Brevet FR2811761A1 — publié le 20020118

Ellipsomètre à haute résolution spatiale fonctionnant dans l'infrarouqe L'invention se rapporte au domaine de l'ellipsométrie, et plus particulièrement à l'ellipsométrie fonctionnant dans l'infrarouge. Elle trouve une application générale dans tout domaine dans lequel l'ellipsométrie est utilisée, et plus particulièrement en microélectronique, dans la caractérisation optique d'un échantillon, dans le contrôle optique d'un traitement de surface, ou dans l'étude de la croissance de couches minces, par exemple de matériaux semi-conducteurs, et de leurs interfaces. Elle trouve aussi une application dans le nettoyage, polissage et préparation de surfaces, notamment. Les mesures ellipsométriques peuvent être réalisées à une longueur d'onde fixe (ellipsométrie monochromatique), ou à plusieurs longueurs d'ondes (ellipsométrie spectroscopique). Selon le domaine de longueur d'onde de la source: ultravio- let, visible, proche infrarouge, infrarouge, etc, il est possible d'accéder à des propriétés différentes des couches, des matériaux ou d'explorer des matériaux différents. En pratique, l'infrarouge est généralement mieux adapté que le visible pour accéder aux propriétés volumiques des couches et des matériaux. D'une façon générale, un ellipsomètre fonctionnant à l'infra- rouge comprend: - une source de radiations lumineuses fournissant au moins un rayonnement infrarouge; - un porte-échantillon, destiné à porter un échantillon d'épaisseur donné, et comprenant une face avant et une face arrière; - un détecteur; - un premier système optique monté entre la source et le porte-échantillon, et comprenant un polariseur et un disposi- tif de focalisation, afin d'illuminer l'échantillon placé sur le porteéchantillon sous incidence oblique par un faisceau de lumière polarisée; et - un second système optique monté entre le porte-échantillon et le détecteur et comprenant un dispositif de focalisation et un analyseur, pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon. En raison des exigences très sévères requises dans la fabrication des semi-conducteurs, on a besoin d'une ellipso- métrie présentant une haute résolution spatiale, et la meilleure justesse de mesure possible. Or, avec un échantillon transparent ou semi-transparent d'épaisseur donnée, tel que le silicium, la face arrière de l'échantillon peut perturber les mesures d'ellipsométrie en réfléchissant des rayonnements parasites qui polluent la détection et le traitement du signal utile. Cette pollution est difficile à traiter car le coefficient de réflexion de la face arrière d'un substrat de silicium n'est pas toujours connu. Le coefficient d'absorption k du substrat n'est pas non plus toujours connu. Des phénomènes d'inter- férences peuvent aussi naître avec cette face arrière. De même, des phénomènes de diffusion et/ou de diffraction en infrarouge peuvent également advenir sur cette face arrière. De plus la face arrière peut être non parallèle par rapport à la face avant, ce qui peut engendrer des calculs supplé- mentaires et inutiles puisque seule la mesure de la face avant est pertinente pour l'utilisateur. Des solutions connues existent pour éliminer les effets néfastes engendrés par la face arrière de l'échantillon, notamment l'utilisation de moyens mécaniques tels que des moyens de dépolissage de la face arrière qui rendent négli- geables les réflexions spéculaires issues de la face arrière. Mais ces moyens mécaniques sont destructifs. Lorsque l'échantillon présente une épaisseur relativement grande, il est possible de séparer les rayonnements issus de la face avant les rayonnements issus de la face arrière. Toutefois, une telle solution ne peut se produire que pour des échantillons de grande épaisseur, ce qui limite son application. Une autre solution connue consiste à prendre des échantillons absorbants (c'est-à-dire non transparents, tels que le silicium fortement dopé), mais cela limite également l'appli- cation d'une telle solution. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients et propose justement un ellipsomètre à haute résolu- tion spatiale fonctionnant en infrarouge dans lequel on s'affranchit des réflexions parasites dues à la face arrière de l'échantillon. La présente invention porte sur un dispositif ellipsomètre du type comprenant: - une source de radiations lumineuses fournissant au moins un rayonnement à infrarouge; - un porte-échantillon, destiné à porter un échantillon transparent ou semi-transparent d'épaisseur donnée, et comprenant une face avant et une face arrière; - un détecteur; - un premier système optique monté entre la source et le porte-échantillon, et comprenant un polariseur et un disposi- tif de focalisation, afin d'illuminer l'échantillon placé sur le porteéchantillon, sous incidence oblique par un faisceau de lumière polarisée; et - un second système optique monté entre le porte-échantillon et le détecteur et comprenant un dispositif de focalisation et un analyseur, pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon. Selon une définition générale de l'invention, le dispositif