Brevet FR2698443A1 — publié le 19940527

PROCEDE ET APPAREIL POUR MESURER PAR ELLIPSOMETRIE, LA TEMPERATURE D'UN OBJET NOTAMMENT SEMI-CONDUC11#UR La présente invention concerne le domaine technique de la mesure, à l'aide de techniques optiques sans pénétration, de la température de surface d'un objet, en particulier, un élément semi-conducteur, Dans le domaine technique préféré de l'invention, qui est celui de la fabrication des matériaux semi-conducteurs, les traitements de surface utilisés, tels que le dépôt de films, la gravure, le recuit ou la croissance de films épitaxiés, nécessitent pour leur contrôle, de connaître avec précision la température du substrat. Pour atteindre cet objectif, il est connu, par l'état de la technique, d'utiliser un thermocouple pour la mesure de la température des semi-conducteurs. L'inconvénient majeur de cette technique est lié à la difficulté d'établir un contact thermique parfait entre le thermocouple et le matériau semi-conducteur. De plus, les thermocouples présentent l'inconvénient de posséder des temps de réponse lents conduisant à l'obtention d'une valeur moyenne de température ne permettant pas de déceler les changements de température limités dans le temps. il est connu une autre méthode de mesure de la température qui est celle relative à la pyrométrie optique ou infrarouge. Cette technique vise à diriger un faisceau lumineux de longueur d'onde donnée sur le matériau semi-conducteur et à mesurer l'énergie optique émise par le matériau semi-conducteur. A partir de la mesure de cette énergie, il est possible, en connaissant l'émittance du matériau, de connaître la température du corps émetteur de radiation. La pyrométrie optique offre l'avantage majeur d'autoriser la mesure de la température d'un substrat ne nécessitant pas un contact direct ou physique avec le matériau semi-conducteur. Cependant, il apparaît que la pyrométrie optique peut donner des résultats différents en fonction de l'émittance qui est utilisée. De plus, il convient de s'affranchir des rayonnements lumineux parasites, tels que ceux issus des lampes chauffantes. Enfin, cette méthode est peu précise aux basses températures. La demande de brevet européen 0 483 394 a proposé, également, une méthode optique pour déterminer la température d'une surface. Cette technique consiste à mesurer, d'une part, le changement de polarisation d'un faisceau lumineux dans la réflexion sur une surface et, d'autre par, le degré de polarisation. Il est à considérer que le changement de polarisation est relié au coefficient de réflexion de la couche réfléchissante. Une telle technique permet de mesurer la température thermodynamique d'un objet, de manière précise en corrigeant les mesures de certains effets parasites, notamment l'effet de la rugosité et du bruit de fond, dus à l'émission thermique des autres parties chauffées, comme les parois des réacteurs. Cependant, cette méthode présente des inconvénients. Le premier concerne la difficulté de prendre en compte l'éventuelle présence d'une couche superficielle à partir d'une mesure effectuée à une seule longueur d'onde. En effet, il apparaît que les variations de température peuvent s'accompagner de variations des épaisseurs de la couche entraînant une erreur dans la température mesurée. Un autre inconvénient de cette technique a trait à la difficulté de sa mise en oeuvre en raison, notamment, de l'emploi d'un dispositif complexe et totalement nouveau. L'objet de l'invention vise donc à s'affranchir des inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un procédé pour mesurer avec précision la température de surface d'un objet, tel qu'un semi-conducteur, selon une technique de mesure d'ellipsométrie qui tient compte de la croissance d'une couche de matériau sur la surface de l'objet. Pour atteindre cet objet, le procédé selon l'invention consiste à: - réaliser des mesures d'ellipsométrie sur l'objet, en vue de déterminer, à partir des paramètres mesurés, d'une part au moins une première énergie de photons d'un faisceau électromagnétique, pour laquelle les mesures sont sensiblement indépendantes de la température, et d'autre part, au moins une deuxième énergie de photons d'un faisceau électromagnétique, pour laquelle les mesures sont dépendantes de la température, - créer et diriger vers l'objet, un faisceau incident électromagnétique comportant au moins la première et la deuxième énergies de photons, ci-dessus définies, - mesurer, à partir des paramètres d'ellipsomètrie, le changement de polarisation pour la première et la deuxième énergies de photons du ou des faisceaux réfléchis par l'objet, - déterminer, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la première énergie de photons du faisceau, l'épaisseur de la couche du matériau, - et à déterminer la température de la surface de l'objet, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la couche de matériau préalablement déterminée. