Brevet FR2578047A1 — publié le 19860829

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ETAT DE SURFACE D'UNE PIECE, APPLICATION AU CONTROLE DE LA QUALITE DE COUCHES MINCES CONDUCTRICES OU SEMICONDUCTRICES La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle de L'état de surface d'une pièce. Elle s'applique en particulier au contrôle de la qualité de couches minces c-onductrices ou semicon ductrices et notamment au contrôle non destructif de la qualité de films minces électriquement conducteurs, par exemple en aluminium, que L'on est amené à former au cours de la fabrication des circuits intégrés. On connaît déjà une technique de contrôle de L'état de surface d'une pièce, en particulier d'une couche mince électriquement conductrice ou semicon ductrice, technique qui consiste à effectuer des ob servations microscopiques de ladite surface. Cette technique présente les inconvénients suivants : elle est pénible à utilisée pour l'opera- teur qui réalise des observations et bonne des re-sul- tats fortement dépendants de cet opérateur, La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un procédé et un dispositif de contrôle de L'état de -surface d'une pièce, qui sont simples et peu éprouvants pour l'utilisateur et qui fournissent des informations in dépendantes de ce dernier. De façon précise, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de contrôle de l'état de surface d'une portion d'une pièce, caracté risé en ce qu'il consiste : - à diriger sur cette surface un faisceau de lumière appartenant au domaine infrarouge ou visible, - à effectuer une mesure de l'intensité de la compo sante spéculaire de la lumière alors réfléchie par la surface, et - à déterminer la réflectivité de la surface à partir de cette mesure, pour contrôler ainsi L'état de sur face de ladite portion. De préférence, La lumière utilisée est issue d'un laser qui fournit une lumière plus intense que les sources lumineuses classiques. De préférence également, la pièce étant faite d'un matériau susceptible de s'oxyder pour donner un oxyde transparent à la lumière, ladite Lumière est polarisée paraLlèlement au plan d'incidence du faisceau et l'angle d'incidence de ce faisceau est voisin de l'angle de Brewster correspondant à L'oxyde du matériau. Ainsi, la mesure de reflectivíté n'est elle pas perturbée par La présence éventuelLe d'une couche d'oxyde à La surface de La pièce. Se ton un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, celui-ci consiste en outre à effectuer une mesure de L'intensité du faisceau dirigé sur La surface, cette intensité étant prise comme référence, et à déterminer aLors La ré flectivité à partir du rapport de l'intensité de la composante spéculaire à cette intensité de référence. On s'affranchit ainsi des éventuelles fluctuations de fréquence et d'intensité du faisceau de lumière. La présente invention concerne également un dispositif de contrôle de L'état de surface d'une portion d'une pièce, permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention et caractérisé en ce qu'il comprend - une source de lumière appartenant au domaine infra rouge ou visible, prévue pour envoyer un faisceau de cette lumière sur la surface, - des moyens de sélection destinés à extraire la com posante spéculaire de La lumière alors réfléchie par la surface et, - des moyens de mesure de l'intensité de cette compo sante spéculaire, de manière à pouvoir déterminer la réflectivité de la surface et contrôler ainsi l'état de surface de ladite portion. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de sélection comprennent une-optique convergente prévue pour capter la- lumière réfléchie par la surface et un diaphragme placé au plan focal image de l'optique. De préférence, le dispositif objet de l1in- vention comprend en outre des moyens de polarisation de la lumière émise par la source, suivant le plan d'incidence de cette lumière sur la surface. Comme on l'a déjà vu plus haut, dans le cas où la pièce est faite d'un matériau susceptible de s'oxyder pour donner un oxyde transparent à La lumière, ceci permet, en orientant la source de lumière de telle façon que le faisceau lumineux émis par elle tombe sur la surface sour une incidence voisine de l'angle de Brewster correspondant à l'oxyde du matériau, d'éviter que la mesure de réflectivité soit perturbée par la présence d'une couche d'oxyde à la surface d-e la pièce. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend en outre des moyens de prélèvement d'une partie du faisceau émis par la source et des moyens de mesure de l'intensité de cette partie du faisceau, ce qui permet de s'affranchir des fluctuations d'intensité et de fréquence de la source de lumière, comme on la déjà vu plus haut. Selon un autre mode de réalisation préféré, le dispositif comprend en outre des moyens de réale x ion de la composante spéculaire, du côté du faisceau émis par la source et les mayens de mesure et les moyens de sélection sont placés de ce coté, les moyens de sélection étant disposés de façon à capter la lumière réfléchie par les moyens de réflexion. De préférence, la source est un laser. La présente invention concerne enfin L'application du procédé. objet de-l'invention au contrôle de La qualité d'une couche mince électriquement conductrice ou semiconductrice, cette couche constituant alors ladite pièce. En effet, dans le domaine des circuits intégrés, le contrôle de la qualité des couches minces formées en cours de fabrication de ces circuits, par évaporation, par pulvérisation ou par Les techniques CVD ou LPCVD, est une opération rendue de plus en plus nécessaire compte tenu de La tendance à l'augmentation de la densité d'intégration des circuits intégrés, augmentation qui est obtenue par La réduction des dimensions des motifs élémentaires tels que les grilles, les contacts ou Les interconnexions. Cette accroissement de la densité d'intégration s'accompagne d'une augmentation du nombre de niveaux d'interconnexions, ce qui permet de tirer profit au mieux des possibiti- tés d'intégration. En conséquence, un contrôle de plus en plus poussé des opérations de lithographie, c'est å-dire de gravure des motifs, est necessaire, ce qui oblige à contrôler avec le plus grand soin les caractéristiques (épaisseur et homogénéité des caractéristiques physico-chimiques) des couches minces que l'on est amené à graver après les avoir formées, caractéristiques dont dépend la qualité des résultats obtenus ultérieurement en lithographie. La réflectivité d'une couche mince conductrice ou semiconductrice est un paramètre qui est fonction de l'état de surface de la couche et plus précisément de la rugosité de celle-ci, une faible rugosité correspondant à une forte réflectivité de la surface de la couche. La rugosité est elle-même fortement dépendante des conditions de préparation et de la nature physico-chimique de la couche. On a trouvé que, inversement, une mesure de réflectivité permet de contrôler les caractéristiques physico-chimiques desdites couches minces et donc le fonctionnement des appareils permettant la formation de ces couches. En d'autres termes, selon l'invention, pour contrôler la qualité d'une couche mince électriquement conductrice ou semiconductrice, on en mesure la réflectivité par le procédé indiqué plus haut, une bonne valeur de réflectivité, c'est-à-dire une valeur supérieure à une valeur de référence que l'on s'est fixée, permettant d'affirmer que la couche correspondante est de bonne qualité et donc acceptable, tandis qu'une valeur de réflectivité inférieure à cette valeur de référence indique que la couche est de mauvaise qualité et n'est donc pas acceptable. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 sont des vues schématiques de modes de realisation particuliers du dispositif objet de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention qui comprend essentiellement un support 2 sur lequel repose une pièce 4 dont on souhaite contrôler l'état de surface, une source lumineuse, par exemple constituée par un laser 6, et un photodétecteur 8 fournissant un signal dont l'intensité est proportionnelle à L'intensité lumineuse que le photodétecteur reçoit. Ce photodétecteur 8 peut être relié à un moyen 10 d'affichage de la valeur de L'intensité I de ce signal. La pièce 4 est par exemple constituée par une couche métallique 12 déposée sur un substrat 14 tel qu'une plaquette de circuits intégrés. La pièce 4 peut