EP2596325A1 - Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique - Google Patents

Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique

Info

Publication number
EP2596325A1
EP2596325A1 EP11754441.1A EP11754441A EP2596325A1 EP 2596325 A1 EP2596325 A1 EP 2596325A1 EP 11754441 A EP11754441 A EP 11754441A EP 2596325 A1 EP2596325 A1 EP 2596325A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polarization
optical
polarization state
converter
sample
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11754441.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Acher
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.)
Horiba Jobin Yvon SAS
Original Assignee
Horiba Jobin Yvon SAS
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 Horiba Jobin Yvon SAS filed Critical Horiba Jobin Yvon SAS
Publication of EP2596325A1 publication Critical patent/EP2596325A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/0092—Polarisation microscopes

Definitions

  • the present invention relates to a microscopic resolution ellipsometer and an ellipsometric contrast microscope.
  • Ellipsometry is a well-known optical metrology technique that provides information on the optical properties of thin materials and deposits, such as the refractive index of materials and / or the thickness of thin layers.
  • the ellipsometry is based on the analysis of the reflection (or transmission) of a beam of obliquely polarized light on a sample to be studied. It is generally accepted that the sensitivity of an ellipsometer is maximum when the angle of incidence ⁇ is close to the Brewster angle ⁇ ⁇ , which on a number of usual materials is between 50 and 65 °.
  • FIG. 1 schematically represents a conventional ellipsometer comprising a light source 1, an illumination arm 2 which comprises polarizing optical components so as to define the polarization state of the incident beam and an analysis arm 3 which comprises components polarizing optics capable of analyzing the polarization state of the beam reflected or transmitted by a sample 5.
  • the cancellation ellipsometer is based on the adjustment of polarization control components in the illumination and / or analysis arm to obtain the extinction of the signal on the detector 4;
  • the rotating polarizer or rotary compensating ellipsometer which is based on the rotation of a polarization control component, such as a polarizer or a biregring blade;
  • the polarization modulation ellipsometer which relies on the use of an active component, such as a photo-elastic modulator, for modulating the state of polarization of light as a function of time;
  • the Mueller ellipsometer or Muellermeter which allows the complete measurement of the parameters of the Mueller matrix of a sample (see for example the "MM16" ellipsometer of HORIBA Jobin Yvon which performs a series of measurements for different polarization states obtained by operating several liquid crystal systems).
  • Some ellipsometers are adapted to the quantitative measurement of the ellipsometric signal at a given point of the sample, corresponding to the point of focus of the incident beam on the sample.
  • the ability to measure this signal Ellipsometric over a large range of wavelength is an asset, it is called a spectroscopic ellipsometer.
  • Other types of ellipsometers, called ellipsometric imagers make it possible to produce images by collecting the ellipsometric signal on a camera.
  • Another goal is to provide high resolution ellipsometric images through a microscope objective.
  • a microscope operating at oblique incidence comprising two objectives of relatively limited numerical aperture and polarization control devices placed respectively upstream and downstream of the assembly (illumination objective - sample - reception objective).
  • this microscope has the disadvantage of working objectives not at normal incidence but under an inclined axis relative to the sample.
  • the size of the objectives imposes a minimum working distance relatively large compared to the sample, which limits the accessible magnification.
  • this configuration does not allow to have a focus on the whole field of the sample, because of the shallowness of the objectives and the variations of distance between the plane of the objective and the sample. inclined. (See, for example, "Microscope at Brewster Angle ", S. Hénon and J.
  • the objective of the microscope creates a multitude of incidence planes, and thus a multitude of orientations of the polarization with respect to these planes, even though the illumination polarization has been selected by a spatially homogeneous polarizer, or even a combination of a linear polarizer and a birefringent blade.
  • One way to overcome the effects associated with the multiplicity of incidence plans is to exploit the properties of substrates having particular optical properties, such that for the range of incidence considered, the substrate modifies very little the state of incidence. incident polarization regardless of the orientation of the incidence plan.
  • patent FR2841339 describes the use of a substrate having particular optical properties ("Anti-reflective supports and contrast enhancement supports for reflection-polarized light", D. Aussere et al.,) So that the polarization of the reflected light is independent of the azimuth of the plane of incidence.
  • this is not true for conventional substrates.
  • the above proposed solution of non-depolarizing substrates only works strictly for an angle of incidence. The incidence range considered is then reduced and can in no case extend to large numerical apertures.
  • An ellipsometer works theoretically with a plane-polarized light beam (ie of zero aperture) in a plane of incidence and at a non-zero angle of incidence relative to the normal to the sample.
  • a microscope generally uses a lighting beam whose aperture is high and whose axis is perpendicular to the surface of the sample.
  • a microscope does not then comprise a single incidence plane, but a multitude of incidence planes, each of the incidence planes being defined by an azimuth angle around the axis of the objective . If the incident beam has a spatially uniform polarization distribution, the orientation of the polarization with respect to each incidence plane becomes nonuniform after reflection on the sample and through the lens, thereby blurring the ellipsometric measurement.
  • a known solution in microscopy consists in retaining only a small part of the illumination beam, by means of a diaphragm placed on the incident beam to select a single azimuth .
  • This solution of course has a major drawback in terms of brightness.
  • Another known solution consists in spatially resolving the signal on an imaging detector as a function of the azimuth and / or by means of a digital signal processing.
  • US Patent 6,698,51 J. R. Léger and Q. Z. Zhan, discloses an imaging ellipsometer based on the use of a single microscope objective and spatial filters. It is noted that in this device, the illumination of the sample is done with light polarized uniformly and linearly.
  • Another example is presented in US Pat. No. 6,275,291 ("Micropolarimeter and Ellipsometer", M. Abraham and M. Eberhardt) which describes a set of micro-ellipsometers treating the beam passing through the objective as a multitude of different beams, respectively analyzed by a multitude of microscopic ellipsometers.
  • a radial analyzer is an optical component that passes the locally oriented linear polarization component radially from the center of this radial analyzer, whose optical axis is itself aligned with the optical axis of the objective. More recently, this same principle of illumination by means of a uniformly polarized beam in circular polarization and of analysis by means of a non-uniform analyzer with radial symmetry placed in front of a matrix detector, has been applied to realize a micro- ellipsometer ("High spatial resolution nulling microellipsometer using a rotational polarization symmetry", Alain Tschimwang and Qiwen Zhan, Applied Optics 49, 1574 (2010)).
  • US 6,693,71 1 (Ellipsometer using Radial Symmetry, JR Léger and QZ Zhan) discloses other radially symmetrical micro-ellipsometer concepts. All these concepts are based on the use of an illumination whose polarization is radially symmetrical and have the distinction of operating on the reflected signal with radial symmetry polarization, to generate an ellipsometric signal also with radial symmetry. The optical detection is then performed on a signal having a spatial distribution of radial symmetry.
  • the quarter-wave plates, the polarizers, the modulators or the compensators commonly used to make ellipsometers have two proper axes in a plane transverse to the optical axis of the beam, and are not suitable for the generation of an ellipsometric signal with radial symmetry state distribution.
  • Polarization converters are known, used in particular in microscopy to achieve radial polarization illumination, which have some interests: Brewster angle illumination and polarization that is not reflected at this angle (US2006 / 0268265 by Yung-Ho Chuang et al.
  • a polarization polarization converter makes it possible to transform the spatial distribution of a polarization state from a spatially uniform linear polarization state to a linear polarization state having a radial distribution when an axis of the converter is aligned. with the uniform input bias state, or respectively to generate at a linear polarization state having an azimuthal distribution, when an axis of the converter is oriented perpendicular to the input uniform polarization state.
  • the input polarizer is thus oriented at 45 ° to the axes of the plane of incidence to probe both the polarization state p and the polarization state s.
  • a radial converter does not easily combine two transverse linear polarization states.
  • a polarization polarization analyzer makes it possible to analyze the state of polarization either according to a state of linear polarization (p) or according to the state of linear polarization (s) but does not make it possible to obtain information on the modification of the ratio r P / r s .
  • the sample and the radial polarization converter affect the output signal.
  • a polarization polarizer not only modifies the spatial distribution of a polarization state, but also modifies the polarization state itself in a spatially inhomogeneous manner. Only a linear polarization state is parallel or perpendicular to an axis of a radial converter retains a linear polarization state of radial distribution or azimuth respectively.
  • Any uniform polarization state at the input of a radial converter that is not a linear polarization state is transformed into a polarization state distribution that does not generally have radial symmetry.
  • the object of the invention is to overcome the drawbacks of the prior devices and to propose increasing the spatial resolution of an ellipsometer while maintaining a high brightness; an imaging ellipsometer providing ellipsometric measurements of good quality; a microscope compatible with ellipsometric measurements solved at the same time as a function of the angle of incidence and the azimuth angle; a polarimetric measurement method with a high spatial resolution (micrometric or sub-micrometric).
  • the invention relates to a polarimetric measuring device with microscopic resolution comprising:
  • a light source able to emit an incident light beam over a wavelength range
  • a polarization state generator able to generate an incident optical beam having a spatially uniform polarization state distribution
  • first polarization conversion means adapted to receive said spatially uniform incident polarization incident optical beam and to convert it into a beam having a distribution of the polarization vector having a cylindrical or semi-cylindrical symmetry about the optical axis and according to which each polarization vector comprises a linear combination of a non-zero radial component and a non-zero azimuthal component;
  • optical focusing means having an optical axis for focusing said cylindrical symmetry polarization beam onto the surface of a sample to be measured, said optical axis coinciding with the normal to the sample;
  • an analysis part comprising:
  • optical collection means for collecting the light beam reflected or transmitted by the sample, said optical collection means having an optical axis coincident with the optical axis of said reflected or transmitted light beam;
  • second polarization conversion means arranged to receive said collected light beam, said second polarization conversion means being able to convert a beam having a distribution of the cylindrical symmetry polarization vector according to which a polarization vector comprises a combination linear of a radial component and an azimuthal polarization component into a beam having a spatially uniform distribution of polarization state;
  • a polarization state analyzer adapted to receive the optical beam converted by the second polarization means and to analyze the state of polarizing said optical beam according to a Cartesian base of polarization states;
  • detection means capable of receiving said light beam analyzed in polarization by the analyzer.
  • the first polarization conversion means and the second polarization conversion means are formed by a single polarization converter used in two opposite propagation directions and in that said optical focusing and collection means are confused.
  • said polarization converter is a liquid crystal converter comprising a Cartesian symmetry face and a cylindrical symmetry face.
  • said polarization converter is a polarization converter capable of converting the Cartesian polarization state distribution to cylindrical while maintaining the state of polarization of the beam.
  • the polarization state generator is a spatially uniform linear polarizer and in that the polarization axis of said linear polarizer is oriented with respect to an own axis of the first polarization conversion means so as to form a non-zero angle.
  • the polarization state analyzer is a spatially uniform linear analyzer and the polarization axis of said linear analyzer is oriented with respect to an own axis of the second polarization conversion means so as to form a polarization analyzer. non-zero angle.
  • the polarimetric measuring device further comprises:
  • optical means for separating the incident beam on the sample and the beam reflected or transmitted by the sample, said optical separation means being arranged on the optical path between the polarization state generator and the polarization converter; a field diaphragm, an aperture diaphragm and / or means for spectroscopic analysis of the detected signals;
  • the converter being located between the Nomarski prism and said optical focusing means.
  • said polarimetric measurements are ellipsometric measurements, Mueller ellipsometry measurements or scalerometry measurements.
  • the invention also relates to a polarimetric microscope accessory comprising: a polarization state generator adapted to receive an incident optical beam and to generate an optical beam having a spatially uniform polarization state distribution;
  • a radial or cylindrical polarization converter adapted to convert a beam propagating in a first direction of axial propagation and having a spatially uniform polarization state distribution in a beam having a distribution of the cylindrical symmetry bias vector around the axis optical, and conversely said converter being adapted to convert a beam propagating in a second contra-propagative axial direction to the first direction and having a polarization vector distribution having a cylindrical symmetry about the optical axis in a beam having a distribution spatially uniform polarization state; a polarization state analyzer according to a Cartesian polarization state base;
  • the invention also relates to an imaging microscope-ellipsometer comprising an accessory according to one embodiment of the invention, a digital aperture microscope objective greater than or equal to 0.7 and an imaging detector.
  • the invention also relates to an ellipsometric contrast microscope comprising an accessory according to one embodiment of the invention, comprising:
  • a first converter for directing an optical beam towards a sample to be measured
  • a second converter for directing the optical beam reflected or transmitted by the sample towards a reference substrate
  • said first and second converters having their own axes oriented at 90 degrees relative to one another.
  • the invention also relates to a polarimetric measurement method comprising the following steps:
  • the polarization vector distribution of said incident beam is converted into a polarization state distribution having a cylindrical or semi-cylindrical symmetry about the optical axis, wherein each polarization vector comprises a linear combination of a radial component non-zero and a non-zero azimuthal component; - Focusing said polarization beam with cylindrical or semi-cylindrical symmetry on the surface of a sample to be measured along an optical axis coincident with the normal to the sample;
  • the light beam reflected or transmitted by the sample is collected
  • the polarization state spatial distribution of the collected beam is converted to convert a cylindrical symmetry polarization state distribution around the optical axis into a spatially uniform polarization state distribution;
  • the analyzed beam is detected.
  • the polarimetric measurement method further comprises one of the following steps:
  • the detected beam is spectroscopically analyzed
  • an image of the surface of the sample is detected on an imaging detector;
  • the invention relates to an amplitude and phase polarimetric measurement device of the ellipsometric measurement or Mueller ellipsometry measurement type or a scalerometric measurement, said microscopic resolution polarimetric measuring device comprising:
  • a light source able to emit an incident light beam over a wavelength range
  • a polarization state generator able to generate an incident optical beam having a spatially uniform polarization state distribution
