Brevet FR2352279A1 — publié le 19771216

Dans un grand nombre de domaines techniques et, en particulier, dans la fabrication des circuits semi-conducteurs intégrés, des instruments de mesure hautement sensibles sont exigés pour controler de façon continue les valeurs nominales des matériaux bruts ou des produits semimanufactures à traiter de même que pour régir les déviations de tolérance des parties ou pièces traitées après, et fréquemment pendant, les etapes de traitement individuelles du procede de fabrication appliqué. Le contrôle de la planéité des tranches semi-conductrices est d'une importance particulière dans la fabrication des circuits semi-conducteurs intégrés, de même que le fait de régir l'intervalle entre les tranches semi-conductrices revêtues de photorésistant et les masques d'exposition utilisés dans les étapes de procédé. Pour réaliser une production en série les procédés compliqués et prenant du temps sont exclus, à l'exception de quelques cas où des contrôles sélectifs sont considérés comme suffisants. Il en va de même pour les procédés qui sont susceptibles de perturbations, aussi bien que pour des methodes dans lesquelles la destruction ou la déterioration des échantillons ne peuvent être éliminees avec la fiabilité necessaire. Du fait de la vitesse de traitement très elevée qui est presque toujours observée dans la production en série moderne, la planéité et les intervalles doivent être mesurés dans des temps extrêmement courts, ce qui n'a pas eté possible à l'aide des procedés interférométriques de l'art antérieur, utilisés presque exclusivement pour obtenir la précision exigée. Le brevet.allamand No. 1 447 253 décrit un procédé et un dispositif permettant la mesure interférométrique de l'épaisseur ou de l'indice de réfraction d'un film en mouvement, dans lequel la difference de la voie optique entre deux faisceaux interferant mutuellement est périodiquement changée, et une pluralité de marques chronologiques sont générées avec la même periode. La différence de temps entre l'apparition d'une marque de temps et l'apparition d'une frange blanche d'interférences est fonction de l'épaisseur de la couche et/ou de l'indice de réfraction. Comme, dans ce procédé, la surface à contrôler est analysée point par point et ligne par ligne, et qu'un déphasage prédéterminé doit être effectué à chaque point, les dispositifs fonctionnant conformément à ce procedé ne conviennent pas pour résoudre le problème évoqué ci-dessus, en dehors même du fait qu'ils sont aptes à des perturbations et d'une structure complexe. Il en va de même pour le procede decrit dans la littérature sous le titre "Non destructive Determination of Thickness and Refractive Index of Transparent Films" par W.A. Pliskin et E.E. Konrad, IBM Journal, Janvier 1964, pp. 43 à 51, dans lequel, au lieu d'un décalage de phase périodique, une modification périodique de l'angle sous lequel le faisceau de mesure frappe l'échantillon est effectué. Sous la référence "Measurement of the Thickness and Refrattive Index of Very Thin Films and the vptical Properties of Surfaces by Ellipsometry" de Frank L. McCrakin, Journal of Research of the National Bureau of Standards, A. Physics and Chemistry, Vol 67A, Juillet-Aout 1963, P. 363 à 377, est décrit un procédé et un dispositif dans lesquels on réalise une rotation périodique du plan de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé linéairement et une évaluation périodique des valeurs ainsi obtenues. Outre une vitesse de traitement relativement faible ces dispositifs impliquent une complexité technique inadéquatement grande, et, du fait de la qualité considérable des pièces utilisées et des réglages de précision exigés pour réaliser des mesures exactes, ils présentent une tendance considérable aux perturbations.Pour ces raisons, les procedés et dispositifs décrits dans les références ci-dessus sont inaptes à assumer la tâche decrite L'objet de la presente invention est de fournir un procédé et un dispositif pour effectuer le traitement grâce auquel, avec une quantité minimum d'appareils et d'espace, de même qu'avec un maximum de rigidité de l'appareil utilisé, les valeurs optiques nécessaires pour déterminer l'épaisseur d'une couche, l'intervalle