Brevet FR2891904A1 — publié le 20070413

La présente invention concerne un procédé de mesure d'épaisseur d'une couche en temps réel permettant parmi ses applications possibles, la mesure de dépôt ex-situ et des mesures de profilométrie. On connaît par le brevet français n 2 760 085, un dispositif et un procédé de mesures tridimensionnelles, in situ, de la couche superficielle d'un empilement de couches minces pendant le dépôt ou la gravure de celui-ci. Le dispositif comprend une unité de surveillance comportant un boîtier compact enfermant une caméra CCD, une source d'éclairage produisant un faisceau lumineux et des composants optiques. Ladite unité comprend également un prisme de Wollaston disposé sur le chemin optique du faisceau lumineux permettant d'obtenir en sortie dudit prisme deux faisceaux lumineux cohérents, de polarisations linéaires orthogonales et de directions différentes décalées d'un angle a. Les deux faisceaux incidents et les faisceaux réfléchis sont proches de l'axe optique de la caméra vidéo et le prisme de Wollaston est disposé de façon à être traversé par les faisceaux lumineux réfléchis par la couche. Le faisceau lumineux réfléchi obtenu en sortie dudit prisme est alors envoyé sur un polariseur monté rotatif par rapport audit prisme de Wollaston. On acquiert le signal après ledit polariseur au moyen d'une cellule de détection. Des mesures de différence de phase entre les deux faisceaux lumineux peuvent également être réalisées en plaçant un modulateur de la polarisation de la lumière en amont du polariseur sur le trajet des faisceaux lumineux réfléchis. Ces mesures permettent de déterminer la différence de niveau entre deux zones distinctes de la couche superficielle. Il est ainsi possible de mesurer des motifs de faible épaisseur résultant par exemple de l'emploi d'un procédé de gravure sur la couche superficielle d'un échantillon. Cependant les qualités de ce procédé de mesure de différence de phase peuvent encore être améliorées. Il ne permet de mesurer que des motifs en relief ou en creux sur la couche superficielle d'un échantillon ou d'un substrat résultant de l'emploi d'un procédé de gravure ou de dépôt in situ. Il n'est pas adapté pour mesurer l'épaisseur absolue des couches uniformes déposées. Enfin, les mesures de référence et les mesures de suivi de l'évolution de la couche superficielle pendant le procédé de gravure ou de dépôt sont réalisées par réflexion des deux faisceaux incidents sur respectivement les deux mêmes zones spécifiques de ladite couche ou du substrat. Il n'y a donc pas déplacement d'un des deux faisceaux pour réaliser de façon simple des mesures de profilométrie de la couche superficielle. L'objectif de la présente invention est de proposer un dispositif et un procédé de mesure simple dans leur mode opératoire, économique et rapide, permettant de contrôler l'évolution de la couche externe d'un empilement de couches minces lors d'un procédé de gravure ou de dépôt, de mesurer l'épaisseur d'une couche uniforme et d'effectuer des mesures de profilométrie dans ou hors de la chambre sous vide. A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure optique d'épaisseur d'une couche en incidence normale en temps réel selon lequel on envoie un premier faisceau lumineux vers une première zone de la couche à mesurer et un deuxième faisceau lumineux vers une deuxième zone de la couche à mesurer, lesdits faisceaux étant cohérents. Selon l'invention, - ladite couche étant déposée sur un premier substrat et un deuxième substrat ayant des indices optiques différents, - on mesure la différence de phase entre les premier et deuxième faisceaux de lumière traversant ladite couche et se réfléchissant respectivement sur lesdits premier et deuxième substrats, - on utilise des moyens de traitement pour déterminer l'épaisseur de ladite couche. Dans différents modes de réalisation particuliers du procédé de mesure de l'épaisseur d'une couche selon l'invention, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles : - on réalise une mesure de référence pour déterminer la différence de phase entre les premier et deuxième faisceaux de lumière se réfléchissant directement et respectivement sur lesdits premier et deuxième substrats, - la mesure de référence est réalisée avant le dépôt de ladite couche, - la mesure de référence est réalisée sur une partie des premier et deuxième substrats non