  • optical focusing means having an optical axis for focusing said incident light beam on the surface of a sample to be measured; an analysis part comprising:
  • optical collection means for collecting the light beam reflected or transmitted by the sample, said optical collection means having an optical axis;
  • a polarization state analyzer adapted to receive the optical beam collected by said optical collection means and to analyze the polarization state of said optical beam according to a Cartesian base of polarization states; and detection means able to receive said light beam analyzed by the analyzer in polarization;
  • said polarization state generator and / or said polarization state analyzer further comprising bias modulation means.
  • said optical focusing means are arranged in such a way that said optical axis of said optical focusing means coincides with the normal to the sample; said optical collection means are arranged in such a way that said optical axis of said collection optical means is coincident with the optical axis of said reflected or transmitted light beam;
  • the excitation portion comprises first polarization conversion means disposed between said polarization state generator and said focusing optical means, said first polarization converting means being oriented to receive said spatially uniform polarization incident optical beam and to converting it into a beam having a polarization vector distribution having a cylindrical or semi-cylindrical symmetry about the optical axis and wherein each polarization vector comprises a linear combination of a non-zero radial component and an azimuth component non-zero; and the analyzing portion comprises second polarization converting means disposed between said collection optical means and said polarization state analyzer, said second polarization converting means being oriented to receive said collected light beam, said second polarization
  • said polarimetric measurements are ellipsometric measurements, Mueller ellipsometry measurements or scalerometry measurements, the matrix of said polarization conversion means expressing the coordinates in the cylindrical coordinate system of the polarization. of an emergent beam of the cylindrical symmetry face, as a function of the coordinates in the cartesian coordinate system of the polarization of the incident beam on the face with Cartesian symmetry, being diagonal of the type:
  • the invention also relates to an amplitude and phase polarimetric measuring accessory of the ellipsometric measurement or Mueller ellipsometry measurement type or microscale scalerometric measurement comprising:
  • a polarization state generator adapted to receive an incident optical beam and to generate an optical beam having a spatially uniform polarization state distribution
  • polarization modulating means disposed between said polarization state generator and said polarization state analyzer
  • a radial or cylindrical polarization converter arranged on the optical path between the polarization state generator and the microscope objective on the one hand and between the microscope objective and the polarization state analyzer on the other hand ,
  • said converter being oriented with respect to the polarization state generator so as to convert a beam propagating in a first axial propagation direction and having a spatially uniform polarization state distribution to a beam having a distribution of the polarization vector of cylindrical symmetry around the optical axis according to which each polarization vector comprises a linear combination of a non-zero radial component and a non-zero azimuth component and conversely said converter ensuring the conversion of a beam propagating in a second direction counter-propagative axial axis at the first direction and having a polarization vector distribution having cylindrical symmetry about the optical axis in a beam having a spatially uniform polarization state distribution.
  • the invention also relates to a polarimetric measurement method in amplitude and in phase of the ellipsometric measurement or Mueller ellipsometry measurement type or a scalerometric measurement comprising the following steps:
  • the polarization vector distribution of said incident beam is converted into a polarization state distribution having a cylindrical or semi-cylindrical symmetry about the optical axis, wherein each polarization vector comprises a linear combination of a radial component non-zero and a non-zero azimuthal component; - Focusing said polarization beam with cylindrical or semi-cylindrical symmetry on the surface of a sample to be measured along an optical axis coincident with the normal to the sample;
  • the light beam reflected or transmitted by the sample is collected;
  • the polarization state spatial distribution of the collected beam is converted to convert a cylindrical symmetry polarization state distribution around the optical axis into a spatially uniform polarization state distribution;
  • the analyzed beam is detected.
  • the invention will find a particularly advantageous application in micro-ellipsometry, ellipsometric contrast microscopy, or ellipsometric imaging micrometric resolution.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 shows schematically an ellipsometer
  • FIG. 2A diagrammatically shows in an exploded view the two faces of a cartesian-cylindrical polarization converter known in the prior art
  • FIG. 2B schematically represents a projection in a plane transverse to the optical axis of the cartesian and cylindrical markers respectively associated with the two faces 1 1 and 12 of the converter as well as the orientation of the axes of the liquid crystals to move from one face to the other side of the converter;
  • FIG. 3 diagrammatically represents a micro-ellipsometer according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 schematically represents the propagation of a uniform polarization beam through a microscope objective and after reflection on a sample
  • FIG. 5 schematically shows the propagation of a uniform polarization beam through a device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 schematically represents the propagation of a polarized beam through a converter and a microscope objective in any plane of incidence
  • FIG. 7 schematically represents the propagation of a polarized beam through an ellipsometric contrast microscope device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 8 schematically shows a sectional view of an episcopic illumination microscope and operating in polarized light according to the prior art
  • FIG. 9 schematically represents a sectional view of an ellipsometric microscope according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10 schematically shows a sectional view of the detection part of a microscope according to a particular embodiment of the invention
  • FIG. 11 schematically represents a sectional view of an ellipsometric microscope according to one embodiment of the invention using the detection part shown in FIG.
  • the invention relies on the use of a component called a "Cartesian to Cylindrical" polarization converter and a polarization analyzer.
  • FIG. 2A diagrammatically shows an exploded view of the two faces of such a Cartesian-cylindrical polarization converter with liquid crystals.
  • a liquid crystal polarization converter has two distinct faces designated herein: Cartesian face 1 1 and cylindrical face 12 respectively.
  • Cartesian face 1 1 has two proper axes, oriented at 90 °, these proper axes are identified by u x and u y , one of the axes u x , u y being an alignment axis of the liquid crystal.
  • the "cylindrical" face has a center O and it is convenient to associate a reference in cylindrical coordinates (centered in O) u 9 , u r .
  • FIG. 2B shows a projection in a plane transverse to the optical axis of the cartesian and cylindrical markers respectively associated with the two faces 1 1 and 12 of the converter as well as the orientation of the axes of the liquid crystals to pass from one face to the other side of the converter.
  • the polarization converter receives on its Cartesian face 1 1 an incident beam parallel to its optical axis. According to Stalder et al.
  • the converter transforms this incident beam of uniform polarization into a beam emerging from its cylindrical face, from non-uniform polarization, but whose distribution of polarization states is of cylindrical symmetry around the axis optical and which is expressed (in the cylindrical base) by [at 9 - b.exp (j.%). u r ] * Sign (-y).
  • exp (j.%) Expresses the fact that there may be a phase shift ⁇ between the radial component and the azimuth component of the wave, this phase shift being introduced during the crossing of the polarization converter.
  • the coefficient Sign (-y) is equal to -1 if y is positive (or, which amounts to the same, if ⁇ is between 0 and ⁇ ) and Sign (-y) is equal to +1 if y is negative ( or, which amounts to the same, if ⁇ is between ⁇ and 2 ⁇ ).
  • the behavior of this converter is not defined in the immediate vicinity of 0 nor on the axis where y is equal to 0.
  • a beam having a cylindrical polarization polarization incident on the cylindrical face the distribution of states of polarization is given in the cylindrical coordinate system by 9 + bu r , this beam leaves the Cartesian face of the converter in the form of a beam whose distribution of state of polarization is uniform, and given by [at x -b. exp (j.%). u y ] * Sign (-y).
  • the Stalder publication essentially discloses the use of a polarization converter in a configuration where the direction of propagation of the beam goes from the Cartesian face to the cylindrical face, and where the incident polarization vector is aligned according to one of the axes of the converter to generate a polarization beam either radial or azimuthal.
  • This publication does not disclose the use of such a converter to generate a generalized cylindrical vector beam or generalized CV Beam, comprising radial and azimuth components.
  • This document does not disclose the use of such a converter with a beam propagating from the cylindrical face to the Cartesian face.
  • the coupling of a generalized cylindrical polarization beam comprising a linear combination of non-zero radial and azimuth components, to the cylindrical face of such a converter for generating a spatially uniform polarization beam is not described.
  • a suitable converter for implementing the invention is according to a preferred embodiment based on a liquid crystal converter.
  • inventions may use other types of polarization converters, based, for example, on the use of segmented half-waves, cylindrical symmetric diffractive or subdiffractive networks,
  • a polarization converter can be used in the invention since, during its crossing, the matrix expressing the coordinates in the cylindrical coordinate system of the polarization of a beam emerges from the face with cylindrical symmetry, as a function of the coordinates in the Cartesian coordinate system. of the polarization of the incident beam on the face with Cartesian symmetry, is diagonal, that is to say of the type:
  • the converter thus makes it possible to transform an optical beam having a distribution of spatially uniform polarization states into a beam having a distribution of cylindrical symmetry polarization states around the optical axis.
  • a converter is also used to transform a beam having a cylindrical symmetry polarization state distribution into an optical beam having a uniform polarization state distribution in a Cartesian coordinate system.
  • the same converter 10 is used in both directions of propagation along the optical axis 8 of a focussing lens 7: a first time in FIG. the Cartesian to cylindrical conversion direction and a second time in the cylindrical to Cartesian conversion direction.
  • the light path passes twice through the converter 10, once before hitting the sample 5, and the second time at the return.
  • the conditioning and analysis components 3 of the polarization placed respectively upstream and downstream of the converter are different for the incident and reflected beam.
  • a micro-ellipsometer is constructed consisting of two subsets:
  • a conventional ellipsometer (or Mueller-meter), comprising an illumination arm 2 in which the outgoing polarization is uniform in the Cartesian frame u x and u y . It can be written in x + bu y .
  • the ellipsometer also comprises a detection arm 3, adapted to measure the incoming polarization state in the same frame u x , u y . If we note the polarization entering the detection arm r x .u x + r y .u y , the conventional ellipsometer measures the complex ratio r y / r x . In the case of an imaging ellipsometer, a map of r y / r x is measured in the plane (x, y);
  • the converter 10 sends all or part of the emergent light to the detection arm 3 of the ellipsometer.
  • the light beam emerges by the cylindrical face 12 of the converter goes towards the objective 7 of the microscope, the optical axis 8 of the objective 7 being aligned with the center O of the cylindrical face 12 of the polarization converter 10.
  • separator blades 6 It is preferred to place the plane of incidence of these blades 6 and the different interfaces, either according to u x or according to u y in order to allow a simple calibration of the changes of amplitude and phase in the reflection which could be translated by r p / r s different from 1 .
  • the factor exp (j.%) Expresses the fact that there may be a phase shift between the radial component and the azimuth component of the wave, introduced by the polarization converter 10.
  • This transformation is performed by a polarization converter 10 whose principal axes are oriented according to u x , u y , and whose center is on the optical axis 8 of the objective 7.
  • the radial vector u r is in the plane of incidence and the orthoradial vector (also called azimuthal) ⁇ ⁇ is perpendicular to the plane of incidence.
  • the reflected ray is therefore expressed (if we write r p (0) and r s (0) the reflection coefficients under an incidence angle ⁇ , for a polarization respectively parallel and perpendicular to the plane of incidence):
  • the beam considered has a polarization which is expressed as follows:
  • FIG. 4 schematically represents a microelectronics device according to the prior art.
  • a source 1 emits a light beam.
  • FIG. 4 shows two radii 31a and 31b parallel to the optical axis 8 of the lens 7 and located at the same distance from the optical axis 8 but at different azimuths.
  • Polarization means (not shown) define a spatially uniform polarization state of the incident beam.
  • the radii 31a (solid line) and 31b (dashed) therefore have the same state of polarization (represented as an elliptical polarization).
  • the beams 31a and 31b are directed towards a lens 7 (or a microscope objective) of high numerical aperture.
  • this beam changes and becomes a beam 33a whose major axis is multiplied by the reflection coefficient r p , relative to the reflection of a ray in the plane of incidence, and of which the small axis by r s , relative to the reflection of a radius perpendicular to the plane of incidence.
  • the radius in dashed lines has a polarization ellipse 32b whose axis is no longer in the second plane of incidence after having a first crossing of the lens 7.
  • the state of polarization 33b is different from the state of polarization 33a dashed. The state of polarization is therefore not the same in separate incidence planes.
  • the ellipsometric signal thus depends on the plane of incidence (or azimuth) under which they crossed the lens, which makes the analysis complicated. As indicated in the prior art, it is then necessary to make a selection in azimuth or to radially analyze the signal 33a, 33b as a function of the angle of incidence and the azimuth angle.
  • FIG. 5 explains the operation of the invention.
  • a polarization converter 10 has been added, whose cylindrical symmetrical face 12 is disposed on the side of the objective 7 and centered on the optical axis 8 of the objective.
  • the incident beam has a spatially uniform distribution of polarization state.
  • the radii 31a (solid line) and 31b (dashed lines) have an initial elliptical polarization whose major axis is oriented parallel to the x axis of the polarization converter 10.
  • the polarization ellipses 34a and 34b of the transmitted rays have their major axis in the radial direction and when the rays 34a and 34b thereafter pass through the lens 7, this major axis is in the plane of incidence of each ray.
  • the polarization ellipse 35a, respectively 35b experiences the same evolution during the reflection on the surface of the sample 5: the major axis of each ellipse is multiplied by the reflection coefficient R p , relating to the reflection of a ray in the plane of incidence, and the minor axis by R s , relative to the reflection of a ray perpendicular to the plane of incidence. It can thus be seen that the cylindrical symmetry of the polarization state distribution is not modified by the reflection on the sample 5 or by the second crossing of the lens 7.
  • the polarization converter 10 also plays a decisive role, since it allows, as seen on the radius drawn in dashed lines, to put the polarization ellipse 36b in the Cartesian coordinate system uniform.
  • all the rays with the same angle of incidence irrespective of their azimuth ⁇ which have the same state of polarization 35a, 35b in a polar reference before crossing the polarization converter 10, also have the same state of polarization 36a, 36b in a Cartesian coordinate system after having made a round trip in this converter 10 and the objective 7 (or the lens) with high numerical aperture.
  • All these rays 36a and 36b carry the "ellipsometric" information relative to the reflection at oblique incidence on the surface 5 and contribute in the same way to the ellipsometric signal for the same angle of incidence and at the wavelength considered. whatever their azimuth ⁇ . It is then possible to add the contributions of the rays 36a and 36b in order to analyze them in a conventional manner using a linear polarization analyzer, as is commonly the case in ellipsometry and Mueller-metry.
