EP3394560A1 - Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces - Google Patents

Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces

Info

Publication number
EP3394560A1
EP3394560A1 EP16816597.5A EP16816597A EP3394560A1 EP 3394560 A1 EP3394560 A1 EP 3394560A1 EP 16816597 A EP16816597 A EP 16816597A EP 3394560 A1 EP3394560 A1 EP 3394560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
measuring
measurement
interferometer
thickness
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Withdrawn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
EP16816597.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe Piel
Jeff WuYu SU
Benoit Thouy
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.)
Unity Semiconductor SAS
Original Assignee
Unity Semiconductor 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 Unity Semiconductor SAS filed Critical Unity Semiconductor SAS
Publication of EP3394560A1 publication Critical patent/EP3394560A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0675—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02017—Interferometers characterised by the beam path configuration with multiple interactions between the target object and light beams, e.g. beam reflections occurring from different locations
    • G01B9/02021—Interferometers characterised by the beam path configuration with multiple interactions between the target object and light beams, e.g. beam reflections occurring from different locations contacting different faces of object, e.g. opposite faces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02027—Two or more interferometric channels or interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
    • G01B9/02044—Imaging in the frequency domain, e.g. by using a spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02056—Passive reduction of errors
    • G01B9/02057—Passive reduction of errors by using common path configuration, i.e. reference and object path almost entirely overlapping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02062—Active error reduction, i.e. varying with time
    • G01B9/02064—Active error reduction, i.e. varying with time by particular adjustment of coherence gate, i.e. adjusting position of zero path difference in low coherence interferometry
    • G01B9/02065—Active error reduction, i.e. varying with time by particular adjustment of coherence gate, i.e. adjusting position of zero path difference in low coherence interferometry using a second interferometer before or after measuring interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/40—Caliper-like sensors
    • G01B2210/44—Caliper-like sensors with detectors on both sides of the object to be measured
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/40—Caliper-like sensors
    • G01B2210/48—Caliper-like sensors for measurement of a wafer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/35—Mechanical variable delay line

