Brevet FR2810108A1 — publié le 20011214

ELLIPSOMETRE SPECTROSCOPIQUE A FAIBLE BRUIT La présente invention est relative à un ellipsomètre spectroscopique à faible bruit. DOMAINE GENERAL ET ETAT DE LA TECHNIQUE Généralités Le principe d'un ellipsomètre conforme à un état de technique connu a été représenté sur la figure 1. Un tel ellipsomètre comporte classiquement une source lumineuse 1, un polariseur 2, un analyseur 3 et un détecteur 4 associé à un monochromateur 5. Ces différents éléments sont disposés de telles sorte que la lumière en sortie de la source 1 traverse le polariseur 2 avant d'atteindre un échantillon E à analyser, puis, après réflexion sur cet échantillon traverse l'analyseur 3 avant d'atteindre le détecteur 4 après être passé travers le monochromateur 5, qui est généralement un photomultiplicateur. L'un des deux éléments que constituent le polariseur 2 ou l'analyseur 3 est un élément tournant. La sortie du détecteur 4 est reliée à des moyens de traitement 6 qui mettent en couvre une analyse de Fourier sur le signal modulé mesuré par le détecteur 4, afin de déterminer des informations relativement à l'état de surface de l'échantillon E. On rappelle en effet que lors de sa réflexion sur l'échantillon E, la polarisation de la lumière est modifiée et qu'un montage ellipsomètrique permet de mesurer d'une part la différence de phase A et d'autre part le rapport tan(w) entre les composantes de polarisations parallèles et perpendiculaires du faisceau réfléchi sur l'échantillon. Grâce au monochromateur 5, il est possible de réaliser des mesures à plusieurs longueurs d'onde et ainsi de caractériser les propriétés optiques du matériau. Pour une présentation générale de techniques d'ellipsomètrie spectroscopique, on pourra avantageusement se référer au brevet US 5.329.357 (Bernoux et al.). Les ellipsomètres visibles spectroscopiques disponibles sur marché travaillent généralement dans une gamme spectrale entre 1 Nm 230 nm et utilisent des sources à arc Xénon (sélectionnées pour leur haute irradiance). II a toutefois déjà été proposé des éllipsomètres susceptibles travailler dans une gamme spectrale plus large que celle des éllipsomètres précités et qui comportent une source additionnelle, telle qu'une source Deutérium (D2) non ponctuelle émettant entre 160 et 500 nm avec une puissance de 30 à quelques centaines de Watts ou supérieure. Les détecteurs utilisés sont quant à eux généralement des détecteurs de type photodiode Si, Ge ou des photomultiplicateurs (généralement des photomultiplicateurs multi-alcalins), fonctionnant à la température ambiante. Ils utilisent des optiques de très haute qualité, qui possèdent des coefficients d'extinctions de polarisation de l'ordre de 10"5, ainsi qu'une très haute transparence même dans l'ultraviolet. Ceci permet, dans la gamme spectrale précitée, des déterminations coefficients W et A avec une précision égale ou inférieure au 1/1000ème degré. Par ailleurs, les moyens de traitement de la plupart des ellipsomètres mettent en ceuvre une méthode de comptage de photon simplifiée, cette méthode étant connue sous le nom de méthode d'Hadamart. Cette méthode consiste à compter des photons avec un signal échantillonné en amplitude sur un nombre très limité de canaux : huit compteurs ou canaux, à chaque période de rotation de l'élément tournant de ll'ellipsométre (configuration polariseur ou analyseur tournant (polarisation modulée) et/ou lame tournante (modulation de phase). Inconvénients des éllpsomètres de l'état de la technique Les éllipsomètres du type de ceux qui viennent d'être décrits présentent plusieurs limitations. Une première limitation est liée directement aux fluctuations la source c'est à dire à son instabilité (bruit appelé SNL ou shot noise limited , selon la terminologie anglo-saxonne). Une autre limitation est liée au bruit provenant de la lumière environnante dit également de bruit de fuite , qui s'élimine théoriquement par parfaite isolation de l'ensemble de l'éllipsomètre (et non uniquement du photomultiplicateur) vis à vis de la lumière ambiante, mais qui reste encore une difficulté à laquelle beaucoup de fabricants d'éllipsomètres se heurtent, Une autre limitation encore tient au courant d'obscurité ou bruit intrinseque lié au photomultiplicateur et à sa chaîne interne d'amplification. Ce bruit est communément appelé le DNL, c'est à dire detector noise limited , selon la terminologie anglo-saxonne. On notera que toutes les fréquences correspondant à la largeur de bande du photomultiplicateur y sont généralement