séparant deux surfaces, ou la planéité d'une surface, peuvent être fournies a grande vitesse. Une caractéristique particulière de l'invention est la mesure simultanée en un grand nombre de points qui sont relativement étroitement adjacents. Avec les dispositifs interométriques de l'art antérieur, ou bien il n'était absolument pas possible de mesurer l'intervalle séparant deux surfaces parallèles, ou bien il fallait procéder à de nombreuses mesures successives sous des angles d'incidence variables du faisceau de mesure, et les résultats devaient être évalués arithmétiquement. En plus du temps impliqué, l'appareil exigé pour executer le procédé était techniquement très complexe et, en consequence, susceptible de dérangements, puisque des dispositifs fonctionnant avec une précision interférométrique étaient nécessaires pour la variation périodique, mesurable avec précision et définie, de l'angle d'incidence du faisceau de mesure. Contrairement à cela, la presente invention utilise un faisceau de mesure qui comprend simultanément tous les angles d'incidence nécessaires, avec, pour conséquence, que les dispositifs impliqués sont considérablement moins compliqués, et que le processus de mesure est accéléré. En outre, le nombre de franges d'interférence ou d'anneaux d'interférence à évaluer simultanément dans un processus de mesure est pratiquement fonction linéaire de la distance, pour la détermination de laquelle aucune opération arithmétique complexe n'a à être effectuée.Du fait de la simplification considérable de l'appareil exigé pour réaliser le procéde ainsi révélé par l'invention, il est possible, conformément à un développement particulièrement avantageux de l'invention, d'analyser une surface relativement grande, simultanément, par plusieurs centaines ou milliers d'éléments d'objectif ou éléments optiques tres petits et étroitement rapproches, et de convertir les configurations de franges d'interférences detectées pour chaque point en données sur les intervalles, les épaisseurs de couche ou qualités de surface des points analysés.Les dispositifs nécessaires a cette fin économisent beaucoup d'espace, sont sans complication et de faible prix et, du fait de l'absence d'éléments mobiles qui devraient être réglés, ils sont très robustes et ne présentent qu'une tres faible éventualité de panne. L'invention sera décrite ci-après en se référant aux dessins, sur lesquels La figure 1 est la représentation schématique du trajet du faisceau d'un dispositif de l'art antérieur pour la mesure interferométrique des intervalles; La figure 2 est la représentation schématique d'un dispositif de mesure interférometrique des intervalles, avec une variante d'un procedé de l'art antérieur; Les figures 3 et 4 sont deux réalisations permettant de mettre en oeuvre le procede révéle par l'invention; Les figures 4A et 4C sont des vues en-plan de sections de la configuration de lentilles et de photodiodes; La figure 4B est une section agrandie de la vue latérale du trajet du faisceau d'une lentille de Fresnel; La figure 5 est une section d'une configuration de lentilles de Fresnel constituée par une pluralité de lentilles individuelles. La figure 6 représente des configurations d'anneaux d'interférence pour divers intervalles. Dans le dispositif représenté dans la figure 1, un faisceau de lumière cohérente et parallele L, généré par une source lumineuse 1 et étalé à l'aide des lentilles 2 et 3 est devié par un réflecteur (conçu, par exemple, sous la forme d'un miroir semi-réfléchissant), dans une direction descendante, vers deux plaques de verre 5et 6 enfermant un intervalle d'air en forme de cône 8. Le rayonnement traversant la plaque de verre 6 est réfléchi de façon répétée, d'une maniere connue, par les faces entourant l'intervalle d'air 8, et il forme une configuration d'interférences qui est projetée, par une lentille 10, sur un écran 11, sous la forme d'une série de franges d'interférence 12.Du fait que la première frange d'interférence à partir de la gauche correspond à l'intervalle de h/2 entre les plaques de verre 5 et 6, l'intervalle entre ces plaques au point 9 est déterminé d'une façon connue, en ce qu'il suffit de compter le nombre des franges d'interférence entre la frange