ellipsomètre comprend en outre un dispositif bloqueur, monté sur le trajet de réflexion dans le plan focal du dispositif de focalisation du second système optique, et apte à bloquer les rayonnements parasites issus de la face arrière de l'échantillon et laisser passer les rayonnements utiles issus de la face avant de l'échantillon vers le détecteur, ce qui permet d'obtenir un pouvoir séparateur à l'égard des faces avant et arrière de l'échantillon. Par exemple, le dispositif bloqueur est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable, ou analogue. Selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif ellipsomètre selon l'invention comprend en outre un dispositif élargisseur monté sur le trajet d'illumi- nation et apte à élargir le faisceau d'illumination sur le dispositif de focalisation du premier système et à élargir le faisceau de réflexion sur le dispositif de focalisation du second système optique. Par exemple, le dispositif élargisseur est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable, lentille divergente, ou analogue. De préférence, l'ouverture numérique du dispositif de focalisation du premier système optique est choisie pour obtenir un faisceau d'illumination de petite taille sur l'échantillon. Par exemple la taille du faisceau d'illumina- tion sur l'échantillon est inférieure à 40 microns x 40 microns dans le cas d'une source lumineuse de type laser. Par exemple, le dispositif de focalisation du premier système optique ainsi que du second système optique comprennent au moins un élément optique appartenant au groupe formé par les miroirs concaves (par exemple elliptiques, paraboliques, sphériques, etc). L'ouverture numérique du dispositif de focalisation du second système optique est choisie pour séparer les faisceaux réfléchis par les faces avant et arrière de l'échantillon. Selon un second mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif ellipsomètre selon l'invention comprend en outre un dispositif sélectionneur d'angle d'incidence, monté sur le trajet de réflexion en aval du dispositif bloqueur selon le sens de propagation de la lumière, et apte à sélectionner, pour les mesures par le détecteur, seulement le rayonnement réfléchi par l'échantillon sous incidence oblique dans une plage d'angle d'incidence prédéterminée. De préférence, le dispositif sélectionneur est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable, ou analogue. En pratique, la source lumineuse est de type laser, fonction- nant à des fréquences terahertz, ou une source au carbure de silicium, filament, plasma, ou analogue. Avantageusement, le polariseur du premier système optique est du type à grille, avec ou sans compensateur tournant, montage à plusieurs polariseurs à grilles ou analogue. De même, l'analyseur du second système optique est du type polariseur à grille, avec ou sans compensateur tournant, montage à deux polariseurs à grilles ou analogue. Par exemple, le détecteur est du type cellule Mercure-Cadmium et/ou Tellure, nitrogène liquide ou analogue. En pratique, le porte-échantillon est du type table mobile en XYZ et/ou en rotation, porte-échantillon suspendu ou analo- gue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci- après et des dessins dans lesquels: - la figure 1 est un schéma général d'un ellipsomètre fonctionnant à l'infrarouge selon l'invention; et - la figure 2 représente le pouvoir séparateur du dispositif bloqueur selon l'invention en fonction de sa position par rapport aux faisceaux lumineux. En référence à la figure 1, une source lumineuse S fournit un rayonnement dans le spectre de l'infrarouge. Par exemple, la source S est du type au carbure de silicium à 1200 K. Sa gamme spectrale est de 1,44 à 18 microns. En variante, la source lumineuse est du type laser fonction- nant à des fréquences terahertz, source à filament, plasma ou analogue. En ellipsométrie spectroscopique, le système d'illumination inclus un interféromètre de type Michelson monté après la source et avant le polariseur pour balayer la gamme spectrale de l'appareil. Un porte-échantillon PE est destiné à porter un échantillon ECH d'épaisseur donnée, et comprenant une face avant FAV et une face arrière FAR. L'échantillon est par exemple un substrat de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 400 à 700 microns. Le porte-échantillon peut être une table mobile en XYZ et/ou mobile en rotation. Le porte-échantillon peut également être un porte-échantillon suspendu. Entre la source S et le porte-échantillon PE, il est prévu un premier système optique comprenant un polariseur P et un dispositif de focalisation Ml. Ce premier système optique permet d'illuminer l'échantillon ECH placé sur le porte- échantillon PE, sous incidence oblique par un faisceau de lumière polarisée. Avantageusement, un dispositif élargisseur Fl est monté sur le trajet d'illumination. Il peut être placé en amont ou en aval du polariseur selon le sens de la propagation de la lumière. Ce dispositif élargisseur élargit le faisceau d'illumination sur le miroir Ml. En pratique, le dispositif élargisseur Fl