Brevet FR3039277A1 — publié le 20170127

Méthode ultra-précise pour la détermination de la dilatation thermique La présente invention concerne un procédé de haute précision pour la détermination de la dilatation thermique de matériaux à faible dilatation avec une faible dilatation thermique, tels que le Zerodure. Au cours des dernières années, la tolérance toujours plus serrée pour le coefficient de dilatation thermique (coefficient of thermal expansion, « CTE ») de matériaux destinés à des composants à lithographie CI a nécessité des progrès sensibles au niveau de la précision de la technique de mesure, afin de déterminer cette propriété conformément aux exigences. Le matériau Zerodure, disponible auprès de la société SCHOTT AG, Mainz, est connu pour présenter un CTE extrêmement faible entre 0 °C et 50 °C. La mesure du coefficient de dilatation thermique est réalisée au moyen de systèmes de mesure à dilatomètre à tige poussoir qui sont mis au point spécialement à cet effet. Au cours des dernières années, des mesures ont été publiées qui ont utilisé ces systèmes et ont démontré l'excellente homogénéité CTE du Zerodur0 dans le domaine ppb/K à un chiffre. L'homogénéité vérifiable était limitée par la répétabilité de la mesure CTE(5 °C, 50 °C) dans la plage de + 1,2 ppb/K de la configuration, actuellement perfectionnée, d'un dilatomètre à tige poussoir, en utilisant un interféromètre optique à la place d'une bobine d'induction. Avec le matériau Zerodure Tailored, il était possible de présenter une catégorie de qualité de matériaux à faible dilatation thermique, qui peut être adaptée aux profils de température d'applications individuelles. A la base de ce produit, se trouve un modèle qui a été mis au point pour mieux comprendre le comportement de dilatation thermique d'un matériau à une température donnée, en fonction du temps. Il a permis de confirmer que le comportement CTE prédit par le modèle présente une bonne conformité avec les données qui ont été déterminées lors des mesures de la dilatation thermique. Les mesures des données prises en compte dans le modèle nécessitent une 3039277 2 configuration de dilatomètre avec une stabilité et une précision très élevées pour de longues durées de mesure de plusieurs jours. Au cours des dernières années, d'importants efforts ont été faits pour élaborer jusqu'à ses limites une technique de mesure à 5 dilatomètre fondée sur la configuration à tige poussoir, afin de répondre aux besoins toujours croissants en précision CTE et en connaissance des matériaux à faible dilatation thermique, tels que le Zerodure. Le coefficient de dilatation thermique est la caractéristique la 10 plus importante des matériaux à faible dilatation thermique, tels que les vitrocéramiques, par exemple le Zerodure. Le matériau Zerodure est une vitrocéramique inorganique non poreuse à base d'oxydes de lithium-aluminium-silicium, qui est caractérisée par des nanocristaux uniformément répartis dans une matrice de verre résiduel. La matrice 15 de verre présente un coefficient de dilatation thermique positif d'environ 3 ppm/K. La phase cristalline a un coefficient de dilatation thermique négatif. Le réglage correct de la teneur volumique et de la taille des cristaux pour la composition et la céramisation donne le coefficient de dilatation thermique souhaité de presque zéro, à 20 température ambiante. D'une manière générale, la dilatation thermique d'un matériau à faible dilatation, tel que le Zerodure, est définie par le CTE entre 0 °C et 50 °C. Ce CTE(0 °C, 50 °C) est déduit de mesures de la dilatation thermique à 0 °C et à 50 °C, après avoir maintenu la 25 température constante pendant 20 minutes pour chaque valeur de température. Entre-deux, l'échantillon est refroidi à une vitesse de 36 K/h. Pour cette raison, le CTE(0 °C, 50 °C) est une valeur moyenne pour la plage de températures allant de 0 °C à 50 °C. La dilatation thermique dans la plage de températures allant de 0 °C à 50 °C n'est 30 pas linéaire. Elle est fonction de la température et du temps. De nombreuses applications, par exemple dans le domaine de la lithographie, utilisent des matériaux à faible dilatation thermique, tels que le Zerodure, dans de petites plages de températures autour de 20 °C ou 22 °C. Les télescopes astronomiques utilisent le matériau à 3039277 3 des températures plus basses, entre -10 °C et +20 °C, ce qui correspond aux conditions climatiques au sommet d'une montagne. D'autres applications prévoient également des températures dans la plage comprise entre 40 °C et 60 °C. 5 A cet effet, on a élaboré un modèle afin de prédire le comportement des matériaux dans différentes conditions de températures. Ce modèle est publié dans le document R. Jedamzik, T. Johansson, T. Westerhoff : "Modelling of the thermal expansion behavior of ZERODUR® at arbitrary temperature profiles", Proc. SPIE 10 vol. 7739 (2010) ; R. Jedamzik, C. Kunisch, T. Westerhoff : "ZERODUR : progress in CTE characterization", Proc. SPIE vol. 8860 (2013). Le produit fondé sur cette approche de modèle est appelé Zerodur® Tailored. Néanmoins, il est également important de disposer 15 d'un système de mesure qui soit capable de caractériser de façon souple et avec une grande précision des matériaux à faible dilatation thermique, dans différentes conditions de températures. La dilatation thermique est mesurée avec des configurations de dilatomètre qui sont fondées sur des technologies classiques de dilatomètres à tige poussoir 20 mais qui permettent d'obtenir une grande précision grâce à des modifications de la construction. Ces modifications tiennent compte de la nécessité de mesurer de très faibles variations de longueur en fonction de différentes plages de températures et du temps. A l'origine, les mesures étaient effectuées à l'aide de 25 dilatomètres à tige poussoir classiques, dotés d'une bobine d'induction, pour réaliser des mesures de position avec une précision de + 10 ppb/K et une reproductibilité de + 5 ppb/K. Une configuration de dilatomètre améliorée, utilisant une tête de mesure interférométrique pour la mesure de position, donnait une précision 30 absolue de + 6,2 ppb/K et une répétabilité de + 1,2 ppb/K, comme publié dans le document R. Jedamzik, R. Müller, P. Hartmann, "Homogeneity of the linear thermal expansion coefficient of ZERODUR® measured with improved accuracy", Proc. SPIE vol. 6273 (2006). 