Brevet FR2860298A1 — publié le 20050401

ELLIPSOMETRE SPECTROSCOPIQUE A POLARISATION INCIDENTE ET ANALYSEUR FIXES DESCRIPTION INTRODUCTION La reconnaissance ou la caractérisation des matériaux utilisent de nombreuses techniques, dont les mesures optiques. Certaines des techniques optiques sont sans 05 contact, et permettent par-là de ne pas endommager l'objet sondé. Dans les domaines de l'analyse de surfaces, avec pour exemples l'optique, les traitements optiques, l'optique intégrée,les semiconducteurs, la microélectronique, la cristalographie, deux technologies non destructives apparaissent comme très employées: la réflectométrie et l'ellipsométrie. La saisie de l'information se fait sans contact au voisinage de la surface de l'échantillon, et les mesures permettent d'en définir la nature et la structure sur plusieurs microns de profondeur, indiquant par là la constitution du support et de l'empilement de couches avec lequel il est traité, comportant par exemple des oxydes, nitrures, métaux, résines, métalloïdes, isolants, silices, silicium, déposés ou implantés (par bombardement ionique par exemple) sur ce support. Nous enseignons le principe et deux exemples de réalisation d'un ellipsomètre spectroscopique, fonctionnant sans intervention extérieure sur la polarisation des rayons lumineux, caractérisé par un axe optique normal ou quasi normal à la surface de l'échantillon, caractérisé par le fait que les angles d'analyses sont ajustables, que les longueurs d'ondes de fonctionnement sont accordables, caractérisé et le fait que les angles d'analyse et les longueurs d'ondes se règlent à l'aide de moyens électroniques. RAPPELS Soit dioptre la surface optique séparant deux milieux transparents, inégalement réfringents. Ces milieux peuvent être définis par leurs indices de réfraction n s'ils sont homogènes, no et ne indices ordinaire et extraordinaire s'ils sont inhomogènes, et leurs coefficients d'atténuation k (dits aussi indices imaginaires). On notera que les indices varient avec la longueur d'onde ( depuis les rayons X jusqu'à l'infrarouge lointain, dans le domaine lumineux), et que leurs valeurs 30 spectrales consituent un moyen d'identification des matériaux. Dans le cas d'un dioptre simple, c'est à dire l'interface entre deux milieux homogènes transparents à la lumière employée, le coefficient de réflexion en incidence normale est issu de la formule R =((ni n2) / (ni + n2))2 où ni et n2 sont les indices de réfraction des matériaux 35 constituant le dioptre. Les réflectomètres insolent l'échantillon analysé sous incidence normale ou voisine de la normale et en déduisent les nature et structure, au moyen des indices de réfraction, par mesure du coefficient de réflexion. Dans le cas d'interfaces plus complexes, comme pour exemple un empilement de couches minces, chaque dioptre, défini par deux matériaux successifs, participe pour partie au coefficient de réflexion total, dans lequel l'absorption apporte aussi sa contribution. On peut faire varier la longueur d'onde du faisceau sonde, de façon à multiplier le nombre d'informations: les positionnements et épaisseurs des couches étant les constantes, les variables étant leurs indices dépendants de la longueur d'onde Les moyens de calcul, et les tables d'indices mis en oeuvre, permettent de déterminer la nature (constituants et épaisseurs) de l'empilement et/ou d'une implantation en profondeur et du substrat. Pour des rayons lumineux inclinés par rapport à la normale d'un dioptre simple, on écrit, avec les formules de DESCARTES, la normale au dioptre étant l'origine des angles: i1= i2, l'égalité des angles d'incidence et de réflexion dans le milieu du rayon incident, et nlsinil= n2sinr la relation entre l'angle d'incidence il du rayon incident, et l'angle r 20 de réfraction du rayon réfracté. Quand les deux milieux sont homogènes, ces trois rayons sont coplanaires. Dans tous les cas, le plan défini par les rayons incident et réfléchi contient la normale à l'échantillon au point d'incidence. Voir la fagurel Figure 1 En dessin annexé donné à titre indicatif non limitatif, la figure 1 illustre, dans le plan des rayons incident, réfléchi, réfracté, les notations employées dans la présentation des formules de DESCARTES le milieu contenant le faisceau incident sera noté d'indice ni 30 le milieu contenant le faisceau réfracté sera noté d'indice n2 la normale au diopte sera notée N l'angle entre la normale et le faisceau incident F1 sera noté il l'angle entre la normale et le faisceau réfléchi F2 sera noté i2 l'angle entre la normale et le faisceau réfracté Fr sera noté r Les vecteurs polarisation ne sont pas figurés: ils sont distribués autour des rayons lumineux. Les faisceaux ?ne sont que partiellement représentés. Par convention, l'état de polarisation d'un rayon lumineux est représenté par un vecteur perpendiculaire à ce rayon, et l'énergie portée par le rayon lumineux est 40 représentée par le carré du module de ce vecteur. (voir la norme ISO EN NF 11145 dont on se réfère dans le présent texte pour la terminologie) Si la polarisation du rayon incident est rectiligne, le vecteur polarisation a une direction fixe dans l'espace, et ce vecteur peut être décomposé en une somme de deux vecteurs perpendiculaires, compris l'un dans le plan contenant les trois rayons incident, réfléchi et réfracté (plan P), l'autre dans un plan perpendiculaire (plan S). De même si le rayon incident est de polarisation partielle, circulaire ou elliptique, on pourra raisonner en terme de projection vectorielle sur les deux plans spécifiés ci-dessus. Revenant aux rayons incident, réfléchi et réfracté, la répartition de l'énergie contenue dans le rayon incident, distribuée vers les rayons réfléchi et réfracté, dépend de l'angle d'incidence et de l'état de la polarisation du rayon incident (Voir travaux de Paul Drude). Pour la polarisation rectiligne dite p parce que le vecteur représentant ladite polarisation est compris dans le plan contenant les rayons incident, réfléchi, réfracté, l'expression du coefficient de réflexion est rp=tan (il r)/tan (il+r) Pour la polarisation rectiligne dite s, le vecteur représentant ladite polarisation étant 20 perpendiculaire au plan contenant les rayons incident, réfléchi, réfracté, l'expression du coefficient de réflexion est rs= - sin (il r)/sin (il+r) BREWSTER a défini l'angle particulier d'incidence pour lequel les rayons réfléchi et réfracté sont perpendiculaires l'un à l'autre: il vérifie rs = 