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for measuring heights or thicknesses of samples such as wafers in the presence of thin layers.
  • the field of the invention is more particularly, but not exclusively, that of optical measurement systems for the semiconductor industry.
  • optical techniques particularly low coherence interferometry techniques that implement broad-spectrum optical sources. These techniques are essentially of two kinds:
  • Techniques with time domain detection use a time delay line that reproduces the propagation delays of the measurement waves reflected by the interfaces of the object to be measured and interferes with a reference wave. This results in a detector of peaks of interference representative of the position of the interfaces of the object.
  • These temporal techniques make it possible to reach important measuring ranges limited only by the course of the delay line.
  • a broad-spectrum source emitting in the infrared they make it possible to measure thicknesses of semiconductor materials such as silicon. The minimum measurable thicknesses are limited by the width of the interferogram envelope, which depends on the shape and width of the source spectrum.
  • the techniques based on low coherence interferometry in the spectral domain are generally rather intended for measurements of thin layers, of the order of a few tens of nanometers to a few hundred microns.
  • the light reflected by the interfaces of the object to be measured is analyzed in a spectrometer.
  • the thicknesses or distances between the interfaces of the object at the origin of the reflections introduce modulations in the detected spectrum that make it possible to measure them.
  • document EP 0 747 666 describes a system based on low coherence interferometry in the spectral domain making it possible to measure distances between interfaces in the presence of thin layers, from a mathematical modeling of the phase of the ripples of the measured spectrum.
  • the wafers whose thickness is to be measured may be covered with a thin layer of transparent material.
  • a thin layer of transparent material there are, for example, configurations in which it is desired to measure the thickness of 300 ⁇ m to 700 ⁇ m thick silicon wafers covered with a layer of polyimide of the order of 10 ⁇ m thick. This configuration is problematic because none of the techniques mentioned above makes it possible to measure the total thickness satisfactorily:
  • the object of the present invention is to propose a device and a method which makes it possible to measure the heights of objects such as wafers in the presence of thin layers.
  • the present invention also aims to provide a device and a method that allows to measure thicknesses of objects such as wafers in the presence of thin layers.
  • the present invention also aims to provide a device and a method that allows to measure heights or thicknesses of objects such as wafers in the presence of thin layers without degradation of the measurement accuracy.
  • Another object of the present invention is to provide a device and a method which makes it possible to measure heights or thicknesses of objects such as wafers, with both a large extent of measurement and a resolution making it possible to measure thin layers.
  • This objective is achieved with a device for measuring heights and / or thicknesses on a measuring object such as a wafer,
  • a first low-coherence interferometer illuminated by a polychromatic light and arranged to combine in a spectrometer a reference optical beam resulting from a reflection of said light on a reference surface and an optical measurement beam from reflections of said light on interfaces of the measurement object, so as to produce a fluted spectrum signal with spectral modulation frequencies, characterized in that it further comprises:
  • displacement means for varying the relative optical length of the measurement and reference optical beams, and means for measuring a position information representative of said relative optical length
  • electronic and computing means arranged to determine at least one spectral modulation frequency representative of a difference an optical path between the optical measuring beam and the reference optical beam, and for determining, by using said position information and said at least one spectral modulation frequency, at least one height and / or one thickness on said measurement object , and
  • second optical means for measuring distance and / or thickness with a second measuring beam incident on the measuring object in a second face opposite to the measuring beam.
  • the displacement means for varying the relative optical length of the measuring and reference optical beams may comprise, for example, a mechanical translation device enabling to move:
  • the reference surface relative to a beam splitter element of the interferometer, so as to vary the length of the reference optical beam
  • the means for measuring a position information may comprise any means, such as an optical ruler or a laser range finder, for measuring the position of the moving element.
  • the polychromatic light may comprise a spectrum extending in visible wavelengths and / or infrared wavelengths.
  • the spectrum signal is said to be "channeled spectrum” when the relative optical length difference of the measurement and reference optical beams is large enough to identify at least one spectral modulation period in the beam.
  • spectrum signal (thus over the spectral width of the spectrum signal).
  • the spectrum signal has oscillations as a function of wavelength or frequency, i.e. a periodically variable amplitude with wavelength or frequency.
  • the spectrum signal may also comprise modulations with a period greater than the spectral width of the spectrum signal, corresponding to very thin layers.
  • the device according to the invention may comprise a measurement head with the reference surface, and translational displacement means able to relatively move said measuring head and the measurement object in a substantially parallel direction. to an optical axis of the optical measuring beam.
  • the displacement means make it possible to vary the optical length of the measuring beam relative to the reference beam.
  • the device according to the invention may comprise a reference surface in the form of a semi-reflecting plate inserted in the path of the optical measuring beam.
  • the device according to the invention may comprise a measuring head with a separating optical element capable of generating a measurement optical beam and a separate reference optical beam.
  • the device according to the invention may in particular comprise a measurement head with a first interferometer of one of the following types: Mirau, Linnick, Michelson, to generate the measurement and reference optical beams.
  • a Mirau interferometer comprises a separating optical element with a semi-reflecting plate perpendicular to the axis of the incident beam and a reference surface in the form of a mirror inserted in the center of the incident beam.
  • a Michelson interferometer or a Linnick interferometer comprises a splitting optical element with a semi-reflective plate or a splitter cube arranged to generate a substantially perpendicular measuring beam and reference beam, and a reference surface in the form of a mirror inserted into the reference beam.
  • a Linnick interferometer further includes lenses or lenses inserted into the arms of the interferometer corresponding to the reference beam and the measurement beam.
  • the device according to the invention may further comprise second translation means able to relatively move the optical beam of measurement and the measuring object in a plane substantially perpendicular to an optical axis of the measuring beam.
  • These second translation means make it possible to move the optical measuring beam on the surface of the object (or vice versa) so as to be able to measure heights and / or thicknesses at different points of this object.
  • the device according to the invention may further comprise a support adapted to receive the measurement object, and a reference object with known height and / or thicknesses arranged on or forming part of said support.
  • the support may be for example a wafer chuck, to receive a measuring object in the form of a wafer.
  • the reference object may be for example a wafer portion of known characteristics placed on or secured to the support. It may also consist of a portion of the support or chuck height calibrated.
  • the reference object may also be constituted by a bearing surface of the support intended to receive the object to be measured, or a coplanar surface of this bearing face.
  • the reference object makes it possible to calibrate the measurement system, by taking measurements of known heights and / or thicknesses on its surface.
  • the device according to the invention may comprise a first low-coherence interferometer illuminated by a polychromatic light which emits light in the visible spectrum.
  • Such a broad-spectrum source with relatively short wavelengths makes it possible to measure thin films, for example dielectric materials that are transparent from a few tens of nanometers to a few microns.
  • the device according to the invention may further comprise second optical distance measuring means and / or thickness with a second measurement beam incident on the object to be measured in a second face opposite the measuring beam.
  • This configuration makes it possible to make caliper measurements, for example to carry out measurements of total thickness on the measurement object. These measurements of total thickness can in particular be deduced from distance measurements made on either side of the measuring object.
  • the second optical means for measuring distance and / or thickness can also be calibrated by taking measurements on the reference object.
  • the device according to the invention may further comprise second mechanical distance measuring means with a mechanical probe in contact with a second face of the object to be measured opposite the measurement beam.
  • the device according to the invention may comprise second optical distance measuring means and / or thickness of one of the following types:
  • a low coherence interferometer in the spectral domain, it may be identical or different from the first interferometer. It can also implement a light with visible wavelengths and / or infrared.
  • a chromatic confocal system is a measurement system that uses a dispersive optical element to focus different wavelengths at different distances, and a spectral detection to identify the reflected wavelengths and thus the position of the interfaces at the origin of these reflections.
  • the device according to the invention may comprise second optical distance measurement and / or thickness means with a interferometer with low coherence in the time domain.
  • This low coherence interferometer in the time domain may comprise a delay line which makes it possible to vary a delay (time) between optical beams.
  • the low coherence interferometer in the time domain may include a light source emitting in the infrared.
  • the low coherence interferometer in the time domain may comprise a Michelson double interferometer with a coding interferometer and a decoding interferometer, and an optical measuring fiber with a collimator for generating the second optical beam. measured.
  • the decoding interferometer may include a delay line arranged to reproduce an optical delay between a measurement beam from reflections on interfaces of the measurement object and a reference beam.
  • This delay line may comprise for example a mirror movable in translation in the axis of the optical beam, or any other means known to those skilled in the art to vary an optical path (optical fibers subjected to stretching, parallel-sided blade in rotation, ).
  • the reference beam may be generated in the collimator, for example by the Fresnel reflection at the interface between the end of the optical fiber measurement and the air.
  • Such an interferometer has the advantage of being easily integrable because the heart of the interferometer can be remote from the measuring object and only the collimator must be placed near this object.
  • a method for measuring heights and / or thicknesses on a measurement object such as a wafer, implementing a first low coherence interferometer illuminated by a polychromatic light and arranged to combine in a spectrometer a reference optical beam resulting from a reflection of said light on a reference surface and a measurement optical beam originating from reflections of said light on the interfaces of the measurement object, so as to produce a grooved spectrum signal with spectral modulation frequencies, which method comprises steps:
  • the method according to the invention may further comprise a step of identifying the spectral modulation frequencies, the value of which varies with a variation of the relative optical length of the measurement and reference optical beams.
  • the method according to the invention may further comprise a step of varying the relative optical length of the measurement and reference optical beams so as to obtain at least one spectral modulation frequency in a predetermined range of values.
  • the method according to the invention may further comprise steps:
  • spectral modulation signal for calculating a spectral modulation signal representative of the amplitude of the Fourier transform of the fluted spectrum signal, identifying amplitude peaks representative of spectral modulation frequencies in said spectral modulation signal.
  • the method according to the invention may further comprise a calibration step comprising a measurement of height and / or thickness on a reference object of known height and / or thickness, so that establishing a relationship between at least one position information of the reference surface, at least one spectral modulation frequency, and at least one height and / or one thickness.
  • the measurement of a second information of height and / or thicknesses can comprise steps:
  • the measurement method according to the invention implements a low coherence interferometer with detection in spectral mode in a configuration that makes it possible to perform absolute distance measurements over relatively large measuring ranges. It is thus possible to exploit an advantage of this type of spectral detection which is to make it possible to distinguish very close interfaces, and to obtain a device and a method for measuring distances and / or thicknesses which combines a large extent of measurement and a resolution. (or an ability to distinguish nearby interfaces) equally important.
  • the relative optical length difference of the measurement and reference optical beams is adjusted by moving in a known manner an element of the interferometer (or the measurement object) so that the corresponding spectral modulation frequency of the fluted spectrum signal either in a range of values where it can be measured under good conditions;
  • This displacement information of an element of the interferometer is used as well as the frequency or frequencies of spectral modulations measured to calculate an absolute height of the measurement object.
  • the measurement is calibrated on a reference object of known height to establish a relationship between the displacement information of an element of the interferometer and the absolute height;
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the interferometer in the form of a Michelson interferometer
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of the interferometer in the form of a Mirau interferometer
  • FIG. 4 illustrates, (a) a fluted spectrum signal, and (b) a Fourier transform of the fluted spectrum
  • FIG. 5 illustrates the steps of the method according to the invention
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of second optical measuring means.
  • a first device embodiment according to the invention for measuring heights or thicknesses of measurement objects 24 will be described with reference to FIG.
  • the device according to the invention is more particularly intended to measure measuring objects 24 in the form of wafers 24 during the process.
  • these wafers 24 may comprise one or more thin layers deposited on their surface.
  • These wafers 24 may for example comprise a thickness of silicon of 450 .mu.m to 700 .mu.m and a layer of polyimide, silicon oxide, silicon nitride or other dielectrics transparent from a few tens of nanometers to a few microns.
  • these thin layers are at least partially transparent at visible wavelengths.
  • Silicon is transparent to infrared wavelengths.
  • the silicon layer may comprise opaque layers (component, transistors, layers or metal tracks, etc.).
  • the known methods for measuring the total thickness of the wafer are generally not able to separate or solve the interfaces of the thin layers, especially when they are transparent in the measurement wavelengths. same if one does not try to measure the thickness of these layers but only the total thickness of the wafer 24, the accuracy of the measurement is limited by the indeterminacy on the detection of thin-film interfaces 25.
  • these thin layers can be measured or their interfaces distinguished with low coherence interferometry techniques operating in the spectral domain, using a light source with a spectrum sufficiently extended in frequencies.