3039277 4 Tous les dilatomètres à tige poussoir sont étalonnés régulièrement avec des échantillons de référence, par des mesures qui sont effectuées auprès de l'institut Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), qui est l'équivalent allemand du National 5 Institute of Standards and Technology (NIST) aux Etats-Unis. L'objectif d'un dispositif de mesure, notamment d'un dilatomètre à tige poussoir perfectionné, fondé sur une configuration de dilatomètre amélioré, consiste à obtenir une plus grande précision de mesure CTE absolue de REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la dilatation thermique d'un matériau à faible dilatation thermique, avec une précision de mesure d'au maximum +/- 3 ppb/K ou moins et/ou une reproductibilité d'au maximum +/- 1 ppb/K ou moins. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la précision de mesure est d'au maximum 1 ppb/K ou moins, de préférence d'au maximum 0,6 ppb/K (2 sigma, 95 % d'intervalle de confiance) ou moins, de préférence pour le CTE(0 °C, 50 °C). 10 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure est effectuée en utilisant un dilatomètre à tige poussoir, de préférence un dilatomètre à tige poussoir perfectionné. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que l'on mesure avec une répétabilité d'au maximum +/- 5 ppb/K, de préférence d'au maximum +/- 3 ppb/K, de façon particulièrement avantageuse d'au maximum +/- 1 ppb/K (1,2 ppb) 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échantillon est mis à température dans un four 20 comprenant un fluide de transfert de chaleur, de préférence de l'hélium. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure est effectuée dans une plage de températures pouvant être prédéfinie, pouvant être sélectionnée dans 25 une gamme de températures allant de -50 à +100 °C, par exemple de 40 °C à 70 °C, de -10 °C à +20 °C ou de 19 °C à 24 °C. 7. Dispositif de mesure de la dilatation linéaire d'un échantillon à faible dilatation thermique, comprenant un dilatomètre à tige poussoir perfectionné doté d'une tige poussoir, d'une fourche et 30 de ressorts destinés à maintenir la tige poussoir à l'intérieur de la fourche, en vue de la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes. 3039277 25 8. Dispositif selon la revendication 7, où la fourche et la tige poussoir sont réalisées de façon monolithique et/ou on n'utilise pas de composés organiques ou d'éléments en matière plastique pour relier ces composants. 9. Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes 7 ou 8, où le ressort comporte un matériau à faible dilatation thermique, de préférence le matériau Invar ®. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 9, où l'on utilise un cryostat pour la plage de températures allant de - 50 °C à +100 °C, avec une reproductibilité d'au moins 0,5 °C, de préférence d'au moins 0,3 °C, de façon particulièrement avantageuse d'au moins 0,2 °C. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 10, où le dispositif se trouve dans un local climatisé à température prédéfinie constante, avec un écart d'au maximum +/- 0,2 °C et/ou avec une humidité de l'air prédéfinie constante avec un écart d'au maximum +/- 2 %. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 11, où le dispositif est soumis à une « dérive » qui est de préférence d'au maximum 0,1 nm/h (1,4 nm/jour), notamment d'au maximum 0,08 nm/h, de façon particulièrement avantageuse d'au maximum 0,06 nm/h. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 12, où un interféromètre optique est utilisé en tant que détecteur pour déterminer la position de la tige poussoir par rapport à la fourche. 14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 13, où la tête de mesure interférométrique présente une précision absolue d'au moins +/- 10 ppb/K, notamment d'au moins +/- 8 ppb/K, de façon particulièrement avantageuse +/- 7 ppb/K et/ou une répétabilité d'au maximum +/- 2 ppb/K. 15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 14, où le dispositif présente une bonne stabilité à long terme ou une faible dérive (« creep ») dans le domaine nm. 3039277 26 16. Utilisation d'un procédé selon l'une des revendications précédentes 1 à 6 pour la caractérisation de matériaux ou d'échantillons à faible dilatation thermique en vue d'une utilisation dans l'astronomie, la lithographie LCD, la microlithographie et la 5 technologie de mesure. 17. Utilisation d'un procédé selon la revendication précédente, en utilisant un dispositif selon l'une des revendications précédentes 7 à 15 18. Utilisation d'un procédé selon l'une des revendications 16 10 ou 17 pour la détermination de la dilatation thermique de matériaux de substrat pour la lithographie EUV, en particulier pour des substrats destinés à des ébauches de masques (masques) et des miroirs pour la lithographie EUV. 19. Utilisation d'un procédé selon l'une des revendications 16 à 15 18, où les matériaux de substrat sont choisis dans un groupe comprenant des céramiques, des vitrocéramiques et des verres, par exemple du verre de quartz à faible dilatation thermique, par exemple du verre de quartz doté au Ti, tel que ULEO, ou des vitrocéramiques LAS à faible dilatation thermique, notamment le Zerodur®, le 20 Clearceram®, le SITAL® ou des céramiques à faible dilatation thermique, telles que la cordiérite. 20. Utilisation d'un procédé selon l'une des revendications 16 à 18, où le matériau de substrat présente un passage par zéro de la courbe CTE/T à la température d'utilisation, et la température 25 d'utilisation peut être sélectionnée parmi 22 °C, 40 °C, 60 °C, 70 °C ou 80 °C.