EP1301763A2 - Ellipsometre spectroscopique compact - Google Patents

Ellipsometre spectroscopique compact

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Publication number
EP1301763A2
EP1301763A2 EP01954108A EP01954108A EP1301763A2 EP 1301763 A2 EP1301763 A2 EP 1301763A2 EP 01954108 A EP01954108 A EP 01954108A EP 01954108 A EP01954108 A EP 01954108A EP 1301763 A2 EP1301763 A2 EP 1301763A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
ray
ellipsometer
ellipsometer according
optical
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01954108A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis Stehle
Jean-Philippe Piel
Pierre Boher
Luc Tantart
Jean-Pierre Rey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Societe de Commercialisation des Produits de la Recherche Appliquee SOCPRA
Production Et De Recherches Appliquees Ste
Original Assignee
Societe de Commercialisation des Produits de la Recherche Appliquee SOCPRA
Production Et De Recherches Appliquees Ste
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe de Commercialisation des Produits de la Recherche Appliquee SOCPRA, Production Et De Recherches Appliquees Ste filed Critical Societe de Commercialisation des Produits de la Recherche Appliquee SOCPRA
Publication of EP1301763A2 publication Critical patent/EP1301763A2/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G01J4/04—Polarimeters using electric detection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry

Definitions

  • the present invention relates to spectroscopic ellipsometry.
  • Ellipsometry is a non-destructive optical measurement technique which consists in comparing the state of polarization of an incident ray illuminating a sample with the state of polarization of the ray reflected by said sample, with a view to deducing information therefrom. the properties of the layers and materials constituting said sample.
  • a spectroscopic ellipsometer in US-A-5608526, includes a source emitting a broadband light beam which is polarized by a polarizer to produce an incident polarized beam intended to illuminate the sample.
  • An analyzer receives the ray reflected by the sample thus illuminated and produces an exit ray in response to this reflected ray.
  • a detector converts the output ray into a signal capable of being processed by processing means in order to determine the phase and amplitude changes of the polarization state of the output ray caused by the reflection of the incident ray polarized on the sample.
  • all the optical elements which are placed between the polarizer and the analyzer are optical elements of the reflector type, with a small angle of incidence relative to normal.
  • the present invention provides a solution to this problem.
  • - a source capable of emitting a broadband light ray;
  • an analyzer for receiving the ray reflected by the thus illuminated sample and producing an exit ray in response to this reflected ray
  • - processing means for processing the detector output signal and determining the phase and amplitude changes of the polarization state of the output ray caused by the reflection of the incident ray polarized on the sample;
  • At least one reflective optical element disposed between the source and the sample and / or between the sample and the detector, to focus the incident ray and / or the reflected ray according to a chosen spot.
  • the ellipsometer further comprises at least a first refracting optical element disposed between the sample and the detector and / or between the source and the sample to collect and focus said reflected ray and / or said incident ray.
  • the ellipsometer according to the invention makes it possible to improve the transmission of the incident and / or reflected ray, d '' avoid any phase change effect on the polarization state of the incident and / or reflected ray, and improve the compactness and stability of the ellipsometer.
  • a first optical fiber connects the analyzer to an optical device of the type belonging to the group formed by a detector, a spectrograph, a spectrometer, and the like:
  • the ellipsometer according to the invention further comprises a second refracting optical element disposed between the analyzer and the input of the first optical fiber, the second refracting optical element being able to focus the exit ray from the analyzer into the entry of the first optical fiber.
  • Such a second refracting optical element has the advantage of allowing the adaptation of the exit ray coming from the analyzer to the entry of the optical fiber, and if necessary to make up for a difference in depth (that is to say say in Z, in the case of an orthonormal reference frame XYZ) on the sample.
  • a second optical fiber connects the source to the polarizer.
  • the first and / or the second refracting optical element is a simple or compound transmission lens, preferably comprising a minimum of polarization effect and capable of forming with the associated optics an achromatic assembly.
  • the refractive optics can have an anti-reflective coating in order to improve the optical transmission of the system.
  • the first refractive optical element comprises an opening capable of letting the incident ray polarized towards the sample pass, and of collecting the reflected ray in order to focus it on the analyzer.
  • the ellipsometer further comprises an optical compensating element disposed between the polarizer and the analyzer, upstream or downstream of the sample according to the direction of the propagation of the light.
  • a compensating optical element can be achromatic, rotary, and / or removable.
  • the ellipsometer according to the invention further comprises an optical blocking element disposed downstream of the polarizer in the direction of propagation of the light in order to eliminate parasitic radiation from the source and the polarizer, and keep the source image fixed, without the deflection, deflection, and chromatism of the polarizer.
  • the polarizer and the optical elements associated with said polarizer as well as the analyzer and the optical elements associated with said analyzer are placed in a single optical head, which further improves the co paticity of the ellipsometer according to the invention.
  • the optical head is movable in translation along the X and / or Y axis in order to move the incident ray longitudinally and / or laterally on the sample.
  • the optical head is movable along the Z axis in order to move the incident ray on the sample in height.
  • the ellipsometer comprises a fixed and / or mobile sample holder in X, Y and / or Z and / or in rotation around a Z axis.
  • the ellipsometer comprises a window arranged in a plane substantially parallel to the surface of the sample and through which the incident ray and the reflected ray pass under oblique incidence.
  • FIG. 1 schematically shows an ellipsometer having a reflective element disposed between the polarizer and the sample and a refractor element disposed between the sample and the analyzer according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows the ellipsometer of Figure 1 with an optical fiber routing the illumination ray from the source to the sample;
  • FIG. 3 schematically shows the ellipsometer of Figure 1 with an ellipsometry measurement performed through a window 1 according to the invention
  • FIG. 4 schematically shows a spectroscopic ellipsometer having a refractor element disposed between the polarizer and the sample and a reflector element disposed between the sample and the analyzer according to the invention
  • FIG. 5 shows schematically the ellipsometer of Figure 1, to which is added another refractor element disposed between the analyzer and the input of the optical fiber according to the invention;
  • FIG. 6 schematically represents the ellipsometer of FIG. 4, to which is added another refractor element disposed between the analyzer and the input of the optical fiber according to the invention:
  • Figure 7 shows an ellipsometry arrangement according to the invention in which the polarizer is arranged between the reflective element and the sample;
  • FIG. 8 shows an ellipsometry arrangement according to the invention in which the analyzer is placed upstream of the refractor element;
  • FIG. 9 is a diagram showing an alternative embodiment in which a blocking element is placed upstream of the refractor element placed between the sample and the analyzer according to the invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an alternative embodiment in which a blocking element is placed downstream of the polarizer according to the invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an alternative embodiment in which a compensating element is placed upstream of the analyzer according to the invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing an alternative embodiment in which a compensating element is placed downstream of the polarizer according to the invention.
  • FIG. 13 schematically shows an alternative embodiment in which a network provides a spectral dispersion crossed according to the angle of incidence according to one invention
  • FIG. 14 is an ellipsometry assembly operating in infrared according to the invention.
