Brevet FR2602338A1 — publié le 19880205

"Ellipsomètre à modulation de phase fonctionnant dans l'infrarouge". L'invention concerne un éllipsomètre à modulation de phase qui est destiné à réaliser une ellipsométrie spectroscopique in-situ en temps réel. Un tel éllipsomètre peut en particulier être utilisé pour étudier la croissance de couches minces, par exemple de matériaux semi-conducteurs, et de leurs interfaces. On connaît déjà des éllipsomètres à modulation de phase qui travaillent en temps réel et qui utilisent des radiations lumineuses dans la gamme des rayonnementsvisibles ou de l'ultraviolet. Ces ellipsomètres de type connu sont utilisés en particulier pour étudier la croissance de couches minces, par exemple de silicium ou de germanium amorphes et microcristallins et de leurs interfaces. Ces éllipsomètres de type connu comportent essentiellement une source de radiation lumineuse , un dispositif de focalisation, un polariseur et un modulateur de phase photoacoustique qui sont disposés sur le trajet de l'onde incidente, et un analyseur, un dispositif de focalisation, un monochromateur à réseau et un dispositif de détection qui sont disposés sur le trajet de l'onde réfléchie par l'échantillon étudié. L'utilisation d'un modulateur de phase de type électroacoustique permet d'effectuer des mesures en temps réel avec une grande précision du fait de la vitesse élevée d'acquisition des données.En effet, le signal de modulation qui est de l'ordre de plusieurs dizaines-kHz sert à déclencher la numérisation rapide du signal lumineux, l'acquisition du signal numérique étant effectué en un temps de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes. Les signaux numériques obtenus sont ensuite traités par un microprocesseur rapide qui effectue ainsi, l'analyse de Fourrier du signal en temps réel. Comme indiqué plus haut ces éllipsomètres des type connu ont permis d'étudier et de suivre in-situ, l'évolution de matériaux en couche mince pendant leur élaboration. Les éllipsomètres actuellement connus qui fonctionnent dans le rayonnement visible ou dans le rayonnement ultraviolet ne permettent pas d'étudier les mécanismes de croissance de certaines liaisons chimiques telle que la liaison silicium-hydrogène (Si-H); en particulier il n'est pas possible actuellement de caractériser les liaisons chimiques présentes dans un corps semi-conducteur en couches minces tel que le si- licium amorphe hydrogéné (a-Si : H). La présente invention a donc pour objet un élliPsomètre à modulation de Dhase du type précité qui permette l'étude précise de la croissance de couches minces du type précité. L'éllipsomètre selon l'invention est notamment remarquable en ce que la source de radiation lumineuse fournit un rayonnement infrarouge et en ce que le dispositif de détection est constitué de deux détecteurs à semi-conducteur placés l'un derrière l'autre et dont les domaines Spectraux d'utilisation sont différents. L'utilisation de radiations infrarouges per- met de suivre l'évolution des densités de liaison chimiques silicium hydrogène en cours de dépôt en corréla t ion avec les conditions d'élaboration du silicium amorphe hydrogéné. Avantageusement, la gamme spectrale de la radiation lumineuse utilisée est de 2 à 10,5 microns; la région des grandes longueurs d'ondes (9 à 10 microns) permet, en particulier, d'accéder aux modes de vibrations de la liaison silicium-oxygène (SiO) afin d'étudier l'oxydation du silicium amorphe hydrogéné et de faire la corrélation avec les propriétés morphologiques qui ont été obtenues à partir des mesures d'éllipsométrie avec les éllipsomètres de type connu dans la gamme du visible et de l'ultraviolet.L'utilisation de deux détecteurs à semi-conducteur placés l'un derrière l'autre permet de couvrir toute la gamme spectrale précitée dans des bonnes conditions de mesure; Avantageusement les domaines spectraux d'utilisation des deux détecteurs sont sensiblement complémentaires. Selon une autre caractéristique de l'invention, les dispositifs de focalisation sont constitués chacun par une optique à miroirs. Ceci permet d'obtenir un bon coefficient de transmission du rayonnement infrarouge; en effet, l'utilisation de lentillgentrarne une perte de transmission importante. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, on prévoit un découpeur disposé à la sortie de la source de radiation lumineuse . Grâce à cette disposition, on-peut connattre en permanence le niveau continu du signal fourni par les détecteurs dont l'un est de type photcconducteur et on peut donc faire les corrections nécessaires. Le signal de sortie de chacun des deux détecteurs est envoyé tout d'abord sur un circuit de traitement séparé avant d'être envoyé sur le microprocesseur effectuant le traitement des signaux. Ces deux circuits de traitement permettent d'harmoniser les signaux fournis par les deux détecteurs dont les caractéristiques sont différentes. Les deux détecteurs sont avantageusement constitués par un détecteur à indium-antimoine dont le domaine spectral d'utilisation est de 2 à 5,5 microns et un détecteur à mercure-cadmium-tellure dont le domaine spectral d'utilisation est de 5,5 à 10,5 microns. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma général d'un éllipsomètre conforme à la présente invention; - la figure 2 est un schéma synoptique du dispositif électronique de traitement des signaux, et - la figure 3 est un schéma partiel montrant le dispositif de détection. Une source lumineuse 1 fournit un rayonnement dans le spectre de l'infrarouge, sa gamme spectrale étant campatible avec celle des détecteurs (2 à 10,5 nicrons). Cette gamme est particulièrement intéressante puisque la liaison silicium-hydrogène présente un mode de vibration caractéristique à 5 microns (2000 cm-1) et que la liaison SiH2 ou (SiH2)n présente un mode de vibration à environ 4,7 microns (2100 cm-1). Le choix de cette gamme spectrale est donc important car il permet de suivre l'évolution des densités de liaisons chimiques silicium-hydrogène en cours de dépôt en corrélation avec les conditions d'élaboration du silicium amorphe hydrogéné. En effet, le silicium amorphe hydrogéné est généralement obtenu à partir d'une décharge luminescente de silane (SiH4). Le mode d'incorporation de l'hydrogène dans ce matériau sous forme de liaison SiH, SiH2, SiH3 ou (SiH2)n a une grande influence sur ses propriétés électroniques, en particulier, seuls semble-t-il les matériaux dans lesquels l'hydre gène est incorporé sous forme de monohydride SiH donnent lieu à des applications pratiques telles que les photopiles solaires, les transistors pour écransplats... Le rayonnement lumineux fourni par la source 1 est envoyé sur un dispositif de focalisation qui est du type à miroirs; ce dispositif de focalisation ooNsnd un miroir sphérique concave 2 et un miroir plan 3. Avant d'être er.voyd sur le dispositif de focalisation, le rayonnement lumineux est huché par un décamper 4 qui peut être constitué par un disque toiirnant com- prenant une série de secteurs pleins et de secteurs ajourés. Ce est immi d'un détecteur de lumière relié au microprocesseur 23. Xle dispositif de focalisation focalise le faisceau sur un échantillon 5 qui doit être analysé par éllipsaètrie. Sur le trajet de ce faisceau , on dispose un polariseur 6 et un modulateur 7. Un diaphragme 8 est également disposé sur le trajet du rayon lumineux incident. Le modulateur 7 est un modulateur de phase du type photoacoustique et dont la fréquence de fonctionnement est d'environ 37 kHz. Les éléments qui viennent d'être décrits sont disposés dans une enceinte 9 close de manière à réduire la présence de vapeur d'eau et qui est reliée de manière étanche à un réacteur de dépôt sous vide 11 qui contient l'échantillon 3 analyser 5. L'enceinte 11 est également reliée de manière étanche à une troisième enceinte 12 de mame type que l'enceinte 9 qui continent les éléments de l'éllipsomètre disposés sur le trajet du faisceau 13 réfléchi par l'échantillon 5. L'étanchéité du réacteur de dépôt 11 est réalisée par exemple au moyen de fenêtre en fluorure de baryum BaF 14 et 15. Dans l'enceinte 12, on trouve successivement sur le trajet du faisceau réfléchi 13 un diaphragme 16, un analyseur 17 un