0 A la réflexion, les deux composantes P et S du vecteur polarisation d'un rayon incident quelconque sont affectées des coefficients rp et rs. Au rayon réfléchi est attribué une polarisation dont les projections orthogonales dans les plans P et S sont Prp et Srs, c'est à dire, qu'en général, il possède des module et direction de polarisation différents de l'incidence. Si l'on considère tour à tour toutes les directions possibles de la polarisation autour du rayon incident (avec un module de vecteur constant) , les extrémités des vecteurs polarisation correspondants décriront autour du rayon ayant interagi avec la matière une ellipse, dont les grand et petit axes feront un angle avec les directions p et s. Cet effet a permis à ROTHEN d'introduire l'expression ellipsométrie . On déduit des informations précédentes qu'à partir d'un rayon incident à polarisation connue, et de l'analyse de la polarisation du rayon réfléchi, on peut calculer les indices de réfraction des deux milieux autour du dioptre, et à l'aide de tables, en déduire les milieux eux mêmes. En effet, le rapport rp/rs et l'angle des axes de l'ellipse introduite cidessus avec le plan défini par les rayons sont deux valeurs indépendantes, déterminées expérimentalement, qui permettent, après traitement et simulation mathématiques, de reconnaître les deux milieux. ETAT DE L'ART Les ellipsomètres conventionnels insolent l'échantillon sous incidence oblique. Le pinceau lumineux sonde n'est pas normal à la surface, mais son axe optique est en général fortement incliné (l'angle d'incidence est proche de l'angle de BREWSTER). L'échantillon reçoit, sous cette incidence définie, au point d'impact du pinceau lumineux, une lumière dont on fait varier la polarisation de façon à ce que sa représentation vectorielle tourne selon toutes les orientations autour du pinceau lumineux. On tient compte dans l'analyse du faisceau réfléchi (ellipsomètre par réflexion) ou transmis (ellipsomètre par transmission) de sa polarisation, et plus précisément de la transformation qu'a subie la polarisation du faisceau incident lors de l'interaction lumière matière. Il s'agit ci-dessus d'un appareil dit à analyseur fixe (le faisceau incident est doté d'une polarisation variable). D'autres appareils ont un faisceau incident à polarisation fixe, mais l'analyse de l'ellipsométrie se fait par rotation de l'analyseur: il s'agit alors d'un appareil dit à analyseur tournant . Le nombre d'informations traitées augmente lorsque l'on fait varier l'angle d'incidence et, comme dans les réflectomètres, lorsque l'on fait varier la longueur 20 d'onde. Charge au dispositif d'analyse du pinceau lumineux réfléchi ou réfracté après interaction lumière matière, de corréler le résultat de la mesure avec l'évolution de la polarisation de la lumière entre le pinceau incident et le pinceau après interaction avec la matière.. La détection est monocanal, en synchronisme avec la modulation de la polarisation. Le traitement mathématique de l'information issue du détecteur permet de retrouver l'ellipse de polarisation du faisceau analysé, et les caractéristiques de l'échantillon Au prix d'une inclinaison du pinceau lumineux, parfois difficile à mettre en oeuvre, l'emploi de la polarisation apporte à l'ellipsomètre un paramètre d'analyse que n'a pas 30 le réflectomètre. Si l'objet que l'on veut caractériser ne se réduit pas à un dioptre tel un échantillon massif plongé dans son environnement, mais à un empilement plus ou moins complexe de couches différentes déposées sur le support ou implantées en lui, il y a lieu de multiplier les mesures en faisant changer l'une ou l'autre ou les deux variables que sont l'angle d'incidence initiale et la longueur d'onde du faisceau incident. On multiplie alors le nombre d'équations indépendantes, au point d'en disposer d'un nombre suffisant pour pouvoir définir l'épaisseur et la texture de chaque couche et lever toutes les incertitudes A PRINCIPE DE L'INVENTION Nous enseignons tout d'abord le principe d'une combinaison des deux technologies, à savoir un montage optique de type réflectomètre (axe optique perpendiculaire à la surface de l'échantillon ou incliné de moins de 6 degrés), muni de l'apport de l'ellipsométrie: l'analyse de l'évolution de la polarisation des rayons lumineux. Au lieu d'un pinceau lumineux, dont l'angle d'incidence est défini, et autour duquel on fait varier la polarisation, nous enseignons un faisceau d'insolation incident en forme de cône (entendre ici surface engendrée par une droite tournant à angle fixe autour de la normale à l'échantillon) . Le sommet de ce cône est le point d'incidence du faisceau, confondu avec le point de l'échantillon que l'on veut analyser, et la polarisation des rayons constituant le cône du faisceau incident, est fixe dans l'espace. Cet arrangement optique diffère de l'arrangement conventionnel des ellipsomètres par le fait que,, pinceau incident fixe et représentation vectorielle tournante de la polarisation" est remplacé par, ,rayons lumineux incidents distribués selon un cône, leurs vecteurs polarisation étant parallèles et fixes ". Chacun des rayons constituant le cône incident définit, avec la normale à l'échantillon, un plan d'incidence, et l'angle du vecteur polarisation avec ce plan varie avec le rayon, puisque le vecteur a une direction définie fixe par rapport à l'échantillon alors que les rayons lumineux décrivent un cône. Le passage d'un rayon à l'autre, lorsqu'on décrit le cône, permet d'explorer quatre fois tous les angles possibles de 0 à 90 degrés. Voir la figure 2 et les sous figures2a à 2e Figure 2 La figure 2 illustre en perspective le cône de l'ellipsomètre enseigné Les rayons incidents RI et réfléchis R2 sont portés par le cône C figuré en perspective, coplanaires dans un plan contenant la normale N à l'échantillon. Ce plan est mis en évidence par les parties pointillées des rayons RI et R2. Le plan de la figure contient la direction de polarisation PI des rayons incidents, dont Rl; le vecteur polarisation des rayons réfléchis P2 peut être hors du plan de la figure. Lorsque le plan défini par les rayons RI et R2 tourne autour de la normale N, l'angle de la direction de la polarisation des rayons incidents avec ce plan varie Les figures 2a à 2e sont des vues en plan du cône des rayons incidents, et mettent en évidence cette variation angulaire entre la polarisation initiale et les rayons incident RI et réfléchi R2 Chaque rayon incident est porteur