est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable, lentille divergente, ou analogue. En pratique, l'ouverture numérique du miroir Ml est choisi pour obtenir un faisceau d'illumination de petite taille sur l'échantillon. Par exemple, la taille du faisceau d'illumination sur l'échantillon est inférieure à 40 microns x 40 microns dans le cadre d'une source laser. En pratique, le miroir Ml qui constitue le dispositif de focalisation du premier système optique est un miroir elliptique. En variante, cet élément Ml peut être un miroir parabolique, sphérique, une lentille ou bien encore une optique dioptri- que, catadioptrique ou analogue. Le polariseur P est du type polariseur à grille avec ou sans compensateur tournant. En variante, ce polariseur peut comprendre un montage à deux polariseurs à grilles ou analogue. Un second système optique est monté entre le porte-échantil- lon PE et un détecteur D. Ce second système optique comprend un dispositif de focalisation M2 et un analyseur A pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon. L'ouverture numérique du dispositif de focalisation M2 du second système optique est choisie pour séparer les faisceaux réfléchis par les faces avant FAV et arrière FAR de l'échan- tillon. Le dispositif de focalisation du second système optique M2 comprend un élément optique appartenant au groupe formé par les miroirs concaves (elliptiques, paraboliques ou sphéri- ques), les lentilles et les optiques dioptriques ou catadiop- triques et analogues. Par exemple, l'ouverture numérique effective du dispositif de focalisation M2 du second système optique est de l'ordre de 2,5 . L'analyseur A du système optique est du type polariseur à grille avec ou sans compensateur tournant, montage à deux polariseurs à grilles ou analogue. Cet analyseur A est disposé sur le trajet de réflexion en aval du second miroir M2. Le détecteur D est du type cellule Mercure-Cadmium- Tellure, nitrogène liquide ou analogue. Le détecteur est compatible avec le fonctionnement en infrarouge. Entre le miroir M2 et le détecteur D, il est avantageusement prévu un autre miroir M3 propre à focaliser le faisceau de réflexion sur le détecteur. Le miroir M3 peut être du même type que celui du miroir M2. Avantageusement, un dispositif sélectionneur d'angle d'inci- dence F3 est couplé au miroir M3. Ce dispositif sélectionneur F3 permet de sélectionner, pour les mesures par le détecteur D, seulement le rayonnement réfléchi par l'échantillon sous incidence oblique dans une plage d'angle d'incidence prédé- terminée. Par exemple, le dispositif sélectionneur F3 est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable ou analogue. Selon l'invention, il est prévu un dispositif bloqueur F2, monté sur le trajet de réflexion dans le plan focal du dispositif de focalisation M2 du second système optique. Ce dispositif bloqueur F2 est propre à bloquer les rayonnements parasites RP issus de la face arrière FAR de l'échantillon et laisser passer les rayonnements utiles RU issus de la face avant FAV de l'échantillon vers le détecteur D. Un tel dispositif bloqueur F2 permet d'obtenir un pouvoir séparateur à l'égard des faces avant et arrière FAV et FAR de l'échantillon. Avantageusement, le dispositif bloqueur F2 est du type fente à dimension ajustable, couteau à bord ajustable ou analogue. Le dispositif sélectionneur F3 est avantageusement posi- tionné devant le miroir M3 car s'il était placé devant le miroir M2, les diffractions dues au dispositif sélectionneur F3 seraient telles qu'elles dégradraient le pouvoir sépara- teur du dispositif bloqueur selon l'invention. Dans un mode préféré de l'invention, une fibre optique est disposée entre la source S et le premier système optique P. De même une autre fibre optique est disposée entre le second système optique M3 et le détecteur D. La figure 2 représente des courbes d'intensité C1 et de dérivé d'intensité C2 du faisceau en fonction de la position du couteau F2 par rapport à la normale du faisceau. Les courbes C1 et C2 mettent en évidence la séparation effective des faisceaux dus à la face avant et à la face arrière de l'échantillon. La Demanderesse a observé qu'en utilisant un ellipsomètre suivant le schéma tel que décrit en référence à la figure 1, l'ellipsomètre possède un pouvoir séparateur à l'égard des faces avant et arrière de l'échantillon dont la valeur est tout à fait satisfaisante pour mener des mesures d'ellipsomé- trie en infrarouge sur des matériaux semiconducteurs tels que le silicium. Par exemple, le pouvoir séparateur est de l'ordre de 400 microns avec une source lumineuse de longueur d'onde de l'ordre de 12 microns, un substrat de silicium d'épaisseur de l'ordre de 500 microns, un miroir M1 d'ouverture numérique effective de 2,5 , un miroir M2 d'ouverture numérique effec- tive de l'ordre de 2,5 , et une image de la fente F1 de l'ordre de 300 microns. En pratique, la mise en oeuvre de l'invention dépend ici de la taille du spot, de la qualité des optiques, de l'épaisseur du substrat de silicium et de l'angle d'incidence. Par exemple, avec un angle d'incidence de 70 , le pouvoir