Brevet FR2549952A1 — publié le 19850201

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la dimension bord à bord d'un objet par voie optique Cette dimension peut être une épaisseur, une largeur, un diamètre, etc L'inven5 tion s'applique en particulier à des objets de faible dimension, par exemple de quelques microns ou moins. L'invention peut s'appliquer, entre autres, à la mesure de la largeur d'un motif déposé ou gravé sur un substrat plan Plus particulièrement, 10 l'invention peut être utilisée pour effectuer la mesure précise et juste de la largeur d'un trait déposé sur un substrat semiconducteur, ce trait pouvant servir de motif test destiné à contrôler et régler le processus de fabrication d'un circuit intégré L'in15 vention permet la mesure de motifs de dimension suffisamment faible pour qu'elle s'applique à une technologie de fabrication de circuits intégrés mnicroniques et même submicroniques. Il existe des dispositifs de mesure des di20 mensions d'objets faisant quelques microns Ces dispositifs fonctionnent suivant le principe d'un système optique genre microscope dans lequel on forme une image agrandie de l'objet Un opérateur effectue directement la mesure à partir de cette image Mais 25 cette mesure est imprécise, car les contours de l'objet sont mal définis et l'opérateur doit évaluer subjectivement la position de ces contours La mesure varie donc d'un opérateur à l'autre. Il existe aussi des dispositifs utilisant 30 des éléments photosensibles (par exemple des caméras vidéo) disposés dans le plan de l'image agrandie de l'objet Ces éléments photosensibles fournissent des signaux électriques, qui peuvent être interprétés automatiquement en vue de fournir une mesure de l'ob35 jet. B 7940 C RS Ces dispositifs sont plus précis que les précédents, car ils ne font pas intervenir l'appréciation humaine, toujours source d'aléas En revanche leur justesse reste médiocre En effet, comme les 5 contours de l'image sont mals définis, il n'est pas possible de connaître exactement ce que mesure le dispositif photosensible Un calibrage soigné permet d'obtenir des résultats satisfaisants seulement si les objets ont une taille supérieure à deux microns. 10 Pour améliorer la précision et la justesse des mesures dans le domaine micronique, la tendance actuelle consiste à perfectionner les organes optiques pour augmenter leur qualité (suppression des aberrations en tous genres) Ainsi, l'image optique 15 étant de meilleure qualité, son interprétation s'en trouve facilitée. La présente invention concerne un ensemble de moyens constituant un nouveau dispositif de mesure de dimension par voie optique, qui permet d'améliorer 20 à la fois la précision et la justesse de la mesure, pour des objets mesurés aussi petits et même plus petits que ceux qui peuvent être mesurés actuellement En outre, ce résultat est obtenu avec des moyens optiques et électroniques de qualité usuelle. 25 Ce but est atteint, selon l'invention, grâce à l'utilisation de moyens permettant de passer du domaine spatial, qui est celui de l'image de l'objet à mesurer, à un domaine de fréquence, obtenu par transformée de Fourier discrète La mesure de la di30 mension s'effectue alors dans ce domaine transformé, ce qui conduit à de multiples avantages comme on le comprendra mieux par la suite. La transformation de Fourier discrète d'un signal est, naturellement, une opération connue en 35 soi et qui a déjà trouvé de multiples applications. On pourra consulter par exemple à ce sujet l'ouvrage B 7940 C RS de J LIFERMANN intitulé Les méthodes rapides de transformation du signal: Fourier, Walsh, Hadamard, Haar" (Masson 1979), chapitre III. De façon précise, l'invention a pour objet 5 un dispositif de mesure de la dimension bord à bord d'un objet, ce dispositif comprenant un moyen optique de formation d'une image agrandie de cet objet dans un plan image, cette image faisant apparaître de façon distincte les deux bords de l'objet, un organe 10 photosensible constitué d'une suite d'éléments photosensibles disposés dans le plan image et orientés selon une direction perpendiculaire aux bords de l'image, cet organe photosensible fournissant une série de signaux électriques analogiques ayant une 15 amplitude fonction de l'intensité lumineuse reçue par chacun des divers éléments qui le constituent, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un convertisseur analogique-numérique à une entrée reliée à l'organe photosensible et à 20 une sortie qui délivre une série de signaux