exposée lors du dépôt de ladite couche, - le premier substrat est implanté dans le deuxième substrat, - les premier et deuxième substrats sont de hauteurs différentes parallèlement à la direction de l'un desdits faisceaux, - les premier et deuxième faisceaux sont polarisés, - les premier et deuxième faisceaux sont de polarisations linéaires orthogonales, - on envoie un faisceau lumineux obtenu à partir d'une source unique vers un séparateur de faisceaux par polarisation pour obtenir les premier et deuxième faisceaux lumineux incidents, lesdits faisceaux étant décalés en sortie dudit séparateur d'un angle a ou translaté latéralement d'une valeur dx et on envoie après réflexion lesdits faisceaux lumineux vers ledit séparateur pour les combiner sur un axe optique unique tout en maintenant l'orthogonalité de leurs polarisations respectives, lesdits faisceaux lumineux réfléchis combinés étant envoyés vers une unité d'analyse. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en ceuvre du procédé de mesure d'épaisseur d'une couche tel que décrit précédemment. Selon l'invention, ce dispositif comprend : - une source de lumière émettant un faisceau lumineux unique, -des moyens de production de deux faisceaux parallèles à partir du faisceau lumineux unique, - une unité d'analyse émettant des signaux de sortie, et des moyens de traitement des signaux émis par l'unité d'analyse. Dans différents modes de réalisation particuliers de l'invention, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles : - les moyens de production de deux faisceaux parallèles comprennent un prisme de Wollaston, - les moyens de production de deux faisceaux parallèles comprennent un prisme translateur de faisceaux lumineux, On entend ici par û prisme translateur de faisceaux û un prisme, ayant un axe optique, permettant la séparation d'un faisceau lumineux incident faiblement ou non polarisé en deux faisceaux de polarisations linéaires orthogonales, lesdits faisceaux sortant dudit prisme parallèles entre eux et avec ledit axe optique. Ces deux faisceaux sont translatés en sortie dudit prisme latéralement d'une valeur dx. -l'unité d'analyse comprend des moyens de modulation de la polarisation de la lumière placés avant un polariseur et des moyens de détection, - les moyens de modulation de la polarisation comprennent un lame quart d'onde. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une mesure in situ sur un échantillon comportant un premier substrat ayant un premier indice optique et un deuxième substrat ayant un deuxième indice optique, ledit premier substrat étant implanté dans le deuxième substrat et sur lesquels se réfléchissent deux faisceaux lumineux polarisés, selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'une mesure de profilométrie réalisée hors de la chambre sous vide sur une table, selon un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est un premier exemple de mise en ceuvre de l'invention pour la mesure de l'épaisseur d'une couche de nitrure de silicium déposée sur un premier substrat d'aluminium et un deuxième substrat de silicium. La courbe de la figure 3a) montre l'évolution de la différence de phase Amesure entre un premier et un deuxième faisceaux de lumière se réfléchissant respectivement sur le substrat d'aluminium et sur le substrat de silicium en fonction de l'épaisseur de la couche de nitrure de silicium déposée. La figure 3b) est un agrandissement de cette courbe autour de 920 A. La Figure 1 montre schématiquement une image représentative du procédé de mesure de l'épaisseur d'une couche selon un mode de réalisation de l'invention. L'échantillon comporte une couche superficielle 1 à mesurer. Cette couche 1 est déposée sur un premier substrat 2 et un deuxième substrat 3 ayant des indices optiques différents. Ces indices optiques différents permettent d'introduire une différence de phase entre les deux faisceaux 4-5 réfléchis respectivement à leur surface et permettent donc de mesurer une couche uniforme déposée à leur surface. Dans ce mode de réalisation, le premier substrat 2 est implanté dans le deuxième substrat. Le premier substrat 2 est alors par exemple un plot d'interconnexion en aluminium (Al). La couche 1 à mesurer recouvre ce plot et une surface de silicium. Cette couche 1 est obtenue, par exemple, par dépôt de nitrure de silicium (Si3N4). Ces matériaux ne sont donnés qu'à titre illustratif, d'autres