pour compter 10 des minimas de telle sorte que les lectures du voltmètre numérique puissent Ôtre interprétées correctement. On représente une modification de l'invention dans la figure 1A où l'arbre 48 commande un codeur d'angle d'arbre numérique 53 qui produit des signaux de sortie électrique binaires représentant l'angle de l'arbre, c'est-à-dire. 15 l'angle d'incidence du faisceau lumineux 16 sur le film 22. Les signaux binaires sont convertis par un convertisseur numérique-analogique 54 en un potentiel analogique continu qui commande le voltmètre numérique 40. Le voltmètre est conditionné pour mesurer et afficher la valeur de l'angle d'incidence chaque fois qu'une impulsion de commande 38 est engendrée par la production d'un 20 minimum d'intensité lumineuse. Naturellement, comme dans la réalisation de la figure 1, on peut utiliser un détecteur d'intensité maximum, de telle sorte que l'angle d'incidence soit mesuré comme maximum d'intensité plutôt que comme un minimum. Une fois que l'angle d'incidence a un maximum ou minimum d'intensité et est enregistré par le voltmètre 40, on peut calibrer l'épaisseur du film 25 22 à l'aide de l'équation 12} ci-dessous. On représente une modification de l'invention dans la figure 2. Là la sortie du tube photomultiplicateur 32 est relié à l'entrée Y d'un enregistreur XY. De plus, l'arbre 48 commande un potentiomètre linéaire dont la sortie est reliée à l'entrée X de telle sorte qu'un tracé de l'intensité lumineuse 30 en fonction de l'angle d'incidBnce est obtenu. Dans ce cas, on fait tourner manuellement ou à l'aide d'un moteur, le film 22 et le miroir 20 et l'on calcule l'épaisseur du film à l'aide des équations CD, 12) ou (3) ci-dessous en utilisant l'angle auquel se produit un maximum ou un minimum d'intensité sur l'enregistreur. 35 La figure 3 représente un dessin schématique du circuit analogique élec trique 52 de la figure 1. Le circuit comprend une alimentation de potentiel alternatif V Cà 60 cycles par secondes, par exemple), un condensateur C et un potentiomètre à cosinus 65 formé d'une résistance et d'un curseur 62* Le curseur 62 est commandé par l'arbre 48 de la figure 1. Reliée aussi 40 en série avec le circuit se trouve une résistance d'échantillonnage r dont 69 44496 4 2028342 25 la valeur est beaucoup plus petite que celle de la résistance R1, la partie de résistance du potentiomètre dans le circuit CR1 * R cos 0). Le poten- max tiel obtenu aux bornes de la résistance r est le signal de potentiel analogique de sortie du circuit qui apparait sur le conducteur 42 de la figure 1. Le courant I s'éoculant dans le circuit 52 est défini par l'équation suivantes (V/R ) |I | . 222 . , (1) rv 2,q2 „ 2Q1 1/2 CX„ /R + cos 0) c max ou potentiel alternatif appliqué 10 R » résistance maximum du potentiomètre à cosinus X - Réactance du condensateur à la fréquence de V. 8 «Le déplacement angulaire de l'arbre du potentiomètre 40 par rapport à une position de référence; B» Le potentiomètre à cosinus 50 est réglé de telle sorte que 8 puisse être identifié avec l'angle d'incidence Le potentiomètre 50 est conçu de telle sorte que la résistance en série avec le circuit soit R * R cos 8. L'équa- rnax 20 tion CD représente une analogie électrique de la formule de l'épaisseur du film qui proviendrait d'un calcul de la différence des trajets optiques d'un faisceau lumineux réfléchi par les surfaces du sommet et du fond du film en un point Cpar exemple, la position du tube photomultiplicateur. 32) et de 1'application de la loi de Snell. La formule est» P * „ f 2 ,2 .,1/2 2 Cv - sin f) C2) ou t = l'épaisseur du film $ l'angle d'incidence du faisceau 16 sur le film 22 y est l'indice de rétraction du film 30 x est la longueur d'onde de la lumière transmise par le filtre 30 P est l'ordre du minimum Cou maximum) détecté par le tube photomultiplicateur 32 et 8st égal à Cn+1/2) pour un minimum Cet à n pour un maximum) où n est 35 un nombre entier positif. Si on le désire, on peut utiliser un circuit électrique qui soit l'analo 69 44496 5 2028342 gie de l'équation C2), auquel oas le circuit comprendrait un potentiomètre à sinus. Si l'épaisseur approximative du film est connue, l'ordre P est aussi connu pour une langueur d'onde particulière. Si 