  • each light beam makes a forward path and a return path in the polarization converter 10, two azimuths that differ by 180 °, that we can use a polarization converter 10 which has a different phase shift according to the half-plane along which it passes through (this is the "Sign (- y)" in the formulas above, which corresponds to a phase shift of ⁇ when the radius passes through the component at an abscissa y> 0 ).
  • a light ray reflecting on the surface of the sample crosses once the converter to a positive abscissa, the other time to a negative abscissa. Consequently, a uniform phase shift is obtained during the round-trip irrespective of the azimuth of the radius.
  • Figure 6 shows schematically the propagation of an elliptically polarized beam in any plane of incidence through a converter 10 and a microscope objective 7.
  • An incident beam is defined by its spatially uniform polarization state.
  • This polarized beam 21 is incident on the Cartesian face 1 1 of the converter 10.
  • the cylindrical face 12 of center 0 is centered on the optical axis 8 of the objective 7.
  • the emerging beam of the cylindrical face 12 of the converter 10 has a polarization state distribution 22 of cylindrical symmetry about the axis 8.
  • the objective 7 is chosen not to change the polarization state of the beam.
  • the incident beam 23 on the sample 5 is of cylindrical symmetry about the axis 8.
  • the elliptically polarized beam sees its polarization state modified by the reflection coefficients Rp and Rs of the sample.
  • the reflected beam has a modified bias state 24 compared to the beam 23.
  • the incident beam having a cylindrical symmetry bias distribution, in each plane of incidence, the polarization change is identical.
  • the beam 24 crosses the lens 7, to form a polarized beam 25, which is incident on the cylindrical face 12 of the converter 10.
  • the state of polarization of the beams 22, 23, 24 and 25 is uniform in a polar coordinate system.
  • the beam 26 After crossing the converter 10 in the polar-Cartesian direction, the beam 26 thus has a uniform polarization state distribution in a cartesian frame.
  • the sensitivity of the ellipsometric technique is particularly important in the vicinity of the Brewster angle ⁇ of the substrate used, where the angle ⁇ is equal to Arctan (N) where N is the index of the substrate.
  • Incident angles of 60 ° or more can be used, which corresponds to a numerical aperture greater than 0.85.
  • a numerical aperture goal of 0.9 or higher is advantageously used, values that can be obtained for commercial purposes. Nevertheless, incidence angles starting from 45 ° can be used, ie numerical apertures greater than 0.7. Note however that it is important that the lens 7 used does not change the radial polarization state distribution.
  • objective 7 does not exhibit a birefringence that can modify the polarization state spatial distribution in a heterogeneous or random manner.
  • an objective 7 compatible with observations in polarized light or a Nomarski type objective compatible with interference contrast observation is used.
  • the Brewster angle ⁇ is equal to Arctan (N / N immerS i 0 n) where N is the index of the substrate and N immersi is the index of the immersion medium.
  • FIG. 8 represents a microscope operating in polarized light according to the prior art.
  • the microscope comprises an illuminator 27, generally of the Kohler type.
  • the illuminator 27 comprises a light source 1 placed behind a frosted surface 1a, an aperture diaphragm 16a, a field diaphragm 17a, and several lenses 1b, 18b, 18c.
  • the microscope tube includes a splitter plate 6, an optical axis lens 7, a tube lens 9, a pupil 19, a field diaphragm 17a or 17b, an eyepiece 20, and a detector 4.
  • the microscope comprises a polarizer 1 3 in the illumination arm, and / or an analyzer 14 in the detection arm.
  • the orientation of the axes of the polarizer 1 3 and / or the analyzer 14 allows the observation of the sample 5 between crossed polarizers for example.
  • FIG. 9 represents an ellipsometric microscope according to one embodiment of the invention.
  • the microscope comprises a converter 10 inserted between the splitting plate 6 and the objective 7.
  • a converter 10 inserted between the splitting plate 6 and the objective 7.
  • an annular diaphragm 16 inserted at the opening diaphragm 16a of the microscope or in a plane which represents a Fourier plane of the sample 5.
  • This spot can be made very small (ten ⁇ or 5 ⁇ , or even 1 ⁇ ) by restricting the field diaphragm to a very small aperture.
  • the system is then a "micro-ellipsometer".
  • the device of the invention therefore does not require the use of a radial analyzer, a complex system of radial imaging, or signal processing.
  • the device can function as well in episcopia (that is to say, the light illuminates the sample while passing through the lens), or in transmitted light.
  • transmitted light two polarization converters are required, a first Cartesian-cylindrical converter 10 between the polarizer and the objective, and a second converter 10 'cylindrical-Cartesian between the objective and the analyzer.
  • a weak modulation of the two polarization components around the cancellation position and a detection is advantageously used. synchronous image with respect to each of these modulations.
  • a first modulation may be applied by a small rotation of the analyzer around its cancellation position.
  • Another solution is to slightly modulate the delay of a compensator made from a voltage controlled nematic crystal plate, by slightly changing the voltage applied to this voltage-controlled delay blade around the value allowing the cancellation.
  • the invention opens a new field of applications in microscopy, by providing an ellipsometric contrast microscope self-compensated over a wide range of incidence and wavelength.
  • This extension of the invention consists in a way of observing (in imaging) with increased contrast objects having one or two very small dimensions (10 nm to less than one tenth of a nm), without being restricted to a length of wave, nor to a range of incidence for illumination, while benefiting from the ellipsometric contrast. Being able to work with all the numerical aperture of the lens is an advantage in terms of lateral resolution.
  • t p and t s are the transmission coefficients through the lens or the lens 7. For a high aperture, there is generally a significant phase difference between t p and t s .
  • FIG. 7 a particular embodiment of the invention, illustrated in FIG. 7, consists in ensuring that each ray contributing to the formation of the image has a path that compensates for the factor related to the instrument and the bare substrate:
  • a second polarization converter subsystem 10 '- objective 7' (or high numerical aperture lens), identical to that used to look at the object 5.
  • This second subset comprises a reference substrate 5 RE F, completely blank of defects and objects to be examined and preferably identical to the substrate used for the examination of objects.
  • the second set is arranged so that the path in the second set polarization converter 1 O'-objective 7'-reference substrate 5 RE F, so that it is traversed by all the rays used to constitute the image at ellipsometric contrast, under the same angle of incidence conditions, but with a polarization pattern turned 90 °: a linearly polarized ray along the "x" axis of the first set will cross the second parallel to the "y" axis 2 "of the second set.
  • the matrix corresponding to the crossing of the two sets is of the following form: . ⁇ tt) 2 cxp (2j.z)
  • the factor in front of the matrix represents a polarization-independent attenuation and phase shift, whatever the incidence and the wavelength.
  • An observation between crossed polarizers makes it easy to isolate a contrast related to the difference between ta / r * i M r P / r s ) and a day.
  • We can add a small modulation of a phase shift to allow the detection of the phase of the quantity ta / r ⁇ M rp / r J is note that these measurements can be made over a wide range of angular incidences and over a wide range of wavelengths.
  • FIG. 7 represents an example of a self-compensated ellipsometric contrast microscope over the entire spectral and incidence range.
  • Two identical semi-transparent polarization objective-mirror objective converter assemblies are arranged in such a way that a ray originating from of the light source, arriving on the linearly polarized converter 1 0 parallel to the direction y- ⁇ (converted into a radial polarization by the converter, according to our notation conventions), arrives on the second converter 1 0 'with a polarization according to the x 2 direction of this second converter 1 0 '(that is to say converted into an azimuthal polarization).
  • a ray 28 in a first plane of incidence is polarized linearly in a direction p parallel to the plane of incidence.
  • its polarization state is radial and therefore remains a p-type polarization state.
  • reflection on the sample 5 the state of polarization of the beam remains p to the second set of converter 1 0 '(shown in top view).
  • the beam 27 is initially polarized linearly. After crossing the converter 1 0 the polarization state is radial and in a p-type polarization direction. After crossing the objective 7, reflection on the sample 5, the state of polarization of the beam remains p up to the second set of converter 1 0 '(in the top view).
  • the axes ⁇ x 2 , y ⁇ ) of the second converter 1 0 'being oriented at 90 degrees of the axes ⁇ xi, yi) of the first converter 10 the beam 27 becomes after passing through the converter 1 0', a transverse polarization beam or s.
  • This polarized beam s is then incident on the reference sample 5 RE F-
  • the same beam is incident in polarization directions respectively p on the sample 5 to be observed then s on the reference sample 5REF (and vice versa)
  • Upstream and downstream of this device are the illumination and detection arms 2 of a conventional ellipsometric imager.
  • a polarizer 13, a compensator 15, and an analyzer 14 will be used, which corresponds to the configuration of a conventional cancellation ellipsometer.
  • the linear polarizer 13 is oriented such that the axis of the vector polarization incident on the first converter 10 is inclined at an angle of between 20 and 70 ° relative to the y axis 1; and even more preferably, inclined at 45 ° +/- 10 °.
  • the device may furthermore comprise optical separation means (semi-transparent mirror, separating plate 6 or the like), for separating the incident beam from the beam reflected by the sample.
  • optical separation means are preferably arranged between the polarizer 13 and the converter 10 on the one hand and between the converter 10 and the analyzer 14 on the other hand.
  • One of the ellipsometric arms preferably comprises a dynamic polarization modulator.
  • the components of the illumination and analysis arm are oriented with respect to the u x , u y mark of the converter, in the same way as they are with respect to the directions p and s.
  • the ellipsometric quantities are calculated in a conventional manner.
  • one of the arms comprises a single polarizer whose linear polarization axis is oriented at 45 ° degrees of the direction P. It is advantageous to use the polarizer present in a microscope and oriented so that the linear polarization incident on the polarization converter is located at 45 ° (within +/- 15 degrees) of the axis u x of the converter and we add a polarization-modulated ellipsometric detection arm at or after the microscope tube, which is the part of the optical path close to the eyepiece and / or the viewing camera.
  • the state of polarization of the light incident on the sample is not purely radial of purely azimuth, but comprises a combination of the two components of radial and azimuthal polarization .
  • the device of the invention thus makes it possible to generate an incident beam having an incident radial and azimuth combined polarization state, which is different from the state of polarization generated in prior devices where a polarization converter is used essentially as a polarizer. either radial or azimuthal. 5) Combination Mueller-meter and microscope
  • the measurement device of the Mueller matrix marketed by Jobin Yvon under the name of ellipsometer MM16 comprising an illumination arm and a detection arm can be arranged with downstream a polarization converter and a large lens.
  • aperture NA> 0.5 preferably NA> 0.8
  • a microscope and a Mueller imager are combined, as described in "Mueller Polarimetric Imaging System with Liquid Crystals" B. Laude-Boulesteix, A. De Martino, B. Drévillon, and L. Schwartz, Applied Optics, Vol. 43, Issue 14, pp. 2824-2832 (2004).
  • Spectroscopic operation According to a particular embodiment, as is conventional in ellipsometry, one works at a fixed wavelength, corresponding to the emission wavelength of the source (laser or diode for example), or to a length of spectrally filtered wave by means of a filter or a monochromator.
  • a spectrometer is advantageously used at the detection level to obtain spectroscopic measurements.
  • the extinction setting When ellipsometric contrast imaging is performed with an extinction ellipsometer, the extinction setting generally operates over a limited range of wavelengths because the ellipsometric quantities are wavelength-dependent (and also because of the chromaticism of certain optical components, such as a delay plate). In this case, the wavelength range is adjusted so as to obtain good extinction conditions.
  • the quenching conditions can be stable over a wide range of times. wave length.
  • An achromatic compensator is then preferably used to benefit from a high ellipsometric contrast in white light.
  • a conventional color camera is advantageously used, or several cameras equipped with wavelength filters.
  • the light rays When crossing the microscope objective with a high aperture, the light rays generally undergo a phase shift that depends on the polarization of the wave, the eigenpolarizations corresponding to a linear polarization in the radial plane of the lens (marked by u r ), or its azimuthal plane (indicated by ⁇ ⁇ ).
  • t r and t 9 the transmission coefficients for these two eigenpolarizations over the entire "cylindrical symmetry" domain delimited by the polarization converter, corresponding to the round trip in the objective for a system in reflection or crossing the condenser and lens for a transmission system).
  • the coefficients t r and t 9 depend on the distance r to the axis 8 of the objective 7 (which can be connected to the angle of incidence ⁇ when the field diaphragm is closed enough).
  • the ellipsometric measurement actually gives no r p / r s but (r p .t r ) / (r s .t 9 ).
  • We measure t r / t 9 by performing an ellipsometric measurement on a reference substrate, for different angles of incidence ⁇ . We can then correct the ellipsometric measurement of the effect of the objective.
  • a delay blade (commonly called quarter wave plate) in the plane of the opening diaphragm. It is preferable to use a blade whose axes are uniform in a Cartesian coordinate system, but whose thickness varies as a function of the distance to the optical axis in order to introduce a delay adapted to the angle of incidence. This blade makes it possible to preserve good cancellation conditions of the ellipsometric bottom.
  • a color filter comprising three color rings as well as diaphragm rings is also available to allow three different incidence ranges to be associated with three different colors.
  • Direct observation of the image obtained by means of a three-color camera (RGB for example) makes it possible to extract images corresponding respectively to the different angles of incidence.
  • an annular aperture diaphragm is used and the polarization is analyzed by means of a Bertrand lens type lens placed in the tube of the microscope, according to an ellipsometric signal analysis configuration at normal incidence.
  • the benefits of ellipsometric and Nomarski contrast imaging are combined by modifying a microscope equipped with a Nomarski contrast device (also called Differential Interference Contrast) to add to it:
  • a polarization converter between the Nomarski prism and the objective the converter being centered on the axis of the lens, its "Cartesian” side being the side of the Nomarski, its face “cylindrically symmetric” being on the side of the objective, and its proper directions u x , u y , being substantially parallel to the natural directions of the Nomarski prism, and at 45 degrees of the axes of the polarizer;
  • An annular aperture stop for selecting a range of incidence;
  • This system is used by looking for the cancellation conditions of the ellipsometric contrast and then inserting the Nomarski prism.
  • the role of the analyzer and the polarizer can be exchanged, provided that the delay plate is placed after the polarizer.
  • the invention uses at the sample level a generalized cylindrical type polarization distribution beam, comprising any polarization state, which is neither purely radial, nor ie p, nor purely circumferential, ie s. This is fundamental in ellipsometry, since we are interested in the ratio r p on r s .
  • p in radial
  • s in azimuth
  • the invention makes it possible to improve the contrast of the images by an efficient ellipsometric contrast device.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure polarimétrique à résolution microscopique comprenant en particulier des moyens de conversion de polarisation aptes à modifier la polarisation d'un faisceau pour passer d'une distribution spatialement uniforme à une distribution de symétrie cylindrique autour de l'axe optique et réciproquement, lesdits moyens de conversion étant disposés sur l'axe d'un objectif de focalisation (7) pour focaliser ledit faisceau polarisé de symétrie cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer. L'invention concerne également un micro-ellipsomètre, un microscope à contraste interférométrique, un accessoire polarimétrique pour microscope, et un procédé de mesure polarimétrique.