  • FIG. 15A to 15D schematically represent an optical head containing the analyzer, the polarizer and the associated optics, the means for fixing the various elements not being shown; and - Figures 16A to 16D illustrate the movement of the optical head according to the invention.
  • an ellipsometer 1 comprises a source 2 emitting a broadband light beam 4.
  • the source 2 is for example a xenon arc lamp which emits radiation having broadband frequency components in the 'ultraviolet, visible, and / or near infrared.
  • the source may be a tungsten lamp combined with a deuterium lamp to cover a spectral range substantially similar to that of the xenon lamp.
  • the broadband light ray 4 propagates in a polarizer 10 after having been focused by focusing means 6 and delimited by an entry slit 8.
  • the light ray 12 which leaves the polarizer 10 is a polarized incident ray, constituting the measurement beam with a known state of polarization.
  • the polarizer 10 has a circular opening to limit the size of the incident polarized ray in order to prevent the two polarization states from overlapping.
  • the diameter of the circular opening of the polarizer is of the order of 1 mm and the distance between the slot 8 and the polarizer 10 is of the order of 50 mm.
  • the ray 4 from the source 2 can be routed through the polarizer 10 via an optical fiber 3. Under these conditions, the source 2 can advantageously be offset, as will be described in more detail below.
  • the polarized incident ray 12 strikes a mirror 14 with an angle ⁇ 1 of low incidence (that is to say close to the normal NI at the reflecting surface of the mirror 14).
  • the mirror 14 is for example an elliptical mirror.
  • the mirror 14 projects the image of the entry slit 8 according to a small spot (for example 25 ⁇ X 25 ⁇ , (of square shape) on the sample 16.
  • the polarized incident ray 12 is projected on the sample 16 at a high angle of incidence AI with respect to the normal N2 of the sample.
  • the digital aperture of the mirror 14 is of the order of 0.15 ° and the angle of incidence AI of the polarized incident ray 12 relative to the normal N2 to the sample 16 is of the order of 63.5 ° to 80.5 °.
  • the sample 16 is for example made of a semiconductor material with at least one thin layer deposited on a transparent substrate.
  • the sample comprises a front face FAV which receives the incident beam and a rear face FAR in contact with the sample holder.
  • the invention obviously finds an application for samples of all kinds and made of any material.
  • the sample 16 is placed on a sample holder 18.
  • the sample holder 18 can be fixed and / or mobile in an orthonormal coordinate system along the axes X, Y, Z and / or mobile in rotation.
  • the sample holder can also be hung.
  • the ellipsometry measurement is carried out through a window or porthole 19, as described in the French Application filed on May 26, 2000 under number 00 06771 by the Applicant and entitled "Method and apparatus of ellipsometric metrology for sample contained in a chamber or the like".
  • the window 19 is arranged in a plane substantially parallel to the surface of the sample 16.
  • the window 19 at least partially closes the chamber (not shown) in which the sample is placed.
  • the window 19 is a silica type material, isotropic and transparent in the ultraviolet.
  • the incident 12 and reflected 20 rays pass through the window under oblique incidence.
  • a refracting optical element 22 receives the ray reflected by the sample (if necessary, via the window 19). This refracting optical element 22 then focuses the reflected ray 20 through an analyzer 24.
  • Placing a refracting element and a reflecting element on either side of the sample according to the invention makes it possible to ensure that the source and the detector are arranged on the same side with respect to the spot on the sample, which in particular reduces the size of the ellipsometer.
  • the refracting optical element 22 replaces the collecting mirror and the tracking mirror placed between the sample and the analyzer.
  • the refractive optical element 22 the spectroscopic ellipsometer according to the invention is therefore more compact and the transmission of the incident and / or reflected ray, in particular the transmission of the polarization state of the reflected ray, is improved in the extent to which the transmission lenses minimize the polarization phase change effects which are generally generated by the reflective elements.
  • a blocking element of the slot type 30 is provided downstream of the analyzer 24.
  • This slot 30 can be that of a spectrometer (not shown).
  • the ray 28 from the analyzer 24 is conveyed in an optical fiber 32 via the slot 30.
  • the opening of the slot 30 is adapted to the inlet 34 of the optical fiber 32.
  • a blocking optical element of the slot type 26 is arranged downstream of the refracting optical element 22 in the direction of the propagation of the light in order to block certain radiations reflected by the sample.
  • the width of the slit 26 determines the angles of incidence associated with the ray reflected by the sample and the arrangement of the center of the slit determines the average angle of incidence associated with the measurement of the reflected ray.
  • actuator means are provided for controlling the width of the slot 26 as well as the arrangement of the center of the latter.
  • the width and the center of the slot 26 are fixed.
  • FIG 4 there is shown a variant of the spectroscopic ellipsometer of Figure 1 in which the refractor / transmitter optical element 22 is disposed in the outward path (i.e. between the polarizer and the 'sample) instead of being placed in the return path (i.e. between the sample and the analyzer).
  • FIG. 4 we find the elements 2, 4, 6, 8 and 10 of the ellipsometer of FIG. 1.
  • the polarized incident ray 12 is focused on the sample 16 through the refractor / transmitter optical element 22 according to a high angle of incidence AI with respect to the normal N2 of the sample (for example 71 °).
  • the reflected ray 20 is collected by the mirror 14 to then be directed towards the analyzer 24.
  • the blocking element 26 is placed near the mirror 14 in order to define the radiation of the reflected ray 20 intended to be analyzed by the analyzer 24.
  • the refractor element 22 and the reflector element 14 are arranged on either side of the sample so as to place the illumination arm and the analysis arm of the ellipsometer on the same side.
  • FIG. 5 there is shown a variant of the ellipsometer of Figure 1 in which another refractor / transmitter optical element 36 is disposed between the analyzer 24 and the input 34 of the optical fiber 32.
  • This element refractor / transmitter optic 36 focuses the output ray 28 from the analyzer into the input 34 of the optical fiber 32.
  • Such a refractor / transmitter optical element 36 has the advantage of allowing the adaptation of the output ray from the analyzer at the input of the optical fiber, and thus make up, if necessary, for a deviation in depth, that is to say at Z (in the case of an orthonormal reference frame XYZ) on the sample.
  • the refractor / transmitter optical element 36 and / or 22 is a simple or compound transmission lens, preferably comprising a minimum of polarization effect, when it is composed, the lens 22 or 36 forms with its optics associated an achromatic set.
  • the refractive optics may have an anti-reflective coating to improve the optical transmission of the system.
  • the refractor / transmitter optical element 22 can be defined according to an opening suitable for letting the incident ray 12 coming from the polarizer pass towards the sample and for collecting the reflected ray 20 coming from the sample in order to focus it towards the analyzer 24.
  • FIG 6 there is shown a variant of the ellipsometer described with reference to Figure 4 in which has been introduced a transmission lens 36 between the slot 30 and the inlet 34 of the optical fiber 32.