présentes. Généralement, les sommes d'Hadamart (déterminées sur des quarts de périodes du signal modulé) sont calculées en tenant compte décalage ou "offset" mesuré auparavant qui correspond au bruit de fuite au Toutefois, bien que les éllipsomètres classiques correspondent pratiquement à une détection synchrone (filtrage fréquentiel en phase de la modulation du signal), la méthode d'Hadamart devient délicate lorsque l'amplitude de modulation est faible. Pour un signal modulé à w, l'amplitude de la composante spectrale à 2co du signal est du même ordre de grandeur que celle du bruit (et notamment plus particulièrement dans l'ultraviolet, où des comptages de seulement 100 à 1000 coups par seconde (cps) sont mesurés). Les composantes du signal sont ainsi noyées dans le niveau du bruit qui correspond lui-même à une superposition de densité spectrale du bruit de la source, de la lumière ambiante et du détecteur et son électronique associée. outre, avec des éllipsomètres classiques, lorsque l'on cherche à travailler des longueurs en dessous de 200 nm, le rapport signal/bruit observé est peu favorable. La seule façon connue pour éliminer les effets des différentes sources de bruit est alors d'augmenter les temps d'acquisition. Mais la mesure est alors entachée d'erreurs systématiques, notamment pour les longueurs d'ondes en dessous de 200 nm. Aussi les appareils doivent-ils utiliser des pré-calibrations. Par ailleurs, on notera également qu'un problème rencontré avec les éllipsomètres utilisant des sources additionnelles pour élargir leur gamme de fonctionnement est celui de leur coût et de la puissance d'alimentation qu'ils nécessitent. PRESENTATION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients. Elle propose notamment une structure d'ellipsomètre dans laquelle le bruit est minimisé. En particulier, elle propose un ellipsomètre spectroscopique comportant une source lumineuse émettant un faisceau optique, un polariseur disposé sur le trajet du faisceau optique émis par la source lumineuse, un support d'échantillon recevant le faisceau lumineux en sortie du polariseur, un analyseur de polarisation destiné à être traversé par le faisceau réfléchi par l'échantillon à analyser, un ensemble de détection qui reçoit le faisceau en sortie de l'analyseur et qui comporte un monochromateur et un photodétecteur, des moyens pour le traitement du signal en sortie de cet ensemble de détection, qui comportent une électronique de comptage. ellipsomètre présente la caractéristique de comporter moyens refroidissement pour maintenir l'ensemble de détection à température inférieure à la température ambiante, notamment à une température de l'ordre de -15 C ou inférieure. Avantageusement également, sa source est une lampe Deutérium qui est préférence d'une puissance de l'ordre de 30 watts. D'autres sources à faible bruit sont envisageables et notamment sources ' lampe à plasma ou à lampe halogène. De façon avantageuse également, l'électronique de comptage est apte à mettre en couvre un échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux de l'ordre de 1000 ou supérieur, notamment sur un nombre de canaux compris entre 1024 et 8192. Les moyens de traitement mettent en couvre une analyse de Fourier sur les signaux ainsi échantillonnés. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1, déjà discutée, est une représentation schématique illustrant principe d'un ellipsomètre spectroscopique connu dans l'état de technique; - la figure 2 est une représentation schématique d'un ellipsomètre conforme à un mode de réalisation de l'invention; - les figures 3a et 3b sont des graphes sur lesquels on a porté en fonction de la longueur d'onde des mesures de paramètres W et A pour un ellipsomètre conforme à celui de la figure 2 et un ellipsomètre standard; - la figure 4 est un graphe sur lequel on a porté en fonction la longueur d'onde des mesures de traces directes obtenues pour un ellipsomètre conforme à celui de la figure 2 et un ellipsomètre standard. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION POSSIBLES POUR L'INVENTION Principes Un ellipsomètre spectroscopique conforme à un mode de réalisation possible de l'invention présente les différentes caractéristiques suivantes. 