d'interférence correspondant à ce point, et la première frange d'interférence.Comme, avec un faisceau de mesure frappant verticalement, l'intervalle entre les faces entourant la zone d'interférence est égal à k/2 multiplié par le nombre de franges d'interférence, l'intervalle entre les plaques 5 et 6, au point 9 et autour du dit point, est égal à S/2 x 5, A étant la longueur d'onde du rayonnement utilisé, et 5 étant le nombre de franges d'interférence entre le point de contact des plaques 5, 6 et le point 9. Si l'intervalle entre deux faces qui ne sont en contact l'une avec l'autre en aucun point doit être mesuré interférometriquement, des précautions speciales doivent être prises. Dans le dispositif représenté dans la figure 2, un faisceau monochromatique, cohérent et collimaté L, genéré par une source lumineuse 2, conçue, par exemple, sous la forme d'un laser, et étalé par les lentilles 2, 3, frappe un miroir M, oscillant autour d'un axe A, et est dirige vers le bas dans la direction des lentilles 13, 14, puis sur les plaques de verre 5 et 6 emprisonnant un intervalle 8 à mesurer.Dans celle des positions du miroir M qui est représentée par une ligne continue, le faisceau L, dévié vers le bas, se dirige symétriquement par rapport à l'axe optique des lentilles 13 et 14, selon la voie représentée par un trait plein. Dans le cas d'un faisceau leerexent décalé vers la droite, la zone d'interférence généree entre les plaques de verre 5 et 6 est projetée d'une façon connue, par ltinter- radiaire d'une lentille 14 et d'une lentille 15, sur un écran 19, disposé en face d'un photodétecteur 18 et présentant une ouverture correspondant approximativement au diametre d'une frange d'interférence.Dans la position du miroir M qui est représenté par les lignes pointillees, le rayonnement L dévié s'étend dans la direction du trajet optique représenté en pointillés, et frappe, sous un angle a, les plaques de verre 5 et 6 emprisonnant l'intervalle à mesurer. Ainsi qu'il ressort de la figure 2, une partie 17 du rayonnement reflechi par les limites superieures et inférieures de l'intervalle 8 interfère, et génère, par l'intermédiaire des lentilles 14 et 15, dans l'écran 19 et autour du dit écran qui recouvre la cellule photodétectrice 18, une configuration lumineuse qui, du fait que les plaques 5 et 6 ne sont en contact en aucun point, ne contient par elle-même aucune information sur l'épaisseur de l'intervalle 8.Si, de la position représentée en trait plein, le miroir M est amene dans la position représentée par des pointillés, ou vive-versa, apparaît alors, du fait de la modification de la longueur de la voie optique (inhérente à la rotation du miroir M) du faisceau traversant l'intervalle 8, dans la configuration d'interférence projetée sur l'écran 19, une pluralité de transitions dans le temps, du lumineux à l'obscur, cette pluralité correspondant a la modification de la voie optique. Chaque changement d'intensité dans, et autour de l'ouverture de ltecran 19 génère une impulsion électrique à la sortie 20 du photodétecteur 18. Il est évident que l'épaisseur de l'intervalle est égale à la longueur de la voie du faisceau de mesure dans le dit intervalle, multipliée par le cosinus de l'angle d'incidence a. Il est possible de démontrer que le nombre des modifications d'intensité qui apparaissent dans, et autour de l'ouverture 19 est proportionnel à l'expression d etant l'épaisseur de l'intervalle 8, X la longueur d'onde, a l'angle de plus grande incidence, et n l'indice de réfraction de l'air dans l'intervalle 8. Pour effectuer des mesures interférométriques exactes, des exigences très élevées sont dandées en ce qui concerne les supports de monture des lentilles 13 et 14, et, en particulier, le support et le dispositif destinés à déplacer le miroir M, car, même des modifications minimes indésirées de la position des éléments individuels, aussi bien dans le sens radial que dans la position angulaire, auront pour consequence d'influencer négativement les résultats du processus de mesure. En outre, un délai relativement prolongé est nécessaire pour mesurer un intervalle ou l'épaisseur d'une couche, du fait qu'à cette fin, les distances représentées ou les épaisseurs de couche doivent être