FR2491234A1 - Dispositif electronique, pour l'analyse et le calcul des coefficients de fourier d'une fonction periodique, et ellipsometre comportant un tel dispositif - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF ELECTRONIQUE POUR L'ANALYSE ET LE CALCUL DES COEFFICIENTS DE FOURIER A, B ET C D'UNE FONCTION PERIODIQUE D'EXPRESSION GENERALE : FAAB COS 2AC SIN 2A REMARQUABLE E APPLICATION: ELLIPSOMETRE EN TEMPS REEL.

Description

DISPOSITIF ELECTRONIWE, POUR L'ANALYSE ET LE CALCUL DES COEFFICIENTS
DE FOURIER D'UNE FONCTION PERIODIAUE, ET ELLIPSOMETRE COMPORTANT UN
TEL DISPOSITIF.

L'invention concerne un dispositif électronique, pour l'analyse et le calcul des coefficients de Fourier A, B et C d'une fonction périodique, d'expression générale
f ( a) - A + B cos (2a ) + C sin (2a )
L'invention trouve son application dans l'ellipsométrie en temps réel, pour l'étude par exemple de couches obtenues par dépôt en phase vapeur.

Le dépôt en phase vapeur de films minces sur un substrat, par exemple de matériau semiconducteur, est à la base de la réalisation de dispositifs variés, tant en microélectronique (circuits intégrés rapides, MESFET,...) qu'en optoélectronique (photocathodes, lasers,...).

Le bon fonctionnement de ces dispositifs nécessite un contrôle rigoureux de l'épaisseur et de la composition des films déposés, ainsi que la raideur du profil de composition, au niveau des transitions internes.

Il est nécessaire, dans ce càs, de disposer d'un système de contrôle in situ, qui permette de suivre en temps réel la croissance du matériau.

L'ellipsométrie est une méthode optique qui consiste à déter miner la différence des phases A et le rapport des amplitudes tg + des composantes polarisées parallèlement et perpendiculairement d'une onde réfléchie par le matériau à analyser.

Cette méthode d'analyse non destructive peut être associée à des moyens d'acquisition de données et de calcul, qui permettent de suivre in situ, en temps réel, l'évolution d'un phénomème tel que la croissance du matériau Ainsi, dans le cas d'une croissance cristalline en cours, les techniques habituelles. d'acquisition de données et de calcul, au moyen d'un mini-ordinateur, permettent d'obtenir une mesure de Q et de X à 0,O1 > près, toutes les deux secondes environ.

Cependant, l'évolution des phénomènes de croissance étant extrêmement rapide, la Demanderesse a été conduite à améliorer encore les performances de ces appareils, et notamment la vitesse des moyens d'acquisition et de calcul.

Conformément à l'invention, le dispositif électronique d'analyse et de calcul est remarquable en ce qu'il comporte un circuit d'échantillonnage (13) à une première entrée duquel est appliquée ladite fonction périodique analogique de période , alors que des signaux, issus d'un codeur optique (11) , sous la forme de n impulsions délivrées au cours de ladite période, sont appliqués sur une deuxième entrée, l'échantillonneur délivrant à sa sortie une suite d'échantillons prélevés sur ladite fonction périodique, à chaque impulsion, et maintenus constants, cette suite d'échantillons étant appliquée à un convertisseur analogique-numérique (14) qui numérise lesdits échantillons, qui sont ensuite transmis à un sommateur (15) qui réalise des sommes partielles S1, S2, 53 et 54 pour chaque intervalle de temps correspondant à un quart de la période de ladite fonction périodique, ces sommes partielles étant alors fournies à un micro-ordinateur (17) qui effectue une transformation linéaire sous la forme suivante: A= S1 + S2 + S3 +S4
n B = 1 2 3 + 54
4S
C = S1 + S2 - S3 - S4
S4 où S désigne une somme partielle analogue obtenue avec la fonction sinus, pour un quart de ladite période.

De cette manière, il est possible d'obtenir jusqu'à vingt cinq mesures par seconde.

La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention se réalise.

La figure 1 représente l'appareillage optique d'un ellipsomètre.

La figure 2 représente le dispositif électronique d'analyse et de calcul.

Et la figure 3 représente le schéma complet d'un ellipsomètre, selon la présente invention.

L'appareillage optique, utilisé en ellipsométrie automatique, et tel que représenté à la figure 1, comprend une source lumineuse 1, typiquement un laser Helium-Néon de 2 mW, qui émet une lumière monochromatique, de longueur d'onde À- 6 328 a , qui passe au travers d'une lame quart d'onde 2, qui la polarise circulairement. Un polariseur 3, monté sur un moteur pas à pas 4, permet de choisir la direction d'une lumière polarisée rectilignement. Enfin, un diaphragme 5 permet de limiter l'ouverture du faisceau lumineux incident.