reposer horizontalement sur Le support 2. Lorsque ce n'est pas le cas, elle est bien entendu fixée au support. La laser 6 est orienté de façon à envoyer un faisceau Lumineux parallèle 16 sur la couche 12 qui réfléchit alors ce faisceau, la lumière réfléchie comprenant une composante spéculaire 18 encore appelée "faisceau réfléchi", obéissant à la loi normale de la réflexion (selon laquelle les angles d'incidence i et de réflexion r, comptés par rapport à la normale N à la couche 12, au point d'impact du faisceau issu du laser 6, sont égaux) et une composante diffusée qui n'obéit pas à cette loi de la réflexion et dont l'importance est fonction de la rugosité de la couche 12. Le photodétecteur 8 est disposé de façon à capter cette composante spéculaire 18. Afin qu'il ne capte que cette composante ou, en d'autres termes, afin d'empêcher la composante diffusée de parvenir au photodétecteur 8, on dispose sur le trajet du faisceau réfléchi 18 une lentille convergente 20 qui focalise ce faisceau et l'on place un diaphragme 22 au plan focal image de la lentille 20, le photodétecteur étant situé immédiatement derrière le diaphragme 22 par rapport à la lentille 20. La réflectivité R de la surface est proportionnelle à l'intensité I du signal fourni par le photodétecteur, le coefficient de proportionalité dépendant du photodétecteur 8 et du moyen d'affichage 10 et pouvant être déterminé par L'examen d'un échantillon de résistivité connue. De préférence, on dispose sur la trajet du faisceau incident 16 un moyen 2?, tel qu'un cube séparateur, permettant de prélever une partie de ce faisceau et un autre photodétecteur 24 convenablement diaphragmé est prevu pour capter ladite partie. Ce photodétecteur 24 délivre un signal d'intensité 10 proportionnelle à l'intensité lumineuse de ladite partie. Le photodétecteur 24 peut être relaté à un moyen 26 d'affichage de l'intensité lo du signal qu'il délivre. Ceci permet de calculer directement la réflectivité R de la surface de la couche 12 par "rat i omét rie", La réflectivité R étant proportionnelle au rapport I/Io, le coefficient de proportionnalité K étant fonction des photodétecteurs 8, 24 et des moyens d'affichage 10, 26 et pouvant être déterminé par t'examen d'un échantillon dont la réflectivité est connue. Cette technique utilisant le signal d'intensité 10 que l'on peut appeler "signal de référence", en plus du signal d'intensité I que l'on peut appeler "signal de mesure", permet de s'affranchir des fluctuations d'intensité et des dérives en fréquence du laser 6. La couche 12, notamment lorsqu'il s'agit d'une couche métallique, est susceptible d'être oxydée superficiellement. C'est en particulier le cas des couches d'aluminium qui présentent en surface une mince couche d'alumine de l'ordre de 4 à 10 nm. La couche d'oxyde superficielle risque de perturber les mesures de resistivité. Pour remédier à cet inconve- nient, on dispose sur le trajet du faisceau incident 16, entre le laser 6 et les moyens de prélèvement 22, un polariseur 28 prévu pour polariser la lumière issue du laser dans le plan d'incidence du faisceau 16 qui est un plan vertical lorsque le substrat 12 est disposé horizontalement.En outre, l'ensemble 30, constitué par le laser 6, le photodétecteur 24, le polariseur 28 et les moyens de prélèvement 22 est orienté de façon que l'angle d'incidence du faisceau lumineux 16 soit voisin de l'angle de Brewster i B correspondant à la couche d'oxyde parasite. Bien entendu, l'ensemble 32 comprenant le photodétecteur 8, la lentille 20 et le diaphragme 22 est alors réglé de façon que le faisceau réfléchi 18, formant un angle i B avec la normale N, soit capté par le photodétecteur 8. Dans ces conditions, la réflexion de La lumière sur la couche 12 n'est pas affectée par la présence de la couche super ficelle d'oxyde et la réflectivité mesurée est effectivement celle de la couche 12.Dans le cas d'une couche d'aluminium, l'angle de Brewster pour l'alumine étant de l'ordre de 590, on peut choisir pour le faisceau lumineux 16 un angle d'incidence compris entre 490 et 690, par exemple un angle de 640. Dans le cas où le dispositif selon l'inven- tion est destiné à contrôler des couches qui sont toujours