de deux informations: son angle d'incidence sur l'échantillon (angle du cône) l'angle de son vecteur polarisation avec le plan défini par cedit rayon et la normale à l'échantillon. Après l'interaction lumière-matière, les rayons réfléchis et les rayons réfractés sont individuellement polarisés par l'effet conjugué des coefficients de réflexion rp et rs, ou les coefficients homologues pour la réfraction, d'une part, et d'autre part par l'angle compris entre le vecteur polarisation porté par le faisceau incident et le plan défini par ce vecteur et la normale à l'échantillon. Charge au dispositif d'analyse du faisceau lumineux (réfléchi ou réfracté) après l'interaction lumière matière de corréler le résultat de la mesure sur chacun des rayons lumineux de ce faisceau avec sa position respective sur le cône incident. La détection est multicanal, (à détecteur matriciel par exemple) chaque canal en bijection avec un rayon du cône lumineux incident ou avec quelques rayons voisins. Le nombre d'informations peut être augmenté par les apports suivants: augmentation du nombre de canaux utiles appartenant au détecteur, au moyen d'une densification des canaux par unité de surface, ou en utilisant sur le détecteur une circonférence de plus grand diamètre pour un angle d'incidence donné. augmentation du nombre de cônes portant les rayons incidents. Ceci est obtenu par l'exploitation de l'angle solide limité par le plus grand angle de cône admissible, et la surface utile correspondante sur le détecteur multicanal. modification de la longueur d'onde du faisceau incident. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront encore dans la 15 description ci-après des exemples de réalisations expérimentales. On notera que dans les différents montages dédrits ci dessus, en applications du principe enseigné aucun composant n'est mobile, et que les analyses angulaires et spectrales des rayons se font à l'aide de moyens électroniques, sans intervention commandée sur la polarisation au cours de la saisie et du traitement de l'information. PREMIER EXEMPLE DE REALISATION: Montage optique en transmission Un premier exemple de réalisation expérimentale d'un ellipsomètre selon le principe enseigné ci-dessus peut être représenté selon le schéma optique synthétique décrit ci dessous: ellipsomètre en transmission. De la source lumineuse, un dispositif de collimation, dit colimateur prélève une partie 25 de la lumière et la dirige vers l'objectif de focalisation. Si la source n'est pas polarisée rectilignement, un dispositif à effet de polarisation, dit polariseur, apporte, entre le collimateur et l'objectif, une polarisation rectiligne au faisceau. Un dispositif de focalisation, dit objectif de focalisation, ou objectif, focalise le faisceau selon un angle solide cônique limité par les caractéristiques du montage optique, à savoir la focale dudit objectif de focalisation et le diamètre utilisé sur sa pupille. Dans cet angle solide, tous les rayons lumineux ont la même polarisation avant leur interaction avec la matière. Le point de focalisation des faisceaux est positionné au point de l'échantillon que l'on veut analyser, l'axe optique étant normal ou quasi normal à l'échantilon. Après interaction avec la matière, chacun des rayons transmis porte une double information: son angle d'émergence, lié par les formules de Descartes à l'angle d'incidence 40 du rayon dont il est issu sa polarisation individuelle, déterminée par trois paramètres: l'angle d'incidence du rayon lumineux sur l'échantillon la direction de la polarisation initiale du rayon lumineux incident les coefficents de réfraction, homologues des coefficients de rélexion rs et rp Nous ne tenons pas compte ici de l'absorption qui affecte de la même façon tous les 05 rayons lumineux. Après avoir traversé la matière, les faisceaux sont captés par un objectif de reprise, et adressés, à travers un second dispositif à effet de polarisation linéaire utilisé en analyseur, au détecteur multicanal matriciel. L'analyseur module l'énergie portée par chaque rayon lumineux par effet de projection vectorielle des polarisations individuelles des rayons lumineux sur la direction de polarisation du dispositif à effet de ploarisation employé en analyseur. Le détecteur multicanal matriciel enregistre l'énergie apportée dans chacun de ses pixels par les différents rayons lumineux. Chacun des pixels correspond à un angle d'incidence défini par le rapport distance du pixel à l'axe du faisceau / distance focale de l'objectif de focalisation , et à l'angle du vecteur polarisation avec le plan défini par le rayon incident et la normale à l'échantillon. Par une lecture de pixels répartis sur une circonférence dont le centre est confondu 20 avec l'axe optique du faisceau lumineux, et par traitement de l'information, le dispositif de détection apporte les connaissances suivantes: l'angle du cône d'incidence des rayons lumineux conjugués optiquement avec la circonférence utilisée les caractéristiques de l'ellipse de polarisation correspondant à cet angle 25 d'incidence: la direction des ses axes et son ellipticité. De la même façon que dans les ellipsomètres classiques, les informations relatives à l'ellipse de polarisation permettent de caractériser l'empilement des traitements, et l'échantillon. Une lecture de pixels selon les circonférences de cercles de diamètres différents, 30 centrés sur l'axe optique, permet une analyse progressive de tout l'angle solide d'insolation, donc de l'ensemble exploitable des angles d'incidence. On remarquera que tous les pixels peuvent être lus en parallèle, apportant ainsi un balayge angulaire immédiat. Voir la figure 3 et les sous-figures 3a à 3e 35 Figure 3 En dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, la figure 3 est une vue synoptique d'un système ellipsométrique selon l'invention, fonctionnant en transmission, dans les longueurs d'ondes du domaine optique 200nm 30 microns. Le domaine spectral lumineux peut être élargi jusqu'aux rayons X, par mise de l'équipement sous atmosphère contrôlée pour les U.V. lointains, et par des dispositifs spécifiques pour les longueurs d'ondes plus faibles. Les équipements ou composants utilisés étant choisis pour leur aptitude à fonctionner dans la bande spectrale intéressant l'utilisateur, ces composants sont: La source (S) La source est une source lumineuse quel que soit son spectre d'émisson. En variantes on utilisera par exemple des sources à large spectre, des