matériaux étant possibles, tel que le cuivre. Pour mesurer cette couche 1, on envoie un premier faisceau lumineux 6 vers une première zone de la couche à mesurer et un deuxième faisceau lumineux 7 vers une deuxième zone de la couche à mesurer, lesdits faisceaux étant cohérents 6-7. Ces faisceaux lumineux 67 peuvent par exemple être générés à partir d'une source lumineuse unique en utilisant des moyens de séparation. Cette source lumineuse est alors un laser par exemple. Avantageusement, les premier 6 et deuxième 7 faisceaux sont polarisés et mieux encore, les premier et deuxième faisceaux 6-7 sont de polarisations linéaires orthogonales. Les moyens de séparation permettant de générer lesdits faisceaux comprennent dans ce dernier cas un séparateur de faisceaux par polarisation placé sur le chemin optique du faisceau lumineux émis par ladite source lumineuse. II peut s'agir par exemple d'une lame de calcite à faces parallèles, d'un prisme de Rochon ou d'un prisme de Wollaston réalisé en quartz ou en calcite. Ainsi, un faisceau lumineux ayant une incidence normale sur un prisme de Wollaston est dédoublé en deux faisceaux de polarisations linéaires orthogonales, chacun des faisceaux étant dévié en sortie du prisme et séparé spatialement d'un angle a de plusieurs degrés. Avantageusement, on peut alors ajuster la distance entre la première zone et la deuxième zone vers lesquelles les premier et deuxième faisceaux de lumière 6-7 sont respectivement dirigés par translation du séparateur de faisceaux par polarisation le long de son axe optique et on peut les déplacer en rotation autour de leur axe d'origine par rotation dudit séparateur. Il peut également s'agir d'un prisme translateur de faisceaux, ledit prisme ayant un axe optique. En sortie dudit prisme, un faisceau incident est dédoublé en deux faisceaux de polarisations linéaires orthogonales 6-7, parallèles entre eux et avec ledit axe optique et translatés latéralement d'une valeur dx l'un de l'autre. La valeur de dx dépend alors de la longueur dudit prisme et de la longueur d'onde du faisceau lumineux incident. On mesure ensuite la différence de phase entre le premier faisceau 6 et le deuxième faisceau 7 de lumière traversant ladite couche 1 et se réfléchissant respectivement sur lesdits premier 2 et deuxième 3 substrats. Préférentiellement, on combine optiquement le premier faisceau 4 et le deuxième faisceau 5 de lumière réfléchis respectivement par les premier 2 et deuxième 3 substrats et on envoie le faisceau de lumière combiné vers une unité d'analyse. Dans le cas où un prisme de Wollaston est mis en ceuvre pour générer les deux faisceaux 6-7 de lumière à partir d'un faisceau unique, ce prisme est disposé de sorte que les deux faisceaux de lumière réfléchis 4- 5 traversent ledit prisme de Wollaston. On envoie ensuite la mesure vers des moyens de traitement pour déterminer l'épaisseur de ladite couche. Pour s'affranchir de la différence de phase à l'origine entre les deux faisceaux lumineux 6-7, on peut réaliser une mesure de référence. On détermine alors la différence de phase entre les premier 6 et deuxième 7 faisceaux de lumière se réfléchissant directement et respectivement sur lesdits premier 2 et deuxième 3 substrats. Cette différence de phase à l'origine résulte des différentes optiques du dispositif de mesure utilisé pour la mise en ceuvre du procédé de mesure de l'invention, du déphasage engendré par les premier 2 et deuxième 3 substrats, de la distance optique parcourue par les premier 6 et deuxième 7 faisceaux de lumière, ... On obtient ainsi une valeur Aréf• Cette mesure peut être réalisée avant le dépôt de ladite couche 1, soit sur une partie du premier 2 et deuxième 3 substrat non exposée lors du dépôt de ladite couche 1. Cette partie non exposée des substrats 2-3 peut, par exemple, être obtenue par la mise en oeuvre d'un cache lors du dépôt de la couche à mesurer. On mesure ensuite la différence de phase entre les premier 6 et deuxième 7 faisceaux de lumière traversant ladite couche 1 et se réfléchissant respectivement sur lesdits premier 2 et deuxième 3 substrats. On obtient ainsi une valeur Adépat. On envoie ces deux mesures vers des moyens de traitement qui détermine l'épaisseur de la couche superficielle 1. L'évolution de la différence de phase, soit A = Aréf -Adépôt, peut être reliée à l'épaisseur de la couche 1 déposée. La Figure 2 montre