Brevet FR3128018A1 — publié le 20230414

L’invention concerne un instrument de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon (8), comprenant une source de lumière (1) et un masque (2), la source de lumière (1) éclairant le masque (2) de façon à générer un faisceau lumineux incident (10) sur la surface de l’échantillon (8) et à former un faisceau lumineux réfléchi (20) par l’échantillon. Selon l’invention, le masque (2) comporte un fond transparent et des motifs opaques (14) disposés à des positions prédéterminées, les motifs opaques (14) du masque ayant une surface totale inférieure à la surface du fond transparent, l’instrument comporte un système d’imagerie (5) et une caméra (6) adaptés pour former une image (32) du masque par réflexion sur l’échantillon (8), un système de traitement d’image étant adapté pour traiter l’image (32) du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon, de façon à en déduire le rayon de courbure de l’échantillon (8). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Instrument et procédé de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon La présente invention concerne le domaine technique des instruments de mesure des propriétés optiques de surface d’un échantillon. Plus précisément, l’invention concerne un instrument de mesure des propriétés optiques de surface d’un échantillon comprenant une source de lumière et un masque disposé entre la source de lumière et la surface de l’échantillon, la source de lumière étant apte à éclairer le masque de façon à générer par transmission à travers le masque un faisceau lumineux incident sur la surface de l’échantillon et à former un faisceau lumineux réfléchi, diffusé et/ou transmis par l’échantillon. En particulier, l’invention trouve des applications dans le contrôle non destructif de surface d’une plaque de métal, de semiconducteur, notamment de silicium, de céramique ou d’écran plat suite à un procédé de traitement de surface de type dépôt, gravure ou traitement thermique. Dans le domaine ci-dessus, les substrats en plaque de verre, de métal, de céramique ou semiconducteur ont en général une épaisseur faible comprise entre 0,1 millimètre et quelques millimètres, pour une surface circulaire, carrée ou rectangulaire d’aire comprise entre 1 cm² et quelques m². Les traitements de surface sont susceptibles d’induire des contraintes mécaniques en tension ou en compression dans le substrat et amener des déformations de courbure du substrat. Une telle déformation de courbure induite dans le substrat peut être sphérique ou cylindrique. La courbure produite peut être concave ou convexe par rapport à la surface traitée. Le rayon de courbure d’une telle déformation peut être très grand et varier d’un substrat à un autre dans un même lot traité simultanément dans une même enceinte de traitement. Les traitements de surface peuvent aussi générer une augmentation de la rugosité de surface. Il est important de détecter et de quantifier ces dégradations du substrat ou de la surface de l’échantillon de façon non destructive et de préférence in situ en cours de traitement. Il est connu de mesurer les déformations d’une image formée par réflexion sur une surface d’un échantillon. Le document FR 3066816 décrit un dispositif optique de mesure de la courbure d’une surface réfléchissante comprenant un motif géométrique d’éclairage composé de points lumineux, une caméra et un dispositif d’analyse d’image pour détecter une variation des distances entre points lumineux dans l’image détectée. Le document US 9070590 décrit un instrument adapté pour mesurer un changement de grandissement de la taille de l’image réfléchie par l’échantillon, pour en déduire une mesure du rayon de courbure de l’échantillon. D’autres instruments de mesure permettent de mesurer la rugosité de surface et/ou l’absorption d’un échantillon. Toutefois, chaque instrument de mesure nécessite en général au moins une voie optique d’accès, par exemple un hublot, pour pouvoir être utilisé in situ . Il est difficile d’utiliser plusieurs de ces instruments de mesure simultanément, du fait du nombre très limité d’accès optiques disponibles sur les réacteurs industriels de dépôt, gravure ou de traitement thermique. En effet, les hublots peuvent perturber l’homogénéité spatiale du traitement. Les réacteurs industriels présentent par construction un nombre limité généralement à un, deux ou trois accès optiques. Toutefois, il est souhaitable de mesurer simultanément et in situ plusieurs paramètres tels que la courbure, la rugosité et/ou l’absorption d’un échantillon. Il est souhaitable de proposer un instrument et un procédé de mesure permettant des mesures simultanées de courbure de haute sensibilité et d’au moins une autre propriété optique de surface d’un échantillon, telle que réflexion, absorption et/ou diffusion. Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un instrument de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon, l’instrument comprenant une source de lumière et un masque disposé entre la source de lumière et la surface de l’échantillon, la source de lumière étant apte à éclairer le masque de façon à générer par transmission à travers le masque un faisceau lumineux incident sur la surface de l’échantillon et à former un faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un instrument de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon, dans lequel le masque comporte un fond transparent et des motifs opaques disposés à des positions prédéterminées sur la surface du masque, les motifs opaques du masque ayant une surface totale inférieure à la surface du fond transparent, l’instrument comprenant un système d’imagerie et une caméra, le système d’imagerie et la caméra étant adaptés pour recevoir au moins une partie du faisceau lumineux réfléchi et pour former une image du masque par réflexion sur l’échantillon, un système de traitement d’image étant adapté pour traiter l’image du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon, calculer les positions respectives des motifs dans ladite image et pour comparer les positions prédéterminées des motifs du masque avec les positions calculées des motifs dans l’image, de façon à en déduire au moins un rayon de courbure de la surface de l’échantillon. La forte transparence du masque (au moins 50% et de préférence plus de 90%) permet d’obtenir un faisceau lumineux réfléchi de plus forte puissance lumineuse. Le même faisceau lumineux incident génère par diffusion sur l’échantillon, un faisceau de lumière diffusée ayant une puissance lumineuse apte à être détectée sans requérir une autre source de lumière ni un autre hublot d’éclairage. Enfin, pour certains échantillons semiconducteurs, le faisceau lumineux incident est partiellement transmis à travers l’échantillon puis réfléchi et de nouveau transmis à travers l’échantillon. L’analyse spectrale du faisceau lumineux après transmission dans l’échantillon peut permettre de déterminer un seuil d’absorption de l’échantillon et d’en déduire la température de l’échantillon par la technique de thermométrie de bande de fréquence (ou « band edge thermometry » en terminologie anglo-saxonne). De façon avantageuse, les motifs opaques du masque ayant une surface totale inférieure à 15%, 10%, 5%, ou même, de préférence, à 1%, de la surface du masque. D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l’instrument de mesure de courbure et de réflectivité d’une surface d’un échantillon conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : les motifs opaques du masque ont une surface relative inférieure à 1% de la surface du masque ; les motifs du masque sont disposés en matrice périodique à deux dimensions ; les motifs ont une forme de grille, de cercles, de disques, d’ellipses concentriques (disques de Placido), de polygone simplement connexe ou de domaine fermé simplement connexe ; l’instrument comprend en outre un séparateur optique de faisceau et un spectromètre, le séparateur optique de faisceau étant disposé pour recevoir le faisceau lumineux réfléchi et transmettre une partie du faisceau réfléchi en direction du système d’imagerie et une autre partie du faisceau lumineux réfléchi en direction du spectromètre, le spectromètre étant apte à mesurer une puissance de l’autre partie du faisceau lumineux réfléchi ; le séparateur optique de faisceau comprend une lame séparatrice ayant une répartition de puissance optique 50-50, 40-60, 30-70, 10-90 ou 20-80 ; l’instrument comporte un autre détecteur disposé pour mesurer une puissance d’un faisceau lumineux diffusé par l’échantillon et un système de traitement du signal adapté pour extraire de la mesure de lumière diffusée une mesure de rugosité de la surface de l’échantillon ; l’instrument comprend un système de traitement du signal adapté pour recevoir une mesure de puissance du faisceau réfléchi détecté par le spectromètre et pour en déduire une réflectivité spectrale de l’échantillon ; la source de lumière comprend une seule source de lumière blanche, par exemple choisie parmi une lampe halogène ou une diode électroluminescente (ou LED pour « light-emitting diode » en anglais). L’invention propose également l’utilisation d’un instrument selon l’un des modes de réalisation en combinaison avec un appareil de traitement, par exemple de dépôt ,de gravure et/ou de traitement thermique, pour des mesures in situ. L’invention propose également un procédé de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon, le procédé comprenant les étapes suivantes : utiliser une source de lumière pour éclairer un masque disposé entre la source de lumière et la surface de l’échantillon, de façon à générer par transmission à travers le masque un faisceau lumineux incident sur la surface de l’échantillon et à former un faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon, le masque comportant un fond transparent et des motifs opaques disposés à des positions prédéterminées sur la surface du masque, les motifs opaques du masque ayant une surface totale inférieure à la surface du fond transparent; recevoir au moins une partie du faisceau lumineux réfléchi, disposer un système d’imagerie et une caméra pour recevoir la partie du faisceau réfléchi et pour former une image du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon, traiter l’image du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon pour calculer les positions respectives des motifs dans ladite image, comparer les positions prédéterminées des motifs du masque avec les positions calculées des motifs dans l’image, de façon à en déduire au moins un rayon de courbure de la surface de l’échantillon. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : est une vue d’un instrument de mesure de courbure et de réflectivité de surface d’un échantillon selon l’invention, est une vue d’une image du masque comportant des motifs opaques selon un exemple de réalisation. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. Instrument de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon (8), l’instrument comprenant une source de lumière (1) et un masque (2) disposé entre la source de lumière (1) et la surface de l’échantillon (8), la source de lumière (1) étant apte à éclairer le masque (2) de façon à générer par transmission à travers le masque un faisceau lumineux incident (10) sur la surface de l’échantillon (8) et à former un faisceau lumineux réfléchi (20) par l’échantillon, caractérisé en ce que le masque (2) comporte un fond transparent et des motifs opaques (14) disposés à des positions prédéterminées sur la surface du masque, les motifs opaques (14) du masque ayant une surface totale inférieure à la surface du fond transparent, l’instrument comprenant un système d’imagerie (5) et une caméra (6), le système d’imagerie (5) et la caméra (6) étant adaptés pour recevoir au moins une partie (21) du faisceau lumineux réfléchi et pour former une image (32) du masque par réflexion sur l’échantillon (8), un système de traitement d’image étant adapté pour traiter l’image (32) du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon, calculer les positions respectives des motifs dans ladite image (32) et pour comparer les positions prédéterminées des motifs (14) du masque avec les positions calculées des motifs (34) dans l’image (32), de façon à en déduire au moins un rayon de courbure de la surface de l’échantillon (8). Instrument selon la revendication 1 dans lequel les motifs opaques (14) du masque (2) ont une surface relative inférieure à 15%, 10%, 5% ou 1% de la surface du masque. Instrument selon l’une des revendications 1 à 2 dans lequel les motifs du masque (14) sont disposés en matrice périodique à deux dimensions. Instrument selon l’une des revendications 1 à 3 comprenant en outre un séparateur optique de faisceau (4) et un spectromètre (7), le séparateur optique de faisceau (4) étant disposé pour recevoir le faisceau lumineux réfléchi (20) et transmettre une partie (21) du faisceau réfléchi en direction du système d’imagerie (5) et une autre partie (22) du faisceau lumineux réfléchi en direction du spectromètre (7), le spectromètre (7) étant apte à mesurer une puissance de l’autre partie (22) du faisceau lumineux réfléchi. Instrument selon la revendication 4 dans lequel le séparateur optique de faisceau (4) comprend une lame séparatrice ayant une répartition de puissance optique 50-50, 40-60, 30-70, 10-90 ou 20-80. Instrument selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel l’instrument comporte un autre détecteur (17) disposé pour mesurer une puissance d’un faisceau lumineux diffusé (23) par l’échantillon et un système de traitement du signal adapté pour extraire de la mesure de lumière diffusée une mesure de rugosité de la surface de l’échantillon (8). Instrument selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel l’instrument comprend un système de traitement du signal adapté pour recevoir une mesure de puissance du faisceau réfléchi détecté par le spectromètre et pour en déduire une réflectivité spectrale de l’échantillon. Instrument selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel la source de lumière (1) comprend une seule source de lumière, choisie parmi une lampe halogène et une diode électroluminescente. Utilisation d’un instrument selon l’une des revendications 1 à 8 en combinaison avec un appareil (3) de traitement pour des mesures in situ. Procédé de mesure de courbure d’une surface d’un échantillon (8), le procédé comprenant les étapes suivantes : utiliser une source de lumière (1) pour éclairer un masque (2) disposé entre la source de lumière et la surface de l’échantillon (8), de façon à générer par transmission à travers le masque un faisceau lumineux incident (10) sur la surface de l’échantillon (8) et à former un faisceau lumineux réfléchi (20) par l’échantillon, le masque (2) comportant un fond transparent et des motifs opaques (14) disposés à des positions prédéterminées sur la surface du masque, les motifs opaques (14) du masque ayant une surface totale inférieure à la surface du fond transparent ; recevoir au moins une partie (21) du faisceau lumineux réfléchi (20), disposer un système d’imagerie (5) et une caméra (6) pour recevoir la partie (21) du faisceau réfléchi et pour former une image (32) du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon (8), traiter l’image (32) du masque par réflexion sur la surface de l’échantillon pour calculer les positions respectives des motifs dans ladite image, comparer les positions prédéterminées des motifs (14) du masque avec les positions calculées des motifs (34) dans l’image (32), de façon à en déduire au moins un rayon de courbure de la surface de l’échantillon (8).