lampes spectrales, des diodes photoluminescentes, des diodes laser, un laser, un générateur de rayons X, une source suivie d'un spectromètre dont les longueurs d'ondes, transmises en séquentiel ou en simultané, peuvent être sélectionnées. La source peut aussi être mécaniquement séparée du corps de l'ellipsomètre à l'aide de 10 fibres optiques. Le collimateur (e) Certains des rayons de la source sont traités par un dispositif de collimation qui sélectionne une direction de propagation du faisceau utile. La section du faisceau est choisie en fonction de l'angle extrême du cône que l'on 15 voudra utiliser Le faisceau est de révolution autour de l'axe mécanique de l'ellipsomètre intégral. Le polariseur (P) Le faisceau utile est polarisé par un composant fixe à effet de polarisation rectiligne, ou un dispositif à effet polarisation rectiligne fixe. L'objectif de focalisation (7) Le faisceau utile est focalisé par un objectif; dont la distance focale définit, en relation avec la section du faisceau utile et la longueur d'onde considérée, la dimension de la surface analysée sur l'échantillon.(c) L'objectif de focalisation est employé pour insoler l'échantillon L'objectif peut être simple ou composé, dioptrique et/ ou catadioptrique, au gré des performances attendues de l'ellipsomètre enseigné. Les rayons limites de l'angle solide cônique d'insolation peuvent appartenir à la zone marginale de l'objectif de focalisation La surface de l'échantillon.(L) Au point de focalisation de l'objectif ci dessus, l'élément de la surface de l'échantillon que l'on veut analyser est positionné de façon que la normale à ladite surface soit confondue avec l'axe optique de l'instrument, ou très peu inclinée par rapport à lui L'objectif de reprise (e Après avoir traversé l'échantillon, les rayons lumineux sont collectés par un objectif 35 de reprise, comparable à l'objectif de focalisation ou différent de lui. Il adresse les rayons lumineux au détecteur multicanal matriciel. L'analyseur (A) Les rayons lumineux atteignent un polariseur utilisé en analyseur, de même type que le polariseur. Il transmet tout ou partie de l'énergie portée par chacun des rayons lumineux en fonction de l'angle que fait que fait le vecteur polarisation de chacun des rayons avec la direction de polarisation de l'analyseur. La modification de l'énergie lumineuse de chaque rayon lumineux correspond au rôle d'analyseur de ce polariseur. Le détecteur matriciel (71l) Dans la configuration de montage enseignée, il y a adressage direct par l'objectif de reprise, et conjugaison optique, des rayons lumineux sur les pixels du détecteur matriciel La matrice de détecteurs photosensibles (du type de celles incluses dans une caméra de télévision par exemple), telle qu'introduite dans un paragraphe précédent, permet une mesure énergétique simultanée de chacun des rayons qui atteignent ses différents pixels. Pour la lecture selon un cercle, la variable est l'angle de polarisation, à incidence fixe. On change l'angle d'incidence en changeant le rayon du cercle lu. Une même information ellipsométrique est portée par quatre pixels répartis à 90 l'un de l'autre sur un même cercle du détecteur, en raison des symétries du montage optique. De même, pour une lecture des pixels selon un diamètre quelconque du cercle défini ci dessus, la variable devient l'angle d'incidence à orientation fixe de la polarisation d' incidence Nous enseignons ainsi les modalités d'emploi d'un montage expérimental qui permet une analyse simultanée d'un grand nombre d'angles d'incidence différents, et de longueurs d'ondes différentes par une lecture simultanée ou séquentielle des pixels du détecteur matriciel, le traitement de l'information pemettant la connaissance de la correspondance pixel rayon incident. Il est envisageable de grouper les pixels à la lecture Traitement de l'information (7) Par un traitement électronique lors de la lecture des pixels pour définir l'énergie captée par chacun d'eux aux différentes longueurs d'onde d'enregistrement, puis par un traitement mathématique comparatif des grandeurs mesurées, et par la confrontation des mathématiques, la nature et la structure superficielles de l'échantillon analysé, informations avec les tables de connaissance, et au moyen de simulations peuvent être définies. Les pixels des détecteurs photosensibles de l'électronique grand public considérée distinguent trois domaines spectraux différents, suffisemment larges pour que toute source du domaine visible excite l'une au moins des trois bandes de sensibilité spectrale. La source lumineuse peut apporter, par sa conception élaborée, une information spectrale riche. Le dispositif de détection peut, avantageusement, être plus performant que celui de l'exemple envisagé En corrolaire à la figure 3, les figures 3a à 3d présentent des exemples de représentation vectorielle de la polarisation de différents rayons lumineux entre: le Colimateur e et le polariseur P (fig 3a) le polariseur P et l'échantillon $ (fig 3b) l'échantillon $ et l'analyseur, (fig 3c) l'analyseur A et le détecteur matriciel *1. La figure 3e est une représentation en plan du détecteur matriciel 714 de ses pixels, et de l'impact du rayon Rr sur l'un d'eux. n Note: Dans le cas où l'un des milieux traversés par la lumière est anisotrope, un rayon incident génère deux rayons réfractés, dus aux indices ordinaire et extraordinaire du milieu inhomogène de l'echantillon, qui pourront être captés par le détecteur matricie. Un cône de rayons incidents sur un milieu biréfringent, engendrera deux nappes distinctes, que le détecteur matriciel pourra permettre d'analyser simultanément. (cas non repris dans les figures). SECOND EXEMPLE DE REALISATION: Montage optique en réflexion Un second exemple de réalisation expérimentale d'un ellipsomètre selon le principe tel qu'enseigné ci-dessus peut être décrit selon le schéma optique d'un microscope métallographique (rayons lumineux parallèles dans le corps du microscope) : ellipsomètre en réflexion De la source lumineuse, un colimateur prélève une partie de la lumière et la dirige vers l'objectif de focalisation. Si la source n'est pas polarisée rectilignement, un polariseur apporte entre le collimateur et l'objectif une polarisation rectiligne au faisceau. Un dispositif de séparation des faisceaux, dit lame séparatrice introduite dans le faisceau peut être porteuse, sur sa face d'entrée, du polariseur rectiligne évoqué ci-dessus. Inclinée à l'angle de