schématiquement une mesure de profilométrie réalisée sur une table, selon un autre mode de réalisation du procédé de l'invention. Ces mesures de profilométrie peuvent également être réalisées in situ. On peut ainsi réaliser notamment des "mesures de marche". On entend par - marche - une différence de hauteur entre les premier et deuxième substrats parallèlement à la direction de propagation de l'un desdits faisceaux lumineux et existant avant le dépôt de la couche à mesurer. Cette différence d'altitude sur un même substrat ou de hauteur entre les premier et deuxième substrats engendre une différence de hauteur après dépôt de la couche à mesurer. Pour cela, on réalise en premier lieu une mesure de référence. On détermine la différence de phase entre les premier 6 et deuxième 7 faisceaux de lumière se réfléchissant sur un desdits substrats 2. On obtient alors une valeur Aréf. Puis, on translate au moins le deuxième faisceau de lumière 7 pour qu'il se réfléchisse sur le bas de la marche à mesurer tout en gardant le premier faisceau en haut de la marche. On mesure la différence de phase entre le premier faisceau 6 de lumière se réfléchissant sur le premier substrat 2 et le deuxième faisceau 7 de lumière se réfléchissant sur la marche 12 du second substrat 3. On obtient ainsi une valeur Amarche. On envoie ces deux mesures vers des moyens de traitement qui détermine la hauteur h de la marche. L'évolution de la différence de phase, soit Ah = Aréf - Amarche, peut être reliée à la hauteur h de la marche 12. Enfin, on dépose une couche 1 sur la surface des deux substrats et on mesure la différence de phase entre le premier faisceau et le deuxième faisceau de lumière traversant ladite couche et se réfléchissant respectivement sur le premier substrat 2 et sur la marche du second substrat. Préférentiellement, on combine optiquement le premier faisceau et le deuxième faisceau de lumière réfléchis et on envoie le faisceau de lumière combiné vers une unité d'analyse. Lorsque les deux faisceaux de lumière réfléchis sont de polarisations linéaires orthogonales, l'unité d'analyse comprend des moyens de modulation de la polarisation de la lumière. Ces moyens de modulation sont placés, dans le sens de propagation du faisceau de lumière combiné sortant du séparateur de faisceaux par polarisation, devant un polariseur et des moyens de détection. Lesdits moyens de modulation comprennent par exemple une lame quart d'onde tournante. On peut encore mettre en ceuvre ce procédé de mesure pour déterminer la courbure d'un miroir ou des défauts de planéité de ce miroir. On envoie un premier faisceau lumineux vers une première zone du miroir et un deuxième faisceau lumineux vers une deuxième zone dudit miroir. On mesure la différence de phase entre les premier et deuxième faisceaux de lumière se réfléchissant respectivement sur lesdites première et deuxième zones du miroir. On effectue une translation du miroir ou des premier et deuxième faisceaux de lumière et on réalise à nouveau une mesure de la différence de phase entre ces faisceaux. On obtient ainsi une mesure qui peut être reliée au rayon de courbure du miroir, par exemple. Le procédé de l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en couvre présentées dans les exemples suivants faisant ressortir la qualité des résultats obtenus : Exemple 1 Le procédé a été mis en couvre pour calibrer le dépôt de couches de nitrure de silicium (Si3N4) dans une enceinte à plasma. Le premier substrat 2 est une couche d'aluminium (Al) déposée sur un substrat de silicium formant le deuxième substrat 3. Le dépôt d'aluminium a été effectué avec un masque afin que la couche d'aluminium ne couvre pas la totalité de la surface de silicium. Dans un premier temps, une mesure de référence a été réalisée afin de déterminer la différence de phase à l'origine entre un premier 6 et un deuxième 7 faisceau lumineux se réfléchissant directement sur le premier substrat 2. Cette mesure de référence est telle que Aref = - 30 . On réalise ensuite sur lesdits substrats 2-3 un dépôt de nitrure de silicium et on détermine la différence de phase entre les premier 6 et deuxième 7 faisceaux de lumière en fonction de l'épaisseur de la couche 1 déposée (Figure 3a). L'axe des abscisses 13 représente l'épaisseur de la couche 1 déposée, en A et l'axe des ordonnées 14 représente la différence de phase entre le premier faisceau 6 de lumière se