Brevet FR2501861A1 — publié le 19820917

La présente invention a pour objet un ellipsomètre comportant un prisme à réflexions totales. Un ellipsomètre est un appareil de mesure mettant en oeuvre les interactions d'une lumière polarisée avec un matériau, métallique ou non, pouvant être recouvert d'un film, isolant ou non. Cet appareil permet la détermination des paramètres optiques (indice de réfraction, coefficient d'absorption) dudit matériau et/ou des paramètres et propriétés optiques du film le recouvrant ainsi que son épaisseur. Cette détermination est obtenue en étudiant le changement dans l'état de polarisation de la lumière incidente polarisée qui est renvoyée par la surface dudit matériau ou du film le recouvrant. De façon générale, ce changement dans l'état de polarisation, lié aux paramètres optiques du matériau et du film le recouvrant ainsi que de l'épaisseur de celui-ci, se fait en envoyant par exemple une lumière polarisée rectilignement sur la surface du matériau ou sur la surface du film le recouvrant, cette lumière polarisée rectilignement subit alors une 1réflexion" à la surface du matériau ou du film conduisant à une lumière polarisée elliptiquement, d'où le nom d'ellipsomètre. L'étude de ce changement dans l'état de polarisation, de façon pratique, se fait en déterminant l'ellipticité de la lumière (forme de l'éllipse obtenue) et l'azimut de celle-ci (orientation de l'ellipse par rapport au plan incident). L'un des avantages de la méthode ellipsométrique est qu'elle permet de travailler in situ sans interférer avec le processus à étudier. Les données obtenues sur les propriétés optiques des films peuvent être utilisées pour identifier la com position desdits films et indiquer les différences stoechiométriques se produisant dans un film à une seule phase. Cette méthode ellipsométrique permet donc de mesurer en continu la composition et }'épaisseur d'un film recouvrant un matériau, son taux de croissance en cas de dépôt ou d'oxydation anodique ou en phase gazeuse du matériau, son taux de disparition, en cas de décapage, etc... Deux exemples d'application de la méthode ellipsométrique sont illustrés dans une publication du Laboratoire d9E1ectronique et de Physique appliquées (5699610, 79-252) intitulée Ellipsométrie, Méthode d'analyse des matériaux". L'un de ces exemples concerne l'étude de l'oxydation par plasma d'arséniure de gallium, l'autre l'analyse en continu de la croissance d'arséniure de gallium et d'aluminium sur un substrat en arséniure de gallium. Les ellipsomètres connus jusqu'à ce jour présentent un certain nombre d'inconvénients et en particulier lorsqu'il s'agit de faire des mesures in situ, c'est-à-dire lorsqu'il s'agit par exemple de suivre le dépôt d'un film sur un matériau situé dans une enceinte de dépôt ou de déterminer la température atteinte par un matériau situé dans un four. Ces inconvénients sont liés en général à la presence d'une enceinte présentant d'importantes dimensions et à la position relative des différents éléments constituant ces ellipsomètres par rapport à ladite enceinte. De façon générale, les ellipsomètres de l'art antérieur comprennent, comme schématisé sur la figure 1, un premier bras 2, susceptible d'envoyer un premier faisceau lumineux 4, polarisé rectilignement, sur un échantillon 6, dont on veut connaître les paramètres optiques, et qui peut autre, soit un matériau nu, soit un matériau recouvert d'un film, et un deuxième bras 8 susceptible de recevoir un deuxième faisceau lumineux 10, polarisé elliptiquement, issu de l'échantillon 6, ce deuxième faisceau lumineux 10 correspondant au premier faisceau lumineux 4 renvoyé par la surface dudit échantillon.Cet échantillon 6, situé dans une enceinte 12 représentant, par exemple une enceinte de dépôt, une enceinte à vide ou un four, est susceptible de recevoir le faisceau lumineux 4 après que celui-ci ait traversé un premier hublot 14 de ladite enceinte et est susceptible de renvoyer ledit faisceau en direction du deuxième bras 8, le faisceau lumineux renvoyé 10 arrivant sur le deuxième bras 8 après avoir traversé un deuxième hublot 16 de ladite enceinte. Les deux bras 2 et 8 sont, de plus, disposés de part et d'autre de l'enceinte 8 et suivant une direction oblique par rapport au plan P passant par l'échantillon 6. Le premier bras 2 peut être constitué par exemple principalement d'une source lumineuse 18, de moyens de polarisation 20 du premier faisceau lumineux 4 issu de la source 18 permettant de polariser la lumière rectilignement, encore appelé polariseur, et de moyens de modulation 22 de la polarisation dudit premier faisceau