  • these techniques do not make it possible to measure significant optical thicknesses (such as 700 ⁇ m of silicon, which correspond to an optical thickness greater than 2 mm, taking into account the refractive index of silicon, which is of the order of 3.5). In this case the oscillations of the fluted spectrum become too close together to be sampled by the detector.
  • the wafers 24 to be measured can be highly deformed, which requires a measurement system with a large extent of measurement.
  • the heart of the measuring device according to the invention consists of a low coherence interferometer integrated in a measuring head 10.
  • the measuring head 10 is fixed to displacement means 21 with a motorized translation stage which makes it possible to move it along an axis Z relative to the frame of the apparatus on which this translation stage is fixed.
  • the translation stage is equipped with means for measuring a position information in the form of an optical ruler, which makes it possible to measure precisely its displacement and its position.
  • the interferometer is illuminated by a broad-spectrum optical source 11 which emits a polychromatic light 12 in the visible spectrum.
  • this source comprises a halogen source, or deuterium halogen with a spectrum extending up to 300 nm in the ultraviolet.
  • the interferometer comprises a separating plate 13 which directs the light from the source 11 towards the object to be measured 24.
  • Part of the light is reflected on a reference surface 14 constituted by a semi-reflecting plate 14, to form a reference optical beam 17.
  • This optical measuring beam 16 is focused on the object to be measured 24 (the wafer 24) by an objective lens or a lens 15.
  • the optical measuring beam 16 is positioned relative to the measuring object 24 so that its optical axis 19 is substantially perpendicular to the interfaces of this object 24. In the embodiment shown, this optical axis 19 is substantially parallel to the displacement axis Z of the displacement means 21.
  • the light of the measuring beam 16 is reflected on the interfaces of the object to be measured 24, and in particular in the example illustrated by the interfaces of the thin layer 25.
  • the reflected measurement 16 and reference 17 beams are directed through the separator plate 13 to a detection spectrometer 18.
  • This spectrometer 18 comprises a diffractive grating which disperses spatially as a function of optical frequencies the combined light of the measurement beams 16 and reference 17, and a linear sensor (CCD or CMOS) from which each pixel receives light from the diffractive grating corresponding to a particular range of optical frequencies.
  • a diffractive grating which disperses spatially as a function of optical frequencies the combined light of the measurement beams 16 and reference 17, and a linear sensor (CCD or CMOS) from which each pixel receives light from the diffractive grating corresponding to a particular range of optical frequencies.
  • the spectrometer is connected to electronic and computing means 20 in the form of a computer 20.
  • the object to be measured 24, which is in the illustrated embodiment a wafer 24, is positioned on a support 23, which has the form of a wafer support 23 ("chuck" in English).
  • the device further comprises a reference object 26 in the form of a wafer portion 26 of known thickness.
  • This reference object 26 is positioned on a wafer support 23.
  • the wafer support 23 is fixed on second translation means 22 in the form of a translation plate 22 which ensures its displacement (relative to the frame of the apparatus for example) in an XY plane substantially perpendicular to the optical axis 19 of the measuring beam 16.
  • These second translation means 22 make it possible to position the measuring beam 16 at any point on the surface of the wafer 24, and on the reference object 26.
  • the device according to the invention further comprises second optical distance measuring means and / or thickness 27 with a second beam measurement 28 incident on the object to be measured 24 in a second face opposite the measuring beam 16.
  • these second optical measuring means 27 comprise a low coherence interferometer 27 operating in the time domain, with a time delay line which makes it possible to introduce a variable optical path delay or variation.
  • Light from a broad-spectrum source is separated between an internal reference beam and a measurement beam 28 incident on the object to be measured.
  • the measuring beam 28 is reflected on the interfaces of the object.
  • Each reflection is delayed proportionally to the optical path to the interface considered. This delay is reproduced in the delay line so as to re-phase the measurement and reference beams and thus generate interference peaks during the displacement of the delay line.
  • the knowledge of the displacement of this delay line makes it possible to determine the position of the interfaces at the origin of the interference peaks.
  • an infrared light source (around 1310 nm for example), which makes it possible to penetrate the silicon and thus also to measure on wafer internal layers where appropriate.
  • FIG. 6 illustrates a schematic representation of such a low coherence interferometer 27 operating in the time domain.
  • the heart of the interferometer 27 is a double Michelson interferometer based on monomode optical fibers, with a coding interferometer 60 and a decoding interferometer 61. It is illuminated by a fiber light source 62 which is a superluminescent diode (SLD). ) whose central wavelength is of the order of 1300 nm to 1350 nm and the spectral width of the order of 60 nm. The choice of this wavelength corresponds in particular to criteria of availability of the components.
  • SLD superluminescent diode
  • the light from the source 62 is directed through a coupler 60 which constitutes the coding interferometer 60 and a measurement optical fiber 67 to a collimator 66, to constitute the second measurement beam 28.
  • Part of the beam from the source 62 is reflected in the fiber of measuring 67 at the collimator 66, to constitute the internal reference beam.
  • the reference beam is generated by the Fresnel reflection at the interface between the end of the measurement optical fiber 67 and the air in the collimator. This reflection is usually of the order of 4%.
  • the retro-reflections from the interfaces of the wafer 24 are coupled in the fiber 67 and directed with the reference wave to the decoding interferometer 61 built around the fiber coupler 61.
  • This decoding interferometer has an optical correlator function which the two arms are, respectively, a fixed reference 64 and a time delay line 65.
  • the signals reflected at the reference 64 and the delay line 65 are combined, through the coupler 61, on a detector 63 which is a photodiode.
  • the function of the delay line 65 is to introduce an optical delay between the incident and reflected waves, variable over time in a known manner. This delay is obtained for example by the displacement of a mirror 68 in translation in the axis of the optical beam.
  • the length of the arms 64 and 65 of the decoding interferometer 61 is adjusted so as to reproduce with the delay line 65 the differences in optical paths between the reference wave reflected at the collimator 66 and the retroreflections from of the object to be measured 24.
  • an interference peak is obtained on the detector 43 whose shape and width depend on the spectral characteristics of the source 62 (FIG. the wider the spectrum of the source 62, the smaller the interference peak).
  • the measurement range is determined by the difference in optical length between the arms 64 and 65 of the decoder interferometer 61, and by the maximum stroke of the delay line 65.
  • This type of interferometer thus presents the advantage of allowing large measurement ranges.
  • the successive interfaces of the object to be measured 24 appear as successions of interference peaks separated by the optical distances separating these interfaces (as reproduced for example by the path of the mirror 68), it is possible to measure without ambiguity Stacks of many layers.
  • the implementation of a double interferometer system, with a coding interferometer 60 and a decoding interferometer 61, and the generation of the reference at the end of the measurement fiber 67 makes it possible to make the system insensitive to disturbances in the field. Measurement fiber 67.
  • the true optical distances between the collimator and the interfaces of the object to be measured can be measured with great accuracy.
  • this configuration with a measurement optical fiber 67 makes it possible to deport the interferometer 27.
  • the collimator 66 is in the vicinity of the object to be measured. This advantage is important when the object to be measured 24 is a wafer 24 on a wafer support 23, for which the access along its face on the wafer support 23 is more difficult.
  • the second translation means 22 also make it possible to position the second measurement beam 28 at any point on the second surface of the wafer 24, and on a second face of the reference object 26 opposite the first beam of measure 16.
  • FIG. 2 and FIG. 3 illustrate alternative embodiments of the interferometer which have the advantage of spatially separating the measuring beams 16 and reference 17. These configurations allow in particular to increase the working distance between the interferometer and the object to be measured 24 without increasing the optical path difference between the measuring beam 16 and the reference beam 17.
  • Fig. Figure 2 illustrates a Michelson interferometer configuration.
  • the light of the source is divided by a splitter cube 31 to form a measuring beam 16 directed towards the object 24 and a reference beam 17 directed towards a reference surface in the form of a mirror 14.
  • the measuring beams and reference are substantially perpendicular.
  • Fig. Figure 3 illustrates a Mirau interferometer configuration.
  • the light of the source is divided by a semi-reflecting plate 32 substantially perpendicular to the optical axis 19 of the incident beam to form a measurement beam 16 directed towards the object 24 and a reference beam 17 directed towards a reference surface under
  • the reference mirror 14 is on the optical axis 19 of the incident beam, of which it forms a central obscuration.
  • Fig. 4 (a) illustrates a splined spectrum signal 41 as obtained at the output of the spectrometer 18.
  • This signal represents a spectral intensity I (v) expressed as a function of the optical frequency v.
  • This intensity I (v) can be represented as a sum of i harmonic functions each corresponding to an interference signal between two incident waves on the spectrometer 18:
  • a 0 and Ai are intensity coefficients, ⁇ , a phase coefficient, c the speed of light, and 2 Lj the difference in optical paths between the two interfering waves.
  • This "frequency” of spectral modulation is therefore representative of the difference in optical paths 2L, between the two waves that interfere.
  • this spectral modulation signal 42 is representative of an envelope of the time autocorrelation function of measurement beams 16 and reference 17. It comprises an amplitude peak 43, 44, 45 for each delay Tj corresponding to a difference in paths. 2L optics, between two waves that interfere.
  • the spectral modulation signal 42 illustrated in FIG. 4 (b) qualitatively corresponds to the situation illustrated in FIG. 1 in which there is a measuring object 24 with a thin layer 25.
  • FIGS. 4 (a) and FIG. 4 (b) are purely illustrative.
  • the spectral modulation signal 42 comprises a first peak 43 centered on a delay ⁇ corresponding to the optical path difference 2E, where E is the optical thickness of the thin layer 25.
  • This first peak 43 therefore corresponds to an interference between two components of the measuring beam 16 reflected on the two interfaces of the object 24 located on either side of the thin layer 25.
  • It also comprises a second peak 44 and a third peak 45 respectively corresponding to interference between the reference beam 17 and the components of the measuring beam 16 reflected on the one and the other interfaces of the object 24 located on either side. else of the thin layer 25.
  • the measuring head 10 is moved relative to the object to be measured 24 with the displacement means 21, which makes the optical path difference between the measuring and reference beams 16 vary. 17.
  • they can be positioned in a preferred area of the measuring range where they can be distinguished and measured under good conditions. For this, we set the peaks of interest 44, 45:
  • This measurement range extends from zero (zero delay) to delays for which the spectral modulation frequencies can no longer be sampled due to the spectral resolution of the spectrometer.
  • the measuring head 10 positions the measuring head 10 relative to the object 24 so that the optical path length of the reference optical beam 17 is intermediate between the lengths of the optical paths of the measuring beam 16 as reflected by the respective interfaces of the thin layer 25.
  • the reference surface 14 appears optically as being between the interfaces of the thin layer 25, and the peaks of the interest 44, 45 are at times ⁇ (or differences in optical paths 2L) less than that corresponding to the thickness of the thin layer 25 of the object 24.
  • the total measurement range is thus essentially determined by the travel of the displacement means 21, and
  • the resolution that is to say the ability to discriminate near interfaces is determined by the resolution of the spectral detection.
  • the interferometer makes it possible to determine differences in optical paths 2L between the reference beam and the measuring beam reflected by the interfaces of the object 24. It thus makes it possible to determine the optical heights of these interfaces by relation to an origin defined by an optical path equality in the interferometer.
  • the optical distances or height correspond to the distances or geometric heights multiplied by the refractive index of the mediums traversed.
  • these heights l_i correspond to the optical distance between the reference surface 14 and the interfaces of the object 24 along the Z axis.
  • optical height measurements Hl j of the measurement object interfaces 24 in its opposite side in a similar manner with the second optical measuring means 27.
  • these optical HLJ height measurements are measured by relation to the same origin of the coordinate system (X, Y, Z).
  • Optical thicknesses T of the object can then be determined by adding (or subtracting according to the sign conventions) the optical heights Hu and Hl obtained along the two faces of the object 24.
  • the measuring beam is positioned on the surface of the object to be measured 24 by means of the second translation means 22 (step 50);
  • the measurement head Z is moved relative to the object to be measured with the displacement means 21 to vary the optical path difference between the measurement and reference beams 17 (step 51);
  • the peak or points of interest 44, 45 are identified as explained above and or positioned in a preferential zone of the measurement range (step 52); the difference (s) of the optical paths l_i corresponding to these peaks of interest 44, 45 are measured in the measurement range of the interferometer (with respect to the zero delay corresponding to an equality of optical paths of the measurement beams 16 and reference 17 (step 53);
  • the optical height is calculated HU ⁇ interfaces of the object 24 by taking into account the position P H of the interferometer as described above (step 54);
  • an optical height measurement Hlj of the interfaces of the measurement object 24 is also performed along its opposite face with the second optical measurement means 27, and a combination of optical heights Hu and Hl is combined. to determine the (optical) thickness T (step 55).
  • the measurement beams can then be moved to another point on the surface of the object 24 to make another measurement and thus to map or topology the object 24.
  • the step 51 of displacement of the measuring head 10 can be omitted between the measurement points on the surface of the object if the identification of the peaks of interest is retained.
  • the method according to the invention also comprises a calibration step 56 which makes it possible to determine the value of the position P H of the interferometer or of the measurement head 10 along the Z axis. For this, one or more measurements on the reference object 26 whose height Hu is known, and the value of the position P H is deduced therefrom. It is also possible to calibrate in a similar way the second optical measuring means 27.
  • This calibration procedure can be performed once before performing a set of measurements on the surface of an object 24.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, comprenant (i) un premier interféromètre à faible cohérence agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulations spectrales, (ii) des moyens de déplacement (21) pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17), et des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative, (iii) des moyens électroniques et de calcul (20) agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17), et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24), et (iv) des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) avec un second faisceau de mesure (28) incident sur l'objet de mesure (24) selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure (16). L'invention concerne aussi un procédé mis en oeuvre dans ce dispositif.