  • FIG. 7 a variant of the ellipsometer of FIG. 1 is shown in which the polarizer 10 is placed between the mirror 14 and the sample 16. This arrangement can obviously be used in combination with the variants described in the other figures.
  • FIG 8 there is shown another variant of the ellipsometer according to the invention, in which the lens 22 is arranged downstream of the analyzer 24 in the direction of the propagation of light.
  • This arrangement also like the others, can obviously be used in combination with the variants described in the other figures.
  • FIG. 9 another variant of the ellipsometer described with reference to FIG. 5 has been shown.
  • the blocking element 26 is arranged upstream (in the direction of propagation of the light) of the transmission lens 22 instead of being disposed downstream as in the ellipsometer of FIG. 5.
  • a blocking element 40 is disposed upstream of the analyzer 24.
  • the blocking elements 26 and 40 as well as 30 make it possible to optimally block the reflected ray.
  • FIG. 10 Another variant of the spectroscopic ellipsometer has been described in which, relative to the ellipsometer of FIG. 9, the blocking element 40 has been removed and the blocking element 8 has been placed in downstream of the polarizer 10 instead of being placed upstream as with reference to FIG. 9.
  • the arrangement of the blocking element 8 downstream of the polarizer in the direction of the propagation of the light makes it possible to eliminate the parasitic radiations coming from the source and the polarizer and keep the source image fixed without the deflection, deflection and chromatism of the polarizer.
  • FIG. 11 another variant of the spectroscopic ellipsometer of the invention has been shown.
  • a blocking element 40 followed by a compensator 50 has been placed upstream of the analyzer 24.
  • the compensating element 50 comprises a mirror.
  • the compensating element 50 has the function of rotating the phase of the polarized light by a known value in order to be placed in optimal measurement conditions whatever the nature of the sample measured.
  • FIG. 12 another variant of the spectroscopic ellipsometer according to the invention has been shown in which a compensating element 50 is disposed between the polarizer 10 and the blocking element 8.
  • FIG. 13 there is shown a variant of the ellipsometer according to the invention in which a cross-dispersion function wavelength / angle of incidence AI is performed via a network 60 arranged downstream of the slot 30 in the direction of light propagation.
  • the network 60 includes vertical lines 62 which make it possible to achieve a horizontal spectral dispersion 72 on a detector 70 of the matrix CCD type, and a vertical dispersion according to the angle of incidence 74.
  • the assembly provides for a Michelson type 80 interferometer.
  • the interferometer 80 comprises at least one movable mirror 82 on command 84.
  • the polarizer 10 is here of the grid type and is IR compatible.
  • a lens 22 On the detection side, a lens 22 is provided, an analyzer 24 preferably with a grid and a slot 90 disposed upstream of the analyzer 24.
  • the slot 90 is of the knife or blocking element type to eliminate parasitic reflections from the rear face. of the sample, as described with reference to the French Application filed by the Applicant on July 17, 2000, under the number 00 09318, and entitled "Ellipsometer with high spatial resolution operating in the infrared".
  • the detector 120 is preferably a detector of the Mercury-Cadmium-Tellurium type, liquid nitrogen or the like and compatible with infrared operation.
  • a mirror 100 advantageously focuses the beam coming from the analyzer 24 on the detector 120.
  • a device for selecting angles of incidence 110 is coupled to the mirror 100 in order to select, for measurements by the detector, only the radiation reflected by the sample under oblique incidence in a range of selected angles of incidence.
  • the refractor 22 and reflector 14 elements are advantageously arranged on either side of the sample in order to arrange the source and the detector on the same side with respect to the spot on the sample, in particular to reduce the dimension of the ellipsometer and thus save space and weight.
  • optical fibers on the source side and / or on the detection side also makes it possible to remotely deport optical devices and easily carry out multiplexing, which also saves time.
  • the Applicant has observed that by placing the illumination arm and the analysis arm on the same side with respect to the sample, said illumination and analysis arms can be arranged in the same optical head housed in an ellipsometry box capable of being moved along X, Y, and / or Z axes.
  • FIG. 15A to 15D there is shown such an optical head 200 containing the illumination and analysis arms of a spectroscopic ellipsometer according to the invention.
  • the head or box 200 is of generally parallelepipedal shape, for example 220 mm in height, 315 mm in length and 83 mm in width.
  • the box 200 further comprises a camera 210 intended to be placed at normal to the sample.
  • the transmission lens 22 includes an opening capable of allowing the incident polarized ray 12 to pass towards the sample, and to collect / focus the ray reflected through the analyzer 24.
  • the polarizer 10 and the associated elements of the illumination arm are placed in a first support 220.
  • the support 220 is placed relative to the sample and to the mirror 14 so as to carry out an ellipsometry measurement as taught with reference to FIGS. 1 to 14.
  • the support 220 is fixed in the box using suitable fixing means.
  • the analyzer 24 and the associated elements of the analysis arm are placed in a second support 230.
  • the support 230 is placed relative to the sample and to the lens 22 so as to carry out an ellipsometry measurement as taught with reference to FIGS. 1 to 14.
  • the support 230 is fixed in the box using suitable fixing means.
  • the support 220 comprises the polarizer 10 and the blocking element 8.
  • the illumination arm is connected to the source 2 via an optical fiber 3 housed inside the box and one of the ends of which is connected to the source thus disposed outside of the box 200.
  • the support 230 comprises the analyzer 24, the blocking element 26, the blocking element 40 and the lens 36.
  • the spectrometer (not shown) is preferably placed outside the box and connected to the support 230 by an optical fiber 32.
  • the detector and the processing means are arranged outside the box 200 and connected to the box via the optical fibers 3 and 32.
  • the box 200 is movable in translation along the axes X, Y, and / or Z in order to move the ray incident on the sample longitudinally, laterally, and / or vertically.
  • the sample holder 18 can be kept fixed.
  • the sample holder 18 is also able to be movable in X, Y and / or Z translation.
  • the sample holder is capable of being movable in rotation about a vertical axis (in Z) .
  • the sample holder is able to support circular samples of 300 mm in diameter for example.
  • Such an ellipsometry head or box supporting the illumination and analysis arms has the advantage of further improving the compactness of the ellipsometer according to the invention.
  • Such a head 200 also has the advantage of being connected by optical fibers to optical devices (source, detector, remote, interchangeable, multiplexable spectrograph, processing means, etc.).
  • the means for moving the head 200 in translation in X and / or in Y, and / or in Z, respectively 240, 250 and 260 can be belt, worm-gear or equivalent means.
  • the travel in X is for example of the order of 300 mm, in Y of the order of 500 mm and in Z of the order of 100 mm.
  • the head 200 and the sample holder 18 as well as the means for moving the head are arranged on a plate 270.
  • the ellipsometer according to the invention may comprise another optical head (not shown) similar to the optical head 200 and able to move close to the optical head 200 in order to carry out another measurement of ellipsometry close to the measurement carried out by the optical head 200.