appréciées dans une pluralité de points étroitement rapprochés, chaque mesure exigeant un mouvement du miroir M depuis une position donnée jusqu'à l'autre, un comptage des modifications d'intensité dans, et autour de l'ouverture de l'écran 19, et une évaluation des impulsions électriques appaaraissant pendant ce processus, à chaque point mesure, dans la sortie 20 du photodétecteur 18.Par ailleurs, l'agencement est particu lièrement sensible aux chocs et pollutions de toute sorte, spécialement du fait de la presence d'un miroir monte tournant, qui doit être orienté circulairement avec la plus grande precision, par des quantités angulaires définies. Ces inconvénients sont évités dans le dispositif représenté dans la figure 3. Un faisceau monochromatique, cohérent et collimaté L, produit par une source lumineuse 1, conçue, par exemple, sous la forme d'un laser, et étalé par les lentilles 2 et 3, est dévié vers le bas sur un réflecteur de faisceau monté fixe 4, dans la direction d'une lentille 30 et de deux plaques de verre 5 et 6 emprisonnant un intervalle d'air 8. Par rapport à la lentille 30, les plaques de verre 5 et 6 sont disposées d'une telle façon, que le foyer 31 de la dite lentille est approximativement situé à mi-chemin entre la lentille et les plaques. Le rayonnement parallèle frappant la face supérieure de la lentille 3 est transformé, par la dite lentille, en un rayonnement convergent dans le foyer 31 de la lentille, et divergent à partir du dit foyer.Il est évident que si cette lentille est de haute qualité, le rayonnement divergent qu'elle produit et qui forme un cône 32 contient des rayons dotés de tous les angles d'incidence qui sont compris à l'intérieur et dans la périphérie de l'enveloppe latérale du cône constitué par le rayonnement divergent. La zone d'interférence formée dans l'intervalle d'air 8 est projetée à l'aide de la même lentille 30 et à travers le reflecteur de faisceau 4 sur un écran 11 qui affiche une pluralité de franges d'interférence dont le nombre depend de l'épaisseur de l'intervalle d'air 8. L'épaisseur du dit intervalle intervalle 8 dans chaque zone respective mesurée est définie par la relation étant un élément correcteur négligeable pour les petits intervalles de d, i et j étant les ordres de deux anneaux d'interférence choisis, et ai, aj etant les angles determinables à partir des rayons correspondants ri et rj des anneaux d'interférence respectifs. Avec ce procédé, des mesures d'intervalle peuvent être effectuées avec une precision inférieure à 1 01. Dans la réalisation de l'invention, telle qu'elle est représentée dans la figure 4, un faisceau lumineux monochromatique, cohérent et collimaté, L, produit par une source lumineuse 1, qui est conçue, par exemple, comme étant un laser, et qui est étalé par les lentilles 2 et 3, est dirigé, par un réflecteur de faisceaux 4 sur une plaque de verre 36 qui comporte une pluralité d'élements en forme de lentille 37. Ces éléments en forme de lentille sont, de préférence, conçus sous la forme de lentilles de Fresnel, et sont fabriqués par un procédé photolithographique en exposant une couche photorésistante à deux faisceaux 1Ulli- neux qui interfèrent judicieusement.A une distance de quelque 100 V au dessous de la plaque 36, deux plaques de verre 5 et 6 emprisonnent un intervalle d'air, dont l'espacement doit être mesuré en une pluralité de points étroitement rapproches. L'agencement composé par les plaques 5 et 6 est disposé sur une table XY,35. L'intervalle entre les plaques 5 et 6 et la plaque 36 est ainsi calculé, qu'il est approximativement égal au double de la distance focale des lentilles 37. Le rayonnement qui frappe la surface de la plaque 36 est transformé par les éléments en forme de lentilles 37 en un nombre correspondant de faisceaux convergents, puis, divergents dont les points de convergence 31 sont situés au dessus des plaques 5, 6.Ainsi qu'il a eté expliqué relativement aux figures précédentes, une zone d'interférence est formée entre la face inférieure de la plaque 6 et la face supérieure de la plaque 5 dans la zone de champ optique de chaque lentille, laquelle zone d'interférence est projetée à l'aide des mêmes lentilles et d'une autre lentille 10, sur la face inferieure