permettant de faire changer le plan de polarisation de celui-ci polarisé rectilignement. Le deuxième bras 8, encore appelé bras de mesure, peut être constitué de moyens d'analyse 24 du deuxième faisceau lumineux 10 polarisé elliptiquement, encore appelé analyseur, et de moyens de détection 26 du faisceau lumineux issu desdits moyens d'analyse 24. Sachant qu'en optique le principal problème est lié à l'alignement des différents éléments optiques, on conçoit que pour de tels ellipsomètres, l'alignement des éléments optiques, constituant les deux bras, de façon que le faisceau lumineux incident 4 ou premier faisceau arrive sur la surface de l'échantillon 6 et que le faisceau lumineux renvoyé 10 ou deuxième faisceau arrive sur le bras de mesure 8, soit très compliqué et difficile à réaliser, et ce d'autant plus que l'enceinte dans laquelle est situé l'échantillon présente de grandes dimensions ; en effet, le diamètre de ladite enceinte peut atteindre une dimension voisine du mètre. La présente invention a pour objet un ellipsomètre comportant un prisme à réflexions totales permettant de résoudre le problème posé par l'alignement des différents éléments optiques constituant les deux bras dudit ellipsomètre. De façon plus précise, l'invention a pour objet un ellipsomètre du genre de ceux décrits précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme à réflexions totales permettant de réfléchir le deuxième faisceau lumineux, renvoyé par l'échantillon, en direction du deuxième bras de façon que ledit deuxième faisceau soit parallèle et adjacent au premier faisceau lumineux susceptible d'être reçu par l'échantillon, les deux bras étant situés d'un même côté de l'enceinte. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le prisme à réflexions totales est un coin de cube, dont le sommet est dirigé radialement vers l'extérieur par rapport à l'enceinte, ce coin de cube pouvant être disposé à l'intérieur ou à l'extérieur de ladite enceinte. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens de polarisation du premier faisceau lumineux et les moyens de modulation de la polarisation de la lumière dudit faisceau sont constitués par un unique polariseur tournant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles - la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un ellipsomètre de l'art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement un ellipsomètre, selon l'invention, dans lequel le prisme à réflexions totales est situé à l'intérieur de l'enceinte, - la figure 3 représente schématiquement une partie de l'ellipsomètre de la figure 2, dans lequel le prisme à réflexions totales est situé à l'extérieur de l'enceinte. L'ellipsomètre schématisé sur la figure 2, comprend, de façon connue (voir figure 1), un premier bras 2 comportant une source lumineuse 18, des moyens de polarisation 20 d'un premier faisceau lumineux 4 issu de la source et des moyens de modulation 22 de la polarisation de la lumière dudit faisceau ainsi qu'un deuxième bras, ou bras de mesure, 8 comportant des moyens d'analyse 24 d'un deuxième faisceau lumineux 10 issu d'un échantillon 6, situé dans une enceinte 12, et des moyens de détection 26 de la lumière issue desdits moyens d'analyse. Selon l'invention, les deux bras 2 et 8 sont situés d'un même côté par rapport à l'enceinte 12, ce qui permet, par rapport aux ellipsomètres de 11 art antérieur (figure 1) un alignement plus aisé des différents éléments optiques constituant les deux bras ainsi que l'utilisation d'un unique hublot 16 de l'enceinte 12 permettant la transmission du faisceau lumineux 4, polarisé rectilignement, en direction de l'échantillon 6 et celle du faisceau lumineux 10, polarisé elliptiquement et issu de l'échantillon 6, en direction du bras de mesure 8. Le positionnement des deux bras de mesure 2 et 8 d'un meme côté de l'enceinte est obtenu grace à l'utilisation dtun prisme à réflexions totales 28. Ce prisme à réflexions totales 28 pouvant être situé soit à l'intérieur de l'enceinte 12 (figure 2) soit à l'extérieur de ladite enceinte (figure 3), présente, de préférence, une forme en coin de cube. L'utilisation d'un prisme à réflexions totales, taillé en coin de cube et disposé de façon que le sommet du cube soit dirigé radialement vers l'extérieur par rapport à l'enceinte, conduit à trois réflexions totales à l'intérieur dudit coin de cube, à condition que ledit coin de cube soit positionné de façon correcte. Les mouvements possibles du prisme 28 taillé en coin de cube seront explicites ultérieurement. L'utilisation d'un prisme à réflexions totales présentant une forme en coin de cube