numériques, et un circuit de traitement numérique relié à la sortie du convertisseur et effectuant une transformation de Fourier discrète du signal formé par cette série de signaux numériques, transformation qui 25 conduit à une distribution de composantes de Fourier qui comprend des minima écartés de N, dont un premier minimum à la valeur N, le circuit de traitement étant apte à déterminer la valeur N et à déduire de cette valeur N la dimension L recherchée par la relation 30 L=X/N o X est un paramètre défini par les conditions opératoires. Dans une première variante, le circuit de traitement détermine la position du premier minimum, ce qui fournit la valeur N Cette variante correspond 35 à des cas simples o les images sont contrastées, ce B 7940 C RS qui est le cas des mesures effectuées sur des masques Dans une seconde variante, le circuit de traitement détermine la valeur moyenne de l'écart entre les minima successifs rencontrés dans le spectre. 5 Cette variante correspond aux mesures effectuées sur des images fortement affectées par des effets d'interférences optiques (motifs gravés sur des plaquettes). Les caractéristiques de l'invention appa10 raîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un 15 motif théorique rencontré en microélectronique, la figure 2 est une vue en coupe d'un motif réel, la figure 3 est une vue en perspective du motif de la figure 2, la figure 4 représente l'image de l'objet des figures 2 et 3 telle qu'obtenue avec un microscope optique, les figures 5 et 6 illustrent deux diagrammes que l'on peut rencontrer lors de l'analyse de 25 deux motifs différents, la figure 7 est un schéma du dispositif de l'invention, la figure 8 montre un spectre discret (module de la Transformée de Fourier discrète) du si30 gnal correspondant aux diagrammes des figures 5 ou 6, les figures 9 a et 9 b montrent deux exemples expérimentaux de diagrammes de mesure des dimensions d'un objet, les figures 10 a et lob montrent les deux 35 transformées de Fourier discrètes, correspondant aux deux diagrammes des figures 9 a et 9 b. B 7940 C RS L'objet représenté sur la figure 1 est un objet théorique Il s'agit d'un motif 2 (par exemple une couche métallique, ou isolante ou semiconductrice) parfaitement parallélépipédique, disposé sur un substrat 4 (par exemple en isolant, ou en matériau semiconducteur) En pratique, de tels objets ont une forme comme celle qui est représentée sur les figures 2 et 3 Le profil 6 déposé sur le substrat 8 possède des bords arrondis et, examiné au microscope, il don10 ne une image 10 avec des bords 11 et 12 mal définis (figure 4) Cette imprécision est due tant à la complexité géométrique des bords réels de l'objet qu'à l'imperfection de l'optique du microscope. Si l'on dispose, en travers de l'image 10, 15 c'est-à-dire selon une direction perpendiculaire aux bords de l'image, un organe photosensible 14, formé d'une barrette d'éléments photosensibles et si l'on extrait séquentiellement les signaux issus de chacun de ces éléments, on obtient un signal analogique dont 20 l'enveloppe a une forme telle que celles qui sont représentées sur les figures 5 et 6 Il est clair qu'il est difficile d'exploiter de tels diagrammes pour en extraire la largeur de l'objet Les effets de diffraction, d'aberration géométrique et chromati25 que, ainsi que divers effets électroniques parasites du système d'acquisition, perturbent le signal et sont la cause de la complexité des diagrammes obtenus Pour les exploiter malgré tout, le principe de la mesure classique consiste à choisir expérimentale30 ment un seuil S, compris entre les niveaux minimal 50 et maximal 51 du signal électrique, et à mesurer la largeur du signal au niveau de ce seuil. On comprend immédiatement qu'il est difficile de savoir ce que l'on mesure exactement de cette 35 manière, même si l'on obtient des résultats répéti- B 7940 C RS tifs et précis En outre, si l'on a affaire à des objets transparents (comme c'est parfois le cas en microélectronique), l'image obtenue est peu contrastée et comporte des effets d'interférences, ce qui rend la mesure encore plus délicate. L'invention remédie à ces inconvénients grâce à une disposition qui est illustrée sur la figure 7 Le dispositif représenté comprend, tout d'abord, des moyens optiques classiques permettant de 10 former une image de l'objet 6 dans un plan image 20. Ces moyens comprennent un microscope optique 22 constitué d'une première optique 24 permettant d'obtenir une image réelle agrandie, que