d'un agencement 40 (figure 4c) constitue par la configuration de cellules photoélectriques 41, sous la forme d'une serie d'anneaux d'interférence. L'agencement est d'une nature telle qu'à chaque lentille 37 correspond une configuration de cellules photoelectriques 41 sur lesquelles la zone d'interférence qui se forme dans le champ optique de la dite lentille est projeté sous la forme d'une série d'anneaux concentriques.Chaque configuration de cellules photoélectriques 41 est constitué par une pluralité d'éléments photosensibles. A l'aide d'une évaluation des signaux électriques qui apparaissent aux sorties des photodiodes individuelles d'une configuration de photodiodes 41, évaluation qui peut se faire, par exemple, par une connexion directe avec des dispositifs d'évaluation ou, par une analyse séquentielle connue en elle-même, il est possible de déterminer le nombre d'anneaux d'interférence projetés sur chaque configuration de photodiodes 41. Ainsi qu'il a été décrit, du fait que le nombre d'anneaux d'interférence est fonction de l'intervalle séparant deux surfaces de référence, le dispositif de la figure 4 peut déterminer en quelques millisecondes toutes les données sur l'intervalle séparant la plaque 6 de la plaque 5 dans le champ optique de chaque lentille 37.La figure 5 montre une section d'une matrice de lentilles de Fresnel utilisée dans le dispositif de la figure 4, avec des diamètres de lentille et des distances mutuelles de l'ordre de 50 p. La figure 6 représente des anneaux d'interférence typiques, tels qu'ils sont affiches par le dispositif de la figure 4 sur les zones 41. Les distances separant les plaques 5 et 6, qui correspondent aux configurations individuelles d'anneaux, sont indiquées sous les configurations respectives. Cependant, il est également possible d'utiliser, comme plan de réference, celle des faces de la plaque 36 portant les lentilles 37, qui fait face à l'objet à mesurer, de telle sorte que la planéité d'une face voisine peut être déterminée. Avec le procedé décrit par l'invention, et avec les dispositifs représentés aux figures 3 et 4, il est possible de mesurer avec une grande précision les irrégularités, les epaisseurs de couche, et les épaisseurs d'intervalle. Avec le dispositif de la figure 4, ces valeurs peuvent être obtenues en quelques millisecondes seulement, simultanément, pour plusieurs centaines de milliers de points étroitement rapprochés, disposés à des distances de 20 à 50 p l'un de l'autre.Du fait que les résultats des mesures d'intervalle entre la face inférieure de la plaque 36 et une face située en dessous, dans un grang nombre de points étroitement rapprochés, caractérise pleinement la planéité a face située en dessous, à condition que la face inférieure de la plaque 36 soit exactement plane, le procédé révélé par l'invention, de même que la réalisation représentée dans la figure 4, sont particulierement adaptés au contrôle de la planelte de tranches semiconductrices dans la production de circuits integrés. Si les masques utilisés sont munis, par exemple dans les zones des marques d'alignement, de lentilles de Fresnel photolithographiquement réalisées, le procédé révélé par l'invention peut aussi être utilise pour determiner l'intervalle entre le masque et la tranche semiconductrice dans les imprimantes par proximite, ou pour mettre à niveau les tranches semiconductrices dans les machines d'impression par projection. Cependant, il est également possible de disposer, dans chaque image fournie par une lentille 37 dans le plan d'évaluation 40, un seul photodétecteur, puis de décaler les configurations d'anneaux d'interférence projetés par les lentilles individuelles 37, afin de determiner le nombre de leurs anneaux, grâce à un déflecteur de lumière placé sur les photodétecteurs. Pour examiner des objets déplacés de façon continue, il peut être judicieux de ne prévoir que quelques rangées de lentilles et de photodetecteurs disposés perpendiculairement à la direction de deplacement, et de placer les lentilles et les photodétecteurs de rangees adjacentes de façon décalée les uns par rapport aux autres, dans les intervalles des éléments de la rangée adjacente, de façon à ce que l'analyse ait lieu suivant une serie de