Brevet FR2737779A1 — publié le 19970214

Dispositif ellipsomètre à haute résolution sPatiale L'invention se rapporté au domaine de l'ellipsométrie, et plus particulièrement à l'ellipsométrie spectroscopique. Elle trouve une application générale dans tout domaine dans lequel l'ellipsométrie est utilisée, et plus particulièrement en micro-électronique dans le contrôle optique d'un traitement de surface par laser, tel que le recuit d'échantillons en silicium amorphe par laser excimère. Elle trouve aussi une application dans le nettoyage, le polissage et la préparation de surface, notamment. D'une façon générale, un ellipsomètre comprend: - une source lumineuse, un emplacement d'échantillon, et un photodétecteur, - un premier système optique, monté entre la source lumineuse et l'emplacement d'échantillon, et comprenant de premiers moyens optiques à polarisation, afin d'illuminer un échantillon, sous incidence oblique; par un faisceau de lumière polarisée, - un second système optique, monté entre l'emplacement d'échantillon et le photodétecteur, et comprenant de seconds moyens optiques à polarisation, pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon, - l'un des deux moyens optiques à polarisation étant propre à créer une modulation d'amplitude et/ou de phase sur le faisceau qui lui est appliqué, et - des moyens électroniques de commande et de traitement pour mesurer l'amplitude et/ou la phase du rayonnement reçu par le photodétecteur, en fonction de l'angle de polarisation, afin d'en déduire des informations sur l'état de surface de 1' échantillon. Une caractérisation d'un échantillon par ellipsométrie peut être avantageusement mise en oeuvre, par exemple afin de contrôler de façon optimale le traitement dudit échantillon par laser. C'est le cas, d'une manière particulièrement importante, pour le recuit du silicium amorphe par laser excimère décrit dans la Demande de brevet intitulée "Dispositif et procédé de traitement de surface par laser", déposée par la Demanderesse le même jour que la présente Demande sous le N" 95 (à toutes fins utiles, le contenu de cette autre Demande fait partie intégrante de la présente Demande). Toutefois, la réalisation d'une telle caractérisation par ellipsométrie, en combinaison avec le recuit par laser, requiert une analyse optique à haute résolution spatiale. La présente invention propose justement un ellipsomètre présentant une haute résolution spatiale. Elle porte sur un dispositif d'ellipsométrie du type décrit ci-avant et qui se caractérise par le fait de comprendre en outre: - des premiers moyens de focalisation associés au premier système optique et propres à focaliser le faisceau d'illumination dudit premier système optique sur l'échantillon, et - des seconds moyens de focalisation associés au second système optique et propres à focaliser le faisceau réfléchi par la surface de l'échantillon sur l'entrée du second système optique, ce qui permet d'améliorer la résolution spatiale de lellipsomètre, ainsi que d'éliminer des réflexions parasites engendrées par la face de l'échantillon opposée à celle recevant le faisceau d'illumination qui perturberaient la mesure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ciaprès et des dessins dans lesquels la figure unique repré sente schématiquement un ellipsomètre perfectionné selon l'invention. Sur la figure unique, la référence EL désigne un ellipsomètre spectroscopique, par exemple celui vendu par la Demanderesse, sous la référence commerciale ES4G. Un perfectionnement d'un tel ellipsomètre est décrit dans le Brevet français NO 86 03188 (FR-A-2 595 491). Une alimentation 1 excite une source de lumière 2 à large bande, telle qu'une lampe à arc au xénon haute pression. Un premier système optique 10, comportant un polariseur 15, transforme le faisceau de lumière issu de la source 2, en un faisceau qui frappe un panneau PA monté sur une table portepanneau TAB, de préférence mobile suivant trois directions orthogonales X, Y, et Z. La lumière utile est celle réfléchie par le panneau PA, d'une manière que l'on peut considérer comme symétrique du faisceau incident par rapport à une normale à la surface du panneau PA. Cette lumière réfléchie est reprise par un second système optique 20 comprenant un analyseur 25, pour être appliquée à la fente d'entrée d'un monochromateur à prisme 6, susceptible d'accord réglable dans la bande optique de la source de lumière. La lumière issue du monochromateur 6 est appliquée à un photodétecteur 7 comprenant une barrette de photodiodes, par exemple de 512 ou 1024 pixels, permettant d'effectuer la détection en longueur d'onde. Une électronique de commande GES1 agit: - sur le polariseur 15, pour commander son influence sur l'état de polarisation du faisceau de lumière incident, par exemple