FR 2628211 A1 19890908 FR 8802784 A 19880304 RÉ.PUBLIQUE FRAN AISE N de publication: 2 628 2 11 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N d'enregistrement national: 88 02784 PARIS Int CI4: G 01 N 21/23/ G 01 B 11/06. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ) Date de dépôt: 4 mars 1988. Q Demandeur(s): Aimé VAREILLE, Yves VUILLOD et Louis THEVENOT - FR. () Priorité ( Inventeur(s): Aimé Vareille; Yves Vuillod; Louis Theve- not. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. (6 Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rné Titulaire(s): Q Mandataire(s): Brevatome. Analyseur par ellipsométrie, procédé d'analyse ellipsométrique d'un échantillon et application à la mesure de variation d'épaisseur des couches minces. ( Analyseur d'échantillons E par ellipsométrie, et procédé 10 12 d'analyse. 02 Le faisceau lumineux F passe par un polariseur 4, une lame biréfringente 5 tournante 9 et un analyseur 6. La mesure / 9 utilise les harmoniques deux et quatre de la vitesse de rotation 2 de la lame 5. - 7 Application en particulier à la croissance et la gravure des. couches minces. E I y- y- N Cl Co N LL. rs A/n.= àn 1-i, Io= &I*IUOg IU;:I KIATInKI&I I= '97rll=. rl- -nAfn - t-7R;7.qPARIR C.Fn'FX IS ANALYSEUR PAR ELLIPSOMETRIE, PROCEDE D'ANALYSE ELLIPSOMETRIQUE D'UN ECHANTILLON ET APPLICATION A LA MESURE DE VARIATION D'EPAISSEUR DES COUCHES MINCES DESCRIPTION L'invention se rapporte à un analyseur d'un échantillon par la mesure de ses paramètres d'ellipsométrie, à un procédé d'analyse ellipsométrique réalisable notamment avec cet analyseur et à l'application de cet analyseur ou de ce procédé à la mesure de variation d'épaisseur de couches minces en fonction du temps, par croissance ou au contraire gravure de celles-ci. Plusieurs appareils existants permettent d'obtenir les paramètres d'ellipsométrie t (ellipticité) et M (déphasage) d'une vibration lumineuse elliptique. Il9 présentent tous par rapport à l'invention des inconvénients de précision insuffisante ou de mise en oeuvre trop lente. Ce dernier inconvénient est particulièrement regrettable quand on s'intéresse aux phénomènes liés à l'évolution d'épaisseur de couches minces, qui peut nécessiter des mesures chaque milliseconde. On connaÂt ainsi un appareil d'après lequel un faisceau lumineux, produit par un laser, passe par un polariseur rectiligne et une lame quart d'onde avant d'atteindre l'échantillon à analyser, contre lequel il se réfléchit avant de passer par un analyseur et d'être recueilli par un photodétecteur. Les paramètres d'ellipsométrie sont obtenus par rotation successivement du polariseur et de L'anaLyseur, quand l'extinction de la lumière arrivant au photodétecteur est réalisée. Cet appareil n'est pas prévu pour des mesures rapides, car l'ensemble des opérations dure une vingtaine de secondes. Un appareil plus.rapide de mime famille utilise un analyseur tournant, tLe polariseur restant immobile. La lumière recueillie par le photodétecteur est une sinusoïde à deux périodes par tour d'analyseur. Les paramètres d'eltipsométrie sont déterminés par le rapport de l'amplitude maximale et de l'amplitude minimale de la lumière captée, ainsi que par la phase de la sinusoïde. Les mesures avec cet appareil sont très sensibles aux lumières parasites qu'il n'est plus possible de mettre en évidence puisqu'on ne recherche plus l'extinction du faisceau. Un autre inconvénient est que l'appareil ne fournit pas directement la valeur du déphasage, mais seulement son sinus ou son cosinus selon qu'on emploie une lame quart d'onde ou non; des incertitudes apparaissent aux extrémums de ces fonctions circulaires. D'autres appareils connus, utilisant un échantillon dichroïque par exemple, présentent les mêmes inconvénients. L'invention permet par'contre d'obtenir les paramètres ellipsométriques A et i rapidement et avec précision. Elle consiste en un appareil qui effectue une mesure d'intensité lumineuse en fonction de la rotation d'un dispositif tournant décomposant le faisceau lumineux en deux ondes déphasées et plus particulièrement des intensités correspondant aux harmoniques deux et quatre de cette rotation. L'appareil selon l'invention est plus précisément un analyseur d'échantillon par ellipsométrie comprenant une source de faisceau lumineux, le faisceau lumineux passant par un polariseur linéaire, par un analyseur et aboutissant à un ensemble de mesure après être passé par l'échantillon, l'échantillon étant placé entre le