réfléchissant sur le substrat d'aluminium 2 et le deuxième faisceau 7 de lumière se réfléchissant sur le substrat de silicium 3. On obtient ainsi une valeur Amesure, en degré. Cette courbe est obtenue pour une longueur d'onde du faisceau lumineux de 652 nm (à vérifier). On observe que la différence de phase entre les deux faisceaux de lumière 6-7 est maximale autour d'une valeur de - 47 . De ces résultats, on a cherché à en déduire l'épaisseur de la couche 1 de nitrure de silicium déposée. La figure 3b) est un agrandissement de la courbe de la figure 3a) autour de 920 A. Les mêmes références qu'à la fig. 3a) indiquent les mêmes éléments. La différence entre Amesure et Aréf donne une valeur de -17 qui peut être reliée à l'épaisseur de la couche de nitrure de silicium déposée. Cette épaisseur est de 980 A. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure optique d'épaisseur d'une couche (1) en incidence normale selon lequel on envoie un premier faisceau lumineux (6) vers une première zone de la couche à mesurer et un deuxième faisceau lumineux (7) vers une deuxième zone de la couche à mesurer, lesdits faisceaux (6-7) étant cohérents, caractérisé en ce que - ladite couche (1) étant déposée sur un premier substrat (2) et un deuxième substrat (3) ayant des indices optiques différents, - on mesure la différence de phase entre les premier (6) et deuxième (7) faisceaux de lumière traversant ladite couche (1) et se réfléchissant respectivement sur lesdits premier (2) et deuxième (3) substrats, - on utilise des moyens de traitement pour déterminer l'épaisseur de ladite couche (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise une mesure de référence pour déterminer la différence de phase entre les premier (6) et deuxième (7) faisceaux de lumière se réfléchissant directement et respectivement sur lesdits premier (2) et deuxième (3) substrats. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mesure de référence est réalisée avant le dépôt de ladite couche (1). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mesure de référence est réalisée sur une partie des premier (2) et deuxième (3) 25 substrats non exposée lors du dépôt de ladite couche. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier substrat (2) est implanté dans le deuxième substrat (3). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier 30 (2) et deuxième (3) substrats sont de hauteurs différentes parallèlement à la direction de l'un desdits faisceaux lumineux (6-7). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premier (6) et deuxième (7) faisceaux sont polarisés. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier (6) et deuxième (7) faisceaux sont de polarisations linéaires orthogonales. 9. Procédé selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'on envoie un faisceau lumineux obtenu à partir d'une source unique vers un séparateur de faisceaux par polarisation pour obtenir les premier (6) et deuxième (7) faisceaux lumineux incidents, lesdits faisceaux (6-7) étant décalés en sortie dudit séparateur d'un angle a ou translaté latéralement d'une valeur dx et qu'on envoie après réflexion lesdits faisceaux lumineux (4-5) vers ledit séparateur pour les combiner sur un axe optique unique tout en maintenant l'orthogonalité de leurs polarisations respectives, lesdits faisceaux lumineux réfléchis (4-5) combinés étant envoyés vers une unité d'analyse. 10. Dispositif pour la mise en ceuvre du procédé de mesure d'épaisseur d'une couche selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend : - une source de lumière émettant un faisceau lumineux unique, -des moyens de production de deux faisceaux parallèles à partir du faisceau unique, - une unité d'analyse émettant des signaux de sortie, et des moyens de traitement des signaux émis par l'unité d'analyse. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de production de deux faisceaux parallèles comprennent un prisme de Wollaston. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de production de deux faisceaux parallèles comprennent un prisme translateur de faisceaux. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'unité d'analyse comprend des moyens de modulation de la polarisation de la lumière placés avant un polariseur et des moyens de détection. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de modulation de la polarisation comprennent un lame quart d'onde.