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Abstract

L'ellipsomètre spectroscopique comprend: - une source (2) apte à émettre un rayon large bande (4), - un polariseur (10) pour polariser le rayon large bande (4), et produire un rayon incident polarisé (12) apte à illuminer un échantillon (16) selon au moins un angle d'incidence choisi, - un analyseur (24) pour recevoir le rayon réfléchi (20) par l'échantillon (16) ainsi illuminé et produire un rayon de sortie (28) en réponse à ce rayon réfléchi (20), et - au moins un élément optique réflecteur (14) disposé entre la source (2) et l'échantillon (16) et/ou entre l'échantillon (16) et le détecteur, et apte à focaliser le rayon incident (12) et/ou le rayon réfléchi (20) selon un spot choisi. L'ellipsomètre comprend en outre au moins un premier élément optique réfracteur (22) disposé entre l'échantillon (16) et le détecteur et/ou entre la source (2) et l'échantillon (16) pour collecter et focaliser le dit rayon réfléchi et/ou ledit rayon incident, ce qui permet de disposer d'au moins un élément réfracteur (22) et un élément réflecteur (14) de part et d'autre de l'échantillon (16) et de placer ainsi la source et le détecteur d'un même côté par rapport audit spot.

Description

Ellipsomètre spectroscopique compact
La présente invention se rapporte à l'ellipsométrie spectroscopique .
L'ellipsométrie est une technique de mesure optique non destructive qui consiste à comparer l'état de polarisation d'un rayon incident illuminant un échantillon à l'état de polarisation du rayon réfléchi par ledit échantillon, en vue d'en déduire des informations sur les propriétés des couches et matériaux constituant ledit échantillon.
On connaît déjà de nombreux montages d'ellipsométrie spectroscopique.
Par exemple, dans le brevet US-A-5608526, un ellipsomètre spectroscopique comprend une source émettant un rayon lumineux large bande qui est polarisé par un polariseur afin de produire un rayon incident polarisé destiné à illuminer l'échantillon. Un analyseur reçoit le rayon réfléchi par l'échantillon ainsi illuminé et produit un rayon de sortie en réponse à ce rayon réfléchi. Un détecteur convertit le rayon de sortie en un signal susceptible d'être traité par des moyens de traitement afin de déterminer les changements de phase et d'amplitude de l'état de polarisation du rayon de sortie causés par la réflexion du rayon incident polarisé sur l'échantillon.
Dans cet ellipsomètre, tous les éléments optiques qui sont placés entre le polariseur et l'analyseur sont des éléments optiques du type réflecteur, avec un faible angle d'incidence par rapport à la normale.
Un tel ellipsomètre est satisfaisant. Néanmoins, la Demanderesse s'est posée le problème d'améliorer encore cet ellipsomètre, notamment au niveau de la compacité, de la transmission des rayons incident et/ou réfléchi, et en particulier de la transmission de l'état de polarisation des rayons incident et/ou réfléchi.
La présente invention apporte justement une solution à ce problème.
Elle porte sur un ellipsomètre spectroscopique du type comprenant :
- une source apte à émettre un rayon lumineux large bande ; - un polariseur pour polariser le rayon lumineux large bande, et produire un rayon incident polarisé apte à illuminer un échantillon selon au moins un angle d'incidence choisi ;
- un analyseur pour recevoir le rayon réfléchi par l'échantillon ainsi illuminé et produire un rayon de sortie en réponse à ce rayon réfléchi ;
- un détecteur pour convertir le rayon de sortie en un signal de sortie ;
- des moyens de traitement pour traiter le signal de sortie du détecteur et déterminer les changements de phase et d'amplitude de l'état de polarisation du rayon de sortie causés par la réflexion du rayon incident polarisé sur l'échantillon ; et
- au moins un élément optique réflecteur disposé entre la source et l'échantillon et/ou entre l'échantillon et le détecteur, pour focaliser le rayon incident et/ou le rayon réfléchi selon un spot choisi.
Selon une définition générale de l'invention, l'ellipsomètre comprend en outre au moins un premier élément optique réfracteur disposé entre l'échantillon et le détecteur et/ou entre la source et l'échantillon pour collecter et focaliser ledit rayon réfléchi et/ou ledit rayon incident.
Le fait de placer selon l'invention un élément réfracteur et un élément réflecteur de part et d'autre de l'échantillon permet de s'assurer que la source et le détecteur sont disposés du même "côté par rapport au spot sur l'échantillon, ce qui réduit notamment la dimension de l'ellipsomètre. De plus, par rapport aux ellipsomètres spectroscopiques de l'état de la technique, notamment vis à vis du brevet US-A- 5608526, l'ellipsomètre selon l'invention permet d'améliorer la transmission du rayon incident et/ou réfléchi, d'éviter tout effet de changement de phase sur l'état de polarisation du rayon incident et/ou réfléchi, et d'améliorer la compacité et la stabilité de l'ellipsomètre.
Selon un premier mode de réalisation de l'ellipsomètre selon l'invention, une première fibre optique relie l'analyseur à un dispositif optique du type appartenant au groupe formé par un détecteur, un spectrographe, un spectromètre, et analogue :
L'ellipsomètre selon l'invention comprend en outre un second élément optique réfracteur disposé entre l'analyseur et l'entrée de la première fibre optique, le second élément optique réfracteur étant apte à focaliser le rayon de sortie issu de l'analyseur dans l'entrée de la première fibre optique.
Un tel second élément optique réfracteur a l'avantage de permettre l'adaptation du rayon de sortie issu de l'analyseur à l'entrée de la fibre optique, et de rattraper le cas échéant un écart en profondeur (c'est-à-dire en Z, dans le cas d'un repère orthonormé XYZ ) sur l'échantillon.
Selon un second mode de réalisation de l'ellipsomètre conforme à l'invention, une seconde fibre optique relie la source au polariseur.
En pratique, le premier et/ou le second élément optique réfracteur est une lentille de transmission simple ou composée, comprenant de préférence un minimum d'effet de polarisation et apte à former avec les optiques associées un ensemble achromatique. De plus, les optiques réfractrices peuvent avoir un revêtement anti-réflecteur afin d'améliorer la transmission optique du système. Selon un autre aspect de l'invention, le premier élément optique réfracteur comprend une ouverture apte à laisser passer le rayon incident polarisé vers l'échantillon, et à collecter le rayon réfléchi pour le focaliser sur l'analy- seur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ellipsomètre comprend en outre un élément optique compensateur disposé entre le polariseur et l'analyseur, en amont ou en aval de l'échantillon selon le sens de la propagation de la lumière. Un tel élément optique compensateur peut être achromatique, rotatif, et/ou amovible.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'ellipsomètre selon l'invention comprend en outre un élément optique bloqueur disposé en aval du polariseur selon le sens de propagation de la lumière afin d'éliminer des radiations parasites issues de la source et du polariseur, et de garder fixe l'image de la source, sans la déviation, la déflexion, et le chromatisme du polariseur.