Description

« Dispositif et procédé de mesure de hauteur en présence de couches minces »
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif et un procédé permettant de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'échantillons tels que des wafers en présence de couches minces.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des systèmes de mesure optiques pour l'industrie semiconducteur.
Etat de la technique antérieure
Il est souvent nécessaire d'effectuer des mesures de hauteur, de forme ou d'épaisseur sur des wafers au cours de process de fabrication de composants semiconducteurs. Ces mesures peuvent porter par exemple sur des formes ou des planéités de surface, des épaisseurs totales, ou des épaisseurs de couches.
Pour cela, il est connu d'utiliser des techniques optiques, dont en particulier des techniques d'interférométrie à faible cohérence qui mettent en œuvre des sources optiques à spectre large. Ces techniques sont pour l'essentiel de deux sortes :
- les techniques avec une détection dans le domaine temporel;
- les techniques avec une détection dans le domaine spectral.
Les techniques avec une détection dans le domaine temporel utilisent une ligne à retard temporelle qui permet de reproduire les délais de propagation des ondes de mesure réfléchies par des interfaces de l'objet à mesurer et de les faire interférer avec une onde de référence. On obtient ainsi sur un détecteur des pics d'interférences représentatifs de la position des interfaces de l'objet. Ces techniques temporelles permettent d'atteindre des étendues de mesure importantes, limitées uniquement par la course de la ligne à retard. En utilisant une source à large spectre émettant dans l'infrarouge elles permettent de mesurer des épaisseurs de matériaux semiconducteurs tels que du silicium. Les épaisseurs minimales mesurables sont limitées par la largeur de l'enveloppe des interférogrammes, qui dépend de la forme et de la largeur du spectre de la source.
Ainsi, avec une diode superluminescente émettant dans l'infrarouge (1310 nm ou 1550 nm par exemple), il est possible de mesurer des épaisseurs de silicium ou de couches transparentes de l'ordre de quelques dizaines de microns à plusieurs millimètres.
Les techniques basées sur l'interférométrie à faible cohérence dans le domaine spectral sont en général plutôt destinées à des mesures de couches minces, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de microns. La lumière réfléchie par les interfaces de l'objet à mesurer est analysée dans un spectromètre. Les épaisseurs ou distances entre interfaces de l'objet à l'origine des réflexions introduisent des modulations dans le spectre détecté qui permettent de les mesurer.
On connaît par exemple le document EP 0 747 666 qui décrit un système basé sur l'interférométrie à faible cohérence dans le domaine spectral permettant de mesurer des distances entre interfaces en présence de couches minces, à partir d'une modélisation mathématique de la phase des ondulations du spectre mesuré.
En pratique, les wafers dont on souhaite mesurer l'épaisseur peuvent être recouverts d'une couche mince de matériau transparent. On rencontre par exemple des configurations dans lesquelles on souhaite mesurer l'épaisseur de wafers de silicium de 300 pm à 700 pm d'épaisseur recouverts d'une couche de polyimide de l'ordre de 10 pm d'épaisseur. Cette configuration est problématique car aucune des techniques citées précédemment ne permet de mesurer l'épaisseur totale de manière satisfaisante :
- Les techniques d'interférométrie à faible cohérence avec une détection dans le domaine temporel (et une source infrarouge) permettent de mesurer l'épaisseur de silicium, mais elles ne permettent pas de distinguer les interfaces de la couche mince de polyimide, trop proches au regard de la largeur des interférogrammes. Même si l'on ne souhaite pas connaître l'épaisseur de la couche mince elle entraîne une incertitude de mesure de l'ordre de son épaisseur ; - Les techniques d'interférométrie à faible cohérence avec une détection dans le domaine spectral permettent de mesurer l'épaisseur de la couche mince, mais leur étendue de mesure est trop limitée pour mesurer l'épaisseur de silicium.
La présente invention a pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des épaisseurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces sans dégradation de la précision de mesure.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets tels que des wafers, avec à la fois une étendue de mesure importante et une résolution permettant de mesurer des couches minces.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure tel qu'un wafer,
comprenant un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique et agencé pour combiner dans un spectromètre un faisceau optique de référence issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence et un faisceau optique de mesure issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure, de sorte à produire un signal de spectre cannelé avec des fréquences de modulations spectrales, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des moyens de déplacement pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence, et des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative,
- des moyens électroniques et de calcul agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure et le faisceau optique de référence, et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure, et
- des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure incident sur l'objet de mesure selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure.
Les moyens de déplacement pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence (ou en d'autres termes la différence de longueur optique des faisceaux optiques de mesure et de référence) peuvent comprendre par exemple un dispositif de translation mécanique permettant de déplacer :
- la surface de référence relativement à un élément séparateur de faisceaux de l'interféromètre, de sorte à faire varier la longueur du faisceau optique de référence ;
- l'ensemble de l'interféromètre relativement à l'objet à mesurer, ou l'objet relativement à l'interféromètre, de sorte à faire varier la longueur du faisceau optique de mesure.
Les moyens de mesure d'une information de position peuvent comprendre tous moyens, tels qu'une règle optique ou un télémètre laser, pour mesurer la position de l'élément en mouvement.
La lumière polychromatique peut comprendre un spectre s'étendant dans des longueurs d'ondes visibles et/ou des longueurs d'ondes infrarouges.
Le signal de spectre est dit « cannelé » (« channeled spectrum » en Anglais) quand la différence de longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence est suffisamment grande pour qu'on puisse identifier au moins une période de modulation spectrale dans le signal de spectre (donc sur la largeur spectrale du signal de spectre). Dans ce cas, le signal de spectre présente des oscillations en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence, c'est-à-dire une amplitude variable périodiquement avec la longueur d'onde ou de la fréquence. Bien entendu, le signal de spectre peut comprendre également des modulations de période supérieure à la largeur spectrale du signal de spectre, correspondant à des couches très minces. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une tête de mesure avec la surface de référence, et des moyens de déplacement en translation aptes à déplacer relativement ladite tête de mesure et l'objet de mesure selon une direction sensiblement parallèle à un axe optique du faisceau optique de mesure.
Dans ce cas, les moyens de déplacement permettent de faire varier la longueur optique du faisceau de mesure relativement au faisceau de référence.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une surface de référence sous la forme d'une lame semi- réfléchissante insérée dans le trajet du faisceau optique de mesure.
Suivant d'autres modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une tête de mesure avec un élément optique séparateur apte à générer un faisceau optique de mesure et un faisceau optique de référence distincts.
Le dispositif selon l'invention peut notamment comprendre une tête de mesure avec un premier interféromètre de l'un des types suivants : Mirau, Linnick, Michelson, pour générer les faisceaux optiques de mesure et de référence.
Un interféromètre de Mirau comprend un élément optique séparateur avec une lame semi-réfléchissante perpendiculaire à l'axe du faisceau incident et une surface de référence sous la forme d'un miroir inséré au centre du faisceau incident.
Un interféromètre de Michelson ou un interféromètre de Linnick comprennent un élément optique séparateur avec une lame semi- réfléchissante ou un cube séparateur agencé pour générer un faisceau de mesure et un faisceau de référence sensiblement perpendiculaires, et une surface de référence sous la forme d'un miroir inséré dans le faisceau de référence.
Un interféromètre de Linnick comprend en outre des lentilles ou des objectifs insérés dans les bras de l'interféromètre correspondant au faisceau de référence et au faisceau de mesure.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens de translation aptes à déplacer relativement le faisceau optique de mesure et l'objet de mesure dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe optique du faisceau de mesure.
Ces seconds moyens de translation permettent de déplacer le faisceau optique de mesure sur la surface de l'objet (ou inversement) de sorte à pouvoir mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs en différent points de cet objet.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre un support apte à recevoir l'objet de mesure, et un objet de référence avec une hauteur et/ou des épaisseurs connues agencé sur ou faisant partie dudit support.
Le support peut être par exemple un chuck de wafer, pour recevoir un objet de mesure de la forme d'un wafer.
L'objet de référence peut être par exemple une portion de wafer de caractéristiques connues placé sur ou solidaire du support. Il peut être aussi constitué d'une portion du support ou du chuck de hauteur calibrée.
L'objet de référence peut être également constitué par une face d'appui du support destinée à recevoir l'objet à mesurer, ou une surface coplanaire de cette face d'appui.
L'objet de référence permet d'étalonner le système de mesure, en effectuent des mesures de hauteurs et/ou d'épaisseurs connues sur sa surface.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique qui émet une lumière dans le spectre visible.
Une telle source à spectre large et avec des longueurs d'ondes assez courtes permet d'effectuer des mesures de couches minces, par exemple matériaux diélectriques transparent de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns.
Comme expliqué précédemment, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure incident sur l'objet à mesurer selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure.
Cette configuration permet de faire des mesures en étrier, par exemple pour effectuer des mesures d'épaisseur totale sur l'objet de mesure. Ces mesures d'épaisseur totale peuvent notamment être déduites de mesures de distances réalisées de part et d'autre de l'objet de mesure.
Les seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur peuvent être également étalonnés en effectuant des mesures sur l'objet de référence.
Suivant d'autres modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens mécaniques de mesure de distance avec un palpeur mécanique en contact avec une seconde face de l'objet à mesurer à l'opposé du faisceau de mesure.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur de l'un des types suivants :
- interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral,
- système confocal chromatique.
Dans le cas d'un interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral, il peut être identique ou différent du premier interféromètre. Il peut également mettre en œuvre une lumière avec des longueurs d'ondes visibles et/ou infrarouges.
Un système confocal chromatique est un système de mesure qui utilise un élément optique dispersif pour focaliser différentes longueurs d'ondes à différentes distances, et une détection spectrale pour identifier les longueurs d'ondes réfléchies et ainsi la position des interfaces à l'origine de ces réflexions.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel.
Cet interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel peut comprendre une ligne à retard qui permet de faire varier un retard (temporel) entre des faisceaux optiques.
