Brevet FR2826461A1 — publié le 20021227

Système autofocus, procédé et dispositif de contrôle optique de pièces incorporant ce système ----------------- La présente invention est relative à un dispositif ou système de mise au point automatique d'un objectif, et à son application à des procédés et dispositifs de contrôle optique de pièces. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de dispositifs de contrôle optique de grande précision. La présente invention s'applique particulièrement à la mise au point automatique d'un objectif d'observation de la surface d'un substrat, tel qu'un disque de silicium ("wafer") ou un masque pour la réalisation d'un tel disque, ledit objectif faisant partie d'un dispositif de contrôle optique automatisé de la surface du substrat. Le contrôle de la géométrie de tels substrats est à ce jour réalisé par des dispositifs de grande précision permettant la détection de défauts et la présence d'impuretés sur la surface de ces substrats. De tels dispositifs de contrôle optique comportent habituellement une source d'illumination du substrat par un rayonnement de contrôle, un objectif d'observation de la surface du substrat, un capteur photoélectrique sensible au rayonnement de contrôle transmis, réfléchi ou rétrodiffusé par la surface du substrat et transmis par l'objectif d'observation, ainsi que des moyens de traitement des signaux délivrés par le capteur ; ces dispositifs de contrôle comportent fréquemment une source d'illumination monochromatique telle qu'un laser Argon, un capteur matriciel à couplage de charge (CCD matriciel), un objectif d'observation de type objectif de microscope, et un calculateur traitant les images résultant de la conversion des signaux délivrés par le capteur matriciel. Afin que le capteur délivre des images de la surface du substrat de qualité suffisante, il est nécessaire de maintenir le plan focal de l'objectif d'observation de la surface du substrat sensiblement confondu avec le plan selon lequel s'étend cette surface ; à cet effet, on utilise un dispositif de mise au point automatique (autofocus) de cet objectif qui comporte généralement un capteur sensible à une partie du rayonnement de contrôle réfléchi par le substrat, et qui opère habituellement par triangulation. Le substrat à contrôler est généralement posé sur un dispositif de positionnement du substrat par déplacement en translation selon trois axes (X, Y, Z), dont un axe (nommé Z) correspond à l'axe optique de l'objectif d'observation du substrat ; pour contrôler toute la surface du substrat, on le déplace par ce dispositif selon deux axes (X et Y) orthogonaux à l'axe optique Z ; on assure la mise au point'de l'objectif sur le plan de la surface à contrôler par déplacement du substrat selon l'axe Z, en fonction d'un signal délivré par le dispositif autofocus. Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif autofocus amélioré et adapté pour permettre une mise au point précise et rapide de l'objectif d'observation de tels dispositifs de contrôle optique de tels substrats. Un objectif de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif de mise au point automatique de cet objectif qui soient simples et performants. Selon un premier aspect de l'invention, on illumine le substrat par une source émettant un rayonnement polychromatique additionnel, dit d'autofocus, que l'on dirige pour que ce rayonnement, ainsi que sa partie qui est réfléchie par le substrat, traversent ledit objectif d'observation ainsi qu'un objectif additionnel adapté pour former, avec l'objectif d'observation et un filtre spatial sensiblement ponctuel ou linéaire, un système optique confocal ; on provoque une dispersion chromatique du rayonnement autofocus réfléchi et transmis par le système optique confocal, par passage dans un disperseur de manière à obtenir un spectre de ce rayonnement ; on analyse le spectre ainsi obtenu afin de déterminer la longueur d'onde centrale d'une raie d'intensité maximale du spectre ; on déduit alors de la valeur de ladite longueur d'onde centrale, la valeur d'un déplacement relatif (selon ledit axe Z) du substrat par rapport à la position de mise au point parfaite de l'objectif d'observation, et on provoque le cas échéant un déplacement relatif de ladite valeur entre le substrat et cet objectif. L'invention repose sur l'utilisation de l'aberration chromatique longitudinale du système optique constitué par l'objectif additionnel et par l'objectif d'observation du substrat. Il résulte de cette aberration que la position le long de l'axe Z-qui est l'axe optique de l'objectif d'observation-de t'image confoca) e varie, entre deux positions extrêmes, en fonction de la longueur d'onde considérée du rayonnement polychromatique d'autofocus ; l'utilisation de cette propriété