1'épaisseur^approximative n'est pas connue, on peut établir P en détectant plus d'un minimum correspondant à des mongueurs d'onde différentes. □n peut réécrire l'équation [2) comme suit: P X (3) 2 icy2 - 13 «• cos2bi 1/2 L'équation CD représente une analogie électrique de l'équation C3J, 10 et le circuit électrique correspondant est représenté dans la figure 3. Si les valeurs des composants du circuit CD sont choisies de telle sorte que V « 4A. , et R max 2 X c 2 R2 max U - 1 où y est l'indexe de réfraction du film 22, alors le courant |l| est propor- 15 tionnel à l'épaisseur du film t à l'angle auquel se produit un minimum. En pratique, la longueur d'onde du filtre 30 se trouve dans le domaine . visible ou ultraviolet inférieur. Au lieu d'une lampe incandescente et d'un filtre monochromatique 30, on pourrait obtenir le faisceau lumineux à l'aide d'un laser dont la sortie est cohérente et monochromatique. 20 Dans une autre réalisation, on remplace le condensateur par un inducteur et c'est une réactance d'induction X. qui remplacerait le terme X dans les u c équations précédentes. La figure 4 représente les détails du détecteur de minimum 34 de la figure 1. Le détecteur 34 est formé d'un amplificateur 64, d'un lecteur de pic 25 négatif et de circuit de mémoire 66 et d'un comparateur de potentiel 68. On applique la sortie du tube photomultiplicateur 32 à l'entrée de l'amplificateur 64 dont la sortie est par rapport au potentiel de masse d'approximativement --3 volts à la sortie minimum du photomultiplicateur. Le circuit 66 maintient le potentiel le plus négatif de la sortie de l'amplificateur 64. Les sorties 30 provenant à la fois de l'amplificateur 64 et du circuit 66 sont appliquées comme entrée au comparateur de potentiel 68. Les signaux provenant de l'amplificateur et du lecteur de pic négatif sont égaux jusqu'à ce que se produise un minimum d'intensité lumineuse. Lorsque ces signaux ne sont plus égaux, le comparateur de potentiel change d'état et produit l'impulsion de commande 69 44496 6 2028342 30 qui transfère le signal de potentiel sur la ligne 42 au voltmètre 40. La figure 5 représente avec plus de détail le circuit électrique analogique 52 et un procédé de califaration du système. La sortie de potentiel provenant de la résistance r est reliée à un amplificateur convertisseur de cou-5 rant alternatif en courant continu 70 dont les bornes de sortie 72 sont reliées aux bornes du voltmètre 40. On calibre le système en déconnectant le potentiomètre 50 du circuit et en appliquant un potentiel continu d'un volt aux bornes du potentiomètre à cosinus 50. Le voltmètre numérique 40 est alors connecté pour lire la position du curseur 62 c'est-à-dire, R1= R cos 0. Le curseur max 10 62 est alors réglé pour lire le cosinus de l'angle auquel se produit un minimum d'intensité lumineuse sur un échantillon standard du type du film à mesurer. On régie alors la valeur du condensateur C de telle sorte que 2 2 2 X =Cjj - DR -Le système est alors reconnecté comme représenté dans c max la figure 5, et le curseur 74 est réglé jusqu'à ce que le potentiel mesuré 15 aux bornes de la résistance r ait une valeur produisant une lecture directe de l'épaisseur de l'échantillon standard en rnillimicrons ou angstroms. Si l'on désire utiliser un maximum d'intensité pour mesurer l'épaisseur du film, on peut modifier facilement le circuit de la figure 4 de telle sortie qu'il détecte et emmagasine les valeurs d'un pic positif, et de telle sorte 20 que le comparateur produise une impulsion de commande lors de la production d'un maximum. De plus, on calibre alors le système en réglant le curseur 62 pour lire le cosinus de l'angle auquel se produit un maximum d'intensité avec un film échantillon. Le détecteur de minimum Cou maximum) 34 peut être un détecteur de pente 25 0, tel qu'un différentiateur, si la fréquence de rotation.de l'arbre 40 est suffisamment élevée de telle sorte qu8 le bruit ne soit pas un problème. Cependant, on fait tourner l'arbre 48 à une vitesse telle qu'il faut approximativement 2 secondes pour que le potentiomètre à cosinus produise un cycle de l'onde cosinus. Avec une telle faible fréquence, on préfère le circuit de la figure 30 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans 35 pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 44496 7 2028342 REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour déterminer automatiquement l'épaisseur d'un film mince transparent ayant une surface supérieure et une surface inférieure plates caractérisé en ce qu'il comporte: 5 - des moyens pour envoyer un rayon de lumière monochromatique sur ladite surface supérieure, - des moyens pour faire varier l'angle d'incidence que fait ledit rayon de lumière avec ladite surface supérieure, - des moyens de détection de lumière pour produire un signal de commande 10 en réponse à un maximum ou un minimum d'intensité de la configuration d'interférences produit par la lumière réfléchie par lesdites surfaces supérieure et inférieure, - un générateur de fonction cosinus sous la commande desdits moyens pour faire varier l'angle d'incidence, 15 - des moyens connectés audit générateur permettant d'obtenir un courant proportionnel à l'épaisseur du film à la détection d'un maximum ou d'un minimum dans la configuration d'interférences - des moyens d'indication pour donner automatiquement l'épaisseur du film en réponse audit signal de commande et audit courant proportionnel à 1'épais- 20 seur du film. 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit générateur de fonction cosinus est un potentiomètre à cosinus. 3.- Dispositif selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens connectés au générateur comprennent en série: une réactance, une source de tension, ledit 25 courant proportionnel à l'épaisseur du film étant égal à V/Rmax x2/r2 + cos2 e max où V est la tension appliquée, R la valeur maximale de la résistance du po- max tentiomètre, X la valeur de réactance, 0 un angle proportionnel à l'angle d'incidence, et 30 X2 étant égal à Cy2- DR2 où p est l'indice de réfraction du film Pi mâX V/R étant éeal à —— où X est la longueur d'onde de la lumière du max 2 rayon incident et P est égal à n ♦ j, n étant un entier positif. 4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite réactance est 44496 8 2028342 une réactance capacitive de valeur X a XQ 5.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite réactance est une réactance inductive de valeur X » X^ 6.- Dispositif pour déterminer automatiquement l'épaisseur d'un film mince 5 transparent ayant une surface supérieure et une surface inférieure plates, caractérisé in ce qu'il comporte: - des moyens pour envoyer un rayon de lumière monochromatique sur ladite surface supérieure - des moyens pour faire varier l'angle d'incidence dudit rayon avec la-10 dite surface supérieure - des moyens de détection de lumière pour produire un signal de commande en réponse à un minimum ou à un maximum d'intensité dans la configuration d'interférences obtenue par la lumière réfléchie par lesdites surfaces supérieure et inférieure, 15 - des moyens pour mesurer l'angle d'incidence auquel correspond ledit maximum ou minimum d'intensité en réponse auxdits moyens pour faire varier l'angle d'incidence et audit signal de commande. 7.- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens pour mesurer l'angle d'incidence comprennent un voltmètre digital. 20 8.- Dispositif selon la revendication 6 dans lequel des moyens de génération connectés auxdits moyens pour faire varier l'angle d'incidence, engendrent un signal proportionnel à l'angle d'incidence et lesdits moyens pour mesurer l'angle d'incidence fonctionnent en ééponse audit signal proportionnel à l'angle d'incidence et audit signal de commande. 25 9.- Dispositif selon la revendication 8 dans lequel lesdits moyens de génération comportent un potentiomètre commandé par lesdits moyens pour faire varier l'angle d'incidence. 10.- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel - ledit potentiomètre est un potentiomètre linéaire 30 - lesdits moyens pour mesurer l'angle d'incidence comportent un enregis treur en X, Y ayant deux bornes d'entrée - des moyens connectent la tension donnée par ledit potentiomètre à l'une des deux bornes d'entrée dutiit enregistreur, cette tension correspondant audit signal proportionnel à l'angle d'incidence 69 44496 9 2028342 - des moyens connectent ledit signal de commande à l'autre borne d'entrée dudit enregistreur.