polariseur linéaire et l'analyseur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément décomposant le faisceau en deux ondes déphasées entre le polariseur linéaire et l'échantillon, le faisceau lumineux passant par les éléments décomposant le faisceau et les éléments décomposant le faisceau tournant à l'unisson autour d'un axe sensiblement coaxial au faisceau lumineux. De préférence, les éléments décomposent le faisceau en deux ondes déphasées d'un quart d'onde environ. Des lames biréfringentes peuvent être employées. L'invention consiste également en un procédé pour 3 2628211 analyser un échantillon par ellipsométrie en y faisant passer un faisceau Lumineux polarisé ayant passé auparavant par un dispositif rotatif qui Le décompose en deux ondes déphasées, caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir, séparer et mesurer L'intensité de deux composantes lumineuses périodiques ayant deux et quatre périodes par rotation du dispositif de décomposition du faisceau. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à L'aide des figures suivantes, annexées à titre iLLustratif et nullement Limitatif: - la figure 1 représente un schéma d'ensemble de l'invention, - la figure 2 représente uh schéma d'ensemble d'un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un schéma d'ensemble d'un troisième mode de réalisation de L'invention, et - la figure 4 représente plus concrètement une partie du dispositif de la figure 1. La figure 1 représente tout d'abord un laser 1 au néon- hélium qui émet un faisceau Lumineux F monochromatique. Le faisceau lumineux F passe successivement- par une lentilLe 2 focalisant le faisceau lumineux F sur un échantillon E à-mesurer, un polariseur circulaire 3 qui permet de régler l'intensité Lumineuse, un polariseur Linéaire 4 et une Lame biréfringente 5 avant d'atteindre l'échantillon E qu'il traverse avant d'être réfléchi, de passer par un analyseur 6 qui le polarise Linéairement, et d'être recueilli et.mesuré par un photodétecteur 7. La Lame biréfringente 5 tourne sous l'action d'un moteur 8 à une vitesse de rotation tu constante; la bande passante du photodétecteur 7 s'étend au moins entre Le continu et La fréquence 8w/21'. Un codeur 9 détecte des graduations au bord de la Lame biréfringente 5 et envoie alors des impulsions d'ordre de mesure à un système central 10 par une Ligne 11; le système central 10 mesure à ces instants la lumière recueillie par le photodétecteur 7 par une ligne 12. Le faisceau lumineux F atteint l'échantillon E sous un angle d'incidence A d'environ 70 . La disposition de la figure 2 diffère de celle de la figure 1 entre le laser 1 et la lentille de focalisation 2: deux miroirs perpendiculaires 13 et 14 réfléchissent le faisceau lumineux F à cet endroit, si bien qu'il est possible de placer le laser I à proximité du moteur 8 en particulier, le faisceau F à la sortie du laser 1 étant orienté à l'opposé de l'échantillon E. On obtient ainsi un dispositif replié plus compact, mais par ailleurs exactement semblable par sa constitution et son fonctionnement à celui de la figure 1. Le dispositif de la figure 3 diffère de celui de la figure 1 en ce qu'il comprend plusieurs lames biréfringentes supplémentaires 5' empilées audessus de la lame biréfringente 5, liées à elle par un système de liaison 15 et donc également entraînées en rotation par le moteur 8 à la vitesse angulaire uJ. Cet empilement de lames biréfringentes 5 et 5' équivaut optiquement à un pouvoir rotatoire suivi d'une biréfringence, mais dont on peut ajuster les caractéristiques. Il est en particulier plus facile d'obtenir un déphasage d'un quart d'onde entre les deux vibrations produites par biréfringence, ce qui est avantageux pour la précision des mesures. D'après la figure 4, le laser 1 est fixé rigidement à un bâti 20 et est muni d'un premier support 21 qui porte la lentille de focalisation 2 et le polariseur circulaire 3. Un deuxième support 22 attaché au bâti 20 porte le polariseur linéaire 4 et permet d'y accéder facilement pour éventuellement l'orienter. Un troisième support 23, attaché au bâti 20, porte le moteur 8, le codeur 9, et un arbre creux 24 qui porte la ou les lames biréfringentes 5 et 5'. L'arbre creux 24 tourne dans le troisième support 23 par l'intermédiaire de deux paliers à roulement 25, et il porte un pignon récepteur 26 qu'entraÂne le moteur 8 par l'intermédiaire d'un pignon moteur 27 et d'une courroie crantée 28. Le faisceau F passe à travers le creux de 26282 