BREWSTER, orientée en tenant compte de l'effet polarisant de sa face de sortie, et suffisemment épaisse, cette lame n'introduira aucun faisceau parasite dans le montage optique. L'objectif focalise le faisceau selon un angle solide cônique limité par les caractéristiques du montage optique, à savoir la focale dudit objectif de focalisation et le 25 diamètre utilisé sur sa pupille. Dans cet angle solide, tous les rayons lumineux ont la même polarisation avant leur interaction avec la matière. Le point de focalisation des faisceaux est positionné au point de l'échantillon que l'on veut analyser, l'axe optique étant normal ou quasi normal à l'échantilon. Après interaction avec la matière, chacun des rayons réfléchis porte une double information: son angle d'émergence, égal à son angle d'incidence, sa polarisation individuelle, issue ces coefficents de rélexion rs et rp Les rayons du cône sont polarisés de façon spécifique individuelle Les deux montages présentés à titre d'exemples de réalisations sont comparables de la source à l'échantillon, si ce n'est par la présence de la lame séparatrice. Après avoir interagi avec la matière, les faisceaux réfléchis sont captés par ledit objectif, fonctionnant en autocollimation, et adressés, par réflexion sur la lame séparatrice, au détecteur multicanal matriciel. La lame séparatrice apporte, à la polarisation des faisceaux, l'effet d'un analyseur. lA Le composant utilisé en analyseur module l'énergie portée par chaque rayon lumineux par effet de projection vectorielle des polarisations individuelles des rayons lumineux sur la direction de polarisation du composant polarisant. Le détecteur multicanal matriciel enregistre l'énergie apportée dans chacun de ses pixels 05 par les rayons lumineux. avec l'axe optique du faisceau lumineux, et par traitement de l'information, le dispositif de détection apporte les connaissances suivantes: Au moyen d'une lecture de pixels répartis sur une circonférence dont le centre est confondu l'angle du cône d'incidence des rayons lumineux conjugués 10 optiquement avec la circonférence utilisée les caractéristiques de l'ellipse de polarisation correspondant à cet angle d'incidence: la direction des ses axes et son ellipticité. De la même façon que dans les ellipsomètres classiques, les informations relatives à l'ellipse de polarisation permettent de caractériser l'empilement des traitements, et 15 l'échantillon. Une lecture de pixels selon les circonférences de cercles de diamètres différents, centrés sur l'axe optique, permet une analyse progressive de tout l'angle solide d'insolation, donc de l'ensemble exploitable des angles d'incidence. Voir figure 4 20 Figure 4 La figure 4 est une vue synoptique d'un exemple non limitatif de système ellipsométrique selon l'invention, fonctionnant réflexion, dans les longueurs d'ondes du domaine optique 200nm 30 microns, élargi vers les rayons X si nécessaire,. Les équipements ou composants utilisés étant choisis pour leur aptitude à fonctionner dans la bande spectrale intéressant l'utilisateur, ces composants sont: La source (S) La source est de même type que celles décrites ci-dessus Le collimateur A Le dispositif de collimation est du même type que celui décrit ci-dessus Le polariseur (7)) Le faisceau utile est polarisé par un équipement fixe à effet de polarisation rectiligne Dans ce montage optique, le dispositif polarisant peut être porté par la face d'entrée de la lame séparatrice La lame séparatrice (1) Après polarisation, le faisceau traverse l'épaisseur d'une lame séparatrice. Tous les rayons subiront à travers cette lame les mêmes effets sur leur polarisation, et seront dotés du même vecteur polarisation (module et orientation) à leur sortie de la lame. Si elle est inclinée à l'angle de BREWSTER pour les rayons issus du collimateur, orientée par rapport à la direction de polarisation de façon à ne générer aucun faisceau parasite, elle transmettra l'intégralité du faisceau utile sans en altérer la polarisation. L'objectif de focalisation (9) L'objectif de focalisation est du même type que celui décrit ci dessus. Comme dans les microscopes par réflexion, l'objectif de focalisation est employé pour insoler l'objet, et pour collecter les rayons réfléchis. La surface de l'échantillon.() Au point de focalisation de l'objectif ci dessus, l'élément de la surface de l'échantillon que l'on veut analyser est positionné de façon que la normale à la surface soit confondue avec l'axe optique de l'instrument, ou très peu inclinée par rapport à lui Dans le montage en réflexion les rayons considérés après l'interaction lumière matière sont les rayons réfléchis par l'échantillon. Ils parcourent l'instrument à travers les composants suivants L'objectif de focalisation (9) Le montage enseigné, à incidence conique , génère sur un échantillon plan une réflexion portée par le même angle solide cônique, et nous décrivons ci-dessous comment séparer les rayons incidents et réfléchis, et analyser la polarisation des rayons après leur interaction avec la matière. L'objectif de focalisation collimate les rayons réfléchis par l'échantillon et les adresse au détecteur via la séparatrice. Nous envisageons un tel cas dans notre description La séparatrice (C9) Dans le trajet après interaction avec l'échantillon, les rayons atteignent la lame séparatrice en sens inverse du sens initial, mais ils ne sont plus tous polarisés selon la même direction: le vecteur polarisation de chaque rayon lumineux incident a subi une altération individuelle, en module et en direction, lors de sa réflexion sur l'échantillon. La nouvelle face d'entrée de la lame séparatrice réfléchit plus ou moins chaque rayon en modifiant entre autre son énergie par effet de polarisation sur sa surface: elle joue le même rôle que l'analyseur dans les ellipsomètres classiques. L'énergie non réfléchie par la lame se perd en direction de la source, et, pour éviter la présence de rayons perturbateurs vers la détection, la lame sera taillée suffisamment épaisse ou en léger coin. Un éventuel second polarieur linéaire, orienté à dessein, utilisé pour confirmer le rôle d' analyseur de la lame séparatrice, peut être introduit entre elle et la détection Le détecteur matriciel (71d) La détection et le traitement de l'information sont du même type que ceux décrits ci dessus. ACCESSOIRES Les vues synoptiques précedantes des ellipsomètres en transmission et en réflexion selon l'invention ne comportent pas les accessoires