Avantageusement, le polariseur et les éléments optiques associés audit polariseur ainsi que l'analyseur et les éléments optiques associés audit analyseur sont placés dans une seule et même tête optique, ce qui améliore encore la co paticité de l'ellipsomètre selon l'invention.
De préférence, la tête optique est mobile en translation selon l'axe X et/ou Y afin de déplacer longitudinalement et/ou latéralement le rayon incident sur l'échantillon.
Avantageusement, la tête optique est mobile selon l'axe Z afin de déplacer en hauteur le rayon incident sur l'échantillon.
En pratique, l'ellipsomètre comprend un porte-échantillon fixe et/ou mobile en X, Y et/ou Z et/ou en rotation autour d'un axe en Z. Selon un autre aspect de l'invention, l'ellipsomètre comprend une fenêtre disposée dans un plan sensiblement parallèle à la surface de l'échantillon et à travers laquelle passent sous incidence oblique le rayon incident et le rayon réfléchi.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci- après et des dessins dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un ellipsomètre ayant un élément réflecteur disposé entre le polariseur et l'échantillon et un élément réfracteur disposé entre l'échantillon et l'analyseur selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement l'ellipsomètre de la figure 1 avec une fibre optique acheminant le rayon d'illumination issu de la source vers l'échantillon ;
- la figure 3 représente schématiquement l'ellipsomètre de la figure 1 avec une mesure d'ellipsométrie réalisée à travers une fenêtre selon 1 ' invention ;
- la figure 4 représente schématiquement un ellipsomètre spectroscopique ayant un élément réfracteur disposé entre le polariseur et l'échantillon et un élément réflecteur disposé entre l'échantillon et l'analyseur selon l'invention ;
- la figure 5 représente schématiquement l'ellipsomètre de la figure 1, auquel est ajouté un autre élément réfracteur disposé entre l'analyseur et l'entrée de la fibre optique selon l'invention ;
- la figure 6 représente schématiquement l'ellipsomètre de la figure 4, auquel est ajouté un autre élément réfracteur disposé entre l'analyseur et l'entrée de la fibre optique selon l'invention : - la figure 7 représente un montage d'ellipsométrie conforme à l'invention dans lequel le polariseur est disposé entre l'élément réflecteur et l'échantillon ;
- la figure 8 représente un montage d'ellipsométrie conforme à l'invention dans lequel l'analyseur est placé en amont de l'élément réfracteur ;
- la figure 9 est un schéma représentant une variante de réalisation dans laquelle un élément bloqueur est placé en amont de l'élément réfracteur placé entre l'échantillon et l'analyseur selon l'invention ;
- la figure 10 est un schéma représentant une variante de réalisation dans laquelle un élément bloqueur est placé en aval du polariseur selon l'invention ;
- la figure 11 est un schéma représentant une variante de réalisation dans laquelle un élément compensateur est placé en amont de l'analyseur selon l'invention ;
- la figure 12 est un schéma représentant une variante de réalisation dans laquelle un élément compensateur est placé en aval du polariseur selon l'invention,
- la figure 13 représente schématiquement une variante de réalisation dans laquelle un réseau assure une dispersion spectrale croisée selon l'angle d'incidence conformément à 1 ' invention ;
- la figure 14 est un montage d'ellipsométrie fonctionnant en infrarouge selon l'invention ;
- les figures 15A à 15D représentent schématiquement une tête optique contenant l'analyseur, le polariseur et les optiques associées, les moyens de fixation des différents éléments n'étant pas représentés ; et - les figures 16A à 16D illustrent le déplacement de la tête optique selon l'invention.
Les dessins comportent des éléments de caractère certain. A ce titre, ils serviront à mieux faire comprendre l'invention, et à la définition de celle-ci, le cas échéant.
En référence à la figure 1, un ellipsomètre 1 selon l'invention comprend une source 2 émettant un rayon lumineux large bande 4. La source 2 est par exemple une lampe à arc xénon qui émet des radiations ayant des composants de fréquence large bande dans l'ultra-violet, visible, et/ou le proche infra-rouge.
En variante, la source peut être une lampe au tungstène combinée avec une lampe au deutérium pour couvrir une gamme spectrale sensiblement similaire à celle de la lampe au xénon.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le rayon lumineux large bande 4 se propage dans un polariseur 10 après avoir été focalisé par des moyens de focalisation 6 et délimité par une fente d'entrée 8. Le rayon lumineux 12 qui sort du polariseur 10 est un rayon incident polarisé, constituant le faisceau de mesure avec un état de polarisation connu.
De préférence, le polariseur 10 a une ouverture circulaire pour limiter la taille du rayon incident polarisé afin d'éviter que les deux états de polarisation ne se recouvrent. Le diamètre de l'ouverture circulaire du polariseur est de l'ordre de 1 mm et la distance entre la fente 8 et le polariseur 10 est de l'ordre 50 mm.
En variante (figure 2), le rayon 4 issu de la source 2 peut être acheminé à travers le polariseur 10 via une fibre optique 3. Dans ces conditions, la source 2 peut être avantageusement déportée, comme on le décrira plus en détail ci-après.
En référence à la figure 1 ou la figure 2 , le rayon incident polarisé 12 frappe un miroir 14 avec un angle al de faible incidence (c'est-à-dire proche de la normale NI à la surface réfléchissante du miroir 14). Le miroir 14 est par exemple un miroir elliptique. Le miroir 14 projette l'image de la fente d'entrée 8 selon un petit spot (par exemple 25 μ X 25 μ, (de forme carrée) sur l'échantillon 16. Le rayon incident polarisé 12 est projeté sur l'échantillon 16 selon un angle d'incidence AI élevé par rapport à la normale N2 de l'échantillon.
Par exemple, l'ouverture numérique du miroir 14 est de l'ordre de 0,15° et l'angle d'incidence AI du rayon incident polarisé 12 par rapport à la normale N2 à l'échantillon 16 est de l'ordre de 63,5° à 80,5°.
L'échantillon 16 est par exemple réalisé en un matériau semiconducteur avec au moins une couche mince déposée sur un substrat transparent. L'échantillon comprend une face avant FAV qui reçoit le faisceau incident et une face arrière FAR en contact avec le porte-échantillon. L'invention trouve bien évidemment une application pour des échantillons de toute nature et réalisés en tout matériau.
L'échantillon 16 est disposé sur un porte-échantillon 18. Le porte-échantillon 18 peut être fixe et/ou mobile dans un repère orthonormé selon les axes X, Y, Z et/ou mobile en rotation. Le porte-échantillon peut également être suspendu.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention (figure 3), la mesure d'ellipsométrie est réalisée à travers une fenêtre ou hublot 19, comme décrit dans la Demande française déposée le 26 mai 2000 sous le numéro 00 06771 par la Demanderesse et intitulée "Procédé et appareil de métrologie ellipsométrique pour échantillon contenu dans une chambre ou analogue". La fenêtre 19 est disposée dans un plan sensiblement parallèle à la surface de l'échantillon 16. Par exemple, la fenêtre 19 ferme au moins partiellement la chambre (non représentée) dans laquelle est disposé l'échantillon. Par exemple, la fenêtre 19 est un matériau de type silice, isotropique et transparent dans l'ultra-violet.