Suivant des modes de réalisation, l'interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel peut comprendre une source de lumière émettant dans l'infrarouge. Suivant des modes de réalisation, l'interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel peut comprendre un double interféromètre de Michelson avec un interféromètre de codage et un interféromètre de décodage, et une fibre optique de mesure avec un collimateur pour générer le second faisceau optique de mesure.
L'interféromètre de décodage peut comprendre une ligne à retard agencée de sorte à reproduire un retard optique entre un faisceau de mesure issu de réflexions sur des interfaces de l'objet de mesure et un faisceau de référence. Cette ligne à retard peut comprendre par exemple un miroir mobile en translation dans l'axe du faisceau optique, ou tout autre moyen connu de l'homme du métier pour faire varier un trajet optique (fibres optiques soumises à un étirement, lame à faces parallèles en rotation, ...).
Le faisceau de référence peut être généré dans le collimateur, par exemple par la réflexion de Fresnel à l'interface entre l'extrémité de la fibre optique de mesure et l'air.
Un tel interféromètre a l'avantage d'être aisément intégrable car le cœur de l'interféromètre peut être déporté à distance de l'objet de mesure et seul le collimateur doit être placé à proximité de cet objet.
Il a l'avantage de permettre des étendues de mesure importantes, en fonction de la ligne à retard choisie (de plusieurs millimètres ou même plusieurs centimètres).
Il a également l'avantage de permettre des mesures de distances « vraies », depuis le point de génération du faisceau de référence dans le collimateur jusqu'aux interfaces de l'objet, qui sont précises (par exemple de l'ordre de 100 nm) et insensibles aux perturbations, notamment dans la fibre optique de mesure. En outre, dans la mesure où les distances sont mesurées depuis une même référence permet de reconstruire sans ambiguïté la structure des empilements de couches de l'objet de mesure.
L'utilisation d'une source de lumière infrarouge rend possible des mesures de distances et d'épaisseurs, y compris au travers de matériaux tels que du silicium opaque à la lumière visible mais suffisamment transparent dans l'infrarouge. Suivant un autre aspect, il est proposé un procédé pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure tel qu'un wafer, mettant en œuvre un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique et agencé pour combiner dans un spectromètre un faisceau optique de référence issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence et un faisceau optique de mesure issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure, de sorte à produire un signal de spectre cannelé avec des fréquences de modulation spectrales, Lequel procédé comprenant des étapes :
- de mesure d'une information de position représentative de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence,
- de détermination d'au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure et le faisceau optique de référence,
- de détermination, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, d'au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure,
- de mesure d'une seconde information de hauteur et /ou d'épaisseurs en utilisant des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure incident sur l'objet à mesurer selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure, de sorte à déterminer une information d'épaisseur dudit objet à mesurer.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape d'identification des fréquences de modulation spectrale dont la valeur varie avec une variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence de sorte à obtenir au moins une fréquence de modulation spectrale dans un intervalle de valeurs prédéterminé.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre des étapes :
- de calcul d'un signal de modulation spectrale représentatif de l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de spectre cannelé, - d'identification de pics d'amplitude représentatifs de fréquences de modulation spectrale dans ledit signal de modulation spectrale.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de calibrage comprenant une mesure de hauteur et/ou d'épaisseur sur un objet de référence de hauteur et/ou d'épaisseur connue, de sorte à établir une relation entre au moins une information de position de la surface de référence, au moins une fréquence de modulation spectrale, et au moins une hauteur et/ou une épaisseur.
Suivant des modes d'implémentation, la mesure d'une seconde information de hauteur et/ou d'épaisseurs peut comprendre des étapes :
- de génération du second faisceau optique de mesure et d'un faisceau optique de référence au moyen d'une fibre optique de mesure et d'un collimateur,
- de détermination de différences de trajets optiques entre le second faisceau optique de mesure réfléchi sur l'objet de mesure et le faisceau de référence en en mettant en œuvre un double interféromètre de Michelson avec un interféromètre de codage et un interféromètre de décodage pourvu d'une ligne à retard temporelle.
Suivant un aspect particulièrement avantageux, le procédé de mesure selon l'invention met en œuvre un interféromètre à faible cohérence avec une détection en mode spectral dans une configuration qui permet d'effectuer des mesures de distances absolues sur des étendues de mesure relativement importantes. On peut ainsi exploiter un avantage de ce type de détection spectrale qui est de permettre de distinguer des interfaces très proches, et obtenir un dispositif et un procédé de mesure de distances et/ou d'épaisseurs qui combine une grande étendue de mesure et une résolution (ou une capacité à distinguer des interfaces proches) également importante.
Pour cela :
- On ajuster la différence de longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence en déplaçant de manière connue un élément de l'interféromètre (ou l'objet de mesure) de sorte que la fréquence de modulation spectrale correspondante du signal de spectre cannelé soit dans une gamme de valeurs où elle peut être mesurée dans de bonnes conditions ; - On utilise cette information de déplacement d'un élément de l'interféromètre ainsi que la ou les fréquences de modulations spectrales mesurées pour calculer une hauteur absolue de l'objet de mesure.
- on calibre la mesure sur un objet de référence de hauteur connue pour établir une relation entre l'information de déplacement d'un élément de l'interféromètre et la hauteur absolue ;
Pour mesurer une épaisseur d'objet, on effectue une autre mesure sur la face opposée de l'objet, avec un dispositif similaire ou différent, optique ou même mécanique (palpeur à contact).
Comme décrit précédemment on peut avantageusement utiliser un interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel fonctionnant dans l'infrarouge avec une grande étendue de mesure, qui permet d'obtenir une mesure complète de la structure des couches transparentes dans l'infrarouge de l'objet. On combine ainsi deux techniques de mesures très complémentaires qui permettent d'obtenir une caractérisation très complète de l'objet.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la Fig. 1 illustre un mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la Fig. 2 illustre un mode de réalisation de l'interféromètre sous la forme d'un interféromètre de Michelson,
- la Fig. 3 illustre un mode de réalisation de l'interféromètre sous la forme d'un interféromètre de Mirau,
- la Fig. 4 illustre, (a) un signal de spectre cannelé, et (b) une transformée de Fourier du spectre cannelé,
- la Fig . 5 illustre les étapes du procédé selon l'invention,
- La Fig. 6 illustre un mode de réalisation de seconds moyens optiques de mesure.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
On va décrire, en référence à la figure 1, un premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention pour mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets de mesure 24.
Dans le mode de réalisation présenté, le dispositif selon l'invention est destiné plus particulièrement à mesurer des objets de mesure 24 sous la forme de wafers 24 en cours de process.
Comme illustré, ces wafers 24 peuvent comprendre une ou plusieurs couches minces 25 déposées sur leur surface.
Ces wafers 24 peuvent par exemple comprendre une épaisseur de silicium de 450 pm à 700 pm et une couche de polyimide, oxyde de silicium, nitrure de silicium ou autres diélectriques transparent de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns.
De manière habituelle ces couches minces sont au moins partiellement transparentes aux longueurs d'ondes visibles. Le silicium est transparent aux longueurs d'onde infrarouges. Toutefois, selon les échantillons, la couche de silicium peut comprendre des couches opaques (composant, transistors, couches ou pistes métalliques ...).
Dans ces conditions, comme expliqué précédemment, les méthodes connues pour mesurer l'épaisseur totale du wafer ne sont en général pas en mesure de séparer ou résoudre les interfaces des couches minces, surtout quand elles sont transparentes dans les longueurs d'ondes de mesure. Même si l'on ne cherche pas à mesurer l'épaisseur de ces couches mais seulement l'épaisseur totale du wafer 24, la précision de la mesure est limitée par l'indétermination sur la détection des interfaces des couches minces 25.
A l'inverse, ces couches minces peuvent être mesurées ou leurs interfaces distinguées avec des techniques d'interférométrie à faible cohérente opérant dans le domaine spectral, en utilisant une source de lumière avec un spectre suffisamment étendu en fréquences. Toutefois ces techniques ne permettent pas de mesurer des épaisseurs optiques importantes (telles que 700 pm de silicium, qui correspondent à une épaisseur optique supérieure à 2 mm en tenant compte de l'indice de réfraction du silicium qui est de l'ordre de 3.5) cas les oscillations du spectre cannelé deviennent trop rapprochées pour pouvoir être échantillonnées par le détecteur.
En outre, les wafers 24 à mesurer peuvent être fortement déformés, ce qui nécessite un système de mesure avec une étendue de mesure importante.
Le cœur du dispositif de mesure selon l'invention est constitué par un interféromètre à faible cohérence intégré dans une tête de mesure 10.
La tête de mesure 10 est fixée à des moyens de déplacement 21 avec une platine de translation motorisée qui permet de la déplacer selon un axe Z relativement au châssis de l'appareil sur lequel cette platine de translation est fixée. La platine de translation est équipée de moyens de mesure d'une information de position sous la forme d'une règle optique, qui permettent d'en mesurer précisément son déplacement et sa position.
L'interféromètre est illuminé par une source optique 11 à large spectre qui émet une lumière polychromatique 12 dans le spectre visible. Dans le mode de réalisation présenté, cette source comprend une source halogène, ou deutérium halogène avec un spectre s'étendant jusqu'à 300 nm dans l'ultraviolet.
L'interféromètre comprend une lame séparatrice 13 qui dirige la lumière de la source 11 vers l'objet à mesurer 24.
Une partie de la lumière est réfléchie sur une surface de référence 14 constituée par une lame semi réfléchissante 14, pour former un faisceau optique de référence 17.
Une partie de la lumière de la source est transmise au travers de la lame semi réfléchissante 14 pour former un faisceau optique de mesure 16. Ce faisceau optique de mesure 16 est focalisé sur l'objet à mesurer 24 (le wafer 24) par un objectif ou une lentille 15.
Le faisceau optique de mesure 16 est positionné relativement à l'objet de mesure 24 de sorte que son axe optique 19 soit sensiblement perpendiculaire aux interfaces de cet objet 24. Dans le mode de réalisation présenté, cet axe optique 19 est sensiblement parallèle à l'axe de déplacement Z des moyens de déplacement 21.
La lumière du faisceau de mesure 16 est réfléchie sur les interfaces de l'objet à mesurer 24, et notamment dans l'exemple illustré par les interfaces de la couche mince 25.
Les faisceaux des mesure 16 et de référence 17 réfléchis sont dirigés au travers de la lame séparatrice 13 vers un spectromètre de détection 18.
Ce spectromètre 18 comprend un réseau diffractif qui disperse spatialement en fonction de des fréquences optiques la lumière combinée des faisceaux de mesure 16 et de référence 17, et un capteur linéaire (CCD ou CMOS) dont chaque pixel reçoit la lumière issue du réseau diffractif correspondant à une gamme particulière de fréquences optiques.
Le spectromètre est relié à des moyens électroniques et de calcul 20 sous la forme d'un ordinateur 20.