Description

Dispositif et procédé de mesure polarimétrique à résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso- microscope et microscope à contraste ellipsométrique La présente invention concerne un ellipsomètre à résolution microscopique et un microscope à contraste ellipsométrique.
Nous faisons tout d'abord un état de la technique dans les domaines techniques où sont combinées les techniques de polarimétrie et de microscopie.
a) Ellipsométrie classique
L'ellipsométrie est une technique de métrologie optique bien connue, qui permet d'obtenir des informations sur les propriétés optiques de matériaux et dépôts minces, telles que l'indice de réfraction de matériaux et/ou l'épaisseur de couches minces. L'ellipsométrie est basée sur l'analyse de la réflexion (ou de la transmission) d'un faisceau de lumière polarisée en incidence oblique sur un échantillon à étudier. Il est généralement admis que la sensibilité d'un ellipsomètre est maximale lorsque l'angle d'incidence Θ est voisin de l'angle de Brewster ΘΒ, qui sur un certain nombre de matériaux usuels est compris entre 50 et 65°.
La figure 1 représente schématiquement un ellipsomètre classique comprenant une source de lumière 1 , un bras d'illumination 2 qui comprend des composants optiques polarisants de manière à définir l'état de polarisation du faisceau incident et un bras d'analyse 3 qui comprend des composants optiques polarisants aptes à analyser l'état de polarisation du faisceau réfléchi ou transmis par un échantillon 5.
Différents types d'ellipsomètres sont connus, par exemple :
- l'ellipsomètre à annulation repose sur le réglage de composants de contrôle de la polarisation dans le bras d'illumination et/ou d'analyse pour obtenir l'extinction du signal sur le détecteur 4 ;
- l'ellipsomètre à polariseur tournant ou à compensateur tournant qui repose sur la rotation d'un composant de contrôle de la polarisation, tel qu'un polariseur ou une lame birégringente ;
- l'ellipsomètre à modulation de polarisation qui repose sur l'utilisation d'un composant actif, tel qu'un modulateur photo-élastique, pour moduler l'état de polarisation de la lumière en fonction du temps ;
- l'ellipsomètre de Mueller ou Muellermètre qui permet la mesure complète des paramètres de la matrice de Mueller d'un échantillon (cf par exemple l'ellipsomètre « MM16 » de HORIBA Jobin Yvon qui effectue une série de mesures pour différents états de polarisation obtenus en actionnant plusieurs systèmes à cristaux liquides).
Certains ellipsomètres sont adaptés à la mesure quantitative du signal ellipsométrique en un point donné de l'échantillon, correspondant au point de focalisation du faisceau incident sur l'échantillon. La capacité à mesurer ce signal ellipsométrique sur une plage importante de longueur d'onde est un atout, on parle alors d'ellipsomètre spectroscopique. D'autres types d'ellipsomètres, dits imageurs ellipsométriques, permettent de réaliser des images en collectant le signal ellipsométrique sur une caméra.
Un des objectifs de ces dernières années est de fabriquer un ellipsomètre ayant une très petite taille de spot.
Un autre objectif est de fournir des images ellipsométriques à haute résolution grâce à un objectif de microscope.
Toutefois, la combinaison des techniques d'ellipsométrie et de microscopie pose un certain nombre de problèmes de configuration optique.
b) Microscope-ellipsomètre sous incidence oblique
Suivant une première approche, on connaît aussi un microscope fonctionnant sous incidence oblique et comprenant deux objectifs d'ouverture numérique assez limitée et des dispositifs de contrôle de la polarisation placés respectivement en amont et en aval de l'ensemble (objectif d'illumination - échantillon - objectif de réception). Cependant, ce microscope présente l'inconvénient de faire travailler les objectifs non pas sous incidence normale mais sous un axe incliné par rapport à l'échantillon. Or, l'encombrement des objectifs impose une distance de travail minimale assez importante par rapport à l'échantillon, ce qui limite le grossissement accessible. De plus, cette configuration ne permet pas d'avoir une mise au point sur tout le champ de l'échantillon, du fait de la faible profondeur de champ des objectifs et des variations de distance entre le plan de l'objectif et l'échantillon incliné. (Voir par exemple « Microscope at Brewster Angle... », S. Hénon et J. Meunier, Rev. Sci. Instrum. 62, 936 (1991 ) ; ou bien « Description of a singular modular optical setup for ellipsometer, surface plasmons, waveguide modes, and their corresponding imaging techniques including Brewster Angle microscopy », M. Harke et al., Rev. Sci. Instrum. 68 3130 (1997)).
c) Microscope et polarisation en incidence normale
L'alliance de la microscopie et de la lumière polarisée comporte un certain nombre d'acquis. Ainsi, l'observation en lumière polarisée entre un polariseur P et un analyseur A est classique. Il est assez courant de rajouter des lames de phase sur le trajet optique.
On distingue les observations sous microscope en orthoscopie et en conoscopie. En orthoscopie, le diaphragme d'ouverture est très fermé, de façon à sélectionner les rayons incidents sur l'échantillon sous une incidence proche de la normale. Au contraire, en conoscopie, on s'intéresse aux effets d'incidence de la lumière, le diaphragme d'ouverture est ouvert, le diaphragme de champ étant lui fermé de façon à n'analyser qu'une petite portion de l'échantillon. Ces méthodes de microscopie en lumière polarisée sont essentiellement utilisées pour l'étude d'échantillons biréfringents. On note ici que ces configurations microscopiques ne font pas usage de la grande sensibilité de la réflexion en lumière polarisée en incidence oblique, qui est à la base du succès de l'ellipsométrie, y compris sur des échantillons non biréfringent. C'est une illustration des limites actuelles de la microsopie en lumière polarisée. Les raisons fondamentales du manque d'exploitation de la microscopie en lumière polarisée sous incidence oblique sont probablement liées aux difficultés d'analyse des signaux après réflexion. En effet, pour exploiter la sensibilité de l'ellipsométrie, il faut s'intéresser aux évolutions de la polarisation à la réflexion non pas par rapport à une direction arbitraire perpendiculaire à l'axe optique du microscope, mais par rapport à un plan d'incidence. Or, l'objectif du microscope crée une multitude de plans d'incidences, et donc une multitude d'orientations de la polarisation par rapport à ces plans, quand bien même la polarisation d'illumination a été sélectionnée par un polariseur homogène spatialement, ou même une combinaison d'un polariseur linéaire et d'une lame biréfringente.
Les effets liés à la multitude de plans d'incidence peuvent être ignorés lorsque l'ensemble des rayons incidents sur l'échantillon sont proches de la normale. Cependant, dès lors que l'ouverture numérique de l'objectif devient importante (typiquement supérieure à 0.6), ces effets deviennent prépondérants. Or, on utilise couramment des objectifs dont l'ouverture numérique atteint 0.8 ou 0.95.
Une manière de s'affranchir des effets liés à la multiplicité de plans d'incidence est d'exploiter les propriétés de substrats ayant des propriétés optiques particulières, telles que pour la plage d'incidence considérée, le substrat modifie très peu l'état de polarisation incident quelle que soit l'orientation du plan d'incidence.
Ainsi, le brevet FR2841339 décrit l'utilisation d'un substrat possédant des propriétés optiques particulières (« Supports anti-réfléchissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumière polarisée en réflexion », D. Aussere et al.,) de manière à ce que la polarisation de la lumière réfléchie soit indépendante de l'azimut du plan d'incidence. Toutefois, ce n'est pas vrai pour des substrats usuels. Cependant, la solution proposée ci-dessus de substrats non dépolarisant, ne fonctionne rigoureusement que pour un angle d'incidence. La plage d'incidence considérée est alors réduite et ne peut en aucun cas s'étendre à de fortes ouvertures numériques.
d) Micro-ellipsomètre à sélection radiale
Un ellipsomètre fonctionne théoriquement avec un faisceau lumineux polarisé en ondes planes {ie d'ouverture nulle) dans un plan d'incidence et sous un angle d'incidence non nul par rapport à la normale à l'échantillon. D'autre part, un microscope utilise généralement un faisceau d'éclairage dont l'ouverture est élevée et dont l'axe est perpendiculaire à la surface de l'échantillon. Certes, pour illuminer un échantillon sous un angle d'incidence donné au travers d'un objectif de microscope, il est simple de sélectionner au moyen d'un diaphragme annulaire sur le faisceau d'illumination un anneau de lumière incidente, correspondant à l'angle d'incidence choisi. Toutefois dans ce cas, un microscope ne comprend alors pas un unique plan d'incidence, mais une multitude de plans d'incidence, chacun des plans d'incidence étant défini par un angle d'azimut autour de l'axe de l'objectif. Si le faisceau incident a une répartition de polarisation uniforme spatialement, l'orientation de la polarisation par rapport à chaque plan d'incidence devient non uniforme après réflexion sur l'échantillon et traversée de l'objectif, ce qui brouille la mesure ellipsométrique.
e) Micro Ellipsomètre résolu en azimut
Pour résoudre le problème lié à la multiplicité de plans d'incidence, une solution connue en microscopie consiste à ne retenir qu'une petite partie du faisceau d'illumination, au moyen d'un diaphragme placé sur le faisceau incident pour sélectionner un seul azimut. Cette solution présente bien entendu un inconvénient majeur en termes de luminosité.
Une autre solution connue consiste à résoudre spatialement le signal sur un détecteur imageur en fonction de l'azimut et/ou au moyen d'un traitement numérique du signal.
On peut aussi envisager ne pas utiliser de diaphragme et de récolter l'ensemble des informations sur un imageur dont chaque pixel correspond à un angle d'incidence et un azimut (cf par exemple « Angle-resolved annular data acquisition method for microellipsometry », Sang-Heon Ye et al., Optics Express 15 (2007) 18056). L'inconvénient de cette solution est que des calculs complexes sont nécessaires pour extraire les données ellipsométriques. Cette configuration ne se prête pas simplement à de l'imagerie. De plus, la configuration de mesure n'est optimale que pour un seul azimut, et pas pour l'ensemble de ces azimuts. Enfin, une difficulté supplémentaire concerne la calibration quantitative de cet appareil.
Le brevet US 6,698,51 1 J. R. Léger and Q. Z. Zhan, décrit un ellipsomètre imageur basé sur l'utilisation d'un seul objectif de microscope et de filtres spatiaux. On note que, dans ce dispositif, l'illumination de l'échantillon se fait avec une lumière polarisée uniformément et linéairement. Un autre exemple est présenté dans US 6,275,291 (« Micropolarimeter and ellipsometer », M. Abraham and M. Eberhardt) qui décrit un ensemble de micro-ellipsomètres traitant le faisceau passant dans l'objectif comme une multitude de faisceaux différents, analysés respectivement par une multitude d'ellipsomètres microscopiques.
f) Microscope et ellipsomètre à symétrie radiale
D'autres configurations ont encore été proposées. Par exemple, Qiwen Zhan et James Léger, ont proposé un ellipsomètre ayant une symétrie radiale adaptée à la symétrie d'un objectif autour de l'axe optique du microscope: « Microellipsometer with Radial symmetry, Qiwen Zhan and James R. Léger », Applied Optics 41, 4630 ( 2002). Le choix affiché dans cette publication est d'illuminer avec un état de polarisation circulaire uniforme spatialement sur toute la zone d'illumination et d'analyser le faisceau réfléchi au moyen d'un analyseur radial. Un analyseur radial est un composant optique qui laisse passer la composante de polarisation linéaire orientée localement de manière radiale par rapport au centre de cet analyseur radial, dont l'axe optique est lui- même aligné avec l'axe optique de l'objectif. Plus récemment, ce même principe d'illumination au moyen d'un faisceau polarisé uniformément en polarisation circulaire et d'analyse au moyen d'un analyseur non-uniforme à symétrie radiale placé devant un détecteur matriciel, a été appliqué pour réaliser un micro-ellipsomètre (« High spatial resolution nulling microellipsometer using rotational polarization symmetry », Alain Tschimwang and Qiwen Zhan, Applied Optics 49, 1574 (2010)). Le document US 6,693,71 1 (Ellipsometer using radial symmetry, J. R. Léger and Q. Z. Zhan) décrit d'autres concepts de micro-ellipsomètres à symétrie radiale. Tous ces concepts reposent sur l'utilisation d'une illumination dont la polarisation est à symétrie radiale et ont la particularité d'opérer sur le signal réfléchi à polarisation de symétrie radiale, pour générer un signal ellipsométrique également à symétrie radiale. La détection optique est alors effectuée sur un signal ayant une distribution spatiale de symétrie radiale. Or, travailler sur un faisceau distribué spatialement suivant une symétrie radiale pour générer un signal ellipsométrique, lui aussi à symétrie radiale, n'est pas chose aisée, car la plupart des configurations ellipsométriques connues et maîtrisées reposent sur l'utilisation d'un faisceau de distribution d'état de polarisation spatialement uniforme. Par ailleurs, même s'il est possible d'utiliser des faisceaux ayant une distribution spatiale d'états de polarisation non uniforme, la grande majorité des composants optiques de contrôle de la polarisation sont des composants présentant deux axes propres dans le plan dont l'orientation et les effets sont uniformes sur un faisceau optique. Ainsi, les lames quart d'onde, les polariseurs, les modulateurs ou les compensateurs couramment utilisés pour réaliser des ellipsomètres, ont deux axes propres dans un plan transverse à l'axe optique du faisceau, et ne se prêtent pas à la génération d'un signal ellipsométrique à distribution d'état de polarisation de symétrie radiale.
Aussi, même si le principe proposé par Zhan et Léger présente l'avantage de respecter la symétrie radiale d'un objectif de microscope, c'est un grand inconvénient que de devoir réaliser un ellipsomètre à symétrie radiale, de l'illuminateur jusqu'au détecteur.
g) Convertisseur radial de polarisation
Pour générer un faisceau incident ayant une distribution d'état de polarisation de symétrie radiale, ou pour analyser radialement une distribution d'états de polarisation, on utilise non pas un polariseur linéaire classique mais un convertisseur radial de polarisation. On connaît des convertisseurs de polarisation, utilisés notamment en microscopie pour réaliser une illumination à polarisation radiale, qui présentent certains intérêts : le fait d'illuminer à l'angle de Brewster et pour la polarisation qui n'est pas réfléchie à cet angle (US2006/0268265 par Yung-Ho Chuang et al., « reducing variation in energy reflected from a sample due to thin film interférence ») ; un microscope de type confocal utilisant différentes polarisations à symétrie radiales pour l'illumination (demande de brevet US2009/0284835, Doron Meshulah et al., « Scanning-microscopy using inhomogeneous polarizations ») ; une meilleure focalisation (US2010/0007863 C. Jorsdanoska) ; et différentes applications présentées dans (Advances in Optics and Photonics, vol. 1 , pp1 -57 (2009), par Qiwen Zhan).
Certes, un convertisseur radial de polarisation permet de transformer la distribution spatiale d'un état de polarisation, pour passer d'un état de polarisation linéaire spatialement uniforme à un état de polarisation linéaire ayant une distribution radiale, lorsqu'un axe du convertisseur est aligné avec l'état de polarisation uniforme d'entrée, ou respectivement pour générer à un état de polarisation linéaire ayant une distribution azimutale, lorsqu'un axe du convertisseur est orienté perpendiculairement relativement à l'état de polarisation uniforme d'entrée.
Toutefois, en ellipsométrie, on cherche à sonder la variation du rapport rp/rs lors de la réflexion ou réfraction sur la surface d'un échantillon. Dans un ellipsomètre classique, on oriente donc le polariseur d'entrée à 45° des axes du plan d'incidence pour sonder à la fois l'état de polarisation p et l'état de polarisation s.
Cependant, un convertisseur radial ne permet pas facilement de combiner deux états de polarisation linéaires transverses.
De même, un analyseur radial de polarisation permet d'analyser l'état de polarisation soit selon un état de polarisation linéaire (p) soit selon l'état de polarisation linéaire (s) mais ne permet pas d'obtenir d'information sur la modification du rapport rP/rs.
Dans les ellipsomètres à analyseur radial, l'échantillon et le convertisseur radial de polarisation affectent le signal de sortie.
Un convertisseur radial de polarisation modifie non seulement la distribution spatiale d'un état de polarisation, mais modifie également l'état de polarisation lui- même de manière non homogène spatialement. Seul un état de polarisation linéaire soit parallèle ou soit perpendiculaire à un axe propre d'un convertisseur radial conservent en sortie un état de polarisation linéaire de distribution radiale ou respectivement azimutale.
Tout état de polarisation uniforme en entrée d'un convertisseur radial qui n'est pas un état de polarisation linéaire est transformé en une distribution d'états de polarisation qui ne présente généralement pas de symétrie radiale.
L'invention a pour objectif de remédier aux inconvénients des dispositifs antérieurs et de proposer d'augmenter la résolution spatiale d'un ellipsomètre tout en conservant une grande luminosité ; un ellipsomètre imageur fournissant des mesures ellipsométriques de bonne qualité ; un microscope compatible avec des mesures ellipsométriques résolues à la fois en fonction de l'angle d'incidence et de l'angle d'azimut ; un procédé de mesure polarimétrique à forte résolution spatiale (micrométrique ou sub- micrométrique).
L'invention concerne un dispositif de mesure polarimétrique à résolution microscopique comprenant :
une partie excitation comprenant :
- une source de lumière apte à émettre un faisceau lumineux incident sur un domaine de longueur d'onde et,
- un générateur d'état de polarisation apte à générer un faisceau optique incident présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- des premiers moyens de conversion de polarisation aptes à recevoir ledit faisceau optique incident de polarisation spatialement uniforme et à le convertir en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique et selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ;
- des moyens optiques de focalisation ayant un axe optique pour focaliser ledit faisceau à polarisation de symétrie cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer, ledit axe optique étant confondu avec la normale à l'échantillon ;
une partie analyse comprenant :
- des moyens optiques de collection pour collecter le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optique de collection ayant un axe optique confondu avec l'axe optique dudit faisceau lumineux réfléchi ou transmis ;
- des seconds moyens de conversion de polarisation disposés de manière à recevoir ledit faisceau lumineux collecté, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant aptes à convertir un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique selon laquelle un vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale et d'une composante azimutale de polarisation en un faisceau ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ;
- un analyseur d'état de polarisation apte à recevoir le faisceau optique converti par les seconds moyens de polarisation et à analyser l'état de polarisation dudit faisceau optique suivant une base cartésienne d'états de polarisation ;
- des moyens de détection aptes à recevoir ledit faisceau lumineux analysé en polarisation par l'analyseur.