de ces objectifs combinée au filtrage spatial du rayonnement autofocus réfléchi par le substrat provoqué par le système confocal permet, lorsqu'un point de la surface à contrôler est situé sur l'axe Z, entre lesdites positions extrêmes délimitant une plage chromatique, d'observer une raie d'intensité maximale dans le spectre du rayonnement autofocus réfléchi par ledit point de la surface du substrat, la longueur d'onde centrale de cette raie caractérisant la position sur l'axe Z dudit point de la surface à contrôler, cette position pouvant être déterminée très précisément et très simplement en fonction de ladite longueur d'onde centrale. De préférence, le rayonnement polychromatique additionnel d'autofocus présente un spectre continu dans une plage déterminée de longueur d'onde ; cette plage s'étend de préférence dans le domaine (400 nm à 800 nm) de la lumière visible, ce qui facilite notamment l'installation et le réglage du système autofocus ; ledit objectif additionnel est conçu (calculé) pour que, pour une longueur d'onde de ladite plage qui est dite longueur d'onde de référence et qui est de préférence la longueur d'onde médiane de cette plage, l'image confocale du filtre par le système optique d'autofocus-incluant l'objectif de visualisation-soit confondu avec le foyer du système optique de contrôle à la longueur d'onde de contrôle ; par conséquent, lorsque la longueur d'onde centrale de la raie d'intensité maximale du spectre du rayonnement autofocus réfléchi coïncide avec cette longueur d'onde de référence, cela signifie que le foyer du système optique de contrôle à la longueur d'onde de contrôle coïncide avec la surface à contrôler qui a provoqué la réflexion monochromatique à ladite longueur d'onde centrale ; par conséquent, dans cette situation, l'objectif de visualisation est bien focalisé. A contrario, lorque la valeur de ladite longueur d'onde centrale de la raie d'intensité maximale est différente de la valeur de ladite longueur d'onde de référence, cela signifie que le foyer du système optique de contrôle n'est pas situé dans le plan de la surface du substrat à contrôler et qu'une mise au point est nécessaire. Cette mise au point est commandée en fonction de la différence entre lesdites valeurs différentes, et de préférence réalisée par un déplacement selon l'axe Z de l'objectif de visualisation du système de contrôle, ce déplacement étant généralement proportionnel à cette différence. L'invention permet de maîtriser la mise au point de l'objectif de visualisation sur la surface à contrôler avec une précision qui est de l'ordre de quelques nanomètres ou dizaines de nanomètres ; la plage de mesure du système d'autofocus est généralement de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns autour de la position de parfaite focalisation. La simplicité des traitements à effectuer sur les signaux (analyse du spectre du rayonnement autofocus réfléchi et calcul d'une différence de longueur d'onde) et l'action mécanique sur l'objectif de visualisation permettent d'assurer un temps de réponse très faible pour l'autofocus, la valeur de ce temps de réponse étant par exemple de l'ordre de 1 à 10 millisecondes. De préférence, on utilise un rayonnement d'autofocus s'étendant dans une plage de longueur d'onde à l'extérieur de laquelle est située la longueur d'onde de contrôle ; ceci facilite la séparation des faisceaux lumineux délivrés par l'objectif de visualisation ; à cet effet, on dispose sur le trajet de ces faisceaux un filtre, de préférence un filtre dichroïque ; cette séparation chromatique des deux faisceaux permet leur traitement respectif simultané sans influence mutuelle. Bien que le dispositif de filtrage spatial du rayonnement d'autofocus puisse être matérialisé par une fente, celui-ci est de préférence sensiblement ponctuel et formé par le coeur d'une extrémité d'un tronçon de fibre optique servant à transporter ce rayonnement de sa source physique (lampe halogène par exemple) jusqu'audit objectif additionnel (trajet incident), ainsi que dudit objectif additionnel audit disperseur chromatique-ou spectrographe (à prisme par exemple)- Par ailleurs, on dispose de préférence le filtre spatial ponctuel formant la source ponctuelle du système confocal, à distance du foyer de l'objectif additionnel, sur l'axe optique de celui-ci, et de sorte que l'image-dite confocale-de cette source ponctuelle, par lesdits objectifs additionnel et d'observation, soit située sur l'axe optique Z de ce dernier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement les principaux éléments constituant un dispositif de contrôle optique selon l'invention et leur arrangement pour la mise au point automatique de l'objectif d'observation du substrat à contrôler. La figure 2 illustre schématiquement