Le faisceau lumineux est alors réfléchi sur la surface d'un matériau 6 à analyser, par exemple du GaAs en cours de croissance, avec un angle d'incidence proche de l'angle de Brewster de façon à obtenir un maximum de précision pour la mesure de h et +.

Le faisceau réfléchi passe alors à travers un compensateur 7 (ou lame quart d'onde) , puis un obturateur 8, qui permet de déterminer le fond continu, après coupure du faisceau. Le faisceau traverse alors un analyseur 9, animé d'un mouvement de rotation, de vitesse constante, auquel est adjoint une roue dentée 10 et un codeur optique 11, dont la fonction sers précisée ci-après, et est ensuite détectée par un photomultiplicateur 12, qui délivre un courant proportionnel à l'intensité lumineuse reçue. L'analyseur et le polariseur peuvent être constitués par exemple d'une lame polaroïd à fort pouvoir d'extinction.

Le signal électrique fourni par le photomultiplicateur 12, et qui est asservi à la polarisation du faisceau est une fonction périodique du-type sinusoïde et peut s'écrire très généralement sous la forme
IPM = f(a) = A + B cos (2cl) + C sin (2au) dans laquelle A, B et C sont reliés directement aux angles ellipsométriques et 4; , par les relations b = arc tg (- BC )

et a repère la position de l'analyseur par rapport à l'origine.

La position angulaire de l'analyseur 9, fixé par exemple sur un moteur à arbre creux-, est repérée par un codeur optique 11 à partir d'une roue dentée 10, solidaire de l'analyseur 9. Selon une réalisation propre à la Demanderesse, la roue comportait 128 dents, et un orifice sur le pourtour dont la coincidence avec un repère fixe marquait l'origine. Le codeur optique délivre donc deux sortes de signaux
- une impulsion 0 utilisée comme origine, et qui sert à la commande du départ du système d'acquisition des données
- des impulsions 1-128 permettant l'échantillonnage du signal électrique fourni par le photomultiplicateur.

Ces signaux ainsi que le signal électrique fourni par le photomultiplicateur sont envoyés au dispositif électronique d'analyse et de calcul, représenté à la figure 2.

Ce dispositif comprend un échantillonneur 13, sur une première entrée duquel est appliqué le signal électrique IpM fourni par le photomultiplicateur, qui est une fonction périodique analogique ainsi qu'il ressort des explications ci-dessus, alors que les signaux issus du.codeur optique sont appliqués sur une deuxième entrée. A chaque impulsion émise par le codeur optique, l'échantillonneur bloque instantanément le signal et le maintient à valeur constante. Cette valeur est ensuite convertie en une forme numérique , par un convertisseur analogique/numérique 14. Pour que la conversion ne s'effectue pas en même temps que le blocage de l'échantillonneur, les signaux du codeur sont retardés, d'un temps T arbitraire que l'on peut choisir d'une valeur aussi petite qu'une microseconde.

-Le convertisseur 14 fournit ainsi des mots de 12 bits à un sommateur 15, et également une impulsion à chaque fin de conversion.

Le sommateur 15 permet ainsi d'additionner, sur un quart de période du signal issu du photomultiplicateur , les 16 mots- de 12 bits issus du convertisseur. Il est à remarquer que la fonction représentative du signal IpM a une fréquence double de celle représentant le mouvement de rotation de l'analyseur. Le résultat de l'addition se présente alors sous la forme d'un mot de 16 bits et est transmis au micro-ordinateurl7, via une interface 16.

Cette interface 16 est classique et connue ; elle est décrite par exemple dans la publication "Interfacing concepts and the 9825 A" qui est un guide d'utilisation du micro-ordinateur HP 9825 A, de la firme Hewlett-Packard. Cette interface est nécessaire au bon fonctionnement du micro-ordinateur, car le transfert de données du sommateur 15, qui est un système lent, au micro-ordinateur 17 qui est un système rapide, ne doit pas s'effectuer pendant les périodes de calcul de celui-ci.

Les relations entre le micro-ordinateur 17 et l'interface 16 s'effectuent généralement par l'intermédiaire de trois lignes, dont deux lignes sont des lignes dites de contrôle. Une première ligne
DL (comme "data lines") est en fait un ensemble de lignes de transmission de données, qui transmet en parallèles les divers bits d'un même mot (par exemple 8 ou 16 lignes en parallèles). Une deuxième ligne
PCTL comme("peripheral control") permet de répéter la procédure de transfert en série. Enfin une troisième ligne dite L FL (comme"flag-line") de l'interface 16 vers le microprocesseur 17 permet de prévenir celuici de la présence de données.