Selon un mode de réalisation particulier, les premiers moyens de conversion de polarisation et les seconds moyens de conversion de polarisation sont formés par un unique convertisseur de polarisation utilisé suivant deux directions de propagation opposées et en ce que lesdits moyens optiques de focalisation et de collection sont confondus.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit convertisseur de polarisation est un convertisseur à cristaux liquides comprenant une face à symétrie cartésienne et une face à symétrie cylindrique.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit convertisseur de polarisation est un convertisseur de polarisation apte à convertir la distribution d'état de polarisation de cartésien en cylindrique tout en conservant l'état de polarisation du faisceau.
Selon un mode de réalisation particulier, le générateur d'état de polarisation est un polariseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit polariseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des premiers moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul.
Selon un mode de réalisation particulier, l'analyseur d'état de polarisation est un analyseur linéaire spatialement uniforme et l'axe de polarisation dudit analyseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des seconds moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul.
Selon différents aspects de modes de réalisation particuliers, le dispositif de mesure polarimétrique comporte en outre :
des moyens optiques de séparation du faisceau incident sur l'échantillon et du faisceau réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optiques de séparation étant disposés sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation et le convertisseur de polarisation ; un diaphragme de champ, un diaphragme d'ouverture et/ou des moyens d'analyse spectroscopique des signaux détectés ;
un prisme de Nomarski, le convertisseur étant situé entre le prisme de Nomarski et lesdits moyens optiques de focalisation.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdites mesures polarimétriques sont des mesures ellipsométriques, des mesures d'ellipsométrie de Mueller ou des mesures de scattérométrie.
L'invention concerne aussi un accessoire polarimétrique pour microscope comprenant : un générateur d'état de polarisation apte à recevoir un faisceau optique incident et à générer un faisceau optique présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
un convertisseur de polarisation radial ou cylindrique apte à convertir un faisceau se propageant dans une première direction de propagation axiale et ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique, et réciproquement ledit convertisseur étant apte à convertir un faisceau se propageant dans une seconde direction axiale contra-propagative à la première direction et ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique autour de l'axe optique en un faisceau ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; un analyseur d'état de polarisation selon une base cartésienne d'état de polarisation ;
ledit convertisseur étant disposé sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation et l'objectif de microscope d'une part et entre l'objectif de microscope et l'analyseur d'état de polarisation d'autre part. L'invention concerne aussi un microscope-ellipsomètre imageur comprenant un accessoire selon un mode de réalisation de l'invention, un objectif de microscope d'ouverture numérique supérieure ou égale à 0,7 et un détecteur imageur.
L'invention concerne aussi un microscope à contraste ellipsométrique comprenant un accessoire selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant :
- un premier convertisseur pour diriger un faisceau optique vers un échantillon à mesurer,
- un second convertisseur pour diriger le faisceau optique réfléchi ou transmis par l'échantillon vers un substrat de référence,
- lesdits premier et second convertisseurs ayant leurs axes propres orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.
Enfin, l'invention concerne aussi un procédé de mesure polarimétrique comprenant les étapes suivantes :
- on génère un faisceau lumineux incident ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- on convertit la distribution du vecteur de polarisation dudit faisceau incident en une distribution d'état de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique, selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; - on focalise ledit faisceau de polarisation à symétrie cylindrique ou semi- cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer suivant un axe optique confondu avec la normale à l'échantillon;
- on collecte le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon;
- on convertit la distribution spatiale d'état de polarisation du faisceau collecté de manière à convertir une distribution d'état de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique en une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ;
- on analyse l'état de polarisation du faisceau collecté et converti en polarisation ;
- on détecte le faisceau analysé.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de mesure polarimétrique comprend en outre l'une des étapes suivantes :
on analyse spectroscopiquement le faisceau détecté ;
on détecte une image de la surface de l'échantillon sur un détecteur imageur ; et/ou
on détecte une image d'un plan conjugué optiquement de la surface de l'échantillon.
Une autre manière d'exprimer les choses est la suivante. L'invention concerne un dispositif de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique, ledit dispositif de mesure polarimétrique à résolution microscopique comprenant :
une partie excitation comprenant :
- une source de lumière apte à émettre un faisceau lumineux incident sur un domaine de longueur d'onde et,
- un générateur d'état de polarisation apte à générer un faisceau optique incident présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- des moyens optiques de focalisation ayant un axe optique pour focaliser ledit faisceau lumineux incident sur la surface d'un échantillon à mesurer ; une partie analyse comprenant :
- des moyens optiques de collection pour collecter le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optiques de collection ayant un axe optique ;
- un analyseur d'état de polarisation apte à recevoir le faisceau optique collecté par lesdits moyens optiques de collection et à analyser l'état de polarisation dudit faisceau optique suivant une base cartésienne d'états de polarisation ; et - des moyens de détection aptes à recevoir ledit faisceau lumineux analysé en polarisation par l'analyseur ;
ledit générateur d'état de polarisation et/ou ledit analyseur d'état de polarisation comprenant en outre des moyens de modulation de la polarisation.
Selon l'invention, lesdits moyens optiques de focalisation sont disposés de manière à ce que ledit axe optique desdits moyens optiques de focalisation soit confondu avec la normale à l'échantillon ; lesdits moyens optiques de collection sont disposés de manière à ce que ledit axe optique desdits moyens optiques de collection soit confondu avec l'axe optique dudit faisceau lumineux réfléchi ou transmis ; la partie excitation comprend des premiers moyens de conversion de polarisation disposés entre ledit générateur d'état de polarisation et lesdits moyens optiques de focalisation, lesdits premiers moyens de conversion de polarisation étant orientés de manière à recevoir ledit faisceau optique incident de polarisation spatialement uniforme et à le convertir en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique et selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; et la partie analyse comprend des seconds moyens de conversion de polarisation disposés entre lesdits moyens optiques de collection et ledit analyseur d'état de polarisation, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant orientés de manière à recevoir ledit faisceau lumineux collecté, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant aptes à convertir un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique selon laquelle un vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale et d'une composante azimutale de polarisation en un faisceau ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation.
Selon un aspect particulier du dispositif de l'invention, lesdites mesures polarimétriques sont des mesures ellipsométriques, des mesures d'ellipsométrie de Mueller ou des mesures de scattérométrie, la matrice desdits moyens de conversion de polarisation exprimant les coordonnées dans le repère cylindrique de la polarisation d'un faisceau émergent de la face à symétrie cylindrique, en fonction des coordonnées dans le repère cartésien de la polarisation du faisceau incident sur la face à symétrie cartésienne, étant diagonale du type:
il ολ
M— = β)
où les coefficients , β de cette matrice sont uniformes sur chaque moitié du composant. L'invention concerne aussi un accessoire de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique pour microscope comprenant :
un générateur d'état de polarisation apte à recevoir un faisceau optique incident et à générer un faisceau optique présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
un analyseur d'état de polarisation selon une base cartésienne d'état de polarisation ;
des moyens de modulation de la polarisation disposés entre ledit générateur d'état de polarisation et ledit analyseur d'état de polarisation, et
un convertisseur de polarisation radial ou cylindrique disposé sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation et l'objectif de microscope d'une part et entre l'objectif de microscope et l'analyseur d'état de polarisation d'autre part,
ledit convertisseur étant orienté par rapport au générateur d'état de polarisation de manière à convertir un faisceau se propageant dans une première direction de propagation axiale et ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle et réciproquement ledit convertisseur assurant la conversion d'un faisceau se propageant dans une seconde direction axiale contra-propagative à la première direction et ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique autour de l'axe optique en un faisceau ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme.
L'invention concerne aussi un procédé de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique comprenant les étapes suivantes :
- on génère un faisceau lumineux incident ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- on convertit la distribution du vecteur de polarisation dudit faisceau incident en une distribution d'état de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique, selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; - on focalise ledit faisceau de polarisation à symétrie cylindrique ou semi- cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer suivant un axe optique confondu avec la normale à l'échantillon;
- on collecte le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon ; - on convertit la distribution spatiale d'état de polarisation du faisceau collecté de manière à convertir une distribution d'état de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique en une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ;
- on analyse l'état de polarisation du faisceau collecté et converti en polarisation ;
- on détecte le faisceau analysé.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse en micro- ellipsométrie, en microscopie à contraste ellipsométrique, ou encore en imagerie ellipsométrique à résolution micrométrique.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description est donnée à titre d'exemple non limitatif et fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un ellipsomètre ;
- la figure 2A représente schématiquement en vue éclatée les deux faces d'un convertisseur de polarisation cartésien-cylindrique connu dans l'art antérieur ; la figure 2B représente schématiquement une projection dans un plan transverse à l'axe optique des repères cartésien et cylindrique associés respectivement aux deux faces 1 1 et 12 du convertisseur ainsi que l'orientation des axes des cristaux liquides pour passer d'une face à l'autre face du convertisseur ;
- la figure 3 représente schématiquement un micro-ellipsomètre selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 représente schématiquement la propagation d'un faisceau de polarisation uniforme à travers un objectif de microscope et après réflexion sur un échantillon ;
- la figure 5 représente schématiquement la propagation d'un faisceau de polarisation uniforme à travers un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé à travers un convertisseur et un objectif de microscope dans un plan d'incidence quelconque ; - la figure 7 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé à travers un dispositif de microscope à contraste ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention;
- la figure 8 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope à éclairage épiscopique et fonctionnant en lumière polarisée selon l'art antérieur ;
- la figure 9 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 représente schématiquement une vue en coupe de la partie détection d'un microscope selon un mode de réalisation de particulier de l'invention ;
- la figure 1 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention utilisant la partie détection représentée sur la figure 10.
L'invention repose sur l'utilisation d'un composant appelé convertisseur de polarisation « cartésien vers cylindrique » et d'un analyseur de polarisation.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on utilise, dans une configuration particulière, un convertisseur de polarisation à cristaux liquides tel que décrit notamment par Stalder et al. Opt. Lett. 21 p. 1948 (1996). La figure 2A représente schématiquement en vue éclatée les deux faces d'un tel convertisseur de polarisation cartésien-cylindrique à cristaux liquides. Un tel convertisseur de polarisation à cristaux liquides comporte deux faces distinctes désignées dans le présent document : face cartésienne 1 1 et face cylindrique 12 respectivement. La face cartésienne 1 1 comporte deux axes propres, orientés à 90°, ces axes propres sont repérés par ux et uy , l'un des axes ux, uy étant un axe d'alignement des cristaux liquides. La face « cylindrique » comporte un centre O et il est commode de lui associer un repère en coordonnées cylindriques (centré en O) u9, ur. La figure 2B représente une projection dans un plan transverse à l'axe optique des repères cartésien et cylindrique associés respectivement aux deux faces 1 1 et 12 du convertisseur ainsi que l'orientation des axes des cristaux liquides pour passer d'une face à l'autre face du convertisseur. Le convertisseur de polarisation reçoit sur sa face cartésienne 1 1 un faisceau incident parallèle à son axe optique. D'après Stalder et al. on sait que lorsque le faisceau incident sur la face cartésienne est polarisé linéairement et de polarisation uniforme, l'axe de la polarisation incidente étant aligné sur l'un des axes ux ou respectivement uy, le convertisseur transforme ce faisceau en un faisceau de polarisation radiale ou respectivement azimutale. Plus généralement, lorsque le faisceau incident sur la face cartésienne a une polarisation uniforme spatialement du type : a.ux + b.uy (exprimée dans la base cartésienne) le convertisseur transforme ce faisceau incident de polarisation uniforme en un faisceau émergent de sa face cylindrique, de polarisation non uniforme, mais dont la distribution d'états de polarisation est de symétrie cylindrique autour de l'axe optique et qui s'exprime (dans la base cylindrique) par [a.u9 - b.exp(j.%).ur]*Sign(-y). Le facteur exp(j.%) exprime le fait qu'il peut y avoir un déphasage χ entre la composante radiale et la composante azimutale de l'onde, ce déphasage étant introduit lors de la traversée du convertisseur de polarisation. Le coefficient Sign(-y) est égal à -1 si y est positif (ou, ce qui revient au même, si φ est compris entre 0 et π ) et Sign(-y) est égal à +1 si y est négatif (ou, ce qui revient au même, si φ est compris entre π et 2π). Le comportement de ce convertisseur n'est pas défini au voisinage immédiat de 0 ni sur l'axe où y est égal à 0. Réciproquement, un faisceau ayant une polarisation de symétrie cylindrique incident sur la face cylindrique, dont la distribution d'états de polarisation est donnée dans le repère cylindrique par a.u9 + b.ur , ce faisceau sort de la face cartésienne du convertisseur sous la forme d'un faisceau dont la distribution d'état de polarisation est uniforme, et donnée par [a.ux - b.exp(j. %).uy]*Sign(-y).
On notera que c'est la direction de la polarisation émergente qui est à symétrie cylindrique, son sens, lui, n'étant pas le même dans les deux demi-parties du composant, étant affecté par Sign(-y).
Notons que la publication Stalder divulgue essentiellement l'utilisation d'un convertisseur de polarisation dans une configuration où la direction de propagation du faisceau va de la face cartésienne vers la face cylindrique, et où le vecteur de polarisation incident est aligné suivant l'un des axes du convertisseur pour générer un faisceau de polarisation soit radiale soit azimutale. Cette publication ne divulgue pas l'utilisation d'un tel convertisseur pour générer un faisceau de polarisation cylindrique généralisé (generalized cylindrical vector beam ou encore generalized CV Beam), comprenant des composantes radiale et azimutale. Ce document ne divulgue pas non plus l'utilisation d'un tel convertisseur avec un faisceau se propageant depuis la face cylindrique vers la face cartésienne. Notamment, le couplage d'un faisceau de polarisation cylindrique généralisé, comprenant une combinaison linéaire de composantes radiale et azimutale non nulles, à la face cylindrique d'un tel convertisseur pour générer un faisceau de polarisation uniforme spatialement n'est pas décrit.
En d'autres termes, le convertisseur de polarisation de Stalder et Schadt est décrit, pour le passage d'une onde polarisée uniformément dans un repère cartésien, par la matrice de transformation suivante :
M_ = .¾«(-> ^ _exp°( .J où le déphasage χ dépend de la longueur d'onde.
Pour le passage de la face cylindrique vers la face cartésienne, la matrice de transformation des coordonnées (exprimées dans le système de coordonnées relatif à chaque face) est la suivante : Μ_ = .¾«(->·)^ _exp°( .J
Il peut être avantageux d'utiliser un convertisseur de polarisation parfait, c'est-à- dire pour lequel χ est proche de zéro. Un tel convertisseur conserve l'ellipticité de la polarisation incidente, l'ellipticité de la polarisation sortante étant identique à celle de la polarisation incidente. Un convertisseur qui convient pour mettre en œuvre l'invention est selon un mode de réalisation préféré basé sur un convertisseur à cristaux liquides.
D'autres modes de réalisation de l'invention peuvent utiliser d'autres types de convertisseurs de polarisation, reposant par exemple sur l'utilisation de lames demi- onde segmentées, des réseaux diffractifs ou subdiffractifs à symétrie cylindrique,
Un convertisseur de polarisation est utilisable dans l'invention dès lors que lors de sa traversée, la matrice exprimant les coordonnées dans le repère cylindrique de la polarisation d'un faisceau émergent de la face à symétrie cylindrique, en fonction des coordonnées dans le repère cartésien de la polarisation du faisceau incident sur la face à symétrie cartésienne, est diagonale, c'est-à-dire du type:
où les coefficients , β de cette matrice sont uniformes sur chaque moitié du composant.
Le convertisseur permet donc de transformer un faisceau optique ayant une distribution d'états de polarisation spatialement uniforme, en un faisceau ayant une distribution d'états de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique.
On utilise également un convertisseur pour transformer un faisceau ayant une distribution d'états de polarisation de symétrie cylindrique en un faisceau optique ayant une distribution d'états de polarisation uniforme dans un repère cartésien.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, représenté schématiquement sur la figures 3, un même convertisseur 10 est utilisé dans les deux sens de propagation le long de l'axe optique 8 d'une lentille 7 de focalisation : une première fois dans le sens de conversion cartésien vers cylindrique et une seconde fois dans le sens de conversion cylindrique vers cartésien. Le trajet lumineux traverse deux fois le convertisseur 10, une fois avant de frapper l'échantillon 5, et la seconde fois, au retour. Par contre, les composants de conditionnement 2 et d'analyse 3 de la polarisation placés respectivement en amont et en aval du convertisseur sont différents pour le faisceau incident et réfléchi. De plus, on n'utilise pas de composant optique pour filtrer une polarisation propre particulière (radiale ou azimutale), puisqu'on cherche justement à avoir une information sur les deux polarisations (contrairement aux dispositifs utilisant un polariseur radial et non un convertisseur de polarisation).