l'on peut observer directement en 26 devant un oculaire 28 et d'une secon15 de optique 30, permettant d'agrandir cette image dans le plan 20 Dans ce plan 20, est disposée perpendiculairement à la direction générale du trait, une barrette 32 constituée d'un ensemble d'éléments photosensibles alignés et juxtaposés On peut utiliser à 20 cette fin des éléments photoconducteurs associés à un dispositif à couplage de charge ("Charge Coupled Device" ou CCD en anglais). Selon l'invention, le dispositif comprend, en outre, un convertisseur analogique-numérique 34 25 qui convertit en signaux numériques les signaux analogiques provenant des éléments photosensibles Les signaux numériques sont transmis à un circuit 36 de traitement numérique Ce dispositif 36 est connu en soi et permet de réaliser une opération de Transfor30 mée de Fourier Discrète (en abrégé TFD), (le caractère udiscretu de cette transformée venant du fait que le signal à transformer n'est pas continu mais est échantillonné). Le signal délivré par un circuit de TFD est 35 représenté sur la figure 8 Il s'agit d'une succes- B 7940 C RS sion de points dont l'ordonnée M correspond au module de la fonction complexe résultant de la transformation de Fourier La fréquence F portée en abscisses est naturellement une fréquence spatiale Selon les 5 propriétés connues de la transformation de Fourier, le spectre obtenu contient une suite de minima Le r 8 ôle du circuit de traitement 36 est également de rechercher la position du premier minimum ou la valeur moyenne des écarts entre les minima, position ou 10 valeur désignées par N Un raisonnement mathématique connu permet d'affirmer la possibilité de déduire, à partir de cette valeur UN", la longueur du signal électrique, donc la largeur IL' de l'image On a en effet L=X/N o X est un paramètre qui est défini par 15 les conditions opératoires Un calibrage du dispositif, effectué à l'aide d'un objet de largeur connue, permet d'affecter une valeur 'XI à la partie du dispositif photosensible qui effectue l'acquisition électrique de l'image Le résultat final de la mesure 20 est affiché sur un écran 38. Les diagrammes des figures 9 a et 9 b montrent deux exemples de relevés expérimentaux du signal analogique disponible à la sortie de l'organe photosensible 32 Ces deux diagrammes correspondent à 25 un même objet mais dans des conditions d'analyse différentes On constate que les deux diagrammes sont sensiblement différents. Les figures 10 a et 10 b représentent les transformées de Fourier correspondant aux deux pro30 fils 9 a et 9 b On voit que les deux valeurs Na et Nb, marquant la position des premiers minima de ces spectres, sont identiques pour les deux cas On s'est donc affranchi largement des conditions opératoires. B 7940 C RS REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de la dimension bord à bord d'un objet, comprenant des moyens optiques ( 24, 30) de formation d'une image agrandie de 5 cet objet dans un plan image ( 20), cette image faisant apparaître de façon distincte les deux bords de l'objet, un organe photosensible ( 32) constitué d'une suite d'éléments photosensibles disposés dans le plan image et orientés selon une direction perpendiculaire 10 aux bords de l'image, cet organe photosensible fournissant une série de signaux électriques analogiques ayant une amplitude fonction de l'intensité lumineuse reçue par chacun des divers éléments qui le constituent, ce dispositif étant caractérisé par le fait 15 qu'il comprend, en outre, un convertisseur analogique-numérique ( 34) à une entrée reliée à l'organe photosensible ( 32) et à une sortie qui délivre une série de signaux numériques, et un circuit de traitement numérique ( 36) relié à la sortie du convertis20 seur ( 34) et effectuant une transformation de Fourier discrète du signal formé par cette série de signaux numériques, transformation qui conduit à une distribution de composantes de Fourier qui comprend des minima écartés de N, dont un premier minimum à la va25 leur N, le circuit de traitement ( 36) étant apte à déterminer la valeur N et à déduire de cette valeur N la dimension L recherchée par la relation L=X/N o X est un paramètre défini par les conditions opératoires. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de traitement détermine la position du premier minimum. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de traitement 35 détermine la valeur moyenne des écarts entre les minima successifs. 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