suivants, utilisables pour en augmenter les performances, ou en faciliter l'emploi: En aval du dispositif de collimation, et en amont du composant polarisant linéairement le faisceau, il peut être introduit des diaphragmes, par exemple de forme annulaire. Ils contribueront à la définition des cônes considérés dans la description de l'invention. Ils seront les pupilles que l'on peut faire varier en diamètre intérieur ou en diamètre 10 extérieur. Un exemple de réalisation électronique de telles pupilles annulaires est l'exploitation d'un écran à cristaux liquides, tel que les valves à lumière utilisées dans les vidéoprojecteurs. Il sera utilisé comme un filtre annulaire, et chromatique éventuellement. Un second exemple de réalisation de telles pupilles est l'exploitation d'un interféromètre de FABRY-PEROT. On sait qu'un tel interféromètre transmet une sélection spectrale de la lumière qui l'atteint si la longueur d'onde et l'angle du faisceau lumineux avec l'axe optique de l'instrument vérifient la relation q=2necosa où q est l'ordre d'interférence dans l'interféromètre de FABRY-PEROT 1 est la longueur d'onde que l'on veut voir émerger de l'interféromètre de FABRYPEROT ne est l'epaisseur optique de l'interféromètre de FABRY- PEROT a est l'angle sous lequel on veut voir émerger la lumière de l'interféromètre de 25 FABRY-PEROT. Cette expression mathématique correspond à un interféromètre de FABRY PEROT à deux miroirs plans, l'utilisateur peut tirer avantage d'un interféromètre à un miroir plan et un miroir concave, ou à deux miroirs concaves. En faisant varier l'épaisseur optique de l'interféromètre, on fait varier la longueur 30 d'onde transmise, à angle de transmission constant. Une défocalisation de l'objectif de focalisation permet de compenser la présence de l'angle a par rapport à une collimation parfaite Ces deux composants accessoires peuvent aussi être positionnés en amont du détecteur multicanaux. VARIANTES Le détecteur Si le détecteur utilisé permet l'enregistrement simultané de signaux qualifiés par leur longueur d'onde, le dispositif expérimental enseigné apportera des mesures chromatiques. Nous enseignons ici l'emploi d'une matrice de capteurs CCD ou CMOS, telle que celles exploitées dans les caméras de télévision, de surveillance couleur, les appareils photographiques électroniques, ou les WEBCAM pour en employer des pixels répartis selon un cercle par cône d'incidence. De tels équipements sont en général dotés des trois couleurs fondamentales Bleu Vert Rouge, et l'on peut d'une part affiner les largeurs spectrales, et d'autre part les présélectionner ou bien par l'emploi de filtres chromatiques à bande passante plus ou moins étroite, ou bien par un choix judicieux de la source. Le polariseur L'élément polarisant, présenté comme fixe, peut apporter au montage une modulation (par rotations du composant optique ou modulation par effet de phase) de la 15 polarisation Cet apport peut améliorer les performances des détecteurs en particulier dans l'infrarouge. Cette variante ne fait en aucun cas perdre le caractère innovant de l'emploi d'un cône de rayons lumineux incidents polarisés de la même façon La lame séparatrice Nous avons décrit une lame inclinée sous incidence de BREWSTER. Cette configuration n'a rien d'obligatoire, et une lame à 45 d'incidence, traitée ou non, d'un dépôt métallique ou polarisant, par exemple un cube séparateur, produiront des effets définis sur la polarisation définitive des rayons analysés, effets que le logiciel de traitement mathématique prendra en compte. Si les effets polarisants de cette lame ou de son substitut sont faibles, il peut être souhaitable, comme décrit ci-dessus, d'insérer un composant polarisant dans le faisceau optique, et de lui faire jouer le rôle d'analyseur. L'objectif L'objectif de focalisation peut être dioptrique ou catadioptrique. En principe, les objectifs catadioptriques offrent une meilleure ouverture numérique, ce qui permet à priori d'augmenter l'angle limite d'incidence sur l'échantillon, et de diminuer les dimensions de la plus petite surface géométrique analysable, d'une part, d'être moins sensible à la longueur d'onde dans la marche des faisceaux, d'autre part. Cependant, la partie paraxiale du faisceau peut être obérée par le petit miroir de l'objectif à miroirs, ce qui modifie la tache de diffraction et fait perdre de l'information sur les faisceaux de faible incidence. Par contre, il peut être envisagé de pratiquer un canal cylindrique au coeur de l'objectif, pour employer l'ellipsomètre tel qu'enseigné dans une configuration 40 réflectomètre à incidence normale. Enfin, une insolation avec défocalisation par défaut sur le tirage entre l'objectif et l'échantillon peut permettre une analyse en mapping limitée au champ couvert. Dans ce cas, il sera intéressant d'adresser les rayons lumineux au capteur en faisant sur les pixels une image de la partie analysée de l'échantillon. L'échantillon Nous avons envisagé un échantillon plan, normal au faisceau d'incidence. Si l'échantillon est convexe (bombé) ou concave (en creux), les faisceaux réfléchis ne seront plus parfaitement collimatés après réflexion. Ils se propageront sous forme divergente ou convergente. Les pixels verront arriver sur eux des rayons nouveaux, les 1A effets de la lame séparatrice initiale seront légèrement perturbés, mais le traitement mathématique peut tenir compte de ces deux effets. Si par contre, on utilise un analyseur dans le faisceau réfléchi, la perturbation principale sera certainement celle issue du tracé optique (ray tracing) Si l'échantillon n'est pas parfaitement perpendiculaire à l'axe optique du faisceau incident, il produira un faisceau réfléchi incliné par rapport au faisceau théorique. Ceci entraînera un déplacement général des points d'impact des rayons lumineux sur le détecteur, et une légère dissymétrie dans la mesure de l'ellipsométrie des rayons captés. Cette dissymétrie peut être compensée par un regroupement analogique judicieux des pixels quatre à quatre pour rétablir la symétrie des rayons autour de la normale à l'échantillon. Elle est détectable lors des mesures. Un porte-échantillon peut apporter les moyens d'une exploration, élément après élément, de toute la surface de l'échantillon, par des mouvements de translation et ou de rotation appliqués à l'échantillon par le porteéchantillon.. Le détecteur L'ellipsomètre tel qu'enseigné, est réalisé avec pour capteur une matrice de pixels. Le