Les rayons incident 12 et réfléchi 20 passent à travers la fenêtre sous incidence oblique.
En référence à au moins l'une quelconque des figures 1 à 3, un élément optique réfracteur 22 (ou transmetteur) reçoit le rayon réfléchi 20 par l'échantillon (le cas échéant, via la fenêtre 19). Cet élément optique réfracteur 22 focalise ensuite le rayon réfléchi 20 à travers un analyseur 24.
Le fait de placer selon l'invention un élément réfracteur et un élément réflecteur de part et d'autre de l'échantillon permet de s'assurer que la source et le détecteur sont disposés du même côté par rapport au spot sur l'échantillon, ce qui réduit notamment la dimension de l'ellipsomètre.
De plus, par rapport au brevet US 5 608 526, l'élément optique réfracteur 22 remplace le miroir collecteur et le miroir suiveur disposés entre l'échantillon et l'analyseur. Ainsi, grâce à l'élément optique réfracteur 22, l'ellipsomètre spectroscopique selon l'invention est donc plus compact et la transmission du rayon incident et/ou réfléchi, notamment la transmission de l'état de polarisation du rayon réfléchi, est améliorée dans la mesure où les lentilles de transmission minimisent les effets de changement de phase de polarisation qui sont généralement engendrés par les éléments réflecteurs .
En pratique, un élément bloqueur de type fente 30 est prévu en aval de l'analyseur 24. Cette fente 30 peut être celle d'un spectromètre (non représenté). En variante, le rayon 28 issu de l'analyseur 24 est acheminé dans une fibre optique 32 via la fente 30.
De préférence, l'ouverture de la fente 30 est adaptée à l'entrée 34 de la fibre optique 32.
De préférence, en aval de l'élément optique réfracteur 22 selon le sens de la propagation de la lumière, un élément optique bloqueur de type fente 26 est disposé afin de bloquer certaines radiations réfléchies par l'échantillon.
La largeur de la fente 26 détermine les angles d'incidence associés au rayon réfléchi par l'échantillon et la disposition du centre de la fente détermine l'angle d'incidence moyen associé à la mesure du rayon réfléchi.
De préférence, des moyens actionneurs (non représentés) sont prévus pour contrôler la largeur de la fente 26 ainsi que la disposition du centre de celle-ci.
Dans certains modes de réalisation, la largeur et le centre de la fente 26 sont fixes.
En référence à la figure 4, on a représenté une variante de l'ellipsomètre spectroscopique de la figure 1 dans laquelle l'élément optique réfracteur/transmetteur 22 est disposé dans le trajet aller (c'est-à-dire entre le polariseur et l'échantillon) à la place d'être placé dans le trajet retour (c'est- à-dire entre l'échantillon et l'analyseur).
Sur la figure 4, on retrouve les éléments 2, 4, 6, 8 et 10 de l'ellipsomètre de la figure 1. Le rayon incident polarisé 12 est focalisé sur l'échantillon 16 à travers l'élément optique réfracteur/transmetteur 22 selon un angle d'incidence AI élevé par rapport à la normale N2 de l'échantillon (par exemple 71°).
Le rayon réfléchi 20 est collecté par le miroir 14 pour être ensuite dirigé vers l'analyseur 24. L'élément bloqueur 26 est disposé à proximité du miroir 14 afin de définir les radiations du rayon réfléchi 20 destinées à être analysées par l'analyseur 24.
Là aussi, l'élément réfracteur 22 et l'élément réflecteur 14 sont disposés de part et d'autre de l'échantillon de manière à placer le bras d'illumination et le bras d'analyse de l'ellipsomètre du même côté.
En référence à la figure 5, on a représenté une variante de l'ellipsomètre de la figure 1 dans laquelle un autre élément optique réfracteur/transmetteur 36 est disposé entre l'analyseur 24 et l'entrée 34 de la fibre optique 32. Cet élément optique réfracteur/transmetteur 36 focalise le rayon de sortie 28 issu de l'analyseur dans l'entrée 34 de la fibre optique 32. Un tel élément optique réfracteur/transmetteur 36 a l'avantage de permettre l'adaptation du rayon de sortie issu de l'analyseur à l'entrée de la fibre optique, et de rattraper ainsi le cas échéant, un écart en profondeur, c'est-à-dire en Z (dans le cas d'un repère orthonormé XYZ) sur l'échantillon.
De préférence, l'élément optique réfracteur/transmetteur 36 et/ou 22 est une lentille de transmission simple ou composée, comprenant de préférence un minimum d'effet de polarisation, lorsqu'elle est composée, la lentille 22 ou 36 forme avec ses optiques associées un ensemble achromatique. De plus, les optiques réfractrices peuvent avoir un revêtement antiréflecteur afin d'améliorer la transmission optique du système.
L'élément optique réfracteur/transmetteur 22 peut être défini selon une ouverture apte à laisser passer le rayon incident 12 issu du polariseur vers l'échantillon et à collecter le rayon réfléchi 20 issu de l'échantillon pour le focaliser vers l'analyseur 24.
En référence à la figure 6, on a représenté une variante de l'ellipsomètre décrit en référence à la figure 4 dans laquelle on a introduit une lentille de transmission 36 entre la fente 30 et l'entrée 34 de la fibre optique 32.
En référence à la figure 7, on a représenté une variante de l'ellipsomètre de la figure 1 dans laquelle le polariseur 10 est placé entre le miroir 14 et l'échantillon 16. Cette disposition peut bien évidemment être utilisée en combinaison avec les variantes décrites dans les autres figures.
En référence à la figure 8, on a représenté une autre variante de l'ellipsomètre conforme à l'invention, dans laquelle la lentille 22 est disposée en aval de l'analyseur 24 selon le sens de la propagation de la lumière. Cette disposition, elle aussi comme les autres, peut bien évidem- ment être utilisée en combinaison avec les variantes décrites dans les autres figures .
En référence à la figure 9, on a représenté une autre variante de l'ellipsomètre décrit en référence à la figure 5. Dans cette variante, l'élément bloqueur 26 est disposé en amont (selon le sens de propagation de la lumière) de la lentille de transmission 22 au lieu d'être disposé en aval comme dans l'ellipsomètre de la figure 5. De plus, un élément bloqueur 40 est disposé en amont de l'analyseur 24.
Les éléments bloqueurs 26 et 40 ainsi que 30 permettent de bloquer de façon optimale le rayon réfléchi.
En référence à la figure 10, on a décrit une autre variante de l'ellipsomètre spectroscopique dans laquelle, par rapport à l'ellipsomètre de la figure 9, on a supprimé l'élément bloqueur 40 et on a disposé l'élément bloqueur 8 en aval du polariseur 10 au lieu d'être placé en amont comme en référence à la figure 9.