1) Sa source 1 est une source unique à faible bruit, c'est à dire une source présentant une dispersion en fréquence très inférieure à celle d'une lampe ' arc Xénon. Une telle source est avantageusement une lampe Deutérium D2. Les lampes Deutérium D2 sont des lampes d'un bruit particulièrement faible. Elles présentent une bien plus grande stabilité que les lampes à arc Xénon (stabilité dans un rapport 20), ainsi qu' bien meilleure stabilité que d'autres types de lampes dans le domaine ultraviolet et une partie du visible. D'autres types de lampes peuvent être envisagées. Notamment, des lampes halogène (vers l'infrarouge) ou lampes à décharge plasma (visible UV) ou source plasma sont particulièrement appropriées, même avec un spectre de raies d'émission (non continu). 2) Son photomultiplicateur 5 est placé, avec sa protection magnétique, dans un environnement à basse température, ce diminue et stabilise son courant d'obscurité. On utilise par exemple à cet effet un système de refroidissement par effet Peltier (-15 C). En diminuant le courant d'obscurité du photomultiplicateur, on diminue le bruit par au moins une décade (de 200 cps à 10 cps, par exemple). Ainsi les effets d'instabilité de l'offset décrit plus haut sont éliminés. Des températures plus basses améliorent encore les performances du photomultiplicateur à quelques coups par secondes. Dans une gamme spectrale telle que l'ultraviolet, avec une lampe D2 le bruit d'émission de la source est faible. Le DNL est alors du même ordre de grandeur la limite SNL. Cela revient à dire que le nombre de coups du comptage du courant d'obscurité Nd demeure toujours négligeable, seul faible bruit résiduel de la source NPh (nombre de photons dus à l'émission de la source) dégrade le signal. Grâce à la diminution du courant d'obscurité intrinsèque du photomultiplicateur, on obtient donc une mesure d'ellipsométrie précise, qui est impossible à obtenir si NPh Notamment cette diminution de courant permet des mesures à 187 nm, en utilisant une lampe de faible puissance et dans un environnement non restreint (absence de vide ou de purge avec un gaz neutre ou d'atmosphère sec). photomultiplicateur travaille dans un mode de comptage de photons est idéalement linéaire (pas de non linéarité liée aux effets de recouvrements d'avalanches (saturation en mode analogique)). 3) Par ailleurs, l'ellipsomètre spectroscopique proposé met en oeuvre un comptage sur un nombre de canaux importants : de 1024 à 8192 canaux, ce qui, combiné avec l'analyse de Fourier, suréchantillonne le signal et constitue filtre efficace des composantes de bruit aux hautes fréquences, c'est à dire des bruits intrinsèques des sources et détecteur et de l'électronique. Le temps d'accumulation est réduit. Cette technique de comptage s'avère bien supérieure à ce que permet la méthode d'Hadamart. Elle peut être réalisée de façon simple avec des électroniques commerce. Le suréchantillonnage qu'elle réalise contribue à atténuer le bruit à toutes les hautes fréquences associées au bruit de la lampe. Exemple détaillé d'un mode de réalisation possible exemple d'éllipsomètre conforme à un mode de réalisation possible maintenant être décrit de façon détaillée en référence à la figure 2. Cet ellipsomètre est du type à polariseur tournant. II fonctionne entre 188nm et 500nm. II peut etre envisagé de l'utiliser sous vide et atmosphère contrôlé de façon à étendre sa gamme de fonctionnement vers la gamme de 146-500nm. La source 1 est une lampe deutérium (D2) de 30 watts de puissance et de diamètre de point source de 0.5mm (lampe Oriel 63163 ou Hamamatsu L7295 ou L7296). Le faisceau lumineux est transféré depuis la source 1 par le biais d'une fibre en silice fondue mono-brin 7 de 600 micromètres jusqu'au polariseur tournant 2. Une fonction de cette fibre est notamment d'éliminer la biréfringence résiduelle de la source 1. Le couplage avec le polariseur tournant 2 est réalisé par le biais d'un élément convergent 8 en silice fondue, sélectionné pour sa faible biréfringence résiduelle et sa transparence dans l'ultraviolet. II peut également être réalisé à l'aide d'un ensemble miroir concave et miroir plan traités en surface MgF2. L'échantillon E à analyser est disposé en sortie polariseur 2, sur un support 9 d'orientation réglable. faisceau réfléchi par l'échantillon est envoyé l'analyseur 3. polariseur 2 et l'analyseur 3 sont en MgF2 (par exemple, ils sont constitués par des analyseurs et polariseurs de la société Fichou/Optique, qui certifie 2.5 degré de déviation à 250nm et une bande passante jusqu'à 10 eV). Ce choix de matériau permet d'obtenir la plus grande transparence dans l'ultraviolet. La rotation du polariseur 2 s'effectue à une fréquence de la dizaine de hertz (critère de choix lié à l'environnement) (fréquence du secteur ou des vibrations)) et est commandée par un ensemble mécanique de type pas à pas (micro