dans le cas d'un polariseur tournant, sa mise en rotation continue, - sur les moteurs pas à pas associés à la table TAB, pour en commander le déplacement en X-Y-Z, - sur le robot ROB pour en commander l'extraction d'un panneau du présentoir dans lequel sont rangés lesdits panneaux à traiter, le déplacement du panneau ainsi extrait vers la table porte-panneaux et le positionnement du panneau sur la table à un emplacement choisi, ainsi que la préhension du panneau après traitement et le placement de celui-ci dans le présentoir initial ou un autre présentoir de rangement, - sur l'obturateur 14, pour en commander le fonctionnement, - sur l'analyseur 25, pour en commander l'orientation à travers un moteur pas à pas, - sur le monochromateur 6, pour en définir la longueur d'onde d'accord, - sur la source laser LA, pour en contrôler la fluence. Le signal issu du photodétecteur 7 est appliqué aux moyens de gestion GES1, pour être enregistré en relation avec la rotation du polariseur 15, et d'autres données recueillies dont notamment la position du panneau à traiter, celle de l'analyseur et la longueur d'onde à laquelle correspond chaque mesure. Ces informations, éventuellement prétraitées par l'électroni- que GES1, sont transmises à des moyens de traitement GES2 tel qu'un micro-ordinateur. En fonction de coordonnées prises sur le panneau (associées à la position frappée à chaque fois par le spot), les moyens de traitement déduisent les informations d'ellipsométrie (par exemple "tangente psi" et "cosinus delta"), puis des courbes représentatives de l'état de surface et/ou de la structure multicouches du panneau à traiter. Un châssis, de préférence unique, comprend l'alimentation 1 de la lampe au xénon 2, les moyens de gestion GES1, le monochromateur 6, le détecteur 7 et le cas échéant les moyens de traitement GES2. En pratique, le rayonnement lumineux de la source 2 est transmis par une lentille 30 à un coupleur d'entrée 31 d'une fibre optique 3. Celle-ci rejoint le système optique 10, qui comprend un coupleur de sortie de fibre 11, deux miroirs de renvoi 12A et 12B, un diaphragme de collimation 13, un obturateur 14 et le polariseur 15. Selon l'invention, le faisceau parallèle issu du polariseur 15 est focalisé par une lentille convergente L1 sur un point focal PF du panneau à traiter, ce qui donne un "spot d'ellip sométrie". La lentille L1 est disposée au niveau du plan objet du panneau. Symétriquement, le rayonnement réfléchi est focalisé par une autre lentille convergente L2 sur l'analyseur 25. La lentille L2 est disposée au niveau du plan image du panneau. Les lentilles L1 et L2 sont conjuguées optiquement. Elles améliorent la résolution spatiale de l'ellipsomètre comme on le décrira plus en détail ci-après. Le faisceau de lumière issu de l'analyseur 25 est focalisé par un miroir 26 sur le capteur d'entrée 27 d'une seconde fibre optique 5. La lumière issue du coupleur de sortie 28 de la fibre optique 5 est reprise par une lentille pour être appliquée sur la fente d'entrée du monochromateur 6. Dans le cas d'un panneau destiné à réaliser des transistors TFT (Thin film transistor), ce panneau comprend une couche de silicium amorphe d'une épaisseur de l'ordre de 50 nm reposant sur un substrat de verre d'une épaisseur de l'ordre de 0,7 à 1,2 mm. Il a été observé que l'interface entre la face arrière du substrat de verre et son support (table portepanneau) engendre un faisceau de lumière réfléchi parasite qui peut fausser les mesures d'ellipsométrie. Ce phénomène existe dans de nombreuses autres applications. Selon l'invention, le montage optique constitué par les lentilles L1 et L2 permet d'éliminer cette réflexion parasite. En effet, le diamètre du spot issu de la lentille convergente L1 sur la surface du panneau est par exemple de l'ordre de 100 pm. Cette taille est bien inférieure à l'épaisseur moyenne des substrats de verre, habituellement utilisés. La partie utile de la lumière réfléchie par l'échantillon (c'est-à-dire celle relative aux différentes interfaces entre les couches dans l'application recuit par laser) demeure correctement reprise par la lentille convergente L2, pour être amenée ou refocalisée sur la fibre optique 5.Par contre, la position spatiale du spot de lumière due à la réflexion sur la face avant de l'échantillon étant différente de celle du spot de lumière due à la réflexion sur la face arrière de l'échantillon, ce dernier n'est pas (ou nettement moins) ramené par la lentille L2 vers la fibre optique 5, ce qui permet de l'éliminer (ou presque). I1 est en l'espèce inattendu que l'usage de lentilles telles que L1 et L2 pour produire une focalisation sur le faisceau classiquement appliqué à l'échantillon résolve le problème posé : en effet, l'ellipsométrie, technique déjà délicate, le