pistes en nombre égal à celui des photodêtecteurs. Du fait de la simplicité de la structure du dispositif et de l'absence de parties mobiles ou de parties qui doivent etre réglées, la presente invention convient particulierement au contrôle de la production en série de circuits semiconducteursintégres et à la commande des étapes de procédé individuelles, de même que pour le contrôle de qualité des produits semimanufacturés et finaux. REVENDICATIONS 1. - Procédé de mesure de longueur, telle qu'unie distance ou une épaisseur par interférométrie, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes diriger sur la zone à mesurer un faisceau lumineix présentant un point de convergence, déterminer et évaluer le champ des franges d'interférence engendrées par les différentes longueurs de trajet des rayons élémentaires du faisceau qui se propagent le long de directions, variables à l'intérieur de l'enveloppe du faisceau, caractérisées par l'angle qu'elles font avec l'axe du faisceau, les franges et l'angle correspondant représentant une fonction unique de la longueur à mesurer. 2. - Procédé selon la revendication 1 caractérise en ce que l'évaluation du champ de franges d'interférence est faite sur la base de la formule suivante où 8 est un élément correctif, négligeable si la longueur à mesurer d est petite, i et j sont les numéros d'ordre de deux anneaux d'interférence choisis, &alpha;i et &alpha;j sont les angles calculés à partir des rayons r. et rj de ces anneaux d'interférence et X est la longueur d'onde de la lumière utilisée. 3. - Dispositif de mesure de longueur, telle qu'une distance ou une épaisseur, par interférométrie, caractérisé en ce qu'il comporte une source de faisceau de lumière cohérente et monochromatique à rayons parallèles, des moyens de déflection pour devier ledit faisceau vers l'élément à mesurer des moyens optiques situés sur le trajet du faisceau ainsi dévié pour transformer le faisceau de rayons paralleles en au moins un faisceau présentant un point de convergence, et des moyens de réception pour recevoir l'image des franges d'interférence engendrées par le ou les faisceaux au niveau de l'élément à mesurer et retransmises à travers lesdits moyens optiques. 4. - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques comportent une lentille transformant le faisceau de rayons parallèles en un faisceau présentant un point de convergence. 5. - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques comportent une matrice de lentilles, chaque lentille transmettant vers l'élément à mesurer un faisceau présentant un point de convergence. 6. - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que l'élément à mesurer se trouve entre lesdits moyens optiques et les points de convergence des faisceaux transmis par ceux-ci. 7. - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que les points de convergence des faisceaux transmis par lesdits moyens optiques se trouve entre lesdits moyens optiques et l'élément à mesurer. 8. -Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens de réception comportent un ensemble de réseaux d'éléments photosensibles, chaque réseau correspondant à l'une des lentilles de la matrice, pour détecter les franges d'interférence apparaissant dans le champ image desdites lentilles. 9. - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens de réception comportent un ensemble de photodétecteurs, chacun correspondant à l'une des lentilles de la matrice et des moyens de balayage pour faire déplacer les franges d'interférence devant les photodétecteurs. 10. - Dispositif selon l'une des revendications 5, 8 ou 9 caractérisé en ce que les moyens optiques comportent en outre une lentille supplementaire pour faire converger le faisceau retransmis vers les moyens de reception. 11. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 10 carac terse en ce qu'il comporte en outre des moyens pour calculer la longueur d à mesurer, à partir de la formule suivante où 6 est un élément correctif, négligeable si d est petit, i et j sont les numéros d'ordre de deux anneaux d'interférence choisis, aj sont les angles calculés à partir des rayons ri et rj des anneaux d'interférence correspondants et # est la longueur d'onde de la lumière utilisée.