pas). Après réflexion sur l'échantillon et passage à travers l'analyseur 3, le faisceau est refocalisé par un jeu de miroirs 11 et envoyé en entrée du monochromateur 5, qui est un double monochromateur à réseau 1/8 M type 77250 Oriel blasé à 250nm à 1200 traits (180nm à 500nm au premier ordre et une fente intermédiaire 0.6mm ; sa résolution à 500nm est de 4nm). Des réseaux blasés à 200nm mais avec 600 traits/mm peuvent être utilisés. La sortie du monochromateur 5 est envoyée sur le détecteur 4 qui permet le comptage de photons. Ce détecteur 4 est du type à tube et est commercialisé sous la référence R2949 par Hamatsu. détecteur 4 est disposé dans un refroidisseur 12 qui est de type C- 659S qui le maintient à une température de -15 . L'électronique de comptage comporte un discriminateur 13 relie au détecteur 4. Ce discriminateur est du type commercialisé par Hamatsu sous la référence C 3866. Le détecteur 4 et le discrimateur 13 sont choisis pour leurs caractéristiques de faible courant d'obscurité (159 cps à 25 C), et leur sensibilité au bleu de 8.3pA/Im avec un gain de 10'. L'électronique de comptage de photons à une linéarité de 10' photons. La sortie TTL du discriminateur 13 est analysée au moyen d'une carte 14 de comptage multi-échelle (MCS II Nuclear Instrument ou (Canberra Electronics) capable d'analyser 8192 canaux de comptage, avec un temps d'échantillonnage de 2Ns. Cette carte 14 est gérée par un ordinateur 15 sous environnement Windows NT tm. Exemples de résultats Les figures 3a et 3b illustrent des mesures de y et A obtenues un intervalle de longueurs d'ondes de 1 nanomètre, (autour de 250nm), respectivement dans le cas d'un ellipsomètre standard à lampe xénon, photomultiplicateur à température ambiante et détection par hadamart et dans le cas d'un ellipsomètre conforme à celui qui vient d'être décrit. On constate une bien plus grande dispersion des mesures avec l'ellipsomètre standard qu'avec l'éllipsomètre du type de celui qui vient d'etre décrit. On a également comparé des traces directes obtenues avec l'un et l'autre des deux ellipsomètres. C'est ce qu'illustre la figure 4. L'amélioration est aussi nettement sensible. On rappelle qu'en trace directe, on doit avoir : tan y=Cos A=1. Ceci est parfaitement vérifié (à l'alignement prêt de l'optique), dans le cas de l'ellipsomètre spectroscopique faible bruit précédemment décrit, alors avec un éllipsomètre standard, l'écart est bien plus important pour pour A, de sorte qu'il est alors important de normaliser a et P. REVENDICATIONS 1. Ellipsomètre spectroscopique comportant une source lumineuse émettant un faisceau optique, un polariseur (2) disposé sur le trajet faisceau optique émis par la source lumineuse, un support (9) d'échantillon recevant le faisceau lumineux en sortie du polariseur, un analyseur de polarisation (3) destiné à être traversé par le faisceau réfléchi l'échantillon à analyser, un ensemble de détection qui reçoit le faisceau sortie de l'analyseur et qui comporte un monochromateur (5) et un photodétecteur (4), des moyens (6) pour le traitement du signal en sortie de ensemble de détection, qui comportent une électronique de comptage (13), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12) de refroidissement pour maintenir l'ensemble de détection à une température inférieure à la température ambiante. 2. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (12) de refroidissement sont aptes à maintenir l'ensemble de détection à une température de l'ordre de -15 C ou inférieure. 3. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source (1) est constituée par une lampe Deutérium. 4. Ellipsomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lampe est d'une puissance de l'ordre de 30 watts. 5. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la source est constituée par une lampe à plasma. 6. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la source est constituée par une lampe halogène. 7. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électronique de comptage (13) est apte à mettre en oeuvre un échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux de l'ordre de 1000 ou supérieur. 8. Ellipsomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce l'électronique de comptage (13) est apte à mettre en oeuvre échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux compris entre 1024 et 8192. 9. Ellipsomètre selon l'une des revendications 7 et caractérisé en ce que moyens de traitement (6) mettent en oeuvre analyse de Fourier les signaux en sortie de l'électronique de comptage.