Brevet FR2532415A1 — publié le 19840302

La présente invention concerne un procédé de mesure de distances courtes au moyen d'un interféromètre utilisant la lumière incohérente, interféromètre dans lequel le faisceau lumineux incohérent est transmis par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceau, d'une part à l'objet dont l'emplacement doit être déterminé, et d'autre part à un dispositif de référence, et les faisceaux lumineux réfléchis de l'objet ainsi que du dispositif de référence sont reçus au moyen d'un détecteur d'interférences qui détecte l'interférence lorsque les distances du dispositif de référence et de l'objet au diviseur de faisceau sont égales L'invention concerne également un interféromètre destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. On peut mesurer l'épaisseur de pellicules minces, de revêtements, de feuilles, etc par des moyens de mesure mécaniques si l'objet à mesurer est suffisamment dur Si des variations locales de l'épaisseur de revêtement ont de l'importance, comme par exemple lors d'un examen de circuits électro- niques hybrides, la pointe de mesure doit être de petite taille, de sorte que sa pression superficielle augmente et empêche la mesure d'une matière molle Les matières de revêtement sont fréquemment molles au stade initial du procédé jusqu'à ce qu'un temps approprié se soit écoulé pour leur per- mettre de durcir Pour le réglage d'un procédé, il serait important de re- cevoir des informations concernant l'épaisseur de la pellicule aussi rapide- ment que possible. Par des moyens optiques de mesure, il est possible de mesurer l'épaisseur d'une pellicule sans l'endommager La précision d'un télémètre optique classique basé sur la mesure des angles est toutefois souvent in- suffisante, puisqu'elle est seulement de l'ordre de 10 microns, Un inter- féromètre qui utilise la lumière monochromatique est suffisamment précis mais l'interférence a toujours lieu après chaque demi longueur d'onde sous une forme identique, de sorte qu'une erreur de la distance d'un multi- ple de la demi longueur d'onde peut facilement avoir lieu En utilisant plusieurs longueurs d'ondes différentes connues avec précision ou en chan- geant la longueur d'onde en dedans d'une gamme connue avec précision, il serait possible d'éviter l'ambiguîté du résultat donné par un interféro- mètre classique Au niveau actuel de la technologie, un appareil construit selon ces concepts devient cependant extrêmement coeteux - Si dans un interféromètre classique on utilise la lumière blanche 25324 1 5 au lieu de la lumière monochromatique, l'interférence n'est-plus ambigue, c'est-à-dire que l'interférence se produit seulement quand les deux fai- sceaux de lumière ont parcouru exactement la même distance (interféromètre de Michelson) Ce principe a été utilisé par le professeur Veisâlâ pour la comparaison des longueurs dans les quartzmètres construits par lui -L'insti- tut de Géodésie applique ce procédé découvert par Vâisâlâ pour la comparai- son de distances d'une longueur allant jusqu'à 0,5 km Un problème dans ce procédé est de trouver l'interférence; le réglage et l'accord de l'équipe- ment peuvent prendre plusieurs jours du temps de travail d'une personne lo hautement qualifiée Pour cette raison on comprend que le procédé de Vâisâlâ n'ait pas été largement utilisé. Si la pellicule ou le revêtement à mesurer est transparent, on peut mesurer avec précision son épaisseur au moyen d'une variante de l'in- terféromètre de Michelson utilisant la lumière blanche, variante qui a été proposée par Flournoy, McClure et Wyntjes en 1972 Dans ce procédé, le faisceau lumineux est réfléchi de la face avant et de la face arrière de la pellicule à mesurer, après quoi les faisceaux passent dans l'interféromètre, de sorte qu'on apprend l'épaisseur de la pellicule en déplaçant le miroir de l'interféromètre En principe, la distance entre la pellicule et l'interféromètre n'influe pas sur le résultat L'indice de réfraction de la lumière dans la pellicule et l'angle des faisceaux lumineux provoquent des inexactitudes dans la mesure. Dans la présente invention, on a apporté une modification à l'in- terféromètre du type Michelson, permettant un fonctionnement automatique et convenant pour la mesure de l'épaisseur de pellicules minces, non trans- parentes, etc Par les fonctions délibérées des composants optiques, élec- triques et électromécanqiues, on a pu éliminer l'inconvénient le plus im- portant de l'appareil initial: sa lenteur Une différence essentielle entre le procédé et l'appareil selon l'invention et la technique antérieure est aussi le fait qu'en qualité de résultat de la mesure, la longueur de la distance de référence continuellement réglable est indiquée au moment o l'interférence est détectée. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on règle périodiquement la distance de référence ou la distance à mesurer au moyen d'un mécanisme automatique, on contrôle l'interférence au moyen d'un détec- 2 5 3 2 4 1 5 teur électronique d'interférence et, au moment de l'interférence, on lit la position du dispositif de référence ou de l'objet à mesurer sur un in- dicateur de position ou un dispositif équivalent monté en liaison avec le mécanisme automatique On peut étalonner de façon convenable le mécanisme de déplacement à l'aide d'un second interféromètre. Ainsi, l'interféromètre selon l'invention destiné à mesurer des distances courtes est du type qui comprend une source de lumière trans mettant la lumière incohérente; un diviseur de faisceau pour diviser le faisceau lumière provenant de la source, d'une part vers le dispositif de référence, et d'autre part vers l'objet à mesurer; un détecteur d'in- terférences pour recevoir-les faisceaux réfléchis de lumière provenant du dispositif de référence et de l'objet; ainsi que des moyens pour régler la position du dispositif de référence, ledit interféromètre étant carac- térisé en ce que les moyens de réglage de la position du dispositif de ré- férence comprennent un mécanisme automatique à fonctionnement périodique, qui produit un changement périodique de la distance de référence, de pré- férence à une vitesse constante, et en ce que le détecteur d'interférences fonctionne électroniquement et est connecté audit mécanisme automatique de façon qu'au moment de l'interférence, il soit possible de lire la posi- tion du mécanisme et, en même temps que cette position, la distance de référence. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre en regard du dessin annexé, dans lequel les figures 1 et 3 sont des vues schématiques du principe de l'interféromètre utilisant la lumière incohérente; et la figure 2 représente un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention. La source de lumière 1 dans l'appareil est une lampe incandes- cente On peut également utiliser une diode semi-conductrice émettrice de lumière (DEL) Une particularité essentielle de la source de lumière est une bande spectrale large, c'est-à-dire que la lumière monochromatique ne convient pas En outre, une intensité élevée et uniforme est obligatoire. En qualité de diviseur de faisceau 2, on peut utiliser-un prisme diviseur de faisceau, un miroir semi-transparent etc La qualité optique du divi- seur de faisceau est importante Le rapport de division peut également être autre que 1:1 A partir du diviseur de faisceau, un faisceau lumineux passe vers l'objet 4 à mesurer alors que l'autre faisceau se dirige vers le dispositif de référence 3 qui est muni d'un dispositif d'actionnement électromécanique (non représenté sur la figure 1) pour le réglage de sa position et aussi de la distance de référence Selon l'invention, cette distance est réglée, d'une façon qu'on décrira plus loin, au moyen d'un dispositif d'actionnement qui effectue périodiquement un mouvement de va et vient aussi uniformément que possible On peut aussi régler la distance optiquement, par exemple au moyen d'une plaque de verre pivotante Un dispositif d'actionnement électromécanique simple est un mécanisme de haut- parleur à la membrane mobile duquel le miroir est fixé A l'aide de lentil- les on obtient une intensité suffisante de la lumière et une petite dimen- sion de la pointe de mesure de la lumière Les faisceaux lumineux réfléchis par le miroir en rapport avec la distance de référence et à partir de l'objet 4 à mesurer, qui ont parcouru une distance de longueur égale, sont envoyés dans le détecteur 5 En ce qui concerne le détecteur, on peut uti- liser une photodiode au silicium ordinaire. En se référant à la figure 2, le signal reçu du détecteur 5 est amplifié par un amplificateur 6 et arrive sur un filtre passe-bande 7. Cela est possible du fait que la fréquence de l'interférence est constante par suite de la vitesse stable du miroir Etant donné que l'interférence est très brève, habituellement d'une longueur seulement d'environ six cycles sinusoïdaux, la valeur Q du filtre passe-bande 7 doit être d'environ 3 Au moyen du filtre, on peut atténuer, par exemple, les perturbations provenant de l'éclairage général L'impulsion d'interférence est redressée en 8 et est filtrée par un filtre passe-bas 9 Le moment initial de l'impul- sion d'enveloppe obtenue est indiqué Etant donné que l'amplitude des im- pulsions ultérieures peut varier entre de larges limites, on utilise ce que l'on appelle un détecteur à fraction constante 10 Les impulsions d'erreurs produites par le bruit sont exclues au moyen d'un comparateur à limite minimale 11, c'est-à-dire que l'amplitude de l'impulsion doit dé- passer une certaine valeur constante établie pour être acceptée. On effectue un minutage plus précis du moment d'interférence au moyen d'un comparateur de dépassement de zéro 12 du signat d'interférence. 