traitement mathématique de l'information peut être simplifié, au prix de pertes de performances, par l'utilisation individuelle ou en combinaison (en suivant la marche des rayons lumineux) d'un dispositif à diaphragmes, d'un éventuel dispositif de projection de l'échantillon sur le détecteur, puis d'un détecteur à une ou quatre plages de sensibilité. Le diaphragme serait constitué d'un trou (pupille) aménagé hors d'axe dans un écran opaque, l'écran tournant sur lui même. Un détecteur une voie suffit pour enregistrer la modulation du signal lorsque la pupille décrit le cône d'incidence correspondant à sa distance à l'axe de rotation du diaphragme Tout aménagement de cames pour réaliser une telle configuration, avec éventuellement variation de l'excentricité, est une variante du diaphragme tournant autour de l'axe mécanique Parmi les cames, on peut considérer une ouverture annulaire, ou de façon équivalente 30 un jeu de cristaux anisotropes qui ne transmettent de l'énergie que sous forme annulaire. Une autre came serait une ouverture en croix ou croix de Malt; un détecteur quatre cadrans serait alors astucieusement exploité derrière quatre pupilles sélectives sur la croix. Enfin, abandonnant les constructions à mouvement de révolution, on peut aussi envisager des pupilles qui seraient mues par translation des diaphragmes. La projection d'images Nous avons enseigné un éclairement direct des pixels par l'objectif, après réflexion sur la lame séparatrice. Nous pouvons aussi envisager un dispositif de projection qui permettrait de faire une image de la surface de l'échantillon sur les pixels du détecteur. Cette projection peut avoir lieu en présence d'un défaut de mise au point (par exemple:objet un peu trop loin par rapport au plan focal), et en absence de composant supplémentaire, ou bien, si l'on veut garder les avantages d'une bonne mise au point, en insérant un dispositif de focalisation des faisceaux lumineux entre le composant analyseur et le détecteur. Ce projecteur d'image est susceptible d'apporter des avantages considérables pour un micro scaning . Un autre arrangement optique consiste à conjuguer, à l'aide de l'objectif de reprise,l'objet et un objectif de projection, nouveau dans le montage, inséré entre l'analyseur et le dispositif de détection. Cet objectif de projection conjugue, quant à lui, la pupille de l'objectif de reprise et le dispositif de détection. Modulation de la polarisation Enfin, rien dans le dispositif enseigné n'interdit de moduler la polarisation du faisceau incident. Un étalonnage spécifique sera alors requis, de même pour le traitement de l'information. 17 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de caractéristiques d'un échantillon par ellipsométrie, par utilisation d'au moins un faisceau lumineux incident interagissant avec la matière de l'échantillon, en une région insolée dite point d'analyse, par réflexion ou transmission réfractée d'une pluralité de rayons incidents faisant partie du faisceau incident et donnant chacun un rayon réfléchi ou réfracté, dit rayon résultant, chaque rayon résultant formant avec son rayon incident d'origine un plan d'incidence, ce dispositif comprenant É un dispositif de polarisation, dit polariseur, déterminant au sein du faisceau incident une polarisation fixe et uniforme, dite polarisation incidente, É un dispositif de focalisation faisant converger le faisceau incident sur le point d'analyse, É un dispositif d'analyse, dit analyseur, comportant une direction d'analyse, par rapport à laquelle il effectue une analyse de la polarisation de rayons résultants, É un dispositif de détection, effectuant une détection des caractéristiques de la polarisation de rayons résultants analysés par l'analyseur, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend des moyens de mesure des caractéristiques de la polarisation individuelle d'une pluralité de rayons résultants, contenus dans une pluralité de plans d'incidence différents, sans changement de la polarisation incidente du faisceau incident et de la direction d'analyse de l'analyseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend une pluralité de détecteurs formant un détecteur multicanal apte à mesurer simultanément l'énergie d'une pluralité de rayons résultants reçus de l'analyseur. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyseur comprend un dispositif de polarisation linéaire selon une direction d'analyse déterminée uniforme, qui modifie l'énergie des rayons résultants qu'il reçoit en fonction de leurs caractéristiques individuelles de polarisation. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte une matrice de détecteurs indépendants mesurant l'énergie individuelle d'une pluralité de rayons résultants ou groupes de rayons résultants, cette mesure étant transmise aux moyens de calcul pour traitement ou comparaison. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de focalisation fait converger le faisceau sur l'échantillon au point d'analyse en un angle solide d'axe normal ou proche de la direction normale à la surface de l'échantillon au point d'analyse. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte des détecteurs dont au moins une partie présente une sensibilité spectrale différentiée, et mesure des rayons résultants issus d'un faisceau lumineux incident comprenant une pluralité de longueurs d'onde. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un interféromètre de Fabry-Perot positionné dans le trajet optique, cet interféromètre effectuant sur les faisceaux qu'il transmet une sélection angulaire ou une sélection spectrale. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il réalise des mesures ellipsométriques par réflexion du faisceau incident sur l'échantillon et présente un schéma optique comprenant: É d'une part, une source polarisée de façon rectiligne et uniforme ou associée à un dispositif polarisant et formant au moins un faisceau incident de polarisation rectiligne et uniforme, É et d'autre part, un dispositif de prélèvement prélevant une partie de la lumière de la source et la transmettant en un faisceau incident, É un dispositif de séparation recevant ledit faisceau incident du dispositif de prélèvement ou du polariseur pour en transmettre au moins une partie à un objectif de focalisation, et recevant des rayons résultants en provenance de l'objectif de focalisation pour les réfléchir en direction d'un analyseur, É un objectif de focalisation focalisant le faisceau incident en un angle solide convergent, dit angle solide incident, insolant le point d'analyse et dont l'axe forme un angle faible ou nul avec la normale à la surface de l'échantillon, cet objectif de focalisation recevant des rayons résultants divergents réfléchis par l'échantillon et transmettant ces rayons résultants vers le dispositif de séparation, É un dispositif d'analyse, compris dans le dispositif de séparation ou incluant un analyseur recevant des rayons résultants provenant dudit dispositif de séparation, ce dispositif d'analyse transmettant lesdits rayons résultants vers le dispositif de détection en modulant leur énergie en fonction de leur polarisation par projection vectorielle de leur polarisation individuelle sur une direction d'analyse dudit dispositif d'analyse, É une reprise, par l'objectif de focalisation, des rayons réfléchis par l'échantillon, dits rayons résultants, et transmettant ces rayons résultants vers le dispositif d'analyse, É un détecteur multicanal comportant une matrice de pixels incluant chacun un ou plusieurs capteurs mesurant l'énergie lumineuse des rayons résultants analysés. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il réalise des mesures ellipsométriques par transmission et réfraction du faisceau incident à travers l'échantillon et présente un schéma optique comprenant: É d'une part, une source polarisée de façon rectiligne et uniforme ou associée à un dispositif polarisant et formant au moins un faisceau incident de polarisation rectiligne et uniforme, É et d'autre part, un dispositif de prélèvement prélevant une partie de la lumière de la source et la transmettant en un faisceau incident, É un objectif de focalisation focalisant le faisceau incident en un angle solide convergent, dit angle solide incident, insolant le point d'analyse et dont l'axe forme un angle faible ou nul avec la normale à la surface de l'échantillon, É un objectif de reprise recevant des rayons réfractés, dits résultants, transmis par l'échantillon et transmettant ces rayons résultants vers le dispositif d'analyse, É un dispositif d'analyse, recevant des rayons résultants provenant de l'objectif de reprise, ce dispositif d'analyse transmettant lesdits rayons résultants vers le dispositif de détection en modulant leur énergie en fonction de leur polarisation par projection vectorielle de leur polarisation individuelle sur la direction d'analyse dudit dispositif d'analyse, É un détecteur multicanal comportant une matrice de pixels incluant chacun un ou plusieurs capteurs mesurant l'énergie lumineuse des rayons résultants analysés. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, entre l'analyseur et le dispositif de détection, un dispositif de projection de différents rayons résultants sur le dispositif de détection par conjugaison entre les différents rayons résultants au niveau de la pupille de l'objectif de reprise et les différents détecteurs au niveau du dispositif de détection. 11. Procédé de mesure de caractéristiques d'un échantillon par ellipsométrie, par utilisation d'au moins un faisceau lumineux incident interagissant avec la matière de l'échantillon, en une zone dite point d'analyse, par réflexion ou transmission et réfraction d'une pluralité de rayons incidents faisant partie du faisceau incident et donnant chacun un rayon réfléchi ou réfracté, dit rayon résultant, chaque rayon résultant formant avec son rayon incident d'origine un plan d'incidence,ce procédé incluant É une étape d'insolation du point d'analyse par un faisceau incident convergeant sur le point d'analyse et formé d'une lumière d'une polarisation uniforme et déterminée selon une direction, dite direction de polarisation incidente, É une étape d'analyse des rayons résultants modulant individuellement l'énergie des rayons résultants par projection vectorielle de leur polarisation individuelle sur une direction d'analyse déterminée uniforme, É une étape de détection de l'énergie individuelle d'une pluralité de rayons résultants ou groupes de rayons 10 résultants analysés par l'analyseur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mesure des caractéristiques de l'énergie individuelle d'une pluralité de rayons résultants contenus dans une pluralité de plans d'incidence différents, sans changer la direction de polarisation incidente ni la direction d'analyse. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les mesures de l'énergie individuelle d'une pluralité de rayons résultants sont utilisées pour déterminer les caractéristiques d'une ellipse représentant la transformation de la polarisation subie au contact de l'échantillon par au moins un des rayons résultants mesurés. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte une mesure de l'énergie individuelle de rayons résultants répartis selon une matrice de pixels d'un détecteur. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte une lecture des mesures sur une pluralité de pixels formant une portion de cercle, ces mesures étant utilisées pour déterminer les caractéristiques d'une ellipse représentant la polarisation transformée au contact de l'échantillon pour des rayons incidents insolant ledit échantillon selon un même angle d'incidence, une pluralité de lectures selon des portions de cercles de rayons différents fournissant des ellipses correspondant à des angles d'incidences différentes. 15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte une lecture des mesures sur une pluralité de pixels formant une portion de diamètre de cercle dans le plan de la surface de l'échantillon, ces mesures étant utilisées pour déterminer les caractéristiques d'une ellipse représentant la polarisation transformée au contact de l'échantillon pour des rayons incidents insolant ledit échantillon selon une même direction de polarisation incidente, une pluralité de lectures selon des diamètres différents fournissant des ellipses correspondant à des directions de polarisation différentes. 16. Procédé selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'énergie des rayons résultants est mesurée de façon différentiée dans une pluralité de plages de longueurs d'ondes, simultanément ou séquentiellement. 17. Procédé selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que les caractéristiques d'une ou plusieurs ellipses sont combinées par des moyens de calcul et/ou comparées à des tables de connaissances pour déterminer une ou plusieurs caractéristiques de nature ou de structure de l'échantillon.