constituées du même matériau, les ensembles 30 et 32 peuvent être fixés une fois pour toutes avec des orientations convenables. Mais dans le cas où l'on souhaite examiner avec ce dispositif des couches de différents matériaux, les ensembles 30 et 32 peuvent être rendus orientables et montés à cet effet sur des platines d'orientation non représentées, par exemple du genre de celles qui sont commercialisées par la société Microcontrôle, afin de pouvoir effectuer les réglages relatifs à l'angle de Brewster. La lumière envoyée sur la couche 12 peut être monochromatique ou polychromatique. La ou lés longueurs d'onde de cette lumière sont choisies de façon à être de l'ordre de grandeur de la tailLe des rugosités que présente la surface de la couche 12. Aussi choisit-on de préférence une lumière appartenant au domaine visible, cette lumière ayant par exemple une longueur d'onde de 632,8 nm. Une telle longueur d'onde est particulièrement adaptée à l'étude de couches d'aluminium et peut être obtenue au moyen d'un laser à hélium-néon. La surface de mesure de la couche 12 éclairée par le faisceau laser, doit être d'une part suffisamment grande pour que la mesure de réflectivité puisse être effectuée sur un nombre suffisamment élevé de diffuseurs élémentaires (rugosités) afin d'obtenir une valeur moyenne de réflectiité qui soit représentative de l'échantillon étudié, et d'autre part, aussi petite que possible pour permettre des mesures locales afin de pouvoir effectuer une cartographie de réflectivité. L'éclairage, par le faisceau Laser, d'une surface de mesure de l'ordre de 0,5 mm de diamètre constitue un bon compromis entre ces deux exigences. Au lieu d'être calculée par les utilisateurs du dispositif selon l'invention, la réflectivité peut être calculée par des moyens électroniques de traitement comprenant un circuit diviseur 34 qui comporte deux entrées respectivement reliées aux sorties des photodétecteurs 8 et 24 et prévues pour calculer Le rapport I/Io des signaux fournis par ces photodétecteurs, et un circuit multiplicateur 36 dont l'entrée est reliée à la sortie du circuit diviseur 34 et qui est prévu pour calculer la réflectivité R en pourcentage, en multipliant le rapport Illo par un coefficient de proportionnalité K1 fonction des photodétecteurs 8, 24 et des moyens électroniques de traitement utilisés, ce coefficient K1 pouvant être déterminé en utilisant un échantillon de réflectivité R connue. Enfin, la sortie du circuit multiplicateur peut être reliée à l'entrée de moyens 38 d'affichage de la réflectivité et/ou à l'entrée d'un circuit à seuil 40 prévu pour comparer la valeur de la réflecti vité obtenue à une valeur de référence, ou seuil, déterminée par les utilisateurs et pour fournir en sortie un signal Logique à deux niveaux correspondant respectivement à une valeur inférieure au seuil et à une valeur supérieure au seuil, le signal fourni par la sortie de ce circuit à seuil 40 pouvant être envoyé dans des moyens d'affichage 42 destinés à indiquer si la valeur de résistivité obtenue est acceptable (supérieure au seuil) ou non. Dans le cas où le support 2 est mobile grâce à des moyens de déplacement non représentés, on peut également effectuer plusieurs mesures de résistivité en différentes zones de la couche 12 et mémoriser les signaux de sortie délivrés par le circuit à seuil 40 et correspondant à ces différentes zones, dans des moyens électroniques prévus pour agir, en fonction du nombre de résultats acceptables, sur les moyens de déplacement du support 2 afin d'orienter celui-ci, et donc le substrat qu'il porte, dans une certaine direction lorsque la couche 12 est considérée comme acceptable compte tenu des résultats de réflectivité obtenus, et dans une autre direction lorsque la couche n'est pas considérée comme acceptable. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dans lequel le photodétecteur 8, la lentille 20 et le diaphragme 22 sont situés du même côté de la couche 12 que le laser 6. Pour ce faire, le dispositif est muni d'un premier réflecteur 44 par exemple constitué par un prisme ou un coin de cube et destiné à capter le faisceau réfléchi 18 et à renvoyer celui-ci suivant sa direction de propagation, sur un second réflecteur 46 lui-même prévu pour réfléchir le faisceau qu'il reçoit en direction de la lentille 20 convenablement disposée à cet effet. Dans le dispositif schématiquement représenté sur la figure 2, l'ensemble 48 constitué par le laser 6, le polariseur 28, les moyens de prélèvement 22-, le photodétecteur 24, la lentille 20, le diaphragme 22, et le photodétecteur 8, ainsi que le premier et le second réflecteurs 44 et 46 peuvent être fixes lorsque l'angle d'incidence du faisceau. lumineux 16 est fixe une fois pour toutes, ou rendus mobiles, grâce à des moyens de déplacement non représentés, lorsque l'on souhaite pouvo-ir faire varier l'angle d'incidence du faisceau lumineux 16. Dans le cas où le premier réflecteur 44 est un coin de cube, qui a la propriété de réfléchir un faisceau lumineux incident suivant la direction de ce faisceau, quelle que soit cette direction, ce premier réflecteur 44 peut alors être fixé une fois pour toutes. Du fait de sa structure "repliée", le dispositif représenté sur la figure 2 est très compact et peut être réalisé de façon à s'inscrire dans un cube dont le côté ne dépasse pas 40 cm. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de l'état de surface d'une portion d'une pièce (4), caractérisé en ce qu'il consiste - à diriger sur cette surface un faisceau de lumière appartenant au domaine infrarouge ou visible, - à effectuer une mesure de L'intensité de La compo sante spéculaire de la lumière alors réfléchie par la surface, et - à déterminer la réflectivité de la surface à partir de cette mesure, pour contrôler a ainsi l'état de surface de ladite portion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière est issue d'un laser (6). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, la pièce (4) étant faite d'un matériau susceptible de s'oxyder pour donner un oxyde transparent à la Lumière, Ladite lumière est polarisée parallèlement au plan d'incidence du faisceau et l'angle d'incidence de ce faisceau est voisin de l'angle de Brewster correspondant à L'oxyde du matériau. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer une mesure de l'intensité du faisceau dirigé sur la surface, cette intensité étant prise comme référence, et à déterminer alors la réflectivité à partir du rapport de l'intensité de la composante spéculaire à cette intensité de référence. 5. Dispositif de contrôle de l'état de surface d'une portion d'une pièce (4), caractérisé en ce qu'il comprend - une source (6) de lumière appartenant au domaine in frarouge ou visible, prévue pour envoyer un faisceau de cette lumière sur la surface, - des moyens de sélection (20, 22) destinés à extraire la composante spéculaire de la lumière alors réflé chie par la surface, et - des moyens (8, 10) de mesure de l'intensité de cette composante spéculaire, de manière à pouvoir détermi ner la réflectivité de la surface et contrôler ainsi l'état de surface de ladite portion. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca ractérisé en ce que les moyens de sélection comprennent une optique convergente (20) prévue pour capter la lumière réfléchie par la surface et un diaphragme (22) placé au plan focal image de l'optique (20). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (28) de polarisation de la lumière émise par la source (6), suivant le plan d'incidence de cette lumière sur la surface. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (22) de prélèvement d'une partie du faisceau émis par la source (6) et des moyens (24) de mesure de l'intensité de cette partie du faisceau. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (44, 46) de réflexion de la composante spéculaire, du côté du faisceau émis par la source et en ce que les moyens (8, 10) de mesure et les moyens de sélection (20, 22) sont placés de ce côté, les moyens de sélection (20, 22) étant disposés de façon à capter la lumière réfléchie par les moyens (44, 46) de réflexion. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la source (6) est un laser. 11. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, au contrôle de la qualité d'une couche mince (12) électriquement conductrice ou semiconductrice, cette couche constituant alors ladite pièce.