I. Modes de réalisation selon l'invention 1 ) Ellipsomètre à résolution microscopique
Dans l'invention, on construit un micro-ellipsomètre formé de deux sous ensembles :
- un ellipsomètre (ou Mueller-mètre) conventionnel, comportant un bras d'illumination 2 dans lequel la polarisation sortante est uniforme dans le repère cartésien ux et uy. On peut l'écrire a.ux+b.uy. L'ellipsomètre comporte aussi un bras de détection 3, adapté à mesurer l'état de polarisation entrante dans le même repère ux , uy. Si l'on note la polarisation entrant dans le bras de détection rx.ux + ry.uy, l'ellipsomètre conventionnel mesure le rapport complexe ry / rx. Dans le cas d'un ellipsomètre imageur, on mesure une cartographie de ry / rx dans le plan (x, y) ;
- le convertisseur de polarisation 10 et des pièces optiques permettant d'intercepter en entrée vers sa face cartésienne 1 1 tout ou partie du bras d'illumination de l'ellipsomètre, les axes propres de sa face cartésienne 1 1 coïncidant avec les axes propres de l'ellipsomètre, orientés par les vecteurs ux et uy. En sortie, le convertisseur 10 envoie tout ou partie de la lumière émergente vers le bras de détection 3 de l'ellipsomètre. Le faisceau lumineux émergent par la face cylindrique 12 du convertisseur va vers l'objectif 7 du microscope, l'axe optique 8 de l'objectif 7 étant aligné sur le centre O de la face cylindrique 12 du convertisseur de polarisation 10.
- Un objectif de microscope 7, placé sensiblement perpendiculairement à l'échantillon 5 à étudier.
En ce qui concerne les pièces optiques permettant d'envoyer le faisceau du bras d'illumination 2 vers le convertisseur 10, et le faisceau issu du convertisseur 10 vers le bras de détection 3, on pourra se servir de lames séparatrices 6. On préfère placer le plan d'incidence de ces lames 6 et des différentes interfaces, soit selon ux soit selon uy afin de permettre une calibration simple des changements d'amplitude et de phase à la réflexion qui pourraient se traduire par rp / rs différent de 1 .
2) Microscope comprenant un accessoire d'ellipsométrie
Partons d'un microscope adapté à l'observation en lumière polarisée en épiscopie, tel que représenté schématiquement par exemple à la figure 8. Plutôt que de limiter l'influence des effets d'incidence sur la polarisation en travaillant en orthoscopie, ou plutôt que de recourir à des substrats particuliers, notre approche est conceptuellement totalement différente. On part d'un champ de polarisation de la lumière incidente ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation, qui s'exprime dans un repère cartésien sous la forme a.ux + b.uy , avec a et b constants sur le champ objet (x, y). On transforme cette distribution d'état de polarisation au moyen de composants ayant leurs axes optiques uniformes de manière à générer en un champ de polarisation de symétrie cylindrique qui s'exprime : [a.u, -b.exp(j.x).ur]*Sign(-y)
dans le repère cylindrique ayant pour axe l'axe optique 8 de l'objectif 7.
Le facteur exp(j.%) exprime le fait qu'il peut y avoir un déphasage entre la composante radiale et la composante azimutale de l'onde, introduit par le convertisseur de polarisation 10. Cette transformation est opérée par un convertisseur de polarisation 10 dont les axes principaux sont orientés selon ux, uy, et dont le centre est sur l'axe optique 8 de l'objectif 7. Dans ce repère, le vecteur radial ur est dans le plan d'incidence et le vecteur orthoradial (aussi dénommé azimuthal) ιιφ est perpendiculaire au plan d'incidence. Le rayon réfléchi s'exprime donc (si l'on note rp(0) et rs(0) les coefficients de réflexion sous un angle d'incidence 0, pour une polarisation respectivement parallèle et perpendiculaire au plan d'incidence) :
[rp(0).a.u«p- rs(0).b. exp(j.%).ur]*Sign(-y)
En repassant en sens inverse, dans le convertisseur de polarisation, le faisceau considéré a une polarisation qui s'exprime comme suit :
[rp(0).a.ux + rs(0).b.uy]*Sign(-y)*Sign(+y)= -[rp(0).a.ux + rs(0).b.uy]
La formule ci-dessus reste valable quel que soit l'azimut φ avec lequel le rayon traverse l'objectif. Tout se passe donc comme si le système selon l'invention « simplifiait » l'objectif de microscope en un objectif « 2D plan » ayant un seul et unique plan d'incidence.
La figure 4 représente schématiquement un dispositif de microellipsométrie selon l'art antérieur. Une source 1 émet un faisceau lumineux. Sur la figure 4, sont représentés deux rayons 31 a et 31 b, parallèles à l'axe optique 8 de la lentille 7 et situés à une même distance de l'axe optique 8 mais à des azimuts différents. Des moyens de polarisation (non représentés) définissent un état de polarisation spatialement uniforme du faisceau incident. Les rayons 31 a (en trait plein) et 31 b (en tirets) ont donc le même état de polarisation (représenté sous forme d'une polarisation elliptique). Les faisceaux 31 a et 31 b sont dirigés vers une lentille 7 (ou un objectif de microscope) de forte ouverture numérique. On considère la propagation des deux rayons d'ouverture identique et d'azimut différents (respectivement en trait plein et en traits-tiretés) à travers la lentille 7 avant et après réflexion sur l'échantillon 5, c'est-à-dire dans deux plans d'incidence. Dans un premier plan d'incidence, le rayon figuré en trait plein, le faisceau de polarisation 31 a traverse la lentille 7 et devient le faisceau 32a incident sur l'échantillon. La lentille 7 ne modifie pas l'état de polarisation des faisceaux transmis 32a, 32b. Le faisceau situé dans le premier plan d'incidence est polarisé elliptiquement, avec un axe de l'ellipse de polarisation 32a situé dans son plan d'incidence. Lors de la réflexion sur l'échantillon 5, ce faisceau connaît une évolution et devient un faisceau 33a dont le grand axe est multiplié le coefficient de réflexion rp, relatif à la réflexion d'un rayon dans le plan d'incidence, et dont le petit axe par rs, relatif à la réflexion d'un rayon perpendiculairement au plan d'incidence. Dans un second plan d'incidence, le rayon en traits-tiretés a une ellipse de polarisation 32b dont l'axe n'est plus dans le second plan d'incidence après avoir une première traversée de la lentille 7. Après réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation 33b est différent de l'état de polarisation 33a en pointillés. L'état de polarisation n'est donc pas le même dans des plans d'incidence distincts. Par conséquent, il n'est pas possible de collecter ensemble des rayons comme le pointillé et le trait-tireté pour faire de l'imagerie ellipsométrique. Le signal ellipsométrique dépend ainsi du plan d'incidence (ou de l'azimut) sous lequel ils ont traversé la lentille, ce qui rend l'analyse compliquée. Comme indiqué dans l'art antérieur, il est alors nécessaire d'effectuer une sélection en azimut ou d'analyser radialement le signal 33a, 33b en fonction de l'angle d'incidence et de l'angle d'azimut.
La figure 5 permet d'expliquer le fonctionnement de l'invention. Dans le dispositif de l'invention (figure 5), on a rajouté un convertisseur de polarisation 10, dont la face à symétrie cylindrique 12 est disposée du côté de l'objectif 7 et centrée sur l'axe optique 8 de l'objectif. Le faisceau incident a une distribution uniforme spatialement d'état de polarisation. Sur la figure 5, les rayons 31 a (en trait plein) et 31 b (en tirets) ont une polarisation initiale elliptique dont le grand axe est orienté parallèlement à l'axe x du convertisseur de polarisation 10. A la sortie du convertisseur 10, les ellipses de polarisation 34a et 34b des rayons transmis ont leur grand axe dans la direction radiale et lorsque ensuite les rayons 34a et 34b traversent la lentille 7, ce grand axe est dans le plan d'incidence de chaque rayon. Dans ce cas, pour chacun des rayons, l'ellipse de polarisation 35a, respectivement 35b connaît la même évolution lors de la réflexion sur la surface de l'échantillon 5 : le grand axe de chaque ellipse est multiplié le coefficient de réflexion Rp, relatif à la réflexion d'un rayon dans le plan d'incidence, et le petit axe par Rs, relatif à la réflexion d'un rayon perpendiculairement au plan d'incidence. On constate donc que la symétrie cylindrique de la distribution d'état de polarisation n'est pas modifiée par la réflexion sur l'échantillon 5, ni par la deuxième traversée de la lentille 7.
Mais ce n'est pas tout, car au retour, le convertisseur de polarisation 10 joue aussi un rôle décisif, puisqu'il permet, comme on le voit sur le rayon dessiné en traits tiretés, de remettre l'ellipse de polarisation 36b dans le repère cartésien uniforme. Ainsi, tous les rayons de même angle d'incidence quel que soit leur azimut φ, qui ont un même état de polarisation 35a, 35b dans un repère polaire avant de traverser le convertisseur de polarisation 10, ont aussi un même état de polarisation 36a, 36b dans un repère cartésien après avoir effectué un aller-retour dans ce convertisseur 10 et l'objectif 7 (ou la lentille) à forte ouverture numérique. Tous ces rayons 36a et 36b sont porteurs de l'information « ellipsométrique » relative à la réflexion sous incidence oblique sur la surface 5 et contribuent de la même manière au signal ellipsométrique pour un même angle d'incidence et à la longueur d'onde considérée quel que soit leur azimut φ. Il est alors possible d'additionner les contributions des rayons 36a et 36b afin de les analyser de manière classique en utilisant un analyseur linéaire de polarisation, comme c'est couramment le cas en ellipsométrie et en Mueller-métrie.
L'arrangement de la figure 5 est essentiel pour faire de l'imagerie.
On notera que la figure 5 représente le cas où le convertisseur de polarisation 10 n'induit pas de déphasage entre les deux polarisations propres (χ=0) par souci de simplicité. C'est aussi un cas avantageux puisqu'il peut simplifier la calibration, et le fait d'obtenir χ=0 sur une plage importante de longueur d'onde facilite le travail en lumière blanche, du fait que ce composant est pratiquement achromatique.
On notera par ailleurs que le fait que chaque rayon lumineux fasse un trajet aller et un trajet retour dans le convertisseur de polarisation 10, à deux azimuts qui diffèrent de 180°, fait que l'on peut utiliser un convertisseur de polarisation 10 qui présente un déphasage différent selon le demi-plan suivant lequel on le traverse (c'est le « Sign(- y) » dans les formules au-dessus, qui correspond à un déphasage de π lorsque le rayon traverse le composant à une abscisse y>0). En effet, un rayon lumineux se réfléchissant sur la surface de l'échantillon traverse une fois le convertisseur à une abscisse positive, l'autre fois pour une abscisse négative. Par conséquent, on obtient un déphasage uniforme lors de l'aller-retour quel que soit l'azimut du rayon.
La figure 6 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé elliptiquement dans un plan d'incidence quelconque à travers un convertisseur 10 et un objectif 7 de microscope. Un faisceau incident est défini par son état de polarisation 21 spatialement uniforme. Ce faisceau polarisé 21 est incident sur la face cartésienne 1 1 du convertisseur 10. La face cylindrique 12 de centre 0 est centrée sur l'axe optique 8 de l'objectif 7. Le faisceau émergent de la face cylindrique 12 du convertisseur 10 présente une distribution d'état de polarisation 22 de symétrie cylindrique autour de l'axe 8. L'objectif 7 est choisi pour ne pas modifier l'état de polarisation du faisceau. Le faisceau incident 23 sur l'échantillon 5 est de symétrie cylindrique autour de l'axe 8. Après réflexion, le faisceau polarisé elliptiquement voit son état de polarisation modifié par les coefficients de réflexion Rp et Rs de l'échantillon. Le faisceau réfléchi a un état de polarisation 24 modifié comparé au faisceau 23. Cependant, le faisceau incident ayant une distribution de polarisation de symétrie cylindrique, dans chaque plan d'incidence, la modification de polarisation est identique. Sur le trajet retour, le faisceau 24 retraverse l'objectif 7, pour former un faisceau polarisé 25, qui est incident sur la face cylindrique 12 du convertisseur 10. L'état de polarisation des faisceaux 22, 23, 24 et 25 est uniforme dans un repère de coordonnées polaires. Après traversée du convertisseur 10 dans le sens polaire-cartésien, le faisceau 26 a donc une distribution d'état de polarisation uniforme dans un repère cartésien. De par le fonctionnement du convertisseur 10, tous les plans d'incidence sont équivalents à celui représenté sur la figure 6 et ont la même contribution au signal. L'utilisation du convertisseur de polarisation 1 0 situé juste en amont de l'objectif 7 et sur le trajet aller-retour de la lumière, l'orientation d'un analyseur, d'un polariseur et éventuellement d'un compensateur situé en aval du polariseur ou en amont de l'analyseur, permettent effectivement de définir et d'analyser l'état de polarisation par rapport au plan d'incidence sur l'échantillon. Les positions des différents composants sont repérées dans le repère ux, uy défini par les axes cartésiens du convertisseur de polarisation 1 0.
Par ailleurs, on notera que la sensibilité de la technique ellipsométrique est particulièrement importante au voisinage de l'angle de Brewster ΘΒ du substrat utilisé, où l'angle ΘΒ est égal à Arctan(N) où N est l'indice du substrat. Des angles d'incidences de 60 ° ou plus peuvent être utilisés, ce qui correspond à une ouverture numérique supérieure à 0,85. On utilise avantageusement un objectif d'ouverture numérique de 0,9 ou plus, valeurs qui peuvent être obtenues sur des objectifs commerciaux. On pourra néanmoins utiliser des angles d'incidence à partir de 45 °, soit des ouvertures numériques supérieures à 0,7. On notera toutefois qu'il est important que l'objectif 7 utilisé ne modifie pas la distribution radiale d'état de polarisation. Il est important que l'objectif 7 ne présente pas de biréfringence susceptible de modifier la distribution spatiale d'état de polarisation de manière hétérogène ou aléatoire. De préférence, on utilise un objectif 7 compatible avec les observations en lumière polarisée ou bien un objectif de type Nomarski compatible avec l'observation en contraste interférentiel.
Enfin, on peut tout à fait envisager de réaliser des mesures ellipsométriques en immersion, ce qui permet d'atteindre plus facilement les conditions de Brewster. Dans le cas d'un objectif à immersion, l'angle de Brewster ΘΒ est égal à Arctan(N/NimmerSi0n) où N est l'indice du substrat et Nimmersion l'indice du milieu d'immersion.
La figure 8 représente un microscope fonctionnant en lumière polarisée selon l'art antérieur. Le microscope comprend un illuminateur 27, généralement de type Kohler. L'illuminateur 27 comprend une source de lumière 1 placée derrière un dépoli 1 a, un diaphragme d'ouverture 1 6a, un diaphragme de champ 1 7a, et plusieurs lentilles 1 b, 1 8b, 1 8c. Le tube du microscope comprend une lame séparatrice 6, un objectif 7 d'axe optique 8, une lentille de tube 9, une pupille 1 9, un diaphragme de champ 1 7a ou 17b, un oculaire 20 et un détecteur 4. Pour fonctionner en lumière polarisé, le microscope comprend un polariseur 1 3 dans le bras d'illumination, et/ou un analyseur 14 dans le bras de détection. L'orientation des axes du polariseur 1 3 et/ou de l'analyseur 14 permet l'observation de l'échantillon 5 entre polariseurs croisés par exemple.
La figure 9 représente un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention. On retrouve les composants du microscope de la figure 8. En outre, le microscope comporte un convertisseur 1 0 inséré entre la lame séparatrice 6 et l'objectif 7. Pour sélectionner un angle d'incidence Θ donné, on utilise avantageusement un diaphragme annulaire 16 inséré au niveau du diaphragme d'ouverture 16a du microscope ou dans un plan qui représente un plan de Fourier de l'échantillon 5. En orientant les composants 13 (polariseur), 14 (analyseur) et/ou 15, 15' (compensateur) on peut rechercher les conditions proches de la « nulling ellipsometry », propres à annuler la lumière émergente sur le détecteur 4, de manière à faire ressortir les plus petites variations de propriétés sur la surface 5 à observer. Toutes les connaissances de l'état de l'art concernant l'observation dans des conditions de nulling ellipsometry peuvent alors être réutilisées, mais en bénéficiant de la commodité du fait que l'incidence est obtenue au moyen d'un seul objectif dont l'axe est confondu avec la normale à l'échantillon.
On distingue deux modes d'utilisation de ce système :
- un mode « imagerie », lorque l'image formée sur l'oculaire ou la caméra 4 est celle de l'échantillon, pour un angle d'incidence Θ donné. Le système est alors un « ellipso-microscope » (illustré Figure 9) ;
- un mode « signal ellipsométrique fonction de l'angle d'incidence » (illustré
Figures 10 et 1 1 ). Si l'on choisit de s'intéresser au signal ellipsométrique fonction de l'angle d'incidence 6> sur une zone donnée de l'échantillon, auquel cas on ferme le diaphragme de champ 17a ou 17b, on met en place une lentille de Bertrand 28, et on obtient directement sur le dispositif de visualisation du microscope le signal réfléchi en fonction de l'incidence Θ et de l'azimut φ de la polarisation incidente. Contrairement aux dispositifs d'ellipsométrie résolus en azimut qui n'utilisent pas de convertisseur de polarisation, chaque cercle d'observation correspondant à une incidence donnée est homogène (pour le cas d'un échantillon isotrope) et peut du coup être intégré directement. Le signal ellipsométrique est relatif au spot lumineux créé par l'objectif 7 du microscope. Ce spot peut être rendu très petit (une dizaine de μιτι, voire 5 μιτι, ou même 1 μιτι) en restreignant le diaphragme de champ à une toute petite ouverture. Le système est alors un « micro- ellipsomètre ». Le dispositif de l'invention ne requiert donc pas l'utilisation d'un analyseur radial, d'un système complexe d'imagerie radiale, ou de traitement du signal.
On observe que le dispositif peut fonctionner aussi bien en épiscopie (c'est-à- dire la lumière illumine l'échantillon en passant par l'objectif), ou en diascopie. En diascopie, il faut alors deux convertisseurs de polarisation, un premier convertisseur 10 cartésien-cylindrique entre le polariseur et l'objectif, et un second convertisseur 10' cylindrique-cartésien entre l'objectif et l'analyseur.
Pour augmenter le contraste et le rapport signal sur bruit d'un microscope à contraste ellipsométrique, on utilise avantageusement une modulation faible des deux composants de polarisation autour de la position d'annulation et une détection synchrone d'image par rapport à chacune de ces modulations. On peut par exemple appliquer une première modulation par une petite rotation de l'analyseur autour de sa position d'annulation. Une autre solution consiste à moduler faiblement le retard d'un compensateur réalisé à partir d'une lame de cristaux nématiques commandée en tension, en modifiant faiblement la tension appliquée à cette lame à retard commandée en tension autour de la valeur permettant l'annulation.
3) Microscope à contraste ellipsométrique
On considère que l'invention permet d'ouvrir un nouveau champ d'applications en microscopie, en proposant un microscope à contraste ellipsométrique autocompensé sur une large gamme d'incidence et de longueur d'onde.
Cette prolongation de l'invention consiste en une manière d'observer (en imagerie) avec un contraste accru des objets possédant une ou deux dimensions très petites (10nm jusqu'en dessous du dixième de nm), sans être restreint à une longueur d'onde, ni à une plage d'incidence pour l'illumination, tout en bénéficiant du contraste ellipsométrique. Le fait de pouvoir travailler avec toute l'ouverture numérique de l'objectif est un avantage en termes de résolution latérale.