à échelle agrandie les trajets parcourus entre l'objectif d'observation du substrat et le substrat, par le rayonnement de contrôle d'une part, et par les composantes chromatiques du rayonnement autofocus d'autre part ; sur cette figure, on a illustré de façon décalée à gauche un substrat dans une position de parfaite focalisation du rayonnement de contrôle, et on a illustré de façon décalée à droite un substrat dans une position nécessitant une mise au point de l'objectif ; l'illustration décalée a uniquement pour but d'améliorer la clarté de la figure et d'éviter de prévoir deux figures distinctes ; bien entendu la position réelle du substrat est celle illustrée figure 1. Les figures 3 et 4 sont deux spectrogrammes du rayonnement autofocus réfléchi et dispersé, correspondant respectivement aux situations de mise au point parfaite et mise au point défaillante qui sont illustrées en partie gauche et droite de la figure 2 ; sur ces figures on a également repéré la longueur d'onde centrale du rayonnement de contrôle qui est repérée ÀCTRL. Par référence aux figures 1 et 2, le dispositif 1 de contrôle comporte, de façon connue, un objectif 2 d'observation de la surface 3, 103, 203 d'un substrat 4, 104, 204 à contrôler. Le substrat est posé sur une table 5, 105, 205, munie de moyens de guidage (tels que des glissières) et de moyens d'actionnement (tels que des vérins) pour déplacer le substrat, sous la commande d'un ordinateur (6 figure 1), selon deux axes orthogonaux X et Y, qui sont perpendiculaires à l'axe optique Z de l'objectif 2 ; ces déplacements du substrat selon les axes X et Y permettent d'observer successivement les régions élémentaires (ponctuelles) formant la surface 3, 103, 203 du substrat, en centrant successivement ces dites régions sur l'axe optique de l'objectif. Le dispositif de contrôle comporte en outre un objectif de visée 7 dont l'axe optique est confondu avec celui de l'objectif 2 et qui permet, avec ce dernier, de former sur un capteur matriciel 8 une image de la région élémentaire de la surface du substrat qui est observé par l'objectif 2 ; les signaux délivrés par le capteur 8 sont transmis au calculateur 6 par une liaison 9 pour conversion en images et traitement de ces images afin de déterminer si la géométrie des motifs inscrits ou gravés à la surface du substrat est conforme à un modèle prédéfini ; ce système de contrôle optique peut permettre en outre de détecter la présence de corps étrangers à la surface du substrat. Afin de réaliser ce contrôle optique, la surface du substrat est éclairée par un rayonnement de contrôle incident CI émis par une première source lumineuse 10 ; ce rayonnement est généralement monochromatique, par exemple à une longueur d'onde ACTRL de 365 nm dans le cas d'une source du type laser ARGON. La surface 3,103, 203 réfléchit, rétrodiffuse ou transmet le rayonnement CI pour former un rayonnement CR de contrôle dit réfléchi qui est transmis au capteur 8 par les objectifs 2 et 7 du dispositif de contrôle pour former sur ce capteur l'image du substrat. La source émettant le rayonnement de contrôle peut, comme illustré figure 1, être disposée du même côté du substrat que l'objectif 2 d'observation ; à cet effet une lame semi-réfléchissante 11 réfléchit le rayonnement CI émis par la source 10 vers l'objectif 2 et transmet le rayonnement CR réfléchi par la surface du substrat et transmis par l'objectif 2, vers l'objectif 7 et le capteur 8. Alternativement, dans le cas où le substrat est transparent pour la longueur d'onde ACTRL de contrôle, la source 10 et l'objectif 2 peuvent être disposés de part et d'autre du substrat, par exemple alignés selon l'axe Z ; dans ce cas, la lame 11 peut être supprimée. Conformément à l'invention, le dispositif de contrôle comporte un dispositif autofocus comportant une source 12 de lumière blanche-dit rayonnement d'autofocus-et/ou de spectre polychromatique continu, des moyens pour éclairer la surface du substrat par ce rayonnement qui comportent un système optique confocal 13 incorporant ledit objectif 2 d'observation, et un spectrographe 14 adapté au chromatisme du système optique confocal. Le système optique 13 comporte, outre l'objectif 2 d'observation, un objectif 15 additionnel, et un filtre spatial ponctuel constitué par une extrémité 16 du coeur d'un tronçon 17 d'une fibre optique qui est disposée à distance du foyer de l'objectif 15 de façon à former une source ponctuelle pour le système confocal ; le rayonnement AI émis par la source 12 est transporté par la fibre 17 jusqu'à cette source ponctuelle confocale ; ce rayonnement AI transmis par cet objectif est réfléchi par une lame dichroïque 18 vers l'objectif 2 ; le chromatisme combiné des objectifs 15 et 2 provoque en sortie de l'objectif 2 une dispersion