2 5 3 2 4 1 5 Ce comparateur contrôle le dépassement suivant de zéro après le moment d'interférence indiqué par le détecteur à fraction constante. En ce qui concerne les moyens d'actionnement de réglage de la distance de référence, dans le mode de réalisation décrit, on utilise un haut-parleur 13 muni d'un miroir, qui est alimentésà partir d'un générateur 14 d'ondes triangulaires Si nécessaire, la position zéro du haut parleur peut être modifiée en additionant un léger composant à courant continu avec sa tension d'alimentation Au moment d'interférence détécté, la tension pro- portionnelle à la position -des moyens d'actionnement est emmagasinée dans les éléments d'échantillonage et deg support 15, dans lesquels l'emmagasi- nage a lieu en alternance selon le sens du mouvement du dispositif d'action- nemeht En établissant une moyenne de la tension des éléments d'échantil- lonnage et de support au moyen d'un amplificateur additionneur 16, on élimine tout effet d'une hystérésis possible du dispositif d'actionnement sur le résultat de la mesure A partir du signal de sortie de l'amplificateur additionneur, on obtient une tension proportionnelle à la distance à mesurer. Un compteur 17 compte le nombre de cycles du dispositif d'actionnement Le compteur est remis à zéro au moment de la détection de l'interférence de sorte qu'il fonctionne comme un indicateur des interférences manquantes. L'amplitude maximale de l'enveloppe de l'impulsion d'interférence est réglée au moyen d'un indicateur 18 de la valeur de pointe Quand la valeur maximale dépasse une valeur pré-établie, on obtient une information à ce sujet. Les données obtenues de l'indicateur des interférences manquantes et de l'indicateur des valeurs maximales sont utilisées pour régler l'at- ténuateur 19 (atténuation d'environ 20 à 30 d B) dont la fonction est d'at- ténuer le signal d'interférence mesuré à partie d'une bonne surface pour ainsi réduire les facteurs dynamiques nécessaires à partir des composants électroniques. Un avantage de l'appareil décrit est que la distance qui est sou- vent difficile à mesurer est convertie en une distance de référence facile- ment mesurable La mesure est la plus efficace à partir d'une surface lisse et brillante Une irrégularité de la surface affaiblit et prolonge l'inter- férence ce qu'on peut utiliser comme une mesure du caractère lisse de la surface. 25324 1 5 Le pouvoir de résolution de l'appareil est en principe meilleur que X /8, c'est-à-dire d'environ 100 nm pour une longueur d'onde moyenne de 0,9 micron La gamme de mesure est limitée par l'exigence de vitesse et par le dispositif d'actionnement qui règle la distance de référence A titre d'exemple, une mesure peut se faire à une vitesse de 1 mm par seconde mais, si nécessaire, on peut accélérer cette opération au détriment du bruit, selon la surface à mesurer, de 1 à 2 décades. Une autre application de l'interféromètre est la mesure de l'épais- seur de pellicules minces en matières plastique transparente à couches mul- tiples Comme on le voit sur la figure 3 (sur laquelle les références 21, 22, 23 et 25 correspondent aux références 1, 2, 3 et 5 respectivement de la figure 1), une pellicule 20 à couches multiples est placée devant le miroir arrière 24 (la pellicule peut être en mouvement) En raison du principe de mesure, on obtient au moins trois interférences, la première de la face avant de la pellicule, la seconde de sa face arrière et la troisième du miroir 24 En outre, il est probable qu'il y aura des interférences d'un ordre supérieur Etant donné que les interférences des faces avant et arrière de la pellicule n'apparaissent pas simultanément, la pellicule se déplace ordinairement d'une distance considérable au cours de l'intervalle entre les interférences Si l'information d'épaisseur devait être calculée à partir de la différence entre les interférences de la face avant et de la face arrière, le mouvement dans le sens du faisceau de mesure de la pel- licule serait à l'origine d'une erreur dans le résultat On peut éviter cette erreur en utilisant le déplacement de l'interférence du miroir, sous l'effet de la pellicule, pour la mesure de l'épaisseur momentanée L'emplace- ment de l'interférence provoquée par le miroir est emmagasiné dans la mé- moire du moyen de mesure quand la pellicule est à l'extérieur du faisceau. Le déplacement de l'interférence sous l'effet de la pellicule est égal à (n 1) d, équation dans laquelle N est l'indice de réfraction de la pelli- cule et d est son épaisseur La différence entre les distances d'inter- férence des faces avant et arrière de la pellicule est donc de n d, mais cette mesure est sensible au mouvement de la pellicule dans la direction du faisceau En calculant les valeurs moyennes n d mesurées, on peut mesurer l'épaisseur moyenne également par cette technique On préfère cependant utiliser l'information ainsi obtenue pour calculer et contrôler l'indice de réfraction