L'objet à mesurer 24, qui est dans le mode de réalisation illustré un wafer 24, est positionné sur un support 23, qui a la forme d'un support de wafer 23 (« chuck » en Anglais).
Le dispositif comprend en outre un objet de référence 26 sous la forme d'une portion de wafer 26 d'épaisseur connue. Cet objet de référence 26 est positionné sur support de wafer 23.
Le support de wafer 23 est fixé sur des seconds moyens de translation 22 sous la forme d'une platine de translation 22 qui assure son déplacement (relativement au châssis de l'appareil par exemple) dans un plan X-Y sensiblement perpendiculaire à l'axe optique 19 du faisceau de mesure 16.
Ces seconds moyens de translation 22 permettent de positionner le faisceau de mesure 16 en tout point de la surface du wafer 24, et sur l'objet de référence 26.
Le dispositif selon l'invention comprend en outre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur 27 avec un second faisceau de mesure 28 incident sur l'objet à mesurer 24 selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure 16.
Dans le mode de réalisation présenté, ces seconds moyens optiques de mesure 27 comprennent un interféromètre à faible cohérence 27 fonctionnant dans le domaine temporel, avec une ligne à retard temporelle qui permet d'introduire un retard ou une variation de chemin optique variable.
De tels interféromètres sont connus de l'homme du métier, aussi seuls les principes généraux en sont rappelés ici.
La lumière issue d'une source à spectre large est séparée entre un faisceau de référence interne et un faisceau de mesure 28 incident sur l'objet à mesurer. Le faisceau de mesure 28 est réfléchi sur des interfaces de l'objet. Chaque réflexion subit un retard proportionnel au chemin optique jusqu'à l'interface considérée. Ce retard est reproduit dans la ligne à retard de sorte à remettre en phase les faisceaux de mesure et de référence et ainsi générer des pics d'interférences au cours du déplacement de la ligne à retard. La connaissance du déplacement de cette ligne à retard permet de déterminer la position des interfaces à l'origine des pics d'interférence.
On utilise de préférence une source de lumière dans l'infrarouge (autour de 1310 nm par exemple), qui permet de pénétrer le silicium et ainsi d'effectuer également des mesures sur des couches internes au wafer le cas échéant.
La figure 6 illustre une représentation schématique d'un tel interféromètre à faible cohérence 27 fonctionnant dans le domaine temporel.
Le cœur de l'interféromètre 27 est un double interféromètre de Michelson à base de fibres optiques monomodes, avec un interféromètre de codage 60 et un interféromètre de décodage 61. Il est illuminé par une source de lumière fibrée 62 qui est une diode superluminescente (SLD) dont la longueur d'onde centrale est de l'ordre de 1300 nm à 1350 nm et la largeur spectrale de l'ordre de 60 nm. Le choix de cette longueur d'onde correspond en notamment à des critères de disponibilité des composants.
La lumière issue de la source 62 est dirigée au travers d'un coupleur 60 qui constitue l'interféromètre de codage 60 et d'une fibre optique de mesure 67 vers un collimateur 66, pour constituer le second faisceau de mesure 28. Une partie du faisceau issu de la source 62 est réfléchie dans la fibre de mesure 67 au niveau du collimateur 66, pour constituer le faisceau de référence interne. Plus précisément, dans le mode de réalisation présenté, le faisceau de référence est généré par la réflexion de Fresnel à l'interface entre l'extrémité de la fibre optique de mesure 67 et l'air dans le collimateur. Cette réflexion est habituellement de l'ordre de 4%.
Les rétro-réflexions issues des interfaces du wafer 24 sont couplées dans la fibre 67 et dirigées avec l'onde de référence vers l'interféromètre de décodage 61 construit autour du coupleur à fibres 61. Cet interféromètre de décodage a une fonction de corrélateur optique dont les deux bras sont, respectivement, une référence fixe 64 et une ligne à retard temporelle 65. Les signaux réfléchis au niveau de la référence 64 et de la ligne à retard 65 sont combinés, au travers du coupleur 61, sur un détecteur 63 qui est une photodiode. La fonction de la ligne à retard 65 est d'introduire un retard optique entre les ondes incidentes et réfléchies, variable au cours du temps d'une manière connue. Ce retard est obtenu par exemple par le déplacement d'un miroir 68 en translation dans l'axe du faisceau optique.
La longueur des bras 64 et 65 de l'interféromètre de décodage 61 est ajustée de telle sorte à permettre de reproduire avec la ligne à retard 65 les différences de trajets optiques entre l'onde de référence réfléchie au niveau du collimateur 66 et les rétroréflexions issues de l'objet à mesurer 24. Lorsqu'on reproduit une telle différence de trajet optique pour une position du miroir 68, on obtient sur le détecteur 43 un pic d'interférence dont la forme et largeur dépendent des caractéristiques spectrales de la source 62 (plus le spectre de la source 62 est large, plus le pic d'interférence est étroit).
Ainsi, l'étendue de mesure est déterminée par la différence de longueur optique entre les bras 64 et 65 de l'interféromètre de décodage 61, et par la course maximale de la ligne à retard 65. Ce type d'interféromètres présente ainsi l'avantage de permettre des étendues de mesure importantes. En outre, comme les interfaces successives de l'objet à mesurer 24 apparaissent comme des successions de pics d'interférences séparés par les distances optiques séparant ces interfaces (telles que reproduites par exemple par la course du miroir 68), on peut mesurer sans ambiguïté des empilements de couches nombreuses. La mise en œuvre d'un système à double interféromètre, avec un interféromètre de codage 60 et un interféromètre de décodage 61, et la génération de la référence au bout de la fibre de mesure 67, permet de rendre le système insensible aux perturbations dans la fibre de mesure 67. Ainsi on peut mesurer avec une grande précision les distances optiques vraies entre le collimateur et les interfaces de l'objet à mesurer 24.
En outre, cette configuration avec une fibre optique de mesure 67 permet de déporter l'interféromètre 27. Ainsi seul le collimateur 66 se trouve à proximité de l'objet à mesurer 24. Cet avantage est important lorsque l'objet à mesurer 24 est un wafer 24 sur un support de wafer 23, pour lequel l'accès selon sa face sur le support de wafer 23 est plus difficile.
L'utilisation de deux faisceaux de mesure 16, 28 de part et d'autre de l'objet à mesurer 24 suivant une configuration « en étrier » permet d'effectuer des mesures d'épaisseur sur cet objet 24 en mesurant les distances de ses faces de part et d'autre relativement aux systèmes de mesure. On peut ainsi déterminer l'épaisseur de l'objet 24 dans tous les cas, qu'il soit transparent, opaque, ou partiellement opaque aux longueurs d'ondes de mesure utilisées.
Bien entendu, les seconds moyens de translation 22 permettent également de positionner le second faisceau de mesure 28 en tout point de la seconde surface du wafer 24, et sur une seconde face de l'objet de référence 26 à l'opposé du premier faisceau de mesure 16.
Il est à noter que la combinaison :
- d'une technique d'interférométrie à faible cohérente opérant dans le domaine spectral et utilisant une source de lumière avec un spectre très étendu
- et d'une technique d'interférométrie à faible cohérente opérant dans le domaine temporel dans l'infrarouge,
- dans une configuration en étrier telle que décrite précédemment, permet une caractérisation très complète d'échantillons tels que des wafers avec des couches minces diélectriques, grâce à la forte complémentarités de ces techniques de mesure.
Les Fig. 2 et Fig. 3 illustrent des variantes de modes de réalisation de l'interféromètre qui ont l'avantage de séparer spatialement les faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Ces configurations permettent notamment d'augmenter la distance de travail entre l'interféromètre et l'objet à mesurer 24 sans augmenter la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17.
La Fig. 2 illustre une configuration d'interféromètre de Michelson. La lumière de la source est divisée par un cube séparateur 31 pour former un faisceau de mesure 16 dirigé vers l'objet 24 et un faisceau de référence 17 dirigé vers une surface de référence sous la forme d'un miroir 14. Les faisceaux de mesure et de référence sont sensiblement perpendiculaires.
La Fig . 3 illustre une configuration d'interféromètre de Mirau . La lumière de la source est divisée par une lame semi réfléchissante 32 sensiblement perpendiculaire à l'axe optique 19 du faisceau incident pour former un faisceau de mesure 16 dirigé vers l'objet 24 et un faisceau de référence 17 dirigé vers une surface de référence sous la forme d'un miroir 14. Dans ce cas le miroir de référence 14 est sur l'axe optique 19 du faisceau incident dont il forme une obscuration centrale.
La Fig. 4(a) illustre un signal de spectre cannelé 41 tel qu'il est obtenu à la sortie du spectromètre 18.
Ce signal représente une intensité spectrale I(v) exprimée en fonction de la fréquence optique v. Cette intensité I(v) peut être représentée comme une somme de i fonctions harmoniques correspondant chacune à un signal d'interférence entre deux ondes incidentes sur le spectromètre 18 :
I(v) ~ A0(v) +∑i { Aj(v) cos[(2n/c) 2L, v + q>j] }
Où A0 et Ai sont des coefficients d'intensité, φ, un coefficient de phase, c la vitesse de la lumière, et 2 Lj la différence de trajets optiques entre les deux ondes qui interfèrent.
La « fréquence » de modulation spectrale de chacune de ces fonctions harmoniques (qui en fait a une dimension de temps et correspond au retard entre les deux ondes qui interfèrent) peut s'écrite :
Cette « fréquence » de modulation spectrale est donc représentative de la différence de trajets optiques 2L, entre les deux ondes qui interfèrent.
Pour analyser le signal d'intensité spectrale I(v), on en effectuer une transformée de Fourier, et on obtient un spectre d'amplitude ou signal de modulation spectrale 42 tel qu'illustré à la Fig. 4(b). Il est à noter que ce signal de modulation spectrale 42 est représentatif d'une enveloppe de la fonction d'autocorrélation temporelle des faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Il comprend un pic d'amplitude 43, 44, 45 pour chaque retard Tj correspondant à une différence de trajets optiques 2L, entre deux ondes qui interfèrent.
Le signal de modulation spectrale 42 illustré à la Fig. 4(b) correspond qualitativement à la situation illustrée à la Fig. 1 dans laquelle on a un objet de mesure 24 avec une couche mince 25.
Bien entendu, les signaux représentés aux Fig. 4(a) et Fig. 4(b) sont purement illustratifs.
Le signal de modulation spectrale 42 comprend un premier pic 43 centré sur un retard τ correspondant à la différence de trajets optiques 2E, où E est l'épaisseur optique de la couche mince 25. Ce premier pic 43 correspond donc à une interférence entre deux composantes du faisceau de mesure 16 réfléchies sur les deux interfaces de l'objet 24 situées de part et d'autre de la couche mince 25.
Il comprend également un second pic 44 et un troisième pic 45 correspondant respectivement à des interférences entre le faisceau de référence 17 et les composantes du faisceau de mesure 16 réfléchies sur l'une et l'autre interfaces de l'objet 24 situées de part et d'autre de la couche mince 25.
Seuls ces seconds et troisièmes pics 44, 45 et les fréquences de modulations spectrales associées sont représentatifs d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure 16 et le faisceau optique de référence 17. Et donc seuls ces seconds et troisièmes pics 44, 45 contiennent une information de hauteur absolue de l'objet.
Il est donc nécessaire pour effectuer une mesure de hauteur sur l'objet 24 de pouvoir discriminer les pics 43 dus uniquement à des interférences entre composantes du faisceau de mesure 16 et les pics d'intérêt 44, 45 qui sont dus à des interférences entre le faisceau de référence 17 et le faisceau de mesure 16 et qui seuls contiennent l'information utile.
Pour cela, on déplace la tête de mesure 10 relativement à l'objet à mesurer 24 avec les moyens de déplacement 21, ce qui fait varier la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Seuls les pics d'intérêt 44, 45 dus à des interférences entre le faisceau de référence 17 et le faisceau de mesure 16 se déplacent dans l'étendue de mesure, ce qui permet de les distinguer des autres qui restent stationnaires. En outre on peut ainsi les positionner dans une zone préférentielle de l'étendue de mesure où ils peuvent être distingués et mesurés dans de bonnes conditions. Pour cela, on positionne les pics d'intérêt 44, 45 :
