Brevet FR2574537A1 — publié le 19860613

Procédé et dispositif de mesure de l'épaisseur de films minces utilisant des ondes acoustiques de surface La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de mesure de L'épaisseur de films min ces utilisant des ondes acoustiques de surface. Elle trouve son application dans le domaine du contrôle non destructif des épaisseurs de couches minces isolantes ou conductrices déposées lors de la fabrication des circuits intégres et, d'une façon genérale, dans tout procédé de fabrication faisant intervenir un depôt de couches minces sur un substrat conducteur, semiconducteur ou isolant. La mesure des épaisseurs de couches minces déposées par plasma réactif, par évaporation, par pul- vérisation, etc... est un probleme difficile du fait des contraintes imposées par les conditions dans les quelles doit être effectuée La mesure : en particulier, toute altération ou modification de ces couches est à éviter ; il s'agit donc d'effectuer une mesure non des tructive et si possible sans contact avec les matériaux déposés. Or, l'épaisseur des couches minces est, avec la dimension des motifs gravés, un paramètre de fabri cation primordial qui doit être contrôlé avec précision et en permanence. Jusqu'ici les moyens de mesure d'épaisseur des couches minces étaient essentiellement optiques, c'est dire qu'ils ne pouvaient traiter le cas des maté riaux opaques tels que les métaux ou alliages de métaux qui sont utilisés en microélectronique ; or, le contrô le des métallisations connaît de nos jours-une impor tance de plus en plus grande, compte tenu de l'augmen tation du nombre de niveaux d'interconnexion dans les circuits intégrés ; la réduction -spectaculaire des di mensions des motifs élémentaires (grilles, contacts et interconnexions), réalisés à l'aide de matériaux -nou veaux (siliciures) en remplacement du silicium polycristallin traditionnellement utilisé, accrott encore la nécessité de ce contrôle. Actuellement, il n'existe qu'une seule technique permettant la mesure non destructive de L'épais- seur des films métalliques : elle utilise les courants de Foucault. Cette technique présente un double inconvénient : elle nécessite la connaissance préalable de la résistivité des matériaux constituant les couches et sa précision diminue rapidement avec l'épaisseur des films à mesurer. Par ailleurs, sa précision est trés affectée par les variations d'homogénéité des films ; en réalité il s'agit davantage d'une technique de mesure de la résistivité que d'une technique de mesure de L'épaisseur. La présente invention remédie à cette carence en proposant un procédé et un dispositif de mesure de l'épaisseur de films minces qui s'affranchit de ces limitations. L'invention préconise L'utilisation d'ondes acoustiques de surface dont la vitesse de propagation dans une couche mince dépend de La nature et de l'épaisseur de cette dernière : mesurer cette vitesse revient donc à mesurer l'épaisseur de La couche. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé pour mesurer L'épaisseur d'un film mince déposé sur un substrat, caractérisé par le fait que l'on crée, dans ce film, une onde acoustique de surface, on mesure la vitesse de propagation de cette onde et l'on en déduit l'épaisseur du film. De préférence, pour mesurer la vitesse de l'onde acoustique de -surface, on emploie une sonde optique sensible à la phase de L'onde acoustique, cette sonde visant deux points distincts du film et on mesure la différence de phase de l'onde acoustique entre ces deux points. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure de L'épaisseur d'un film mince déposé sur un substrat, pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être défini, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour créer, dans ce film, une onde acoustique de surface et un moyen pour mesurer la vitesse de propagation de cette onde et pour en déduire L'épaisseur du film. De préférence, le moyen pour mesurer la vitesse de propagation de L'onde est constitué par une sonde optique émettant deux faisceaux lumineux dirigés sur Le film, des moyens pour détecter les deux faisceaux réfléchis par le film et un circuit de mesure du déphasage entre les deux faisceaux réfléchis. En ce qui concerne le moyen pour créer, dans le film, une onde acoustique de surface, il peut être constitué par un transducteur électromagnétique, un laser modulé en amplitude, un transducteur piézoélectrique, ou par tout autre moyen connu. Les caractéristiques de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif. Cette