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de mesure apte à être mis en oeuvre aisément à partir des dispositifs connus de mesure. A cet effet, le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend: - un système de création d'un faisceau lumineux délivrant un faisceau d'énergie incident sur le trajet duquel est placé un polarisateur et/ou un modulateur, - un système de mesure de la polarisation du faisceau d'énergie réfléchi par l'objet, - et une unité de traitement reliée au système de mesure et comportant:: des moyens permettant de déterminer, pour la couche de matériau considérée, la variation des paramètres mesurés par ellipsométrie en fonction de la longueur d'onde du faisceau, . des moyens de détermination de l'épaisseur de la couche de matériau en fonction du changement de polarisation du faisceau lumineux, et se trouve caractérisé par - un moyen pour sélectionner au moins un faisceau électromagnétique présentant au moins deux énergies de photons de valeurs déterminées à partir de la variation de l'indice optique de l'objet en fonction de la longueur d'onde, l'une des énergies de photons étant dépendante de la température, tandis que l'autre est sensiblement indépendante de la température, - des moyens de détermination de l'épaisseur de la couche de matériau pour le faisceau présentant la première énergie de photons, - et des moyens de calcul de la température de la surface de l'objet, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la couche de matériau préalablement déterminée. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La Fig. 1 représente la fonction diélectrique du silicium à différentes températures. La Fig. 2 montre des courbes obtenues à partir de celles illustrées à la Fig. 1 et représentent la variation du rapport complexe des coefficients de réflexion mesurés par ellipsométrie en fonction de la longueur d'onde du faisceau, pour deux augmentations de température. La Fig. 3 montre des courbes représentant la variation du rapport complexe des coefficients de réflexion en fonction de la longueur d'onde du faisceau pour des accroissements d'épaisseur de la couche de silice déposée sur du silicium. La Fig. 4 est un schéma illustrant un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention consiste à mesurer avec précision la température de surface d'un objet, au sens général, constitué, de préférence mais non exclusivement, en un matériau semi-conducteur sur la surface duquel des traitements sont réalisés, tels qu' un dépôt de film, une gravure ou une croissance de films épitaxiés. Le procédé a pour objet ainsi de déterminer la température de surface de l'objet en tenant compte de l'éventuelle croissance d'une couche d'un matériau déposé sur l'objet ou du changement de morphologie de la surface. Le procédé selon l'invention vise à déterminer la température de l'objet à partir de mesures d'ellipsométrie. La technique d'ellipsométrie qui est bien connue en soi consiste à mesurer le changement de polarisation de la lumière dans la réflexion sur la surface d'un objet. Ce changement de polarisation est relié aux coefficients de réflexion de l'objet, qui dépendent eux-même des propriétés optiques de l'objet. Ces deux coefficients de réflexion correspondent aux deux états de polarisation parallèle et perpendiculaire au plan de polarisation. Pratiquement, la mesure par ellipsométrie se traduit par deux paramètres qui sont généralement deux angles exprimés en degrés ou par un nombre complexe p, qui est le rapport des deux coefficients de réflexion. Dans la suite de la description, les deux paramètres de mesure sont représentés par P. De la même façon, la description qui suit utilise la notion d'énergie de photons E qui doit, bien entendu, être considérée équivalente à la notion de la longueur d'onde X à laquelle elle est reliée par une relation connue. Le procédé vise à réaliser des mesures d'ellipsométrie sur l'objet en vue de déterminer, à partir des paramètres mesurés, PEI et Pue2, respectivement, d'une part, au moins une première énergie de photons E1 d'un faisceau électromagnétique pour laquelle les mesures sont sensiblement indépendantes de la température et, d'autre part, au moins une deuxième énergie de photons E, d'un faisceau électromagnétique pour laquelle les mesures sont dépendantes de la température. A cette fin et tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 1, il est procédé à la mesure du spectre de la fonction diélectrique qui correspond à la variation de l'indice complexe optique du matériau en fonction de l'énergie de photons E.Dans l'exemple illustré, les courbes Ct, C2, C3 représentent la loi de variation de la fonction diélectrique el, E2 du silicium en fonction de l'énergie de photons E pour trois températures différentes, repectivement 30, 200 et 300 C. Ces courbes montrent clairement qu'il existe, d'une part, au moins une énergie El pour laquelle l'indice optique est quasi indépendant de la température et, d'autre part, une deuxième E2, voire une troisième énergie E, pour lesquelles l'indice optique est très dépendant de la température. Dans le cas du silicium, la