le long de l'axe Z de la position de l'image de cette source ponctuelle, selon la longueur d'onde considérée des composantes monochromatiques du rayonnement polychromatique incident AI provenant de la source 12, comme illustré figure 2. Lorsqu'un point d'une surface réfléchissante ou rétrodiffusante telle que la surface 3, 103, 203 du substrat, est situé sur l'axe Z entre les deux images confocales ponctuelles F1 et F2 correspondant respectivement à la longueur d'onde minimale A1 de la bande utile de longueur d'onde du rayonnement AI, et à la longueur d'onde maximale A2 de ladite bande utile de longueur d'onde, il en résulte un rayonnement autofocus réfléchi AR qui est transmis en retour par les objectifs 2 et 15 et le filtre spatial 16 ; ce rayonnement est dévié en sortie du tronçon 17 par une lame 19 semi-réfléchissante, vers l'entrée du spectrographe 14. Le spectrographe comporte un élément disperseur spatial 20-tel qu'un prisme-qui dévie sélectivement en sortie les composantes monochromatiques ARD du rayonnement rentrant AR ; une pluralité de capteurs photoélectriques, par exemple les capteurs d'une barrette CCD 21, délivre une pluralité de signaux représentatifs respectivement de l'intensité lumineuse du rayonnement AR dans des bandes spectrales étroites consécutives de ladite bande utile de longueur d'onde ; ces signaux sont délivrés à l'entrée d'un calculateur 23 relié au capteur 21 par une liaison 22 ; ce calculateur reconstitue à partir de ces signaux un spectre du rayonnement autofocus réfléchi AR, puis détermine la longueur d'onde centrale AMAX de la raie (24, figures 3 et 4) d'intensité maximale de ce spectre. En fonction de la position de cette longueur d'onde centrale XMAX par rapport à une longueur d'onde XREF de référence, le calculateur 23 commande le déplacement en translation 25 selon l'axe Z d'un support 26 de l'objectif 2 qui est mobile selon cet axe, grâce à des moyens usuels de guidage et d'actionnement non représentés et grâce à une liaison 27 reliant le support 26 au calculateur 23. Le procédé et le dispositif selon l'invention nécessitent, lors de l'installation du dispositif autofocus, de déterminer la valeur de la longueur d'onde de référence ÀREF faisant partie de la bande utile À2] de longueur d'onde, pour laquelle l'image de la source ponctuelle 16 par le système autofocus-incluant l'objectif 2 d'observation-est confondue avec le foyer F du système optique 2,7 de contrôle. Par référence à la figure 2, le point image confocale de l'objectif 2 pour la longueur d'onde minimale À1 de la bande utile [À1, À2] du rayonnement d'autofocus incident AI, est repéré F1 ; de façon similaire, le point image confocale pour la longueur d'onde maximale À2 de cette bande utile, est repéré F 2 ; ces deux points images entourent le foyer F de l'objectif 2 pour la longueur d'onde de contrôle ÀCTRL qui est située en dehors de cette bande utile (voir figures 3 et 4) ; la distance mesurée selon l'axe Z et séparant les foyers F1 et F2 constitue la"plage de mesure"du système de mise au point ; si le point d'intersection 28 de l'axe Z et de la surface 103,203 se trouvait à l'extérieur de cette"plage de mesure", cette surface serait"perdue de vue" par le dispositif autofocus ; cette éventualité peut être facilement évitée (après réglage initial) grâce au temps de réponse très faible du dispositif selon l'invention. Lorsque le point 28 est situé dans l'intervalle [F1, F2] sans être confondu avec le foyer F, ce qui correspond à la position de la surface 203 du substrat 204, figure 2, le système confocal ne renvoie efficacement un flux lumineux AR en retour que dans une bande spectrale étroite (ou raie d'intensité maximale) centrée sur la longueur d'onde ÀMAX, ce qui correspond à un spectre tel que représenté figure 4, qui résulte de l'analyse du flux AR par le spectrographe 14, et qui permet au calculateur 23 de déterminer la différence entre cette longueur d'onde IMAX et la longueur d'onde de référence ^REF qui est généralement la valeur médiane de l'intervalle utile [^1, ^2], puis de commander le déplacement selon Z de l'objectif 2. A contrario, lorsque le point 28 est confondu avec le foyer F, le spectre obtenu en sortie du spectrographe d'analyse du flux AR renvoyé par le système confocal est tel que représenté figure 3, où la longueur d'onde centrale #MAX de la raie 24 de ce spectre est confondue avec la longueur d'onde de référence, ce qui correspond à une bonne mise au point. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise au point d'un objectif (2) d'observation d'un substrat (4,104, 204), caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - disposer un objectif additionnel (15) et un filtre spatial quasiponctuel (16) pour former avec l'objectif d'observation un système optique confocal (13) présentant une aberration chromatique longitudinale dans un intervalle de longueur d'onde, - illuminer le substrat par un rayonnement (AI) polychromatique d'autofocus incident dont le spectre est continu dans une bande utile ["1, À2] de longueur d'onde incluse dans ledit intervalle de longueur d'onde, en plaçant un point du substrat dans une plage [F1, F2] chromatique de l'axe optique (Z) de l'objectif d'observation ; - faire transporter par ledit système optique confocal ledit rayonnement (AI) d'autofocus incident ainsi qu'un rayonnement (AR) d'autofocus réfléchi essentiellement monochromatique correspondant à la réflexion ou rétrodiffusion dudit rayonnement d'autofocus incident par ledit point du substrat ; - provoquer une dispersion chromatique dudit rayonnement d'autofocus réfléchi pour obtenir un spectre de celui-ci ; - déterminer une longueur d'onde centrale (ÀMAX) d'une raie d'intensité maximale (24) dudit spectre et déterminer une différence entre ladite longueur d'onde centrale et une longueur d'onde de référence (REF), et provoquer un déplacement (25) relatif, selon l'axe (Z), du substrat et de l'objectif d'observation, en fonction de ladite différence, pour obtenir la mise au point. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on illumine en outre le substrat par un rayonnement (CI) de contrôle dont la (ou les) longueur (s) d'onde (ICTRL) est (sont) située (s) à l'extérieur de ladite bande utile X2]- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite bande utile est située dans le domaine de la lumière visible. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit déplacement (25) est un déplacement dudit objectif (2) d'observation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on transporte ledit rayonnement (AI) d'autofocus incident et ledit rayonnement (AR) d'autofocus réfléchi par un tronçon (17) de fibre optique dont une extrémité (16) forme ledit filtre spatial quasi-ponctuel du système optique confocal. 6. Dispositif de mise au point d'un objectif (2) d'observation d'un substrat (4,104, 204), caractérisé en ce qu'il comporte : - un système optique confocal (13) incluant ledit objectif d'observation et présentant une aberration chromatique longitudinale dans un intervalle de longueur d'onde ; - une source (12) adaptée pour émettre un rayonnement (AI) incident polychromatique et de spectre continu dans une bande utile À2] de longueur d'onde incluse dans ledit intervalle ; - un spectrographe (14) adapté pour délivrer un spectre d'un rayonnement (AR) d'autofocus réfléchi par le substrat et transportéainsi que ledit rayonnement incident (AI) - par ledit système optique confocal, - des moyens de commande de déplacement (23,26) pour commander un déplacement relatif (25) du substrat et de l'objectif d'observation selon l'axe optique (Z) de celui-ci, en fonction d'une différence entre une longueur d'onde centrale (ÀMAX) d'une raie (24) d'intensité maximale dudit spectre et une longueur d'onde de référence (REF)- 7. Dispositif selon la revendication 6, qui comporte en outre une source (10) adaptée pour émettre un rayonnement (CI) de contrôle dont la (ou les) longueur (s) d'onde (CTRL) est (sont) située (s) à l'extérieur de ladite bande utile [À1'À2]. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, qui comporte un support mobile (26) pour l'objectif d'observation qui est relié à un calculateur (23) commandant son déplacement en translation selon l'axe optique (Z). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, qui comporte au moins un tronçon (7) de fibre optique permettant le transport desdits rayonnements d'autofocus incident (AI) et réfléchi (AR) entre ladite source (12) et ledit système confocal (13) d'une part, et entre ledit système confocal (13) et ledit spectrographe (14) d'autre part. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel une extrémité (16) d'un tronçon de fibre forme un filtre spatial quasiponctuel pour ledit système confocal (13). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, qui comporte en outre des moyens (18) de séparation du rayonnement de contrôle (CI, CR) et des rayonnements d'autofocus (AI, AR), ces moyens comportant de préférence un filtre dichroïque. 12. Dispositif (1) de contrôle optique d'un substrat (4,104, 204) comportant : - un objectif (2) d'observation du substrat, - une source (10) adaptée pour émettre un rayonnement (CI) de contrôle pour illuminer le substrat, - un capteur (8) sensible au rayonnement (CR) de contrôle émis par le substrat sous l'effet de l'illumination par la source ; - un calculateur (6) connecté au capteur pour traiter des images du substrat résultant de la conversion de signaux délivrés par le capteur, - un dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11.