1 l'arbre 24. On va maintenant décrire comment fonctionne l'appareil. La première étape consiste à orienter l'analyseur 6 de manière à obtenir une composante lumineuse d'harmonique deux-aussi intense que possible. L'échantillon E est alors remplacé par un échantillon de référence adapté à ce réglage, tel qu'une tranche de silice thermique de 100 nanomètres d'épaisseur. La mesure elle-mime vient ensuite: le moteur 8 est mis en marche et le système central 10 recueille périodiquement les informations fournies par le photodétecteur 7. L'intensité lumineuse à la sortie de l'analyseur 6 comprend une composante constante d'amplitude HO, une composante de pulsation 2uw d'amplitude H2 et une composante de pulsation 4u d'amplitude H4. On démontre que: H2=rs rs* sin(2A) tgesin isin(b)sin(2u-2R-2P) H4=(1/2)rs rs* t 2t #-1+cos(2A)(tg2 +1i 11-cos lames biréfringentes 5 et 5'. Le rapport H2/H4 permet d'obtenir les valeurs souhaitées e et. On constate que i est connu par sa tangente, c'est-à- dire par une fonction sans extrémum et qui ne permet donc pas d'incertitude importante sur À, tandis que intervient à La fois par son cosinus et son sinus, ce qui a le mime effet bénéfique. L'omission de l'amplitude HO permet de s'affranchir de l'influence de la lumière parasite tout en permettant des mesures à une cadence plus rapide. 6 26 28211 L'appareil décrit dans ce texte peut être utilisé en réfLectométrie, poLarimétrie, photoélasticimétrie, et aussi en eLLipsométrie des couches minces, afin de suivre Leur croissance ou Leur gravure selon Le cas. D'autres dispositifs que la ou Les Lames biréfringentes et 5' peuvent être employés, par exemple des prismes à réflexion totale tels que des rhomboèdres de Fresnel, à condition de produire le même effet de décomposition du faisceau lumineux en deux ondes déphasées. L'appareil peut par aiLLeurs comporter des éléments présentant un dichro;sme, car les formules précédentes peuvent être obtenues même si les éléments décomposant le faisceau lumineux n'effectuent qu'une polarisation par tielle. La source lumineuse pourra émettre une lumière non monochromatique. Qn interposera alors un filtre à un endroit quelconque du faisceau lumineux F pour analyser une lumière monochromatique. 7 c2 6 28S211 REVENDICATIONS 1. Analyseur d'échantillon (E) par ellipsométrie comprenant une source (1) de faisceau lumineux (F), le faisceau lumineux passant par un polariseur linéaire (4), par un analyseur (6) et aboutissant à un ensemble de mesure (7, 10) après être passé par l'échantillon (E), l'échantillon étant placé entre le polariseur linéaire et l'analyseur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément (5) décomposant le faisceau en deux ondes déphasées entre le polariseur linéaire (4) et l'échantillon (E), le faisceau lumineux (F) passant par Les éléments décomposant le faisceau (5) et les éléments décomposant le faisceau tournant à l'unisson autour d'un axe sensiblement coaxial au faisceau lumineux. 2. Analyseur par ellipsométrie suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments décomposant le faisceau sont des lames biréfringentes. 3. Analyseur par ellipsométrie suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments '(5) décomposent le faisceau (F) en deux ondes déphasées environ d'un quart d'onde. 4. Analyseur par ellipsométrie suivant l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille (2) focalisant le faisceau lumineux sur l'échantillon. 5. Analyseur par ellipsométrie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (F) est réfléchi, entre la source (1) et l'échantillon (E), par des miroirs (13, 14). 6. Procédé pour analyser un échantillon par ellipsométrie en y faisant passer un faisceau lumineux (F) polarisé ayant passé auparavant par un dispositif (5) rotatif qui le décompose en deux ondes déphasées, caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir, séparer et mesurer l'intensité de deux composantes lumineuses périodiques ayant deux et quatre périodes par rotation du dispositif (5) de décomposition du faisceau. 7. Procédé pour analyser un échantillon par ellipsométrie suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'une analyse est faite par rotation du dispositif (5) de décomposition du faisceau. 8. Application du procédé ou du dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes à des couches minces ayant une épaisseur variable avec le temps. 2' 6 2 8' 1 ' 1/2 FIG. 1 F4 t3 e F4FIG. 2 _.39 "-41411 FIG. 3 IG. 2/2 FIG. 4 202I r 4y Ai,