première énergie E1 est comprise entre 3,5 et 4 électrons-volts et, de préférence, égale à 3,75 électrons-volts (330 nanomètres), tandis que les deuxième et troisième énergies E2, E, sont comprises respectivement entre (3,25 à 3,4) et (4,25 à 4,5) électrons-volts et, de préférence, égales à 3,30 électrons-volts (425 nanomètres) et à 4,30 électrons-volts (288 nanomètres).Il apparaît donc que pour des énergies de photons voisines de E" la température modifie peu les propriétés optiques de l'objet contrairement au reste du spectre. Les Fig. 2 et 3 permettent de corroborer cette analyse. La Fig. 2 représente l'accroissement de la quantité p mesurée par ellipsométrie sur un substrat de silicium en fonction de l'énergie E, pour deux augmentations de température respectivement de 25 à 2000 C (courbe C,) et de 200 à 3000 C (courbe C2). Cette courbe représente la variation de la sensibilité de la mesure à la température en fonction de l'énergie de photons. Ces courbes montrent clairement qu'une mesure d'ellipsométrie faite autour de la valeur El est quasi indépendante de la température, tandis que les mesures faites autour des valeurs E, et E, sont les plus sensibles aux variations de température. La Fig. 3 représente les variations de la quantité p mesurée par ellipsométrie en fonction de l'énergie de photons E, pour trois accroissements d'épaisseur, pour une couche de silice, respectivement de 0 à 3,2 nanomètres (courbe C,), de 3,2 à 6,4 nanomètres (courbe C2) et de 6,4 à 10,7 nanomètres (courbe C3). Les courbes Cl à C3 sont réalisées en maintenant la température constante. Cette figure montre que la variation de sensibilité est continue, ce qui permet de constater que toutes les énergies peuvent être utilisées pour la mesure d'épaisseur. Il est à noter que la sensibilité s'améliore avec l'accroissement de l'énergie de photons. D'après ce qui précède, le silicium présente donc la particularité de posséder une réponse optique qui, pour une énergie de photons, est indépendante de la température et qui, pour une autre énergie de photons, est fortement dépendante de la température. Il est à considérer que cette propriété est commune à tous les semi-conducteurs qui possèdent, bien entendu, des valeurs caractéristiques E1, E, différentes pour chacun d'eux. Ainsi, sur le Phosphure d'indium, la première E1 et la deuxième E2 ou troisième E, énergies de photons sont sensiblement égales, respectivement à 3,4 eV (365 nm), 3 eV (414 nm) et 4,6 (270 nm). De la même façon, sur le germanium, la première El et la deuxième E2 ou troisième E, énergies de photons sont égales sensiblement, respectivement à 2,9 eV (428 nm), 2,1 eV (590 nm) et 4,3 eV (289 nm). Sur l'Arséniure de Gallium, la première E1 et la deuxième E, ou troisième E, énergies de photons sont sensiblement égales, respectivement à 3,5 eV (354 nm), 2,5 eV (496 nm) et 4,5 eV (275 nm). Ces valeurs représentent les valeurs moyennes des énergies de photons autour desquelles il est possible de choisir la bande passante des filtres optiques pour la mesure. Il est à considérer que le procédé selon l'invention peut être appliqué à un objet dont le matériau constitutif ne présente pas une telle propriété. Dans ce cas, une pastille d'un matériau qui comporte une telle propriété peut être fixée sur la surface de l'objet dont la température est à mesurer. La pastille est donc soumise aux mêmes traitements que l'objet. Le procédé selon l'invention consiste ensuite à créer et diriger vers l'objet, dont la température est à mesurer, au moins un faisceau incident d'énergie électromagnétique comportant au moins la première Ex et la deuxième E, énergies de photons. Les changements de polarisation pour la première et la deuxième énergies de photons du ou des faisceaux d'énergie réfléchis par l'objet sont ensuite mesurés à partir respectivement des paramètres d'ellipsométrie P' Ex et P' E2. Le procédé consiste ensuite à déterminer, à partir de la mesure du changement de polarisation de la première énergie de photons El du faisceau, l'épaisseur de la couche de matériau revêtant la surface de l'objet. L'épaisseur de la couche de matériau est calculée d'une manière classique, à partir des paramètres d'ellipsométrie P' El mesurés. Le procédé vise, alors, à déterminer la température de surface de l'objet à partir de la mesure du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons E2 du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la couche de matériau préalablement calculée. La température mesurée correspond à la température effective de la surface de l'objet, dans la mesure où la variation de température consécutive à la variation d'épaisseur de la courbe de matériau est supprimée. Avantageusement, la température de surface de l'objet est déterminée de la manière suivante. Une phase d'étalonnage est réalisée afin de déterminer, pour un objet nu, c'est-à-dire dépourvu de couche superficielle, la loi de variation des paramètres de mesure d'ellipsométrie en fonction de la température de l'objet chauffé dans une