Afin de mieux expliquer cette prolongation de l'invention, on commence par décrire de manière détaillée, dans le formalisme matriciel de Jones, ce qui se passe lors d'un trajet qui passe par le convertisseur de polarisation 10, l'objectif 7 à grande ouverture, la réflexion sur l'échantillon 5, puis suit un trajet retour, tel que représenté schématiquement sur la figure 6. Le vecteur polarisation en sortie est obtenu en faisant le produit du vecteur polarisation en sortie par la matrice M obtenue en multipliant chacune des matrices de Jones des composants individuels :
On note que l'on travaille en coordonnées cylindriques dans l'espace situé après le convertisseur de polarisation 10 et en coordonnées cartésiennes dans le repère x, y, pour les faisceaux notés 21 et 26 sur la figure 6. tp et ts sont les coefficients de transmission à travers l'objectif ou la lentille 7. Pour une ouverture élevée, on a en général une différence de phase significative entre tp et ts.
En effectuant le calcul, on trouve :
Y? 2 o i o ^
M,
r ■ p.tp exp(2 j.z) 0 {tp /ts f exp(2j.z).rp / rs
Dans le cas où l'on s'intéresse à la quantité ellipsométrique rp/rs , on peut par
\t 11 T exo(2 / y)
différentes mesures et calibration déterminer K p s / J 'A' , qui dépend à la fois de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence. On peut aussi placer sur le trajet optique, dans la zone « cartésienne », des éléments qui présentent dans le repère cartésien
\t I ' t Γ exo(2 / y)
(x,y) une matrice de Jones qui permet de diminuer l'influence de K p s / J 'A , et en particulier diminuer ses variations en fonction de la longueur d'onde. La manière de concevoir un système à base de lames retard ou dichroïques pour cela est connue de l'homme de l'art. Cependant, ce système de compensation risque de fonctionner au mieux pour une plage d'incidence et de longueur d'onde limitée.
Plaçons nous maintenant dans le cas où l'on cherche à faire de l'imagerie d'objets d'épaisseur extrêmement faible (quelques dixièmes de nm à quelques nm), et présentant des propriétés optiques très peu contrastées (objets transparents par exemple), disposés sur un substrat plan. La grandeur ellipsométrique rp/rs du substrat va être modifiée en rpi/rsi au niveau de ces objets, et l'avantage attendu de l'imagerie à contraste ellipsométrique est de révéler avec un très bon contraste ces petites variations, en annulant autant que faire se peut, le signal du substrat nu.
Pour cela, un mode de réalisation particulier de l'invention, illustré par la figure 7, consiste à faire en sorte que chaque rayon contribuant à la formation de l'image, ait un trajet qui compense le facteur lié à l'instrument et au substrat nu :
(tp /ts } cxp(2j.z).rp / rs
Pour cela, on utilise un deuxième sous-ensemble convertisseur de polarisation 10' - objectif 7' (ou lentille à forte ouverture numérique), identique à celui utilisé pour regarder l'objet 5. Ce second sous-ensemble comprend un substrat de référence 5REF, totalement vierge de défauts et d'objets à examiner et de préférence identique au substrat qui sert à l'examen des objets. On agence le deuxième ensemble pour que le trajet dans le deuxième ensemble convertisseur de polarisationl O'-objectif 7'-substrat de référence 5REF, de façon à ce qu'il soit traversé par tous les rayons qui servent à constituer l'image à contraste ellipsométrique, dans les mêmes conditions d'angle d'incidence, mais avec une configuration de polarisation tournée de 90° : un rayon polarisé linéairement selon l'axe « x » du premier ensemble traversera le second parallèlement à l'axe « y2 » du second ensemble.
Ainsi, la matrice correspondant à la traversée des deux ensembles est de la forme suivante : = , . ,.{t t )2 cxp(2j.z)
r .t 0 / rMr r,)
Le facteur devant la matrice représente une atténuation et un déphasage indépendant de la polarisation, ceci quel que soit l'incidence et la longueur d'onde. Une observation entre polariseurs croisés permet facilement d'isoler un contraste lié à la différence entre ta / r*i Mr P / r s ) et |'unj é. On peut rajouter une petite modulation d'un déphasage pour permettre la détection de la phase de la quantité ta /r^Mrp /rJ est à noter que ces mesures peuvent s'effectuer sur une large plage d'incidences angulaires et sur une large plage de longueur d'ondes.
Ainsi, on obtient un nouveau type de microscope.
On note que les performances de ce nouveau microscope peuvent être encore améliorées en disposant un dispositif Digital Interférence Contraste (aussi appelé Nomarski).
La figure 7 représente un exemple de microscope à contraste ellipsométrique auto-compensé sur toute la plage spectrale et d'incidence.
Deux ensembles convertisseurs de polarisation - objectif - miroir semi- transparents identique, focalisés l'un sur un substrat de référence 5REF, l'autre sur un substrat comportant des objets à observer 5, sont disposés de telles sorte qu'un rayon issu de la source lumineuse, arrivant sur le convertisseur 1 0 polarisé linéairement parallèlement à la direction y-ι (convertie en une polarisation radiale par le convertisseur, selon nos convention de notation), arrive sur le second convertisseur 1 0' avec une polarisation selon la direction x2 de ce second convertisseur 1 0' (c'est-à-dire converti en une polarisation azimutale). Réciproquement, un rayon lumineux issu de la source et incident sur le convertisseur 1 0 avec une polarisation linéaire parallèle à x1 ; est incident sur le second convertisseur 1 0' avec une polarisation parallèle à y2. Ainsi un rayon 28, dans un premier plan d'incidence, est polarisé linéairement suivant une direction p parallèle au plan d'incidence. Après traversée du convertisseur 1 0 son état de polarisation est radial et reste donc un état de polarisation de type p. Après traversée de l'objectif 7, réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation du faisceau reste p jusqu'au second ensemble convertisseur 1 0' (représenté en vue de dessus). Les axes {x2, y∑) du second convertisseur 1 0' étant orientés à 90 degrés des axes {xi, yi) du premier convertisseur 1 0, le faisceau devient après traversée du convertisseur 10', un faisceau de polarisation transverse ou s. Ce faisceau polarisé s est alors incident sur l'échantillon de référence 5REF-
De la même manière un faisceau 27, dans un second plan d'incidence orienté à 90 degrés par rapport au premier plan d'incidence. Le faisceau 27 est initialement polarisé linéairement. Après traversée du convertisseur 1 0 l'état de polarisation est radial et suivant une direction de polarisation de type p. Après traversée de l'objectif 7, réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation du faisceau reste p jusqu'au second ensemble convertisseur 1 0' (sur la vue de dessus). Les axes {x2, y∑) du second convertisseur 1 0' étant orientés à 90 degrés des axes {xi, yi) du premier convertisseur 10, le faisceau 27 devient après traversée du convertisseur 1 0', un faisceau de polarisation transverse ou s. Ce faisceau polarisé s est alors incident sur l'échantillon de référence 5REF- Un même faisceau est donc incident suivant des directions de polarisation respectivement p sur l'échantillon 5 à observer puis s sur l'échantillon de référence 5REF (et inversement)
En amont et en aval de ce dispositif, se trouvent les bras d'éclairement 2 et de détection 3 d'un imageur ellipsométrique classique. De manière préférentielle, on utilisera un polariseur 13, un compensateur 15, et un analyseur 14, ce qui correspond à la configuration d'un ellipsomètre à annulation classique. De préférence, le polariseur 13 linéaire est orienté de sorte que l'axe du vecteur polarisation incident sur le premier convertisseur 10 soit incliné d'un angle compris entre 20 et 70° relativement à l'axe y1 ; et de manière encore plus préférentielle, incliné à 45° +/-10°.
Le dispositif peut comprendre en outre des moyens de séparation optique (miroir semi-transparent, lame séparatrice 6 ou autre), pour séparer le faisceau incident du faisceau réfléchi par l'échantillon. Ces moyens de séparation des faisceaux sont de préférence disposés entre le polariseur 13 et le convertisseur 10 d'une part et entre le convertisseur 10 et l'analyseur 14 d'autre part.
4) Combinaison ellipsomètre et microscope
Afin de disposer de performances supérieures en termes de qualité des mesures ellipsométrique, on sait qu'il vaut mieux préférer les ellipsomètres à modulation aux ellipsomètres à annulation. Pour bénéficier de la précision d'un ellipsomètre à modulation, on peut modifier un microscope en intercalant un bras ellipsométrique d'illumination 2 en aval de la source lumineuse, un bras ellipsométrique d'analyse 3 en amont du détecteur 4 et un convertisseur de polarisation 10 immédiatement en amont de l'objectif 7. L'un des bras ellipsométriques comporte de préférence un modulateur dynamique de polarisation. Les composants du bras d'illumination et d'analyse sont orientés par rapport au repère ux, uy du convertisseur, de la même manière qu'ils le sont par rapport aux directions p et s. Le calcul des grandeurs ellipsométriques est effectué de manière classique.
On note par ailleurs que dans toutes les zones du microscope où les rayons lumineux ont une inclinaison faible par rapport à la normale, on peut sans difficulté introduire des composants de polarisation présentant une symétrie cartésienne, car les effets de polarisation à symétrie cylindrique, liés à l'incidence sur les lentilles, sont faibles. C'est le cas des zones avant et après la séparatrice d'un microscope épiscopique, respectivement du côté de l'illumination et de l'observation (conduit d'illumination et « tube » d'un microscope confocal). Les composants de contrôle et de modulation de la polarisation sont donc préférentiellement disposés dans ces zones.
Dans un certain nombre d'ellipsomètres (à modulateur photoélastique ou à compensateur tournant), l'un des bras (illumination ou détection) comprend un seul polariseur dont l'axe de polarisation linéaire est orienté à 45° degrés de la direction P. On utilise avantageusement le polariseur présent dans un microscope et orienté de façon à ce que la polarisation linéaire incidente sur le convertisseur de polarisation soit situé à 45° (à +/-15 degrés près) de l'axe ux du convertisseur et on rajoute un bras de détection ellipsométrique à modulation de polarisation au niveau ou après le tube du microscope, qui est la partie du trajet optique proche de l'oculaire et/ou de la caméra de visualisation. Alternativement, on peut préférer rajouter la modulation sur le bras d'éclairement, après la source et utiliser l'analyseur comme bras ellipsométrique d'analyse, orienté de façon à ce que la polarisation linéaire incidente sur le convertisseur de polarisation soit situé à 45° (à +/-15 degrés près) de l'axe ux du convertisseur.
Du fait de cette orientation à 45° environ, on note que l'état de polarisation de la lumière incidente sur l'échantillon n'est ni purement radial de purement de manière azimutal, mais comprend une combinaison des deux composantes de polarisation radiale et azimutale. Le dispositif de l'invention permet ainsi de générer un faisceau incident ayant un état de polarisation combiné radial et azimutal incident, qui est différent de l'état de polarisation généré dans des dispositifs antérieurs où on utilise un convertisseur de polarisation essentiellement en tant que polariseur soit radial soit azimutal. 5) Combinaison Mueller-mètre et microscope
De manière analogue, on peut combiner un dispositif qui mesure la matrice de Muller, et un microscope. Par exemple, le dispositif de mesure de la matrice de Mueller commercialisé par Jobin Yvon sous le nom d'ellipsomètre MM16, comportant un bras d'illumination et un bras de détection peuvent être agencés avec en aval un convertisseur de polarisation et une lentille à grande ouverture (N.A. > 0.5 de préférence N.A. > 0.8) ou un objectif de microscope (lui aussi de grande ouverture, le mieux étant N.A.> =0.9 mais on peut commencer à travailler dès N.A.> 0.5).
Selon une variante de ce mode de réalisation, on combine un microscope et un imageur de Mueller, tel que décrit dans « Mueller Polarimetric Imaging System with Liquid Crystals » B. Laude-Boulesteix, A. De Martino, B. Drévillon, and L. Schwartz , Applied Optics, Vol. 43, Issue 14, pp. 2824-2832 (2004).
II. Variantes de l'invention On va maintenant voir quelques modes particuliers de fonctionnement qui s'appliquent à l'ensemble des dispositifs précédents
1 ) Fonctionnement spectroscopique Selon un mode de réalisation particulier, comme cela est classique en ellipsométrie, on travaille à une longueur d'onde fixe, correspondant à la longueur d'onde d'émission de la source (laser ou diode par exemple), ou à une longueur d'onde filtrée spectralement au moyen d'un filtre ou d'un monochromateur.
Selon un autre mode de réalisation particulier, on utilise avantageusement un spectromètre au niveau de la détection pour obtenir des mesures spectroscopiques.
2) Fonctionnement en imagerie à plusieurs longueurs d'onde
Lorsque l'on réalise de l'imagerie à contraste ellipsométrique avec un ellipsomètre à extinction, le réglage de l'extinction ne fonctionne généralement sur une plage limitée de longueur d'onde, du fait que les grandeurs ellipsométriques dépendent de la longueur d'onde (et aussi du fait du chromatisme de certains composants optiques, tels qu'une lame à retard). Dans ce cas, on ajuste la plage de longueur d'onde de façon à obtenir des bonnes conditions d'extinction.
Toutefois, lorsque l'on observe des objets transparents et très peu épais sur des substrats transparents, comme du verre, dont l'indice varie faiblement avec la longueur d'onde, les conditions de l'extinction peuvent être stables sur une grande plage de longueur d'onde. On utilise alors préférentiellement un compensateur achromatique pour bénéficier d'un contraste ellipsométrique élevé en lumière blanche.
Pour pouvoir disposer d'une information ellipsométrique résolue spectroscopiquement sur les objets disposés sur le substrat transparent, on utilise avantageusement une caméra couleur conventionnelle, ou bien plusieurs caméras équipées de filtres en longueur d'onde.
3) Procédures de calibration
Lors de la traversée d'objectif de microscope présentant une ouverture élevée, les rayons lumineux subissent en général un déphasage qui dépend de la polarisation de l'onde, les polarisations propres correspondant à une polarisation linéaire dans le plan radial de l'objectif (repérée par ur), ou son plan azimutal (repérée par ιιφ). Appelons de manière générale tr et t9 les coefficients de transmission pour ces deux polarisations propres sur tout le domaine « symétrie cylindrique » délimité par le convertisseur de polarisation, correspondant à l'aller-retour dans l'objectif pour un système en réflexion ou à la traversée du condenseur et de l'objectif pour un système en transmission). Les coefficients tr et t9 dépendent de la distance r à l'axe 8 de l'objectif 7 (que l'on peut relier à l'angle d'incidence Θ lorsque le diaphragme de champ est assez fermé).
La mesure ellipsométrique donne en fait non pas rp/rs mais (rp.tr)/(rs.t9). On mesure tr/t9 en effectuant une mesure ellipsométrique sur un substrat de référence, pour différents angles d'incidence Θ. On peut alors corriger la mesure ellipsométrique de l'effet de l'objectif.
4) Multi-angle d'incidence
Dans le cas où l'on observe en imagerie des échantillons très minces sur un substrat, on souhaite augmenter le flux lumineux destiné à l'observation. Selon un mode de réalisation particulier, on dispose une lame retard (dite couramment lame quart d'onde) dans le plan du diaphragme d'ouverture. On utilise de préférence une lame dont les axes sont uniformes dans un repère cartésien, mais dont l'épaisseur varie en fonction de la distance à l'axe optique afin d'introduire un retard adapté à l'angle d'incidence. Cette lame permet de conserver de bonnes conditions d'annulation du fond ellipsométrique.
Selon un autre mode de réalisation particulier, on dispose en outre, dans le plan du diaphragme d'ouverture, un filtre coloré comportant trois anneaux de couleurs ainsi que des anneaux de diaphragme, pour permettre d'associer trois plages d'incidence différentes à trois couleurs différentes. L'observation directe de l'image obtenue au moyen d'une caméra trois couleurs (RGB par exemple) permet d'extraire des images correspondant respectivement aux différents angles d'incidence.
5) Fonctionnement en mode Scattéromètre
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, plutôt que d'analyser le rayonnement réfléchi spéculairement, on peut aussi s'employer à analyser la lumière diffusée angulairement. Pour cela, on utilise un diaphragme annulaire d'ouverture et on analyse la polarisation au moyen d'une lentille de type lentille de Bertrand placée dans le tube du microscope, selon une configuration d'analyse du signal ellipsométrique en incidence normale.
6) Utilisation conjointe d'un ellipso-microscope ou d'un microscope à contraste ellipsométrique avec un Dispositif à contraste interférentiel (aussi appelé « Nomarski »)
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, on conjugue les bénéfices de l'imagerie à constraste ellipsométrique et Nomarski, en modifiant un microscope équipé d'un dispositif à contraste de Nomarski (aussi appelé Differential Interférence Contrast) pour lui ajouter :
* un convertisseur de polarisation entre le prisme de Nomarski et l'objectif, le convertisseur étant centré sur l'axe de l'objectif, sa face « cartésienne » étant du côté du Nomarski, sa face « à symétrie cylindrique » étant du côté de l'objectif, et ses directions propres ux, uy, étant sensiblement parallèles aux directions propres du prisme de Nomarski, et à 45 degré des axes du polariseur ; * un diaphragme annulaire d'ouverture, permettant de sélectionner une plage d'incidence ;
* une lame retard orientable située avant l'analyseur.
On utilise ce système en cherchant les conditions d'annulation du contraste ellipsométrique et en insérant ensuite le prisme de Nomarski.
Selon une variante de ce mode de réalisation, on peut échanger le rôle de l'analyseur et du polariseur, à condition de placer la lame retard après le polariseur.
7) Utilisation en tant qu'ellipsomètre imageur à grand champ et incidence élevée
En utilisant un objectif d'ouverture numérique élevée et de faible grandissement, on obtient un ellipsomètre imageur à grand champ.
Comme exposé plus haut, le principe de l'invention permet de nouvelles et très prometteuses applications.
Le double passage de la lumière à travers le convertisseur pour effectuer à l'aller une conversion « cartésien vers cylindrique » et au retour une conversion « cylindrique vers cartésien » évite l'utilisation d'un analyseur radial et d'un système de traitement du signal complexe dédié à une géométrie radiale. Au contraire, le dispositif de l'invention permet d'utiliser un analyseur linéaire et des moyens de détection standard.
A la différence des dispositifs polarimétriques antérieurs à conversion de polarisation radiale, l'invention utilise au niveau de l'échantillon un faisceau à distribution de polarisation de type cylindrique généralisé, comprenant un état de polarisation quelconque, qui n'est ni purement radial, c'est à dire p, ni purement circonférentiel, c'est à dire s. Ceci est fondamental en ellipsométrie, puisqu'on s'intéresse au rapport rp sur rs. Or, dans les dispositifs polarimétriques antérieurs qui exploitent uniquement soit l'un ou soit l'autre des états de polarisation p (en radial) ou s (en azimutal), il n'est pas possible d'extraire d'information sur le rapport rp sur rs.
Dans le domaine de l'ellipsométrie, où l'invention permet d'obtenir des mesures ellipsométriques avec un fort grossissement optique tout en conservant une excellente luminosité ce qui permet d'obtenir des mesures avec une résolution micrométrique sur l'échantillon.
Dans le domaine de la microscopie, il devient possible de modifier un microscope standard pour le transformer en micro-ellipsomètre par l'insertion d'un accessoire convertisseur de polarisation. Enfin, dans le domaine des microscopes imageurs, l'invention permet d'améliorer le contraste des images par un dispositif de contraste ellipsométrique performant.