Cette interface est fournie généralement par le constructeur, ou construite selon ses indications, et donc ne fera pas l'ob- jet de plus amples développements ici. Dans le cas particulier de l'invention, il reste à initialiser la série des coefficients présente à l'interface. Pour cela, on synchronise l'impulsion O provenant du codeur optique 11, et le départ des mesures, par exemple par l'intermédiaire d'une porte ET. Une première entrée d'une porte ET est donc reliée au codeur optique H et une deuxième entrée est reliée à la sortie du sommateur iS. La sortie de cette porte ET autorise donc, lorsqu'une impulsion est délivrée, la procédure de transmission de données.

Cette ligne d'autorisation est une ligne interne à l'interface 16, et porte généralement, dans les schémas du constructeur, la référence ST (comme "statue").

Enfin, la figure 3 représente le schéma complet d'un ellipsomètre conforme à la présente invention. I1 se compose de trois parties principales, dont une première partie encadrée en traits pointillés et référencée OM, est la partie optique et mécanique telle que décrite à la figure 1, une deuxième partie encadrée en trait plein et référencée E est la partie électronique du système et enfin une troisième partie référencée pP est la partie calcul et commande du système.

La partie optique et mécanique délivre d'une part les signaux d'échantillonnage (impulsions 1-128) et de référence (impulsion 0), et d'autre part le signal électrique IpM fourni par le photomultiplicateur , à la partie électronique E.

La partie électronique délivre les quatre sommes 51' S2' S3 et 54 , résultats des additions des échantillons sur un quart de période du signal issu du photomultiplicateur, sous la forme de mots de 16 bits chacun, à la partie calcul et commande du système.

La partie calcul et commande du système est un micro-ordinateur -par exemple celui indiqué précédemment HP 9825 A- et se compose principalement d'un microprocesseur et des interfaces nécessaires.

A partir des quatre sommes S1, S2, S3 et S4 fournies par la partie électronique , le micro-ordinateur calcule les coefficients de Fourier de la fonction périodique f( a) par une transformation linéaire simple:
(S1 + S2 + S3 + s4)
A:
n B = (51 ~ 52 ~ 53 + 54) x
2n C = (51 + S2 ~ S3 -S4) x s
2n puis les angles ellipsométriques # et #, par les relations:
B
A - arc tg ( - C
et

Le micro-ordinateur commande des périphériques de stockage ou de visualisation divers, ainsi il est représenté à la figure 3 un exemple d'enregistreur sur cassettes, et une table traçante X-Y.

Enfin, il peut également commander le moteur pas à pas 3 qui supporte le polariseur, un obturateur de faisceau 8 et permettre d'asservir la haute tension du photomultiplicateur 12.

Il est bien entendu pour l'homme de l'art que de nombreuses variantes non essentiellement différentes sont concevables et contenues dans le cadre de la présente invention tel que défini par les revendications ci-aprbs annexées. Ainsi, l'élaboration de divers programmes de calcul, tant pour la procédure de calibration du système, que pour le tracé des angles ellipsométriques a été effectué par la
Demanderesse, mais non décrit ici comme ne faisant pas partie à proprement dit de l'invention, et ne pourrait constituer une variante protégeable de la présente invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS :

1. Dispositif électronique pour l'analyse et le calcul des coefficients de Fourier A, B et C d'une fonction périodique d'expression générale : f(a) = A + B cos (2a) + C sin (2a) caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'échantillonnage (13) à une première entrée duquel est appliquée ladite fonction périodique analogique de période , alors que des signaux, issus d'un codeur optique (11), sous la forme de n impulsions délivrées au cours de ladite période, sont appliqués sur une deuxième entrée, l'échantillonneur délivrant à sa sortie une suite d'échantillons prélevés sur ladite fonction périodique, à chaqueimpul- sion, et maintenus constants, cette suite d'échantillons étant appliquée à un convertisseur analogique-numérique (14) qui numérise lesdits échantillons, qui sont ensuite transmis à un sommateur (15) qui réalise des sommes partielles 51' 52' 53 et S4 pour chaque intervalle de temps correspondant à un quart de la période de ladite fonction périodique, ces sommes partielles étant alors fournies à un micro-ordinateur (17) qui effectue une transformation linéaire sous la forme suivante

51 S2 + 53 + 54

A =

n S - 52 53 +54

45 51 + 52 ~ 53 ~ 54

45 où S désigne une somme partielle analogue obtenue avec la fonction sinues, pour un quart de ladite période.

2. Dispositif électronique pour l'analyse et le calcul des coefficients de Fourier A, B et C d'une fonction périodique d'expression générale : f(a) = A + B cos (2α) + C sin (2α), selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on approche la valeur de S au moyen de l'expression n dans les calculs effectués par le micro-or

271 dinateur.

3. Ellipsomètre en temps réel, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif électronique selon l'une des revendications 1 ou 2.

4. Procédé pour le dépôt en phase vapeur de matériau sur un substrat , caractérisé en ce que l'on suit en temps réel la croissance du matériau, au moyen d'un ellipsomètre selon la revendication 3.