La disposition de l'élément bloqueur 8 en aval du polariseur selon le sens de la propagation de la lumière permet d'éliminer les radiations parasites issues de la source et du polariseur et de garder fixe l'image de la source sans la déviation, la déflexion et le chromatisme du polariseur.
En référence à la figure 11, on a représenté une autre variante de l'ellipsomètre spectroscopique de l'invention. Dans cette variante, par rapport à celle décrite en référence à la figure 10, on a disposé en amont de l'analyseur 24 un élément bloqueur 40 suivi d'un compensateur 50. L'élément compensateur 50 comprend un miroir. L'élément compensateur 50 a pour fonction de faire tourner la phase de la lumière polarisée d'une valeur connue afin de se placer dans des conditions de mesure optimales quelle que soit la nature de l'échantillon mesuré.
En référence à la figure 12, on a représenté une autre variante de l'ellipsomètre spectroscopique selon l'invention dans laquelle un élément compensateur 50 est disposé entre le polariseur 10 et l'élément bloqueur 8.
En référence à la figure 13, on a représenté une variante de l'ellipsomètre conforme à l'invention dans laquelle une fonction de dispersion croisée longueur d'onde/angle d'incidence AI est réalisée par l'intermédiaire d'un réseau 60 disposé en aval de la fente 30 selon le sens de propagation de la lumière. Le réseau 60 comprend des traits verticaux 62 qui permettent de réaliser une dispersion spectrale horizontale 72 sur un détecteur 70 de type CCD matriciel, et une dispersion verticale selon l'angle d'incidence 74.
Dans le mode de réalisation de la figure 13, il n'est pas prévu de fentes pour prendre tous les angles d'incidence puisque cette fonction est réalisée par le réseau 60 et le détecteur matriciel 70. Bien évidemment, côté source, il est possible d'utiliser une fibre optique pour déporter ladite source. De même, il est possible de déporter côté détection, les éléments tels que le réseau, le détecteur, le spectrogra- phe, etc., à l'aide d'une fibre optique. En référence à la figure 14, on a représenté un montage ellipsométrique conforme à l'invention dans lequel la source 2 est capable d'émettre dans l' infra-rouge.
Le montage prévoit un interféromètre de type Michelson 80. L ' interféromètre 80 comprend au moins un miroir 82 mobile sur commande 84.
Le polariseur 10 est ici de type à grille et compatible en IR.
Côté détection, il est prévu une lentille 22, un analyseur 24 de préférence à grille et une fente 90 disposée en amont de l'analyseur 24. La fente 90 est de type couteau ou élément bloqueur pour éliminer les réflexions parasites issues de la face arrière de l'échantillon, comme décrit en référence dans la Demande française déposée par la Demanderesse le 17 juillet 2000, sous le numéro 00 09318, et intitulée "Ellipsomètre à haute résolution spatiale fonctionnant dans l'infra- rouge".
Dans ce montage, le détecteur 120 est de préférence un détecteur de type Mercure-Cadmium-Tellure, nitrogène liquide ou analogue et compatible avec le fonctionnement en infrarou- ge.
Un miroir 100 focalise avantageusement le faisceau issu de l'analyseur 24 sur le détecteur 120. De préférence, un dispositif sélectionneur d'angles d'incidence 110 est couplé au miroir 100 afin de sélectionner, pour les mesures par le détecteur, seulement le rayonnement réfléchi par l'échantillon sous incidence oblique dans une plage d'angles d'incidence choisie.
Dans les montages décrits en référence aux figures 1 à 14, les éléments réfracteur 22 et réflecteur 14 sont disposés avantageusement de part et d'autre de l'échantillon afin de disposer la source et le détecteur du même côté par rapport au spot sur l'échantillon, afin de réduire notamment la dimension de l'ellipsomètre et offrir ainsi un gain de place et de poids.
De plus, l'usage de fibres optiques côté source et/ou côté détection permet en outre de déporter à distance des dispositifs optiques et de réaliser facilement des multiplexages, ce qui offre en outre un gain de temps .
Par ailleurs, la Demanderesse a observé qu'en disposant le bras d'illumination et le bras d'analyse du même côté par rapport à l'échantillon, lesdits bras d'illumination et d'analyse peuvent être disposés dans une même tête optique logée dans une boîte d'ellipsométrie susceptible d'être déplacée selon des axes X, Y, et/ou Z.
En référence aux figures 15A à 15D, on a représenté une telle tête optique 200 contenant les bras d'illumination et d'analyse d'un ellipsomètre spectroscopique conforme à l'invention. La tête ou boîte 200 est de forme générale parallélé- pipedique, par exemple 220 mm en hauteur, 315 mm en longueur et 83 mm en largeur. Avantageusement, la boîte 200 comprend en outre une caméra 210 destinée à être disposée à la normale de l'échantillon.
De préférence, la lentille de transmission 22 comprend une ouverture apte à laisser passer le rayon incident polarisé 12 vers l'échantillon, et à collecter/focaliser le rayon réfléchi à travers l'analyseur 24.
Le polariseur 10 et les éléments associés du bras d'illumination sont placés dans un premier support 220. Le support 220 est placé relativement à l'échantillon et au miroir 14 de manière à réaliser une mesure d'ellipsométrie comme enseignée en référence aux figures 1 à 14. Le support 220 est fixé dans la boîte à 1 ' aide de moyens de fixation appropriés .
De même, l'analyseur 24 et les éléments associés du bras d'analyse sont placés dans un second support 230. Le support 230 est placé relativement à l'échantillon et à la lentille 22 de manière à réaliser une mesure d'ellipsométrie comme enseignée en référence aux figures 1 à 14. Le support 230 est fixé dans la boîte à l'aide de moyens de fixation appropriés.
En pratique, le support 220 comprend le polariseur 10 et l'élément bloqueur 8. Avantageusement le bras d'illumination est reliée à la source 2 via une fibre optique 3 logée à l'intérieur de la boîte et dont l'une des extrémités est reliée à la source ainsi disposée à l'extérieur de la boîte 200.
En pratique, le support 230 comprend l'analyseur 24, l'élément bloqueur 26, l'élément bloqueur 40 et la lentille 36. Le spectromètre (non représenté) est de préférence disposé à l'extérieur de la boîte et relié au support 230 par une fibre optique 32.
De même, le détecteur et les moyens de traitement (non représentés) sont disposés à l'extérieur de la boîte 200 et reliés à la boîte via les fibres optiques 3 et 32.
En référence aux figures 16A à 16D, la boîte 200 est mobile en translation selon les axes X, Y, et/ou Z afin de déplacer longitudinalement, latéralement, et/ou verticalement le rayon incident sur l'échantillon.
De son côté, le porte-échantillon 18 peut être maintenu fixe. De préférence, le porte-échantillon 18 est lui aussi apte à être mobile en translation X, Y et/ou Z. En outre, le porte- échantillon est susceptible d'être mobile en rotation autour d'un axe vertical (en Z). Le porte-échantillon est apte à supporter des échantillons circulaires de 300 mm de diamètre par exemple.