description se réfère à des dessins présentés en annexe sur lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant le principe de l'invention, - la figure 2 est un schéma de principe d'une sonde optique permettant la mesure de ta vitesse d'une onde acoustique de surface, - la figure 3 est un schéma de principe d'un transducteur éLectromagnétique, et - la figure 4 illustre une variante utilisant un Laser modulé comme source d'excitation- de l'onde de surface. Le dispositif illustré sur la figure 1 comprend une platine 10 supportant un substrat 11 sur le quel se trouve un fit. rince 12 ; selon l'invention, pour mesurer L'épaisseur de ce film mince, on dispose un transducteur 13 et une sonde optique 14 à proximité de la surface du film. Une onde acoustique est ainsi lancée par Le transducteur 13 à la surface du film 12 et cette onde passe sous la sonde optique 14. La lumière émise par cette sonde est réfLéchie par La surface du film ébranlée par l'onde de surface. La Lumière réfléchie porte une information de phase qui est extraite et traitée par un moduLe éLectronique 15. Ce moduLe conduit ainsi à La connaissance de la vitesse-de L'onde acoustique. La détermination de L'épaisseur du film peut atours se faire par calcul ou, pLus commodément, par utilisation de courbes préenregistrées. On peut utiliser une sonde simple, c'est-àdire utilisant un seuL faisceau Lumineux, ce qui suppose la mesure de la phase de L'onde acoustique successivement en deux points voisins. Mais on préfère utiliser une sonde optique double dont un mode de réalisation est iLLustré sur La figure 2. TeLLe que représentée, la sonde comprend un laser 20 émettant un faisceau Lumineux 21 en direction d'un déflecteur acoustooptique 26, du type ceLLule de Bragg,excité par un générateur 30 à la fréquence FB. La sonde comprend encore des miroirs plans 23, 24, 25. La sonde comprend enfin deux photodétecteurs 27, 28 et un amplificateur à détection de phase 29. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Le faisceau de lumière paraLLèle monochromatique 21 émis par la source 20 traverse La cellule de Bragg 26 et donne naissance à des rayons 21, 22 et 22 qui correspondent respectivement aux directions 0, +1 et 1 de diffraction. Après réflexion sur des miroirs 23 et 24, Les rayons 22 et 22 parviennent perpendicu lairement à La surface de L'échantiLLon où ils se réfléchissent et, après un trajet symétrique, atteignent Les détecteurs 27 et 28 ; le rayon 21, non dévié, se réfléchit sur Le miroir 25 et constitue un signal de référence.Les détecteurs 27 et 28 reçoivent chacun un signal lumineux dont la fréquence correspond respectivement à La somme et à la différence de La fréquence Fg de la lumière émise par la source 20 (par L'intermé- diaire du faisceau non diffracte) et de la fréquence FB d'excitation de la celLule de Bragg (par L'intermédiai- re des faisceaux diffractes).L'utilisation de la partie quadratique de la caractéristique des détecteurs permet, après filtrage, de récupérer un signal à la fréquence 2FB dont la phase est modulée par l'amplitude de l'onde acoustique à l'instant de la réflexion sur la surface de l'échantillon. La différence de phase entre les signaux provenant des deux canaux de la sonde est extraite par l'amplificateur à détection de phase 29 ; la mesure de la différence de phase conduit directement à la connaissance de la vitesse de l'onde de surface. Dans la pratique, la sonde 14 peut être réa lisée de façon préférentielle sous forme intégrée, soit à L'aide de fibres optiques, soit à L'aide de circuits optiques en couches minces déposées sur un substrat (optique intégrée) ; la source 20 peut être un laser à semiconducteur couplé à la fibre optique par un polariseur et un isolateur quart-d'onde. Le déflecteur acoustooptique 26 peut être réalisé sous forme massive et travailler en incidence normale sur les ordres symétriques +1 et-l. Pour permettre l'utilisation de puissan ces optiques suffisantes, des fibres optiques multimode peuvent être utilisées en association avec des micro lentilles pour compenser la divergence des faisceaux. Dans le cas d'une structure intégrée, les mi roirs 23 et 24 deviennent inutiles. La longueur d'onde du laser est choisie en fonction des caractéristiques spectrales de réflexion des matériaux concernés. La figure 3 représente le schéma de principe d'un transducteur éLectromagnétique pouvant être utilisé comme moyen 13 de La figure 1. Un réseau conducteur 41 ayant une structure serpentine est déposé sur un substrat