A partir des deux équation ci-dessus comportant deux inconnues il est évidemment possible de déterminer à la fois l'épaisseur et l'indice de réfraction de la pellicule. Le miroir arrière n'a pas besoin d'être de qualité supérieure. Il est seulement essentiel que son caractère droit et lisse correspondande à la précision désirée des mesures L'indice de réflexion optique peut même être faible, par exemple de 10 %, alors que la surface d'un miroir de qualité supérieure pourrait même poser des problèmes puisque la direction de la sur- face est dans ce cas très critique. Des réflexions multiples dans la pellicule et entre le miroir et la pellicule provoquent des interférences d'un ordre supérieur Elles peu- vent être même tellement fortes qu'il est impossible de les éliminer au moyen de la valeur d'amplitude Par suite de la plus longue distance optique, les interférences d'ordre supérieur sont facile à séparer des interférences de la face avant et arrière de la pellicule mais la détermination de l'inter- férence du miroir risque d'être faussée Si l'intrefer entre la pellicule et le miroir présente une largeur de n d, la situation devient difficile car dans ce cas l'interférence du miroir et l'interférence provoquée par la réflexion interne de la pellicule coïncident Pour éviter cela, il est recommandé d'opérer-comme suit lorsqu'on traite des pellicules minces et épaisses: si la pellicule est plus épaisse que 100 microns, on la place aussi près que possible du miroir, l'entrefer acceptable ayant une largeur qui correspond sensiblement à l'épaisseur de la pellicule Ainsi, l'inter- férence la plus importante provoquée par le miroir est facile à localiser car elle occupe la troisième position sur l'échelle des distances (à côté de l'interférence de la face arrière) et, en tout cas, après l'interférence de référence du miroir. Quand il s'agit de pellicules minces, l'entrefer doit être large, par exemple de 400 microns Cette valeur n'est cependant pas critique et on peut choisir toute valeur entre 200 et 600 microns La limite supérieure est déterminée par la distance focale des composants optiques de l'inter- féromètre, c'est-à-dire le caractère acéré de la pointe de mesure dans le sens de la profondeur D'autre part, à la limite inférieure, des problèmes peuvent se poser concernant les interférences d'ordre supérieur dont l'es- timation sera probablement erronée Si l'entrefer est acceptable, l'inter- férence provoquée par le miroir arrière sera la première et probablement la seule après la distance de référence du miroir arrière. Dans des pellicules en matière plastique à couches multiples, les interférences provoquées par les couches intermédiaires sont observées très fréquemment -Bien que l'amplitude des interférences soit faible, elle reste suffisante pour mesurer l'épaisseur des couches intermédiaires Le fait que les petites réflexions puissent également être observées par l'in- terféromètre est dû au faisceau de référence constant Le signal sortant de la diode de détection des interférences est proportionnel au produit du faisceau de référence et du faisceau réfléchi par l'objet à mesurer Etant donné que la valeur de référence est constante, il en résulte une vaste gam- me des mesures dynamiques, l'ordre étant de 1:1000 et il est défini comme une fluctuation de l'indice de réflexion - Dans la plupart des autres interféromètres, le faisceau de référence est également réfléchi des surfaces à mesurer de sorte que la gamme dynamique diminue sensiblement, étant par exemple de 1:30. Dans la mesure des pellicules en matière plastique à couches multiples, on ne peut pas observer les couches intermédiaires sur chaque point Cela ne provoque cependant pas d'ennuis trop importants puisque la pellicule plastique peut être déplacée ou se déplace de façon que des points favorables à la mesure apparaissent régulièrement Ainsi, on peut obtenir les épaisseurs moyennes des couches intermédiaires Pour ce qui est de la distance de mesure des pellicules en-matière plastique à couches multiples, les considérations sont les mêmes que pour les pellicules à couche unique. Dans une application pratique de l'interféromètre, les composants électroniques de mesure doivent recevoir une information concernant la qua- lité de la surface de la pellicule plastique etc et une estimation gros- sière de l'épaisseur anticipée ou des variations de l'élévation de la sur- face Le nombre minimal des interférences anticipées est une information appropriée pour indiquer le mode Quand le profil des surfaces transparentes est mesuré, on attend une seule interférence et le mode correspondant est le MODE 1 Si une pellicule transparente-est en sandwich au-dessus d'une pellicule non transparente, on attend deux interférences, une de chaque face de la pellicule Le mode correspondant dans ce cas est le MODE 2 Dans le cas d'une pellicule plastique à couche