deuxième dispositif de focalisation comprenant un miroir plan 18 et deux miroirs sphériques concaves 19 et 21. Le faisceaurgant fourni par le deuxième dispositif de focalisation est envoyé sur un monochromateur à réseau 22 qui est commandé par un microprocesseur rapide 23; le faisceau fourni par le monochromateur 22 est focalisé au moyen d'une lentille au germanium 26 et envoyé sur un dispositif de détection infrarouge 24 dont les signaux de sortie sont envoyés sur un système de traitement de données numériques 25. Le monochromateur 22 est avantageusement un monochromateur à réseau de 25 cm de distance focale. La figure 2 illustre de manière schimatique le dispositif de traitement des signaux reçus. Le signal fourni par le détecteur 24 est tout d'abord envoyé sur un amplificateur à gain variable 31 qui est commandé de manière automatique par un microprocesseur. La sortie de cet amplificateur 31 est envoyée dans un convertisseur numérique-analogique 32 qui est également commandé par le même microprocesseur et qui fournit un signal analogique de correction de faux zéro qui est soustrait au signal fourni par l'amplificateur 31. Un signal à la fréquence du modulateur 7, c'est-à-dire à 37 kHz est envoyé sur un multiplicateur de fréquence 33 qui multiplie cette fréquence du modulateur par 256. Le signal multiplié est envoyé sur un convertisseur analogique-numérique rapide (200riz) à 8 bits 34 qui re çoit également le signal de sortie du dispositif de correction de faux zéro.32. Le signal à la fréquence du modulateur 7 est également envoyé sur un convertisseur numérique-analogique à 8 bits 35 qui fournit une rampe pseudo-linéaire au convertisseur 34. La sortie de ce dernier est envoyée sur un accumulateur à 12 bits 36 dont le contenu est envoyé dans le microprocesseur rapide 23. La figure 3 illustre le mode de réalisation du détecteur et la manière dont sont traitées les si- gnaux qu'il fournit. Conformément à l'invention, le détecteur de radiation est constitué par deux détecteurs à semi-conducteurs placés l'un devant l'autre, à savoir un détecteur indium-antimoine 41 et un détecteur mercure-cadmium-tellure 42; ces deux détecteurs présentent des domaines spectraux d'utilisation qui sont sensiblement complémentaires, le détecteur à l'indium-antimoine fonctionnant dans la gamme de 2,5 à 5,5 microns-et de détecteur mercure-cadmium-tellure fonctionnant dans la gamme de 5,5 à 10,5 microns.Ces deux détecteurs sont placés l'un derrière l'autre sur le trajet du faisceau lumineux 43 fourni par la lentille au germanium 26 de telle sorte, que, selon sa longueur d'onde, le rayonnement incident est détecté par le détecteur 41 ou par le détecteur 42. Compte-tenu du fait que les caractéristiques de ces deux détecteurs 41, 42 sont différents, les signaux qu'ils fournissent sont traités séparément dans deux préamplificateurs44 et 45 respectivement dont les sorties sont envoyées à deux systèmes de lecture 46 et 47 respectivement qui recoivent chacun par ailleurs le signal à la fréquence du modulateur w. L'utilisation de deux circuits séparés permet une lecture séquentielle des signaux de sortie des deux détecteurs dont les caractéristiques sont différentes. Un bus schématisé en 48 relie les deux systèmes de lecture 46 et 47 au microprocesseur rapide 23 et à l'extension mémoire 49 de ce dernier: Le microprocesseur 23 reçoit par ailleurs un signal à la fréquence uo =600in qui est la fréquence du découpeur 4. Un micro-ordinateur 51 de type classique commande l'ensemble des opérations. Grace à l'utilisation d'un microprocesseur de nonne Camac, on peut réaliser une saisiede données extrêmement rapide, le temps absolu minimum nécessaire pour mesurer une série de coefficients de Fourier étant réduit à la période de modulation du modulateur 7. Ce dernier signal sert à déclencher la numérisation rapide du signal lumineux; l'ensemble du dispositif est commandé par le micro-ordinateur 51. Avec un éllipsomètre infrarouge conforme à la présente invention, on a effectué l'étude du dépôt d'une couche de silicium amorphe hydrogéné dans des conditions telles que l'hydrogène soit