séparateur de dispositif bloqueur est de l'ordre de 600 microns, avec un miroir M2 d'un facteur de grossissement de 4,21. Revendications 1. Dispositif ellipsomètre du type comprenant: - une source (S) de radiations lumineuses fournissant au moins un rayonnement infrarouge; - un porte-échantillon (PE), destiné à porter un échantillon transparent ou semi-transparent(ECH) d'épaisseur donnée, et comprenant une face avant et une face arrière (FAV et FAR), - un détecteur (D), - un premier système optique monté entre la source (S) et le porte-échantillon (PE), et comprenant un polariseur (P) et un dispositif de focalisation (M1), afin d'illuminer l'échantil- lon placé sur le porte-échantillon, sous incidence oblique par un faisceau de lumière polarisée, - un second système optique monté entre le porte-échantillon (PE) et le détecteur (D) et comprenant un dispositif de focalisation (M2) et un analyseur (A), pour recueillir la lumière renvoyée par l'échantillon, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif bloqueur (F2), monté sur le trajet de réflexion dans le plan focal du dispositif de focalisation (M2) du second système optique, et apte à bloquer les rayonnements parasites (RP) issus de la face arrière (FAR) de l'échantillon et laisser passer les rayonnements utiles (RU) issus de la face avant (FAV) de l'échantillon vers le détecteur (D), ce qui permet d'obtenir un pouvoir séparateur à l'égard des faces avant et arrière de l'échantillon. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif sélectionneur (M3, F3) d'angle d'incidence, monté sur le trajet de réflexion en aval du dispositif bloqueur selon le sens de propagation de la lumière, et apte à sélectionner, pour les mesures du détec- teur, seulement le rayonnement réfléchi par l'échantillon sous incidence oblique dans une plage d'angles d'incidence prédéterminée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif sélectionneur (M3, F3) est du type fente à dimensions ajustables, couteau à bord ajustable, ou analogue. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif bloqueur (F2) est du type fente à dimensions ajustables, couteau à bord ajustable, ou analogue. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif élargisseur (F1) monté sur le trajet d'illumination, et apte à élargir le faisceau d'illumination sur le dispositif de focalisation (M1) du premier système et à élargir le faisceau de réflexion sur le dispositif de focalisation (M2) du second système optique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif élargisseur (F1) est du type fente à dimensions ajustables, couteau à bord ajustable, lentille divergente, ou analogue. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture numérique du dispositif de focalisation (M1) du premier système optique est choisie pour obtenir un faisceau d'illumination de petite taille sur l'échantillon. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la taille du faisceau d'illumination sur l'échantillon est inférieure à 40 microns x 40 microns. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de focalisation (M1) du premier système optique comprend au moins un élément optique appartenant au groupe formé par les miroirs concaves, miroirs sphériques, lentil- les, optiques dioptriques ou catadioptriques, et analogues. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture numérique du dispositif de focalisation (M2) du second système optique est choisie pour séparer les faisceaux réfléchis par les faces avant et arrière de l'échantillon. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de focalisation (M2) du second système optique comprend au moins un élément optique appartenant au groupe formé par les miroirs concaves, lentilles, optiques dioptriques ou catadioptriques, et analogues. 12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ouverture numérique effective du dispositif de focali- sation (M2) du second système optique est de l'ordre 2,5 . 13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (S) est du type laser, terahertz, globar, filament, plasma, ou analogue. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur (P) du premier système optique est du type polariseur à grille, avec ou sans compensateur tournant, montage à deux polariseurs à grille, ou analogue. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyseur (A) du second système optique est du type polariseur à grille, avec ou sans compensateur tournant, montage à deux polariseurs à grille, ou analogue. 16. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (D) est du type MCT ou analogue. 17. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte échantillon (PE) est du type table mobile en XYZ et/ou en rotation, porte-échantillon suspendu, ou analogue. 18. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique entre la source (S) et le premier système optique. 19. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique entre le second système optique et le détecteur (D). 20. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon (ECH) est du type substrat en matériau semi-conducteur tel que du silicium.