Brevet FR2486226A1 — publié le 19820108

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA LARGEUR D'UN ELEMENT ALLONGE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de la largeur d'un élément allongé. Plus particulièrement, on s'intéressera ici à la mesure de motifs élémentaires sur un masque utilisé en microélectronique pour définir des structures sur une plaquette semiconductrice. En effet, dans le domaine de la microélectronique, on arrive actuellement à des motifs élémentaires dont les dimensions peuvent être inférieures au micron. I1 est donc important, avant d'utiliser un masque ou des répliques d'un masque maître, de pouvoir vérifier la conformité des dimensions des motifs de ce masque avec des dimensions prédéterminées.Dans ia gamme des dimensions recherchées, les procédés utilisant une visualisation directe d'une image au microscope, éventuellement avec projection sur écran de télévision, ne fournissent pas une précision supérieure à 0,3 micron. I1 est envisagé ici d'utiliser des techniques voisines de celles utilisées en microphotographie dite d'interférométrie latérale. Les techniques d'interférométrie latérale sont par exemple décrites dans le brevet américain de Holly N 3 953 128 accordé le 27 avril 1976 ou dans un article de S. Holly paru dans Proceedings of the Society of Photo Optical Instrumentation Engineers volume 55 - 21-23 août 1974 - pages 90 à 95. Dans cet article et dans ce brevet, Holly décrit un dispositif de mesure de -largeur de filament ou de largeur de fente correspondant sensiblement au montage repue senté en figure 1 ci-jointe. Dans ce montage, un faisceau laser de fréquence optique f est dirigé vers une cellule acoustooptique de Bragg excitée par des ondes progressives de fréquence F. On obtient à la sortie de la cellule un premier faisceau non dévié de même fréquence f0 que le faisceau incident et un faisceau devie correspondant à une diffraction du premier ordre de fréquence optique f'0 = f0 + F. Un système optique 2 schématisé sous la forme d'une lentille fait converger les faisceaux de fréquence f0 et f'0 dans une zone 3 au niveau de laquelle est disposée la fente à mesurer d'un masque 4.La lumière traversant la fente est recueillie par une photocellule 5 fournissant un signal de sortie à une borne 6. Dans le plan du masque 4, les deux faisceaux de fréquence f0 et f'0 fournissent des franges d'interférence parallèles à la grande dimension de la fente à mesurer. Ce système de franges d'interférence défile dans la direction de la largeur de la fente à la fréquence F. Ainsi, quand le pas des franges d'interférence est égal à la dimension de la fente à mesurer ou est un sous-multiple de cette dimension, le signal à la sortie 6 de la cellule 5 est constant. Par contre, quand le pas des franges diffère de la largeur de la fente à mesurer, un signal oscillant à la fréquence F est observé sur cette sortie 6.Ainsi, à condition de pouvoir déterminer et modifier convenablement le pas des franges d'interférence, on peut simplement mesurer la dimension d'une fente par une méthode de zéro particulièrement précise. Pour modifier le pas des franges, Holly propose trois procédés : premièrement, modifier la fréquence optique fO du faisceau laser incident ; deuxièmement, modifier le grandissement du système optique 2; troisièmement, modifier l'écart angulaire e entre les faisceaux f0 et f'0 en jouant sur la fréquence F dgexcitation de la cellule de Bragg. Le premier procédé, c'est-à-dire la modification de la longueur d'onde du laser est bien évidemment complexe à mettre en oeuvre. Le deuxième procédé consistant à jouer sur le grandissement du système optique 2 est également difficile à mettre en oeuvre en pratique et est susceptible d'entrainer une imprécision quand on vise à mesurer des dimensions de fentes de l'ordre du micron. En effet, cette opération exige des déplacements mécaniques, ou bien pour changer d'objectif, ou bien pour déplacer un objectif. Le troisième procédé consistantà jouer sur la fréquence d'excitation F de la cellule de Bragg apparaît donc comme le plus séduisant. Toutefois, dans l'article cité ci-dessus, Holly indique que la gamme de variation possible en jouant sur cette fréquence d'excitation est seulement de + 25 %, c'est-à-dire, par exemple, si l'appareil est réglé pour présenter une interfrange au niveau de la fente à mesurer de l'ordre du micron, cette interfrange pourra