présente un certain nombre d'avantages. En effet, les trois réflexions totales modifient l'état de polarisation de la lumière de manière simple et bien connue. De plus, le faisceau lumineux incident 30, correspondant au faisceau lumineux renvoyé par l'échantillon 6, et le faisceau lumineux émergent 32 du prisme en coin de cube 28 sont rigoureusement parallèles à la suite des trois réflexions totales se produisant dans ledit prisme ; ceci permet au faisceau lumineux 10 renvoyé par ledit échantillon en direction du bras de mesure 8 d'être rigoureusement parallèle et adjacent au faisceau lumineux 4. Le faisceau lumineux 4, polarisé rectilignement, et le faisceau lumineux 10, polarisé elliptiquement, sont en réalité très proches l'un de l'autre. Afin de bien séparer les deux faisceaux lumineux 4 et 10, on peut utiliser un prisme à réflexion totale de type classique 34 ou tout autre moyen équivalent. Là encore l'effet de la réflexion totale sur la polarisation du faisceau lumineux 10 est bien connu. L'étude du changement de l'état de polarisation après wréflexion" à la surface de l'échantillon 6 se fait soit en utilisant un faisceau lumineux 4 monochromatique (faisceau laser), car l'état de polarisation dépend de la longueur d'onde utilisée, soit en utilisant un faisceau de lumière blanche associé à un monochromateur, lorsque l'on désire faire une étude spectroscopique. Sur la figure 2, on a représenté un monochromateur portant la référence 36 placé par exemple devant les moyens de détection 26. De plus, afin de ne détecter que la lumière sortant de l'échantillon à étudier (faisceau lumineux 10) on peut utiliser un obturateur tel que 38, au diaphragme. Cet obturateur 38 peut être placé juste après la source 18 et ceci dans le cas ou le monochromateur 36 est placé devant les moyens de détection 26. Dans le cas où le monochromateur 36 serait placé entre la source 18 et les moyens de polarisation 20, l'obturateur 38 serait alors placé juste derrière le monochromateur. L'étude du changement de l'état de polarisation peut se faire, soit de façon manuelle et séquentielle, dans ce cas les moyens de modulation 22 de la polarisation de la lumière pourront être remplacés par un compensateur du type lame quart d'onde ou compensateur de Bravais, soit de façon automati que et continue en utilisant par exemple une chaîne d'acquisition et de traitements de données telle que 40, reliée, d'une part, aux moyens de modulation 22, et, d'autre part, aux moyens de détection 26. Cette chaîne d'acquisition et de traitement 40, pouvant être composée d'appareils analogiques et/ou numériques permet de mesurer, in situ et en temps réel, les amplitudes des signaux électriques en provenance des moyens de détection 26, les amplitudes desdits signaux permettant de déterminer llellipticite de la lumière détectée par lesdits moyens, et les phases desdits signaux, ces phases permettant de déterminer l'azimut de la lumière détectée par lesdits moyens. Cette chaîne d'acquisition et de traitement 40 est constituée principalement par un calculateur permettant de déterminer, à partir de l'azimut et de l'ellipticité de la lumière détectée, les paramètres optiques du matériau et/ou du film le recouvrant, les propriétés optiques dudit film et son épaisseur, le matériau et/ou le film le recouvrant constituant l'échantillon à étudier. De façon pratique, les moyens de polarisation 20 et les moyens d'analyse 24 peuvent être constitués par deux polariseurs linéaires fixes, l'un jouant le rôle de polariseur, l'autre d'analyseur ; les moyens de modulation 22 peuvent être constitués par un modulateur photoélastique, par une cellule à effet Kerr à champ électrique tournant, par une cellule a effet Faraday 2 champ magnétique tournant ou par une lame biréfringente entraînée en rotation. De préférence, les moyens de polarisation 20 et les moyens de modulation 22 sont constitués par un unique polariseur tournant, schématisé par un encadré en tirets portant la référence 42. De plus, dans le cas d'une étude spectroscopique, les moyens de détection pourront être constitués soit par un photomultiplicateur, soit par une ou plusieurs photodiodes. Comme on l'a dit précédemment, l'obtention de trois réflexions totales dépend de la position du prisme à réflexions totales 28. En fait, comme on va le voir, le positionnement du prisme en forme de coin de cube n'est pas critique étant donné que, lorsque l'angle d'incidence du faisceau lumineux 30 varie de quelques degrés (au maximum 10 degrés), les trois réflexions totales se produisent encore. Cela dit, le prisme en coin de cube 28 peut être monté dans un bottier 