incorporé sous forme de monohydride SiH. Comme indiqué plus haut, les spectres de transmissions présentent alors un pic d'absorption à 5 microns. On a pu observer une structure pour ce pic d'absorption même lorsque l'épaisseur déposée est très faible (150 Angstroms). Ceci démontre que l'éllipsomètre selon l'invention présente une très grande sensibilité. En effet, d'une part, la force d'oscillateur de la liaison Si-H est faible et, d'autre part la couche étudiée ne comprenait que 1096 d'hydrogène environ. Les résultats obtenus par l'éllipsomètre selon l'invention sont donc très intéressants, puisqu'à titre de comparaison, il est nécessaire d'avoir une couche d'une épaisseur de l'ordre de 0,5 microns de silicium amorphe hydrogéné pour mettre en évidence la liaison SiH à l'aide d'un spectritre infrarouge de type standard. L'ellipsomètre selon l'invention a été étudié pour l'application in-situ des profils de densité des liaisons chimiques des couches masses de silicium amprphe hydrogéné mais il est susceptible de nombreuses autres applications. L'ellipsomètre infrarouge selon l'invention peut également etre utilisé pour étudier les couches de Langmuir-Blodgett qui sontfréquemment utilisées en raison de certaines de leurs propriétés physiques originales (optique non linéaire) et qui peuvent être déposées monocouche par monocouche. Ainsi la liaison CH2 et son orientation ont été mises en évidence sur une monocouche d'acide béhénique CH3(CH2)20COOH. Enfin, on peut étudier les densités de liaison chimiques siliciumhydrogène et germanium-hydrogène en cours de dépôt, en particulier dans la phase initiale de la croissance. On envisage en particulier d'étudier les matériaux suivants le silicium amorphe hydrogéné, le germanium amorphe hydrogéné et les alliages a-Six be,~y:H. Une autre application possible aux couches minces amorphe est l'étude de la caractérisation chimique des interfaces silicium amorphe hydrogénéjisolants, ce qui est- très important pour la w.vréhension des transistors en couche mince à effet de champs. REVENDICATIONS 10. Ellipsomètre à modulation de phase destiné à déterminer la structure d'un échantillon, du type comportant une source de radiation lumineuse (7), un dispositif de focalisation (2,3) un polariseur (6) et un modulateur de phase photoacoustique t7) qui sont disposés sur le trajet selon l'incidente et un analyseur (17), un dispositif de focalisation (18,19,21), un monochromateur à réseau (22) et un dispositif de détection (24) qui sont disposés sur le trajet de l'onde (13) réfléchie par ledit échantillon (5), caractérisé en ce que la source de radiation lumineuse (1) fournitun rayonnement infrarouge et en ce que le dispositif de détection (24) est constitué de deux conducteursà semi-conducteur 20. Ellipsomètre à modulation de phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gamme spectrale de la source de radiation lumineuse (1) recouvre la gamme des détecteurs qui est de 2 à 10,5 microns. 30. Ellipsomètre à modulation de phase selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les domaines spectraux d'utilisation des deux détecteurs (41, 42) sont complémentaires. 40. Ellipsomètre b modulation de phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de focalisation sont constitués chacun par une optique à miroirs(2,3;18,19,21). 5 . Ellipsomètre à modulation de phase selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il ctporte un découpeur (4) coportant un détecteur lumineux disposé à la sortie de la source de radiation lumineuse (1). 60. Ellipsomètre à modulation de phase selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits de traitement (44,46;45,47) recevant chacun le signal de sortie de l'un des deux détecteurs (41,42). 70. Ellipsomètre à modulation de phase selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence (g) de fonctionnement du détecteur (4) est de l'ordre de 600 Hz. 8 . Ellipsomètre à modulation de phase selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux détecteurs sont respectivanent un détecteur à indium-antimoine (41-) et un détecteur à mercure cadmium-tellure (42).