unique, on attend trois interférences 25324 15 outre les interférences éventuelles d'un ordre supérieur, le mode corres- pondant étant le MODE 3 Dans le cas des pellicules à couches multiples, on attend au moins quatre interférences notables et on doit utiliser le MODE 4 Si le nombre d'interférences observées ne correspond pas au nombre donné, l'interféromètre avertit l'opérateur pour qu'il contrôle le mode ou l'échantillon. En divisant la mesure en différents modes et en choisissant la distance de mesure selon l'information grossière de l'épaisseur, le pro- gramme des données à utiliser peut être fiable et simple Le nombre et l'emplacement des interférences attendues sont ainsi intérieurement definis pour l'appareil avant de commencer les mesures. c' 25324 15 REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de distances courtes, par exemple de l'épais- seur de pellicules à couches multiples, au moyen d'un interféromètre utili- sant la lumière incohérente, interféromètre dans lequel le faisceau lumineux incohérent est transmis par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceau ( 2), d'une part à l'objet ( 4) dont l'emplacement doit être déterminé, et d'autre part à un dispositif de référence ( 3), et les faisceaux lumineux réfléchis de l'objet ainsi que du dispositif de référence sont reçus au moyen d'un détecteur d'interférences ( 5), qui détecte l'interférence lorsque les dis- tances du dispositif de référence ( 3) et de l'objet ( 4) au diviseur de fai- sceau ( 2) sont égales, de sorte que la distance de référence est périodique- ment réglée au moyen d'un mécanisme automatique, l'interférence est contrô- lée au moyen d'un détecteur électronique d'interférences, caractérisé en ce qu'au moment de l'interférence, on lit la position du dispositif de référence ( 3) et de l'objet ( 4) à mesurer à partir d'un indicateur de position ou d'un dispositif équivalent en liaison avec le mécanisme automatique, et en ce que l'on règle la distance de référence à une vitesse constante sur toute la gamme de mesure. 2 Procédé selon la revendication 1 utilisable pour la mesure de l'épaisseur d'une pellicule ( 20) comprenant au moins une couche, caractérisé en ce qu'on place la pellicule plastique ( 20) à mesurer devant un miroir ( 24), le-résultat de la mesure étant obtenu au moyen du déplacement d'inter- férence du miroir,et en ce qu'on choisit la distance entre la pellicule ( 20) et le miroir ( 24) en fonction de l'épaisseur de la pellicule ( 20). 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue la détection de l'interférence d'abord grossièrement au moyen de l'enveloppe de l'interférence et ensuite avec présision à l'aide d'un détec- teur de dépassement de zéro. 4 Interféromètre utilisant la lumière incohérente et destiné à mesurer des distances courtes, comprenant une source de lumière ( 1) trans- mettant la lumière incohérente, un diviseur de faisceau ( 2) pour diviser le faisceau lumineux provenant de la source, d'une part vers le dispositif de référence ( 3), et d'autre part vers l'objet ( 4) à mesurer, un détec- teur d'interférences ( 5) pour recevoir les faisceaux réfléchis de lumière 25324 15 provenant du dispositif de référence ( 3) et de l'objet ( 4), ainsi que des moyens ( 13, 14) pour régler la position du dispositif de référence ( 3), les- dits moyens de réglage de la position du dispositif de référence ( 3) com- prenant un mécanisme automatique à fonctionnement périodique ( 13, 14), caractérisé en ce que ledit mécanisme ( 13, 14) est agencé pour produire un changement périodique de la distance de référence à une vitesse constante; et en ce que le détecteur d'interférences ( 5) est connecté à ce mécanisme automatique ( 13, 14) de manière qu'au moment de l'interférence, il soit possible de lire la position du mécanisme et, en même temps -que cette posi- tion la distance de référence. Interféromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mécanisme automatique est un dispositif électromécanique ( 13) muni d'une bobine, par exemple un mécanisme de haut-parleur à la membrane duquel est fixé un miroir. 6 Interféromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un circuit ( 14), qui fournit une tension triangulaire périodique de vitesse constante d'alterration, est connecté à la bobine. 7 Interféromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire passer le signal reçu du détecteur ( 5), après passage éventuel par un amplificateur ( 6) à un filtre passe- bande ( 7), après quoi un redresseur ( 8) et un filtre passe-bas ( 9) sont connectés de manière à-produire une impulsion d'enveloppe. 8 Interféromètre selon l'une quelconque des revedications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments d'échantillonnage et de support ( 15) pour emmagasiner une quantité électrique proportionnelle à la position du mécanisme automatique ( 13, 14) au moment de l'interférence.