- dans l'étendue de mesure (en termes de retards τ ou de différences de trajets optiques 2L) exploitable. Cette étendue de mesure s'étend de zéro (retard nul) à des retards pour lesquels les fréquences de modulation spectrales ne peuvent plus être échantillonnées du fait de la résolution spectrale du spectromètre.
- de préférence dans une zone de l'étendue de mesure correspondant à des retards τ ou de différences de trajets optiques 2L supérieurs à ceux correspondants à l'épaisseur des couches minces 25 de l'objet 24.
Si l'épaisseur d'une couche mince 25 de l'objet 24 est suffisamment importante, on peut également positionner la tête de mesure 10 relativement à l'objet 24 de sorte que la longueur du trajet optique du faisceau optique de référence 17 soit intermédiaire entre les longueurs des trajets optiques du faisceau de mesure 16 tel que réfléchi par les interfaces respectives de la couche mince 25. Dans ce cas, la surface de référence 14 apparaît optiquement comme étant entre les interfaces de la couche mince 25, et les pics d'intérêt 44, 45 se situent à des retards τ (ou des différences de trajets optiques 2L) inférieurs à celui correspondants à l'épaisseur de la couche mince 25 de l'objet 24.
II est à noter que :
- l'étendue de mesure totale est ainsi essentiellement déterminée par la course des moyens de déplacement 21, et
- la résolution, c'est-à-dire la capacité à discriminer des interfaces proches est déterminée par la résolution de la détection spectrale.
Comme expliqué précédemment, l'interféromètre permet de déterminer des différences de trajets optiques 2L, entre le faisceau de référence et le faisceau de mesure réfléchi par les interfaces de l'objet 24. Il permet donc de déterminer les hauteurs optiques l_i de ces interfaces par rapport à une origine définie par une égalité de chemin optique dans l'interféromètre. On rappelle que les distances ou hauteur optiques correspondent aux distances ou hauteurs géométriques multipliées par l'indice de réfraction des milieux traversés. Dans le mode de réalisation de la Fig. 1, ces hauteurs l_i correspondent à la distance optique entre la surface de référence 14 et les interfaces de l'objet 24 le long de l'axe Z.
Pour calculer la hauteur optique H UÏ des interfaces de l'objet 24 par rapport à une origine d'un système de coordonnées (X, Y, Z) tel qu'illustré à la Fig. 1, il faut prendre en compte la position PH de l'interféromètre ou de la tête de mesure 10 le long de l'axe Z. Cette position PH est donnée par les moyens de mesure de position de la platine de translation 21, après calibrage. En considérant une position PH et des hauteurs optiques H UÏ orientées selon l'axe Z, la hauteur optique H UÏ des interfaces de l'objet 24 est donnée par la relation :
On peut également obtenir des mesures de hauteur optique Hlj des interfaces de l'objet de mesure 24 selon sa face opposée d'une manière similaire avec les seconds moyens optiques de mesure 27. De préférence, ces mesures de hauteur optique Hlj sont mesurées par rapport à la même origine du système de coordonnées (X, Y, Z).
On peut alors déterminer des épaisseurs optiques T de l'objet en additionnant (ou soustrayant selon les conventions de signe) les hauteurs optiques Hu et Hl obtenues selon les deux faces de l'objet 24.
En référence à la Fig. 5, on va maintenant décrire un procédé de mesure de distances et/ou d'épaisseur qui met en œuvre le dispositif de l'invention.
Pour effectuer une mesure :
- on positionne le faisceau de mesure sur la surface de l'objet à mesurer 24 au moyen des seconds moyens de translation 22 (étape 50) ;
- on déplace la tête de mesure 10 en Z relativement à l'objet à mesurer 24 avec les moyens de déplacement 21 pour faire varier la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17 (étape 51) ;
- on identifie le ou les pics d'intérêts 44, 45 comme expliqué précédemment et ou les positionne dans une zone préférentielle de l'étendue de mesure (étape 52) ; - on mesure la ou les différences de trajets optiques l_i correspondant à ces pics d'intérêt 44, 45 dans la gamme de mesure de l'interféromètre (par rapport au retard nul correspondant à une égalité de chemins optiques des faisceaux de mesure 16 et de référence 17 (étape 53);
- On calcule la hauteur optique H UÏ des interfaces de l'objet 24 en prenant en compte la position PH de l'interféromètre comme décrit précédemment (étape 54) ;
- pour calculer une épaisseur de l'objet, on effectue également une mesure de hauteur optique Hlj des interfaces de l'objet de mesure 24 selon sa face opposée avec les seconds moyens optiques de mesure 27, et on combine de hauteurs optiques Hu et Hl pour déterminer l'épaisseur (optique) T (étape 55).
On peut ensuite déplacer les faisceaux de mesure sur un autre point de la surface de l'objet 24 pour effectuer une autre mesure et ainsi réaliser une cartographie ou une topologie de l'objet 24.
L'étape 51 de déplacement de la tête de mesure 10 peut être omise entre les points de mesures à la surface de l'objet si l'identification des pics d'intérêt est conservée.
Le procédé selon l'invention comprend également une étape de calibrage 56 qui permet de déterminer la valeur de la position PH de l'interféromètre ou de la tête de mesure 10 le long de l'axe Z. Pour cela on effectue une ou plusieurs mesures sur l'objet de référence 26 dont la hauteur Hu est connue, et on en déduit la valeur de la position PH . On peut également calibrer d'une manière similaire les seconds moyens optiques de mesure 27.
Cette procédure de calibrage peut être réalisée une fois avant d'effectuer un ensemble de mesures sur la surface d'un objet 24.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, comprenant un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique (12) et agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence (14) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulations spectrales,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des moyens de déplacement (21) pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17), et des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative,
- des moyens électroniques et de calcul (20) agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17), et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24), et
- des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) avec un second faisceau de mesure (28) incident sur l'objet de mesure (24) selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure (16).
2. Le dispositif de la revendication 1, qui comprend une tête de mesure (10) avec la surface de référence (14), et des moyens de déplacement en translation (21) aptes à déplacer relativement ladite tête de mesure (10) et l'objet de mesure (24) selon une direction sensiblement parallèle à un axe optique (19) du faisceau optique de mesure (16).
3. Le dispositif de la revendication 2, qui comprend une surface de référence (14) sous la forme d'une lame semi-réfléchissante (14) insérée dans le trajet du faisceau optique de mesure (16).
4. Le dispositif de la revendication 2, qui comprend une tête de mesure
(10) avec un élément optique séparateur (31, 32) apte à générer un faisceau optique de mesure (16) et un faisceau optique de référence (17) distincts.
5. Le dispositif de la revendication 4, qui comprend une tête de mesure (10) avec un premier interféromètre de l'un des types suivants : Mirau,
Linnick, Michelson, pour générer les faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17).
6. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre des seconds moyens de translation (22) aptes à déplacer relativement le faisceau optique de mesure (16) et l'objet de mesure (24) dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe optique (19) du faisceau de mesure (16).
7. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre un support (23) apte à recevoir l'objet de mesure (24), et un objet de référence (26) avec une hauteur et/ou des épaisseurs connues disposé sur ou faisant partie dudit support (23).
8. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique (12) qui émet une lumière dans le spectre visible.
9. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 8, qui comprend des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) de l'un des types suivants :
- interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral,
- système confocal chromatique.
10. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 8, qui comprend des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) avec un interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel (27).
11. Le dispositif de la revendication 10, dans lequel l'interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel (27) comprend une source de lumière (62) émettant dans l'infrarouge.
12. Le dispositif de l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel l'interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel comprend un double interféromètre de Michelson avec un interféromètre de codage (60) et un interféromètre de décodage (61), et une fibre optique de mesure (67) avec un collimateur (66) pour générer le second faisceau optique de mesure (28).
13. Procédé pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, mettant en œuvre un premier interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique (12) et agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence (14) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulation spectrales,
caractérisé en ce qu'il comprend des étapes :
- de mesure d'une information de position représentative de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17),
- de détermination d'au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17),
- de détermination, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, d'au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24),
- de mesure d'une seconde information de hauteur et /ou d'épaisseurs en utilisant des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure (28) incident sur l'objet à mesurer (24) selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure (16), de sorte à déterminer une information d'épaisseur dudit objet à mesurer (24).
14. Le procédé de la revendication 13, qui comprend une étape d'identification des fréquences de modulation spectrale dont la valeur varie avec une variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17).
15. Le procédé de l'une des revendications 13 ou 14, qui comprend en outre une étape de variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17) de sorte à obtenir au moins une fréquence de modulation spectrale dans un intervalle de valeurs prédéterminé.
16. Le procédé de l'une des revendications 13 à 15, qui comprend en outre des étapes :
- de calcul d'un signal de modulation spectrale (42) représentatif de l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de spectre cannelé (41),
- d'identification de pics d'amplitude (43, 44, 45) représentatifs de fréquences de modulation spectrale dans ledit signal de modulation spectrale (42).
17. Le procédé de l'une des revendications 13 à 16, qui comprend en outre une étape de calibrage comprenant une mesure de hauteur et/ou d'épaisseur sur un objet de référence (26) de hauteur et/ou d'épaisseur connue, de sorte à établir une relation entre au moins une information de position de la surface de référence (16), au moins une fréquence de modulation spectrale, et au moins une hauteur et/ou une épaisseur.
18. le procédé de l'une des revendications 13 à 17, dans lequel la mesure d'une seconde information de hauteur et /ou d'épaisseurs comprend des étapes : - de génération du second faisceau optique de mesure (28) et d'un faisceau optique de référence au moyen d'une fibre optique de mesure (67) et d'un collimateur (66),
- de détermination de différences de trajets optiques entre le second faisceau optique de mesure (28) réfléchi sur l'objet de mesure (24) et le faisceau de référence en en mettant en œuvre un double interféromètre de Michelson avec un interféromètre de codage (60) et un interféromètre de décodage (61) pourvu d'une ligne à retard temporelle.
EP16816597.5A 2015-12-22 2016-12-07 Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces Withdrawn EP3394560A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1563128A FR3045813B1 (fr) 2015-12-22 2015-12-22 Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces
PCT/EP2016/080005 WO2017108400A1 (fr) 2015-12-22 2016-12-07 Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3394560A1 true EP3394560A1 (fr) 2018-10-31