isolant 40 ; parcouru par un courant hautefréquence et plongé dans un champ magnétique, ce dispositif crée, dans le substrat conducteur ou semiconducteur duquel il est proche, des courants de Foucault. Pour des va leurs convenables des paramètres géométriques et électriques, une onde acoustique de surface prend naissance dans ce substrat sous L'action des forces électromagnétiques. D'une façon pratique, Le transducteur peut être réalisé par dépôt de métal sur un substrat de verre et gravure du réseau conducteur à l'aide des procédés classiques de la photolithographie : on dépose alors un film mince de siLice 42 de quelques microns d'épaisseur formant ainsi La mince couche isolante permettant de coupler convenablement le transducteur avec l'échantillon à mesurer ; sur L'autre face (substrat 40) il est possible de disposer un aimant permanent sous forme d'une mince pLaque de cobalt-samarium par exemple ou une microbobine 43 destinée à créer le champ magnétique nécessaire. Il est possible de réaliser de cette façon des transducteurs miniatures compacts. Pour créer L'onde acoustique, on peut encore utiliser un transducteur piézoélectrique incliné permettant une excitation directe (appelée encore "STS" ou "Surface To Surface"). On peut aussi utiliser, comme illustré sur la figure 4, un laser 17 associé à un modulateur 18, le faisceau modulé venant frapper une extrémité du film mince dont on veut déterminer L'épaisseur. REVENDICATIONS 1. Procéde pour mesurer l'épaisseur d'un film mince déposé sur un substrat, caractérisé par Le fait que l'on crée, dans ce film, une onde acoustique de surface, on mesure La vitesse de propagation de cette onde et l'on en déduit l'épaisseur du film. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté risé par le fait que, pour mesurer La vitesse de L'onde acoustique de surface, on empLoie une sonde optique sensible à la phase de l'onde acoustique, cette sonde visant deux points distincts du film et on mesure La différence de phase de Sonde acoustique entre ces deux points. 3. Dispositif de mesure de L'épaisseur d'un film mince (12) déposé sur un substrat (11), pour la mise en oeuvre du procédé selon La revendication 1, caractérisé par Le fait qu'il comprend un moyen (13) pour créer, dans ce film, une onde acoustique de surface et un moyen (14) pour mesurer la vitesse de propagation de cette onde et pour en déduire L'épaisseur du film. 4. Dispositif selon La revendication 3, caractérisé par le fait que Le moyen (14) pour mesurer la vitesse de propagation de l'onde est constitué par une sonde optique émettant deux faisceaux lumineux dirigés sur le film (22+, 22 ), des moyens (27, 28) pour detec- ter Les deux faisceaux réfléchis par le film et un circuit de mesure (29) du dephasage entre les deux faisceaux réfléchis. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la sonde optique (14) comprend un laser (20), un déflecteur acousto-optique (26) excité par un signal à une fréquence FB, ce déflecteur recevant, sur une face arrière, Le faisceau (21) émis par Le Laser (20) et délivrant, sur une face avant, trois faisceaux, un premier faisceau non dévié (21), un deuxième faisceau diffracté (22+) tordre +1, un troisième faisceau diffracté (22-) d'ordre -1, Les deux faisceaux diffractés (22 , 22 ) étant dirigés perpendi culairement sur le film (11) dont on veut mesurer L'épaisseur en deux points distincts, tes trois faisceaux (21, 22+, 22 ) étant renvoyés sur eux-nêmes à travers le déflecteur acousto-optique (26), lequel -réémet par sa face arrière deux faisceaux de retour, la sonde comprenant encore deux photodétecteurs (27, 28) recevant ces deux faisceaux de retour et dé livrant deux signaux éLectriques, un amplificateur à détection de phase (29) à deux entrées reliées aux deux photodetec- teurs (27, 28) et à une sortie dé Livrant un signal pro portionnet à la différence de phase entre Les deux signaux, donc à l'épaisseur du film. 6. Dispositif selon La revendication 5, caractérisé par Le fait que le moyen (13) pour créer, dans le film (12), une onde acoustique de surface est constitué par un transducteur électromagnétique (40, 41, 42, 43). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par Le fait que le moyen (13) pour créer, dans Le film (12), une onde acoustique de surface, est constitué par un Laser (17) modulé en amplitude (18). 8. Dispositif selon La revendication 5, caractérisé par Le fait que le moyen (13) pour créer, dans le film (12), une onde acoustique de surface est constitué par un transducteur piézoélectrique.