Une telle tête ou boîte d'ellipsométrie supportant les bras d'illumination et d'analyse a l'avantage d'améliorer encore la compacité de l'ellipsomètre selon l'invention. Une telle tête 200 a aussi l'avantage d'être reliée par des fibres optiques à des dispositifs optiques (source, détecteur, spectrographe, moyens de traitement,...) distants, interchangeables , multiplexables .
Les moyens de déplacement de la tête 200 en translation en X et/ou en Y, et/ou en Z, respectivement 240, 250 et 260 peuvent être des moyens à courroies, vis-sans fin ou équivalents.
La course en X est par exemple de l'ordre de 300 mm, en Y de l'ordre de 500 mm et en Z de l'ordre de 100 mm.
De préférence, la tête 200 et le porte échantillon 18 ainsi que les moyens de déplacement de la tête sont disposés sur une plaque 270.
En variante, l'ellipsomètre selon l'invention peut comprendre une autre tête optique (non représentée) similaire à la tête optique 200 et apte à se déplacer à proximité de la tête optique 200 afin de réaliser une autre mesure d'ellipsométrie proche de la mesure réalisée par la tête optique 200.
Bien évidemment, d'autres configurations sont possibles avec les éléments tels que décrits en référence aux figures 1 à 16.

Claims

Revendications .
1. Ellipsomètre spectroscopique du type comprenant: - une source (2 ) apte à émettre un rayon large bande ( 4 ) ,
- un polariseur (10) pour polariser le rayon large bande (4), et produire un rayon incident polarisé (12) apte à illuminer un échantillon (16) selon au moins un angle d'incidence choisi, - un analyseur (24) pour recevoir le rayon réfléchi (20) par l'échantillon (16) ainsi illuminé et produire un rayon de sortie (28) en réponse à ce rayon réfléchi (20),
- un détecteur pour convertir le rayon de sortie en un signal de sortie, - des moyens de traitement pour traiter le signal de sortie et déterminer les changements de phase et d'amplitude de l'état de polarisation dudit rayon de sortie causés par la réflexion du rayon incident polarisé (12) sur l'échantillon (16), et - au moins un élément optique réflecteur (14) disposé entre la source (2) et l'échantillon (16) et/ou entre l'échantillon (16) et le détecteur, et apte à focaliser le rayon incident (12) et/ou le rayon réfléchi (20) selon un spot choisi,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un premier élément optique réfracteur (22) disposé entre l'échantillon (16) et le détecteur et/ou entre la source (2) et l'échantillon (16) pour collecter et focaliser ledit rayon réfléchi et/ou ledit rayon incident, ce qui permet de disposer d'au moins un élément réfracteur (22) et un élément réflecteur (14) de part et d'autre de l'échantillon (16) et de placer ainsi la source et le détecteur d'un même côté par rapport audit spot .
2. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon (16) est illuminé selon un grand angle d'incidence (AI) par rapport à la normale (N2) à l'échantillon (16) .
3. Ellipsomètre selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le rayon incident et/ou le rayon réfléchi a un faible angle d'incidence (al) par rapport à la normale (NI) à l'élément optique réflecteur (14) tandis que ledit rayon incident et/ou le rayon réfléchi est sensiblement normal au premier élément optique réfracteur (22).
4. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première fibre optique (32) apte à relier l'analyseur (24) à un dispositif optique du type appartenant au groupe formé par un détecteur, spectrographe, spectromè- tre, interféromètre et analogue.
5. Ellipsomètre selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second élément optique réfracteur
(36) disposé entre l'analyseur (24) et l'entrée (34) de la première fibre optique (32), le second élément optique réfracteur (36) étant apte à focaliser le rayon de sortie issu de l'analyseur dans la première fibre optique (32).
6. Ellipsomètre selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une seconde fibre optique (3) apte à relier la source (2) au polariseur (10).
7. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément optique réfracteur (22) est une lentille de type lentille de transmission simple ou composée, comprenant un minimum d'effet de polarisation, et apte à former avec les optiques associées un ensemble achromatique.
8. Ellipsomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second élément optique réfracteur (36) est une lentille de type lentille de transmission simple ou composée comprenant un minimum d'effet de polarisation, et apte à former avec les optiques associés un ensemble achromatique.
9. Ellipsomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément optique réfracteur (22) comprend une ouverture apte à laisser passer le rayon incident polarisé (12) et à collecter le rayon réfléchi (20).
10. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément optique compensateur (50) disposé entre le polariseur (10) et l'analyseur (24), en amont ou en aval de l'échantillon (16) selon le sens de la propagation de la lumière.
11. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément optique bloqueur (8) disposé en amont ou en aval du polariseur (10) selon le sens de propagation de la lumière.
12. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément optique bloqueur (26) disposé en amont ou en aval du premier élément optique réfracteur (22).
13. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément optique bloqueur (40) disposé en amont de l'analyseur (24).
14. Ellipsomètre selon la revendication 10 et la revendica- tion 11, caractérisé en ce que l'élément optique compensateur
(50) est placé après le polariseur (10) et devant l'élément bloqueur ( 8 ) .
15. Ellipsomètre selon la revendication 10 et la revendica- tion 13, caractérisé en ce que l'élément optique compensateur
(50) est placé après l'élément optique bloqueur (40) et devant l'analyseur (24).
16. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier élément réfracteur (22) est placé en aval de l'analyseur (24) suivant le sens de propagation de la lumière.
17. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polariseur (10) est placé en aval de l'élément réflecteur (14) suivant le sens de la propagation de la lumière.
18. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qui comprend en outre un élément disperseur (60) monté en aval de l'analyseur (24) suivant le sens de propagation de la lumière.
19. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un interféromètre (80) placé en amont du polariseur (10) suivant le sens de la propagation de la lumière.
20. Ellipsomètre selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le polariseur (10) et les éléments optiques associés audit polariseur ainsi que l'analyseur (24) et les éléments optiques associés audit analyseur sont placés dans une seule et même tête optique (200) .
21. Ellipsomètre selon la revendication 20, caractérisé en ce que la tête optique (200) est mobile en translation selon l'axe X et/ou Y afin de déplacer longitudinalement et/ou latéralement le rayon incident sur l'échantillon.
22. Ellipsomètre selon la revendication 20, caractérisé en ce que la tête optique (200) est mobile selon l'axe Z afin de déplacer en hauteur le rayon incident sur l'échantillon.
23. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend un porte-échantillon (18) fixe.
24. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend un porte-échantillon mobile en X, Y, et/ou Z et/ou en rotation autour d'un axe en Z.
25. Ellipsomètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une fenêtre (19) disposée dans un plan sensiblement parallèle à la surface de l'échantillon et à travers laquelle passent sous incidence oblique le rayon incident (12) et le rayon réfléchi (20).
26. Ellipsomètre selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend une autre tête optique apte à se déplacer à proximité de la tête optique (200) afin de permettre une autre mesure d'ellipsométrie proche de la mesure réalisée par la tête optique (200).
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