devient encore davantage si l'on veut travailler en haute résolution; et l'on s'attend a priori à des difficultés en altérant lesdits faisceaux classiques. Dans l'exemple d'application au recuit de panneaux de grande taille, il convient de remarquer que le positionnement des panneaux sur le porte-échantillons TAB dans la direction en Z est une opération critique qu'il convient de maîtriser parfaitement en vue de conserver la haute résolution spatiale du dispositif d'ellipsométrie. Selon l'invention, cette opération est maîtrisée de la façon suivante. En premier lieu, la courbure de chaque type de panneaux dans la direction verticale Z est prise en compte en faisant un ajustement en Z du spot d'ellipsométrie. La valeur de l'ajustement est mémorisée en fonction de coordonnées prises sur le panneau (éventuellement par zones sur le panneau). La cartographie du profil de chaque type de panneau est mise en mémoire dans l'ordinateur GES2. En second lieu, dans le procédé de contrôle du traitement de surface par laser, la position de l'impact du spot de lumière d'analyse sur une zone choisie d'un panneau, ainsi enregistrée et mémorisée, est réutilisée pour la série des panneaux à traiter. Toutefois, cela n'est pas toujours suffisant car des différences de déformations peuvent intervenir entre différents panneaux de même type. Selon l'invention, un ajustement fin de la position du spot sur la fibre de sortie 5 est obtenu par inclinaison par rapport au faisceau optique d'une plaque transparente PT (lame à face parallèle) disposée entre l'analyseur 25 et le coupleur d'entrée de la fibre optique 5. Le ou les axes de rotation sont tangents à la surface de la lame. Cette rotation est pilotée par les moyens de gestion GES1 de façon à être toujours au maximum de signal sur la barrette du photodétecteur 7. Revendications 1. Dispositif d'ellipsométrie du type comprenant: une source lumineuse (2), un emplacement d'échantillon (TAB), et un photodétecteur (7), - un premier système optique (10), monté entre la source lumineuse et l'emplacement d'échantillon, et comprenant de premiers moyens optiques à polarisation (15), afin d'illuminer un échantillon (PA), sous incidence oblique, par un faisceau de lumière polarisée, - un second système optique (20), monté entre l'emplacement d'échantillon et le photodétecteur, et comprenant de seconds moyens optiques à polarisation (25), pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon (PA), - l'un des deux moyens optiques à polarisation étant propre à créer une modulation d'amplitude et/ou de phase sur le faisceau qui lui est appliqué, et - des moyens électroniques de commande et de traitement (GES1, GES2) pour mesurer l'amplitude et/ou la phase du rayonnement reçu par le photodétecteur, en fonction de l'angle de polarisation, afin d'en déduire des informations sur l'état de surface de l'échantillon. caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des premiers moyens de focalisation (L1) associés au premier système optique (10) et propres à focaliser le faisceau d'illumination issu dudit premier système optique (10) sur l'échantillon, et - des seconds moyens de focalisation (L2) associés au second système optique et propres à focaliser le faisceau réfléchi par la surface de l'échantillon sur l'entrée du second système optique, ce qui permet d'améliorer la résolution spatiale de l'ellipsomètre, ainsi que d'éliminer des réflexions parasites engendrées par la face de l'échantillon opposée à celle recevant le faisceau d'illumination. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ellipsomètre est spectroscopique. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de focalisation comprennent une lentille convergente (L1) disposée en aval du premier système optique (10). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens de focalisation comprennent une lentille convergente (L2) disposée en amont du second système optique (20). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier système optique comprend une première fibre optique (3) disposée entre la source lumineuse et le polariseur. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second système optique comprend une seconde fibre optique (5) disposée entre l'analyseur et le photodétecteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications caractérisé en ce qu'il comprend un porte-échantillon (TAB) mobile selon trois directions orthogonales entre elles. 8. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de correction optique (PT) du faisceau réfléchi pour obtenir le maximum de signal au niveau du photodétecteur (7). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de correction optique comprennent une lame transparente mobile en rotation et disposée entre l'analyseur (25) et le photodétecteur (7).