Claims

REVENDICATIONS . Dispositif de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique, ledit dispositif de mesure polarimétrique ayant une résolution microscopique et comprenant :
une partie excitation comprenant :
- une source de lumière (1 ) apte à émettre un faisceau lumineux incident sur un domaine de longueur d'onde et,
- un générateur d'état de polarisation (2, 13) apte à générer un faisceau optique incident présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- des moyens optiques de focalisation (7) ayant un axe optique (8) pour focaliser ledit faisceau lumineux incident sur la surface d'un échantillon (5) à mesurer ;
une partie analyse comprenant :
- des moyens optiques de collection (7) pour collecter le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon (5), lesdits moyens optiques de collection (7) ayant un axe optique (8) ;
- un analyseur d'état de polarisation (3, 14, 15') apte à recevoir le faisceau optique collecté par lesdits moyens optiques de collection (7) et à analyser l'état de polarisation dudit faisceau optique suivant une base cartésienne d'états de polarisation ; et
- des moyens de détection (4) aptes à recevoir ledit faisceau lumineux analysé en polarisation par l'analyseur ;
ledit générateur d'état de polarisation (2, 13) et/ou ledit analyseur d'état de polarisation (3, 14) comprenant en outre des moyens de modulation de la polarisation (15, 15'),
caractérisé en ce que :
- lesdits moyens optiques de focalisation (7) sont disposés de manière à ce que ledit axe optique (8) desdits moyens optiques de focalisation (7) soit confondu avec la normale à l'échantillon (5) ;
- lesdits moyens optiques de collection sont disposés de manière à ce que ledit axe optique (8) desdits moyens optiques de collection soit confondu avec l'axe optique dudit faisceau lumineux réfléchi ou transmis ;
- la partie excitation comprend des premiers moyens de conversion de polarisation (10) disposés entre ledit générateur d'état de polarisation (2, 13) et lesdits moyens optiques de focalisation (7), lesdits premiers moyens de conversion de polarisation (10) étant orientés de manière à recevoir ledit faisceau optique incident de polarisation spatialement uniforme et à le convertir en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique et selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; et
- la partie analyse comprend des seconds moyens de conversion de polarisation (10, 10') disposés entre lesdits moyens optiques de collection (7) et ledit analyseur d'état de polarisation (3, 14, 15'), lesdits seconds moyens de conversion de polarisation (10, 10') étant orientés de manière à recevoir ledit faisceau lumineux collecté, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant aptes à convertir un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique selon laquelle un vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale et d'une composante azimutale de polarisation en un faisceau ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation.
2. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premiers moyens de conversion de polarisation et les seconds moyens de conversion de polarisation sont formés par un unique convertisseur de polarisation (10) utilisé suivant deux directions de propagation opposées et en ce que lesdits moyens optiques de focalisation (7) et de collection (7) sont confondus.
3. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit convertisseur de polarisation (10) est un convertisseur à cristaux liquides comprenant une face à symétrie cartésienne et une face à symétrie cylindrique.
4. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit convertisseur de polarisation est un convertisseur de polarisation apte à convertir la distribution d'état de polarisation de cartésien en cylindrique tout en conservant l'état de polarisation du faisceau.
5. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le générateur d'état de polarisation (13, 15) est un polariseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit polariseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des premiers moyens de conversion de polarisation (10) de manière à former un angle non nul.
6. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'analyseur d'état de polarisation est un analyseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit analyseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des seconds moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul.
7. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens optiques de séparation (6) du faisceau incident sur l'échantillon et du faisceau réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optiques de séparation (6) étant disposés sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation (13, 15) et le convertisseur de polarisation (10).
8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un diaphragme de champ (17a), un diaphragme d'ouverture (16, 16a) et/ou des moyens d'analyse spectroscopique des signaux détectés.
9. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que lesdites mesures polarimétriques sont des mesures ellipsométriques, des mesures d'ellipsométrie de Mueller ou des mesures de scattérométrie, la matrice desdits moyens de conversion de polarisation (10, 10') exprimant les coordonnées dans le repère cylindrique de la polarisation d'un faisceau émergent de la face à symétrie cylindrique, en fonction des coordonnées dans le repère cartésien de la polarisation du faisceau incident sur la face à symétrie cartésienne, étant diagonale du type:
où les coefficients ,β de cette matrice sont uniformes sur chaque moitié du composant.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend un prisme de Nomarski, le convertisseur (1 0) étant situé entre le prisme de Nomarski et lesdits moyens optiques de focalisation (7).
1 1 . Accessoire de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique pour microscope comprenant : un générateur d'état de polarisation apte à recevoir un faisceau optique incident et à générer un faisceau optique présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
un analyseur d'état de polarisation selon une base cartésienne d'état de polarisation ;
des moyens de modulation de la polarisation disposés entre ledit générateur d'état de polarisation et ledit analyseur d'état de polarisation, et
un convertisseur de polarisation radial ou cylindrique disposé sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation (13, 15) et l'objectif (7) de microscope d'une part et entre l'objectif de microscope (7) et l'analyseur d'état de polarisation (14, 15') d'autre part,
ledit convertisseur (10) étant orienté par rapport au générateur d'état de polarisation de manière à convertir un faisceau se propageant dans une première direction de propagation axiale et ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle et réciproquement ledit convertisseur assurant la conversion d'un faisceau se propageant dans une seconde direction axiale contra-propagative à la première direction et ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique autour de l'axe optique en un faisceau ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme.
12. Microscope-ellipsomètre imageur comprenant un accessoire selon la revendication 1 1 , un objectif de microscope (7) d'ouverture numérique supérieure ou égale à 0,7 et un détecteur imageur.
13. Microscope à contraste ellipsométrique comprenant un accessoire selon la revendication 1 1 comprenant :
- un premier convertisseur (10) pour diriger un faisceau optique vers un échantillon (5) à mesurer,
- un second convertisseur (10') pour diriger le faisceau optique réfléchi ou transmis par l'échantillon (5) vers un substrat de référence (5REF),
- lesdits premier et second convertisseurs (10, 10') ayant leurs axes propres orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.
14. Procédé de mesure polarimétrique en amplitude et en phase du type mesure ellipsométrique ou mesure d'ellipsométrie de Mueller ou mesure scattérométrique comprenant les étapes suivantes :
- on génère un faisceau lumineux incident ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ;
- on convertit la distribution du vecteur de polarisation dudit faisceau incident en une distribution d'état de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique, selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ;
- on focalise ledit faisceau de polarisation à symétrie cylindrique ou semi- cylindrique sur la surface d'un échantillon (5) à mesurer suivant un axe optique (8) confondu avec la normale à l'échantillon (5) ;
- on collecte le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon(5) ;
- on convertit la distribution spatiale d'état de polarisation du faisceau collecté de manière à convertir une distribution d'état de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique en une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ;
- on analyse l'état de polarisation du faisceau collecté et converti en polarisation ;
- on détecte le faisceau analysé.
15. Procédé de mesure polarimétrique selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'une des étapes suivantes :
on analyse spectroscopiquement le faisceau détecté ;
on détecte une image de la surface de l'échantillon sur un détecteur imageur ; et/ou
on détecte une image d'un plan conjugué optiquement de la surface de l'échantillon.
EP11754441.1A 2010-07-19 2011-07-18 Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique Withdrawn EP2596325A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1055837A FR2962804B1 (fr) 2010-07-19 2010-07-19 Dispositif et procede de mesure polarimetrique a resolution microscopique, accessoire de polarimetrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsometrique
PCT/FR2011/051715 WO2012017158A1 (fr) 2010-07-19 2011-07-18 Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2596325A1 true EP2596325A1 (fr) 2013-05-29

Family

ID=43629409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11754441.1A Withdrawn EP2596325A1 (fr) 2010-07-19 2011-07-18 Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8908180B2 (fr)
EP (1) EP2596325A1 (fr)
FR (1) FR2962804B1 (fr)
WO (1) WO2012017158A1 (fr)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015073897A2 (fr) * 2013-11-15 2015-05-21 Mikroscan Technologies, Inc. Scanner géologique
US11085901B2 (en) * 2014-08-19 2021-08-10 Dan Slater Acoustical microscope
WO2016069794A1 (fr) 2014-10-28 2016-05-06 Mikroscan Technologies, Inc. Système de visualisation de microdissection
US10101265B1 (en) 2014-11-07 2018-10-16 Board Of Regents For The University Of Nebraska Birefringence imaging chromatography based on highly ordered 3D nanostructures
KR102436474B1 (ko) * 2015-08-07 2022-08-29 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 패턴 계측 장치, 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법
KR102659810B1 (ko) * 2015-09-11 2024-04-23 삼성디스플레이 주식회사 결정화도 측정 장치 및 그 측정 방법
US10139528B1 (en) * 2016-01-20 2018-11-27 Kla-Tencor Corporation Compound objectives for imaging and scatterometry overlay
CN106595521B (zh) * 2016-12-12 2019-12-13 武汉颐光科技有限公司 基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪
EP3580546A1 (fr) 2017-02-08 2019-12-18 Yissum Research Development Company of The Hebrew University of Jerusalem Ltd. Système et procédé destinés à être utilisés dans une ellipsométrie à haute résolution spatiale
US11193882B2 (en) 2019-11-26 2021-12-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Ellipsometer and inspection device for semiconductor device
US11346769B2 (en) 2020-02-20 2022-05-31 Onto Innovation Inc. Fast generalized multi-wavelength ellipsometer
JP7420667B2 (ja) 2020-07-03 2024-01-23 三星電子株式会社 エリプソメータ及び半導体装置の検査装置
JP7471938B2 (ja) 2020-07-03 2024-04-22 三星電子株式会社 エリプソメータ及び半導体装置の検査装置
CN111947892B (zh) * 2020-07-17 2022-03-08 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种深紫外退偏器检测装置及检测方法
US11346768B1 (en) * 2020-12-02 2022-05-31 Onto Innovation Inc. Vortex polarimeter
CN115046934B (zh) * 2022-06-22 2024-06-21 武汉大学 纳米半导体技术节点的多过程、多模式实时在线测量系统
US20240280484A1 (en) * 2023-02-16 2024-08-22 Kla Corporation Angle resolved reflectometry for thick films and high aspect ratio structures
CN117420677B (zh) * 2023-10-26 2024-08-23 南京理工大学 一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19842364C1 (de) 1998-09-16 2000-04-06 Nanophotonics Ag Mikropolarimeter und Ellipsometer
US6693711B1 (en) 2000-05-15 2004-02-17 Regents Of The University Of Minnesota Ellipsometer using radial symmetry
US7317531B2 (en) * 2002-12-05 2008-01-08 Kla-Tencor Technologies Corporation Apparatus and methods for detecting overlay errors using scatterometry
US6698511B2 (en) 2001-05-18 2004-03-02 Incep Technologies, Inc. Vortex heatsink for high performance thermal applications
FR2841339B1 (fr) 2002-06-19 2004-09-10 Centre Nat Rech Scient Supports anti-reflechissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumiere polarisee en reflexion
US7609373B2 (en) 2005-05-31 2009-10-27 Kla-Tencor Technologies Corporation Reducing variations in energy reflected from a sample due to thin film interference
ES2302461B1 (es) * 2006-12-15 2009-05-21 Universidad De Zaragoza Conversor de polarizacion y dispositivo de focalizacion basado en dicho conversor.
NL1036123A1 (nl) 2007-11-13 2009-05-14 Asml Netherlands Bv Inspection method and apparatus, lithographic apparatus, lithographic processing cell and device manufacturing method.
US8228601B2 (en) * 2008-05-13 2012-07-24 Applied Materials Israel, Ltd. Scanning microscopy using inhomogeneous polarization

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2012017158A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US8908180B2 (en) 2014-12-09
FR2962804B1 (fr) 2014-04-18
US20130265576A1 (en) 2013-10-10
FR2962804A1 (fr) 2012-01-20
WO2012017158A1 (fr) 2012-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012017158A1 (fr) Dispositif et procède de mesure polarimétrique a résolution microscopique, accessoire de polarimétrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsométrique
EP3627207B1 (fr) Dispositif optique d'éclairage conoscopique à cône creux pour microscope optique et procédé de microscopie optique en conoscopie
EP0870180B1 (fr) Composant optique de modulation de polarisation, et son utilisation dans un polarimetre ou dans un ellipsometre
EP3120134B1 (fr) Dispositif et méthode de caractérisation polarimétrique déportée
FR2966258A1 (fr) Système de microscopie de superresolution de fluorescence et méthode pour des applications biologiques
FR2989472A1 (fr) Procede et dispositif optique
BE1027225B1 (fr) Système de mesure par déflectométrie
FR2924805A1 (fr) Microscope a plasmon de surface a haute resolution avec interferometre heterodyne en polarisation radiale.
FR3079028A1 (fr) Ellipsometre ou scatterometre spectroscopique instantane et procede de mesure associe
CA2431943C (fr) Dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsometrique d'un echantillon, procede de visualisation et procede de mesure ellipsometrique avec resolution spatiale
FR3010194A1 (fr) Systeme et methode de microscopie par eclairage par la tranche
EP3513171B1 (fr) Dispositif optique de caractérisation d'un échantillon
EP2047209A1 (fr) Dispositif de caracterisation d'objets uniques
EP2596392B1 (fr) Convertisseur de polarisation a symétrie cylindrique bidirectionnel et procédé de conversion de polarisation cartésien-cylindrique
FR3090099A1 (fr) Dispositif laser pour interferometrie a polarisation
WO2020016259A1 (fr) Méthode et dispositif de caractérisation de filtres optiques
FR2976663A1 (fr) Dispositif et procede de caracterisation d'un faisceau de lumiere.
EP1656566B1 (fr) Dispositif et procede de detection et de mesure non invasives d'un champ electrique
EP1532432A1 (fr) Supports anti-reflechissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumiere polarisee en reflexion
FR3029633A1 (fr) Procede et dispositif de mesure optique
FR3087539A1 (fr) Instrument de mesure avec systeme de visualisation du spot de mesure et accessoire de visualisation pour un tel instrument de mesure
EP2391875A2 (fr) Procede de mesure et procede de visualisation d'une surface d'onde par spectrophotometrie
WO2024003470A1 (fr) Dispositif d'amplification d'un signal en imagerie de phase quantitative autoreferencee
WO2010001047A1 (fr) Dispositif de caracterisation optique d'un objet de tres petites dimensions
EP2175260A1 (fr) Dispositif de test pour la caractérisation de materiaux utilisés pour l'enregistrement optique

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20130115

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20200103

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: HORIBA JOBIN YVON SAS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20201201