varier seulement entre 0,75 et 1,25 microns. Cette faible gamme de réglage possible est due au. fonctionnement intrinsèque d'une cellule de Bragg. Une telle cellule fournit un faisceau fO d'intensité maximale dans le premier ordre pour une certaine fréquence d'excitation déterminée, par exemple de l'ordre de 70 MHz. On obtient alors, à condition d'avoir convenablement orienté la cellule de Bragg 1 par rapport à la direction du faisceau incident, un angle entre le faisceau fO et le faisceau f0, de 0, par exemple de l'ordre de 11 mRd.Si l'on maintient constant, pour éviter tout réglage mécanique, l'orientation relative du faisceau incident et de la celer lule de Bragg, on ne pourra obtenir d'intensité notable dans le premier ordre tfO) que pour de faibles variations de la fréquence d'excitation F qui pourra varier par exemple de t 20 MHz, ce qui entraîne une variation de l'an- gle O de + 3 mRd.On notera en outre que ce réglage n'est pas exempt d'inconvénients du fait que, quand la fréquence d'excitation F varie et l'angle 8 varie, les deux faisceaux sortant de la cellule de Bragg f0 et f'0 ne sont plus symétriques par rapport à l'axe du système optique 2. I1 peut en résulter la nécessité de reréglages mécaniques, ce qui nuirait à la commodité et à la précision de la mesure Ainsi, le dispositif décrit par Holly ne permet pas de mesurer simplement la largeur d'objets allongés de faible largeur pour une gamme de dimensions d'ob jets relativement importante. Un objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient des dispositifs de l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un dispositif de mesure de la largeur d'éléments allongés de faible largeur, cette largeur pouvant varier sur une plage relativement importante, par exemple de l'ordre de 1 à 20. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif de mesure de faibles largeurs simple, robuste et facile à régler. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de mesure de la largeur d'un élément allongé comprenant des moyens pour former un système de franges d'interférence à deux ondes, parallèles à la dimension de l'élément dans le plan de celui-ci, des moyens pour ajuster le Pas des franges et le faire coïncider avec la largeur de l'élément ou un sous multiple de celle-ci, des moyens pour détecter le rayonnement issu de l'objet.Selon l'invention, les moyens pour ajuster le pas des franges comprennent : une cellule de Bragg recevant un faisceau lumineux et excitée par des ondes acoustiques à deux fréquences distinctes ; des moyens de réglage pour faire varier symétriquement ces deux fréquences autour d'une fréquence de référence ; et un objectif fixe du type objectif de microscope pour faire interférer les deux faisceaux diffractés dans le plan de l'élément, l'axe optique de l'objectif correspondant à la bissectrice des directions des deux faisceaux diffractés. Les moyens de réglage assurent une possibilite de variation de 1 à 20 MHz pour l'écart entre chacune des fréquences distinctes et la fréquence de référence, ce qui permet de mesurer des objets allongés dans une gamme de largeurs de 1 à 20, par exemple due 0,5 à 10 microns. La fréquence de référence est choisie à une valeur pour laquelle on obtient un faisceau diffracté du premier ordre d'intensité maximale ; cette fréquence est de l'ordre de 70 MHz pour les matériaux couramment utilisés dans les cellules de Bragg. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente un schéma optique d'un dispositif de l'art antérieur et a été décrite précédemment la figure 2 représente le schéma optique d'un dispositif selon la présente invention la figure 3 illustre un détail du schéma optique d'un dispositif selon la présente invention dans le cas où l'objet est un trait opaque sur un support transparent. La figure 2 illustre de façon schématique un dispositif selon la présente invention. Celui-ci comprend une cellule de Bragg 1 excitée par des ondes ultrasonores de fréquence F1 et F2. On obtient ainsi à partir d'un faisceau optique incident f0 des faisceaux optique s dif fractés fl et f2. Ces faisceaux sont amenés à se recouper par un objectif de microscope 10 pour former des franges d'interférence dans une zone 11 au niveau de laquelle est placé un motif 12 dont on veut mesurer la largeur. Ce motif est par exemple constitué par une ouverture allongée dans un masque constitué d'une couche de chrome déposée sur