plage utile de température. Pendant cet étalonnage, la température est détectée par un moyen approprié, tel qu'un thermocouple collé sur la face de l'objet. Un tel étalonnage permet donc d'obtenir une courbe de variation des paramètres d'ellipsométrie en fonction de la température pour un substrat nu. Il est ensuite procédé à la détermination de paramètres fictifs P"E2 à partir des paramètres d'ellipsométrie P'E, mesurés pour la deuxième énergie de photons E2. Les paramètres fictifs P"E2 correspondent à ceux qui seraient obtenus pour un substrat nu auquel l'épaisseur calculée, à partir des paramètres mesurés P'El, aurait été enlevée. A partir des paramètres fictifs P"E, ainsi calculés et de la loi de variation précédemment réalisée lors de l'étalonnage, il peut être déterminé la température réelle de l'objet. La température de l'objet calculée tient donc compte de l'épaisseur du dépôt réalisé sur l'objet. La Fig. 4 illustre un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure apte à mettre en oeuvre le procédé de l'invention tel que décrit ci-dessus. Le dispositif comporte une source lumineuse i délivrant un faisceau lumineux 2 comportant au moins les énergies de photons El, E2. Le dispositif comprend, également, un moyen de sélection 3 des énergies de photons Es et E, constitué, dans l'exemple illustré, par deux filtres 4, 5 dont l'un laisse passer l'énergie de photons El et l'autre laisse passer l'énergie de photons E2. Les filtres 4, 5 sont montés sur un disque rotatif et sont destinés à venir chacun successivement s'interposer sur le trajet du faisceau incident 2. Le dispositif comprend, également, un collimateur 6 suivi d'un polarisateur et/ou d'un modulateur 7. Le collimateur 6 et le polarisateur ou modulateur 7 sont placés sur le trajet du faisceau incident 2 qui est destiné à être réfléchi par un objet 8, sur lequel la température doit être déterminée. D'une manière classique, l'objet 8 est destiné à être placé dans une enceinte classique de traitement 9 qui ne sera pas décrite plus précisément dans la mesure où elle ne fait pas partie de l'invention. Le dispositif comprend, également, un système de mesure 11 de la polarisation du faisceau d'énergie 14 réfléchi par l'objet 8. Dans l'exemple illustré, le système de mesure il est constitué par un polarisateur tournant 15 suivi par un photomultiplicateur 16. Bien entendu, il pourrait être utilisé un système de mesure de la modulation dans le cas de la mise en oeuvre d'un modulateur 7. Le dispositif comprend, également, une unité de traitement 17 reliée par un circuit d'interface 18 au système de mesure Il et à un organe de commande 19 du disque 3. L'unité de traitement 17, réalisée à partir d'un ordinateur, comporte des moyens permettant de déterminer les paramètres de mesure par ellipsométrie. L'unité 17 comporte également les moyens de calcul de la température de la surface de l'objet, conformément au procédé selon l'invention. Ces moyens assurent le calcul de la température de la surface de l'objet à partir du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la courbe de matériau préalablement calculée. Le dispositif tel que décrit ci-dessus, correspond à un ellipsomètre classique auquel sont ajoutés, notamment, les moyens de création et de sélection des deux énergies de photons El, E,. A cet égard, il est à noter que, dans l'exemple illustré, il est prévu de diriger successivement vers l'objet des faisceaux incidents présentant les première Ex et deuxième E, énergies de photons par la sélection des filtres 4, 5. Bien entendu, il peut être envisagé de soumettre l'objet 8 à un faisceau comportant les première et deuxième énergies de photons. fl est à noter que l'invention peut être mise en oeuvre à partir d'un dispositif connu dans lequel le polarisateur et/ou le modulateur 7 est remplacé par un polarisateur tournant connecté au circuit interface 18, tandis que le système de mesure 11 est formé par un analyseur fixe. Dans ce cas, le dispositif de sélection 3 est interposé entre l'analyseur fixe et le photomultiplicateur 16. D'une manière habituelle, un ellipsomètre est déjà utilisé pour mesurer les épaisseurs d'une couche d'un matériau, de sorte que le procédé selon l'invention peut être aisément mis en oeuvre à partir d'un ellipsomètre classique. Ainsi, la méthode selon l'invention permet de mesurer l'épaisseur et la température avec un unique dispositif. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Procédé pour mesurer avec précision la température de surface d'un objet (8) sur lequel est déposée au moins une couche d'un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à: - réaliser des mesures d'ellipsométrie sur l'objet, en vue de déterminer, à partir des paramètres mésurés (PE1, PE,), d'une part, au moins une première énergie de photons (El) d'un faisceau électromagnétique, pour laquelle les mesures sont sensiblement indépendantes de la température, et d'autre part, au moins une deuxième énergie de photons (E2) d'un faisceau électromagnétique, pour laquelle les mesures sont dépendantes de la température, - créer et diriger vers l'objet, un faisceau incident électroma gnétique comportant au moins la première (E,) et la deuxième (E2) énergies de photons, - mesurer, à partir des paramètres d'ellipsométrie (P'EI, P'E,), le changement de polarisation pour la première (El) et la deuxième (ex) énergies de photons du ou des faisceaux réfléchis par l'objet, - déterminer, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la première énergie de photons (El) du faisceau, l'épaisseur de la couche du matériau, - et à déterminer la température de la surface de l'objet, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons (E2) du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la couche de matériau préalablement déterminée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour déterminer la température de surface de l'objet, à: - déterminer pour un objet nu, c'est-à-dire exempt de couche superficielle, la loi de variation des paramètres de mesures d'ellipsométrie en fonction de la température de l'objet, - déterminer à partir des paramètres d'ellipsométrie (P'E,) mesurés pour la deuxième énergie de photons (E2), les paramètres fictifs (P"E2) qui seraient obtenus pour un substrat sur lequel l'épaisseur précédemment calculée aurait été enlevée, - et déterminer la température de l'objet à partir des paramètres fictifs (P"E2) et de la loi de la variation précédemment réalisée. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à diriger successivement sur l'objet les faisceaux incidents présentant les première ) et deuxième (E2) énergies de photons. 4 - Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il consiste à diriger le ou les faisceaux en direction d'une pastille d'un matériau, fixée à la surface de l'objet et pour laquelle les première (El) et deuxième (E2) énergies de photons peuvent être déterminées. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer et diriger vers un objet réalisé en silicium un faisceau incident électromagnétique présentant la première énergie de photons (E;t) comprise entre 3,5 et 4 eV et, de préférence, égale à 3,75 eV. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer et diriger vers un objet réalisé en silicium un faisceau incident électromagnétique présentant une deuxième (E2) ou une troisième (E3) énergie de photons comprise, repectivement entre 3,25 à 3,4 eV ou 4,25 à 4,5 eV et, de préférence, égale à 3,3 ou 4,3 eV. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer et diriger ver un objet réalisé en Phosphure d'Indium, au moins un faisceau électromagnétique présentant une première (E,) et une deuxième (E2) ou troisième (E3) énergies de photons égales, sensiblement respectivement à 3,4 eV, 3 eV et 4,6 eV. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer et diriger ver un objet réalisé en Germanium, au moins un faisceau électromagnétique présentant une première (E,) et une deuxième (E;2) ou troisième (E3) énergies de photons égales, sensiblement respectivement 2,9 eV, 2,1 eV et 4,3 eV. 9 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer et diriger ver un objet réalisé en Arséniure de Gallium, au moins un faisceau électromagnétique présentant une première (El) et une deuxième (E 2) ou troisième (E3) énergies de photons égales, sensiblement respectivement 3,5 eV, 2,5 eV et 4,5 eV 10 - Dispositif de mesure de la température de surface d'un objet (8), pourvu d'au moins une couche d'un matériau, mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, le dispositif comprenant:: - un système (1) de création d'un faisceau lumineux délivrant un faisceau d'énergie incident (2) sur le trajet duquel est placé un polarisateur et/ou un modulateur (7), - un système de mesure (11) de la polarisation du faisceau d'énergie (14) réfléchi par l'objet (8), - et une unité de traitement (17) reliée au système de mesure (11) et comportant:: . des moyens permettant de déterminer, pour la couche de matériau considérée, la variation des paramètres mesurés par ellipsométrie en fonction de la longueur d'onde du faisceau, des moyens de détermination de l'épaisseur de la couche de matériau en fonction du changement de polarisation du faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend - un moyen (3) pour sélectionner au moins un faisceau d'énergie électromagnétique présentant au moins deux énergies de photons E2, E,, E3) de valeurs déterminées à partir de la variation de l'indice optique de l'objet en fonction de la longueur d'onde, l'une des énergies de photons (E2, E3) étant dépendante de la température, tandis que l'autre (E,) est sensiblement indépendante de la température, - des moyens de détermination de l'épaisseur de la couche de matériau pour le faisceau présentant la première énergie (El) de photons, et des moyens de calcul de la température de la surface de l'objet, à partir de la mesure du changement de polarisation pour la deuxième énergie de photons du faisceau et en tenant compte de l'épaisseur de la couche de matériau préalablement déterminée.