Family

ID=55346108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16816597.5A Withdrawn EP3394560A1 (fr) 2015-12-22 2016-12-07 Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20180364028A1 (fr)
EP (1) EP3394560A1 (fr)
KR (1) KR20180098255A (fr)
CN (1) CN108431545A (fr)
FR (1) FR3045813B1 (fr)
TW (1) TW201728869A (fr)
WO (1) WO2017108400A1 (fr)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3064349B1 (fr) * 2017-03-21 2023-06-30 Fogale Nanotech Dispositif et procede de reflectometrie a faible coherence a detection temps-frequence
TWI794416B (zh) * 2018-02-28 2023-03-01 美商賽格股份有限公司 多層堆疊結構之計量方法及干涉儀系統
US10782120B2 (en) * 2018-07-03 2020-09-22 Kla Corporation Dual-interferometry wafer thickness gauge
CN108917626A (zh) 2018-08-01 2018-11-30 深圳中科飞测科技有限公司 一种检测装置及检测方法
CN109000571B (zh) * 2018-09-11 2021-05-14 中国科学院光电技术研究所 一种厚度一致性检测装置
FR3089286B1 (fr) * 2018-11-30 2022-04-01 Unity Semiconductor Procédé et système pour mesurer une surface d’un objet comprenant des structures différentes par interférométrie à faible cohérence
DE102019102873B4 (de) * 2019-02-06 2022-01-20 Carl Mahr Holding Gmbh Sensorsystem und Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts sowie Koordinatenmessgerät
CN110108716A (zh) * 2019-05-06 2019-08-09 华侨大学 一种自动化衬底晶片缺陷及厚度检测系统
DE102019114167A1 (de) * 2019-05-27 2020-12-03 Precitec Optronik Gmbh Optische Messvorrichtung und Verfahren
CN112747681A (zh) * 2019-10-31 2021-05-04 佳陞科技有限公司 一种非破坏性光学检测系统
KR20220142499A (ko) * 2020-02-24 2022-10-21 노바 엘티디. 광학 계측 시스템 및 그 방법
CN112762820A (zh) * 2020-12-11 2021-05-07 深圳市菲森科技有限公司 一种共聚焦三维测量系统的标定装置及标定方法
US11486694B2 (en) * 2020-12-18 2022-11-01 Mitutoyo Corporation Chromatic range sensor system for measuring workpiece thickness
CN113483679B (zh) * 2021-07-06 2022-07-22 东北大学秦皇岛分校 一种隐形眼镜参数测量装置及方法
CN113251936A (zh) * 2021-07-09 2021-08-13 成都太科光电技术有限责任公司 立式半导体晶圆ttv干涉测试装置
CN114166119A (zh) * 2021-11-29 2022-03-11 湖北亿纬动力有限公司 一种电池尺寸测量方法、装置、设备及存储介质
EP4325166A1 (fr) * 2022-08-15 2024-02-21 JENOPTIK Industrial Metrology Germany GmbH Dispositif d'inspection optique

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2301884A (en) 1995-06-06 1996-12-18 Holtronic Technologies Ltd Characterising multilayer thin film systems by interferometry
WO2001059402A2 (fr) * 2000-01-25 2001-08-16 Zygo Corporation Systemes optiques permettant de mesurer des formes et des dimensions geometriques de pieces mecaniques de precision
JP3907518B2 (ja) * 2002-05-13 2007-04-18 株式会社神戸製鋼所 形状測定装置
KR100988454B1 (ko) * 2008-01-31 2010-10-18 에스엔유 프리시젼 주식회사 두께 측정방법
JP5473265B2 (ja) * 2008-07-09 2014-04-16 キヤノン株式会社 多層構造計測方法および多層構造計測装置
CN101509828B (zh) * 2009-03-06 2010-12-08 北京理工大学 差动共焦-低相干干涉组合折射率及厚度测量方法与装置
CN102080949B (zh) * 2009-12-01 2013-11-06 无锡华润上华半导体有限公司 硅外延膜厚测量方法及装置
FR2959305B1 (fr) * 2010-04-26 2014-09-05 Nanotec Solution Dispositif optique et procede d'inspection d'objets structures.
US9714825B2 (en) * 2011-04-08 2017-07-25 Rudolph Technologies, Inc. Wafer shape thickness and trench measurement
FR2994734B1 (fr) * 2012-08-21 2017-08-25 Fogale Nanotech Dispositif et procede pour faire des mesures dimensionnelles sur des objets multi-couches tels que des wafers.
ITBO20130403A1 (it) * 2013-07-26 2015-01-27 Marposs Spa Metodo e apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione
FR3026481B1 (fr) * 2014-09-25 2021-12-24 Fogale Nanotech Dispositif et procede de profilometrie de surface pour le controle de wafers en cours de process

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017108400A1 (fr) 2017-06-29
CN108431545A (zh) 2018-08-21
TW201728869A (zh) 2017-08-16
US20180364028A1 (en) 2018-12-20
FR3045813B1 (fr) 2020-05-01
FR3045813A1 (fr) 2017-06-23
KR20180098255A (ko) 2018-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3394560A1 (fr) Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces
EP3980715B1 (fr) Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique
EP4042098B1 (fr) Dispositif et procede de mesures d'imagerie et d'interferometrie
FR2959305A1 (fr) Dispositif optique et procede d'inspection d'objets structures.
EP1934552B1 (fr) Procede et dispositif de mesure de hauteurs de motifs
EP2304391B1 (fr) Dispositif optique et procédé de mesure de rotation d'un objet
EP0985902A1 (fr) Dispositif interférométrique pour relever les caractéristiques de réflexion et/ou de transmission optiques en profondeur d'un objet
CH663466A5 (fr) Procede et dispositif pour determiner la position d'un objet par rapport a une reference.
KR101987402B1 (ko) 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치
EP3388779A1 (fr) Systeme et procede de metrologie optique en super resolution a l'echelle nanometrique en champ lointain
WO2016146460A1 (fr) Dispositif et procede pour detecter des defauts dans des zones de liaison entre des echantillons tels que des wafers
FR3013128A1 (fr) Dispositif et methode de mise au point tridimensionnelle pour microscope
EP3935341A1 (fr) Procede et dispositif de mesure d'interfaces d'un element optique
EP2569593B1 (fr) Dispositif de mesure optique d'un paramètre physique
EP3601946B1 (fr) Dispositif et procede de reflectometrie a faible coherence a detection temps-frequence
WO2022058236A1 (fr) Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique
WO2007110395A1 (fr) Procede de mesure, sans contact, d'une caracteristique opto-geometrique d'un materiau, par spectrometrie interferentielle
EP4143504B1 (fr) Systeme de generation de signal representatif du profil d'une surface en mouvement par rapport au systeme
WO2023156519A1 (fr) Systèmes et procédés d'analyse de la qualité de surface d'une lame à faces parallèles
FR3064058A1 (fr) Systeme optique et spectrometre miniature equipe d'un tel systeme ainsi que procede d'analyse d'objets a l'aide d'un tel systeme optique
FR2950425A1 (fr) Nanotopographie 3d sans contact, insensible aux vibrations
EP3575774A1 (fr) Dispositif et procédé d'observation de particules, en particulier des particules submicroniques
WO2010001047A1 (fr) Dispositif de caracterisation optique d'un objet de tres petites dimensions

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

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

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

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

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

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20180625

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

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20210416

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: 20230701