44 muni d'un hublot 46 permettant le passage des faisceaux lumineux 30 et 32. Ce bottier 44 est fixé sur une plaque 48 au moyen d'une vis de réglage 50 munie d'un ressort de rappel 52 et au moyen de vis réglables telles que 54. Cette plaque 48 est elle-même solidaire d'une collerette 56 serrée contre l'enceinte 12 par un anneau 58 vissé sur cette enceinte et comportant une ouverture centrale 60 permettant de déplacer ladite colerette dans un plan perpendiculaire au faisceau incident 30, ce déplacement étant égal au maximum à 5 millimètres. De même, la plaque 48 permet, associée aux vis réglables 50 et 54, d'incliner le prisme autour des axes perpendiculaires au faisceau incident 30, cette inclinaison étant égale au maximum à 5 . De plus, le prisme en coin de cube 28 peut subir une rotation autour d'un axe parallèle au faisceau incident 30, l'angle de rotation variant de 0 à 3600. Sur la figure 3, on a représenté les moyens de positionnement du prisme dans le cas où celui-ci serait situé à l'extérieur de l'enceinte 12. Dans ce cas, l'enceinte 12 devra être munie d'un hublot 62 permettant le passage des faisceaux lumineux 30 et 32. Les moyens de positionnement étant de même constitution, on a gardé les mêmes références. L'ellipsomètre, selon l'invention, de conception simple et d'emploi aisé grâce au prisme à réflexions totales, taillé en coin de cube, permet d'analyser de façon non destructive des échantillons in situ et en continu, ces échantillons etant composés soit d'un substrat nu, soit d'un substrat recouvert d'un film. Cet ellipsomètre représente donc un appareil de contrôle simple pouvant permettre le contrôle de la fabrication des circuits intégrés sur un substrat en silicium ; il permet suivant les possibilités d'exploitation et d'interprétation des mesures de contrôler la croissance ou la disparition de films dont l'épaisseur varie de 0 nanomètre à 1000 nanomètres, ou plus. REVENDICATIONS 1. Ellipsomè-tre comprenant un premier bras (2) comportant une source lumineuse (18), des moyens de polarisation (20) d'un premier faisceau lumineux (4) issu de ladite source et des moyens ae modulation (22) de la polarisation de la lumière dudit faisceau, ce premier faisceau lumineux (4) polarisé et modulé étant susceptible d'être reçu par un échantillon d'un matériau à étudier (6) placé dans une enceinte (12), et un deuxième bras (8) comportant des moyens d'analyse (24) d'un deuxième faisceau lumineux (10) polarisé susceptible d'être renvoyé par ledit échantillon et des moyens de détection (26) de la lumière issue desdits moyens d'analyse, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme à réflexions totales (28) permettant de réfléchir le deuxième faisceau lumineux polarisé (10), renvoyé par ledit échantillon, en direction du deuxième bras (8) de façon que ledit deuxième faisceau soit parallèle et adjacent au premier faisceau lumineux (4) susceptible d'être reçu par l'échantillon, les deux bras étant situés d'un même côté de 11 enceinte (12). 2. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prisme à réflexions totales (28) est un coin de cube dont le sommet est dirigé radialement vers l'extérieur par rapport à l'enceinte (12). 3. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le prisme à réflexions totales (28) est situé à l'intérieur de l'enceinte (12). 4. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le prisme à réflexions totales (28) est situé à l'extérieur de l'enceinte (12). 5. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, des moyens permettant de positionner le prisme en coin de cube (28) de façon que le nombre des réflexions totales se produisant dans ledit prisme soit égal à trois. 6. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de polarisation (20) du premier faisceau lumineux (4) et les moyens de modulation (22) de la polarisation de la lumière dudit faisceau sont constitués par un unique polariseur tournant (42). 7. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend, encore, un monochromateur (36) permettant une étude spectroscopique. 8. Ellipsomètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le monochromateur (36) est placé devant les moyens de détection (26). 9. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend, encore, un obturateur (38) placé après la source de lumière. 10. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les moyens de détection (26) sont constitués par plusieurs photodiodes. 11. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend, encore, une chaîne d'acquisition et de traitement (40) des signaux électriques issus des moyens de détection (26).