une plaque de verre. Un deuxième objectif de microscope 13 forme l'image 14 de l'élément 12 au niveau d'un plan dans lequel est situé un diaphragme 15 permettant de limiter la zone de l'objet 12 analysée.La lumière traversant le diaphragme 15 est recueillie par une photocellule 5 èt transmise à une borne de sortie 6. Les fréquences F1 et F2 sont centrées autour d'une fréquence de référence F et peuvent s'écrire F1 = F + dF F2 = F - dF Ces fréquences sont fournies par un oscillateur fonctionnant de façon que la valeur de dF soit variable et que les fréquences F1 et F2 puissent varier symétriquement par rapport à cette valeur F. Ainsi, les faisceaux dif fractés du premier ordre f1 (correspondant à la fréquence F1) et f2 (correspondant à la fréquence F2) s'ouvrent symétriquement par rapport à un axe, qui sera choisi selon l'axe optique des objectifs 10 et 13, tandis que la valeur de dF varie. Ainsi, quand cette valeur dF varie, le dispositif reste réglé et il n'est pas nécessaire d'opérer des reréglages optiques.En outre, l'angle formé entre les faisceaux sortants fl et F peut varier dans des proportions importantes, par exemple de 1 à 20. Si la fréquence de référence F a une valeur de -70 MHz, dF peut varier par exemple entre 1 et 20 MHz, ce qui donne une variation de l'angle formé entre les deux faisceaux de sensiblement 0,3 à sensiblement 6 milliradians. La limite inférieure de la valeur de dF est déterminée par les capacités du système optique 10 et la valeur supérieure de dF par le fait que, au-delà d'un certain seuil, les faisceaux diffractés f1 et f2 deviennent trop peu intenses.A ce propos, on notera que, selon un avantage de la présente invention, si la fréquence F est convenablement choisie pour être la fréquence centrale correspondant à un maximum d'intensité du faisceau diffracté du premier ordre, les faisceaux fl et f2 auront une intensité décroissante quand dF variera mais resteront de même intensité l'un par rapport à l'autre, ce qui est favorable à un bon contraste des franges d'interférence. La limite inférieure des largeurs de fente qu'il est possible de mesurer est fixée par le grossissement et l'ouverture numérique du système optique du type objectif de microscope 10. En choisissant un gros sissement- de l'ordre de 200 pour ce système optique, et avec les valeurs numériques indiquées précédemment, on peut obtenir un pas de frange variant entre 0,5 et 10 microns. Bien entendu, ces valeurs peuvent être modifiées à l'extérieur de cette gamme 1 à 20 en modifiant le système optique. Néanmoins, un avantage de la présente invention est qu'il est possible de mesurer la plupart des dimensions se rencontrant couramment sur un masque de microélectronique sans changer le système optique 10. Le diaphragme 15 sert essentiellement à isoler l'image de la fente 11 que l'on veut mesurer dans le cas où le masque comprendrait de nombreuses ouvertures relativement voisines les unes des autres. L'analyse se fait de la façon classique décrite par exemple dans les documents de l'art antérieur cités ci-dessus. Dans le cas illustré en figure 2 dans lequel on veut mesurer la largeur d'une fente, on mesure la valeur de la différence 2 dF entre les frequences F1 et F2 quand le signal alternatif fourni à la borne 6 à la sortie de la cellule 5 correspond à un minimum (c'est-a- dire quand l'interfrange est un sous-multiple de la largeur de fente). On va exposer ci-après des modes de réalisation particuliers du dispositif selon la présente invention dans le cas où la largeur à mesurer n'est pas celle d'une ouverture dans un masque de chrome mais celle d'une ligne de chrome entre deux ouvertures. Le schéma optique d'ensemble reste celui de la figure 2, mais il est prévu en outre de disposer le masque 12 sur lequel apparaît le trait de chrome, sur un support vibrant à une fréquence f. La détection du signal apparaissant à la borne 6 se fait sous forme d'une détection synchrone à la fréquence f. L'amplitude de la vibration appliquée au masque est choisie pour que l'image 20 du trait de chrome (voir figure 3) apparaisse altier nativement dans et hors de l'ouverture du diaphragme. Le calcul montre alors que l'on se trouve ramené au cas pré cédent et que la valeur de la largeur du trait est obtenue en cherchant à annuler la composante alternative à la sortie 6 par réglage de la fréquence F.Bien entendu, d'autres procédés pourront être utilisés, se basant par exemple sur l'analyse de la lumière réfléchie par le trait mais pour les petites dimensions ces procédé's nécessiteront peut-être des dispositifs plus complexes. Dans le cas où l'on cherche à mesurer la largeur des ouvertures dans un masque, on notera que la presente invention permet non seulement de déterminer si un masque est bon ou non par rapport à des cotes prédéterminées, mais aussi de réajuster les dimensions des ouvertures dans un masque. En effet, si l'on place le masque en position de mesure alors que la couche de chrome revêtant la plaque de verre est encore revêtue d'une couche de résine protectrice, si la largeur de fente mesurée est inférieure à la largeur de fente choisie, on pourra procéder à un traitement d'attaque supplémentaire du chrome par attaque latérale sous la couche de vernis protecteur. Il en résulte que lors de la fabrication de masques, on aura intérêt à choisir comme temps d'attaque du chrome la durée minimale de la plage d'attaque convenable pour pouvoir ensuite procéder éventuellement à une attaque supplémentaire de finition. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont té explicitement décrits elle en englobe les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la largeur d'un élé- ment allongé comprenant des moyens pour former un système de franges d'interférence à deux ondes parallèles à la grande dimension de l'élément dans le plan de celui-ci, des moyens pour ajuster-le pas des franges et le faire coincider avec la largeur de l'élément ou un sous-multi ple de celle-ci, des moyens pour détecter le rayonnement issu de l'objet, caractérisé en ce que les moyens pour ajuster le pas des franges comprennent - une cellule de Bragg recevant un faisceau lumineux et excitée par des ondes acoustiques à deux fré quences distinctes - des moyens de réglage pour faire varier symé triquement ces deux fréquences autour d'une fréquence de référence ; et - un objectif fixe du type objectif de micros cope pour faire interférer les deux faisceaux diffractés dans le plan de l'élément, l'axe optique correspondant à la bissectrice des directions des deux faisceaux diffractés. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé en ce que les moyens de réglage assurent une possi bilité de variation de 1 à 20 MHz pour l'écart entre chacune des fréquences distinctes et la fréquence de référence. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé en ce que la fréquence de référence correspond à la valeur pour laquelle on obtient un faisceau diffracté du premier ordre d'intensité maximale. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément à mesurer est une fente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième objectif de micron cope pour faire l'image de la fente sur le plan d'un diaphragme d'ouverture peu supérieure à celle de la fente, les moyens de détection du rayonnement issu de l'objet étant situés derrière ce diaphragme. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel 11 objet à mesurer est un trait plein entouré d'une zone transparente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième objectif de microscope pour faire lli- mage du trait sur le plan d'un diaphragme d'ouverture peu supérieure à la largeur du trait, les moyens de détection étant situés derrière le diaphragrte,ces moyens effectuent une détection synchrone à une fréquence f, l'objet étant disposé sur un support vibrant à la fréquence f pour amener son image dans et hors du champ du diaphragme. 6. Procédé de mesure de la largeur d'un élé- ment allongé consistant à fournir un système de franges d'interférence à deux ondes parallèles à la grande dimension de l'élément dans le plan de celui-ci, ajuster le pas des franges et le faire colncider avec la largeur de l'élue ment ou un sous-multiple de celle-ci, détecter le passage par un minimum de la composante alternative du rayonnement issu de l'objet, caractérisé en ce que l'étape consistant à ajuster le pas des franges comprend les étapes suivantes: : - appliquer à une cellule de Bragg recevant un faisceau lumineux deux ondes acoustiques à des fréquences distinctes centrées sur une fréquence de référence, - faire varier symétriquement les deux fréquences distinctes autour de la fréquence de référence, - déterminer la valeur de l'écart entre les deux fréquences distinctes quand la composante alternative du rayonnement issu de l'objet passe par un minimum.