FR2524982A1 - INFRARED SPECTROMETER FOR TRANSMISSION AND REFLECTION MEASURES WITHOUT TRANSFORMING THE APPARATUS AND WITHOUT CHANGING THE POSITION OF THE SAMPLE - Google Patents
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Abstract
CET APPAREIL COMPORTE DEUX DETECTEURS 28, 31 PLACES DE PART ET D'AUTRE DE L'ECHANTILLON 17, DANS LE SENS DU TRAJET DES FAISCEAUX. L'UN 28 SERT A RECEVOIR LA LUMIERE 20 TRAVERSANT L'ECHANTILLON, L'AUTRE 31 A RECEVOIR LA LUMIERE 21 REFLECHIE PAR L'ECHANTILLON. CE SPECTROMETRE PERMET AINSI D'ANALYSER UN ECHANTILLON AU CHOIX, OU SIMULTANEMENT, EN TRANSMISSION ET EN REFLEXION, SANS TRANSFORMATION OU CHANGEMENT DE POSITION DE L'ECHANTILLON. L'INVENTION EST APPLICABLE NOTAMMENT AU CONTROLE DE LA FABRICATION DE CIRCUITS INTEGRES.THIS APPARATUS INCLUDES TWO DETECTORS 28, 31 PLACES ON EACH OTHER OF SAMPLE 17, IN THE DIRECTION OF THE BEAM PATH. ONE 28 SERVES TO RECEIVE THE LIGHT 20 THROUGH THE SAMPLE, THE OTHER 31 TO RECEIVE THE LIGHT 21 REFLECTED BY THE SAMPLE. THIS SPECTROMETER ALSO ALLOWS ANALYSIS OF A SAMPLE AS ANY CHOICE, OR SIMULTANEOUSLY, IN TRANSMISSION AND REFLECTION, WITHOUT TRANSFORMATION OR CHANGE OF POSITION OF THE SAMPLE. THE INVENTION IS APPLICABLE IN PARTICULAR TO THE CONTROL OF THE MANUFACTURING OF INTEGRATED CIRCUITS.
Description
L'invention concerne un spectromètre infrarouge comprenant des moyensThe invention relates to an infrared spectrometer comprising means
optiques pour produire un faisceau de rayons qui est focalisé sur un plan de section, lequel est situé dans un tronçon droit du faisceau et est destiné à recevoir un échantillon à analyser en transmission, et qui est dirigé sur un dispositif détecteur. Les spectromètres infrarouges connus comportent une optical means for producing a beam of rays which is focused on a section plane, which is located in a straight section of the beam and is intended to receive a sample to be analyzed in transmission, and which is directed on a detector device. The known infrared spectrometers include a
source de rayonnement infrarouge et un monochromateur ou un inter- source of infrared radiation and a monochromator or
feromètre à double faisceau pour produire le signal de mesure Pour effectuer des mesures sur des échantillons, on connatt deux procédés, double-beam ironometer to produce the measurement signal To perform measurements on samples, two methods are known,
appelés mesures de transmission et mesures de réflexion. called transmission measures and reflection measures.
Dans les mesures de transmission, le spectromètre In transmission measurements, the spectrometer
infrarouge comporte des moyens optiques pour focaliser le rayonne- infrared system has optical means for focusing radiation
ment de la source de rayonnement infrarouge dans un plan o peut Ctre dispose l'échantillon à analyser en transmission, au moyen d'une cuve ou d'un autre porte-échantillon Habituellement, un faisceau parallèle est focalisé à cet effet par un miroir parabolique et le pinceau divergent traversant l'échantillon est de nouveau parallélisé et refocalisé, mais cette fois sur un détecteur optique, par d'autres of the infrared radiation source in a plane where the sample to be analyzed can be arranged in transmission, by means of a vat or other sample holder. Usually, a parallel beam is focused for this purpose by a parabolic mirror. and the diverging brush passing through the sample is again parallelized and refocused, but this time on an optical detector, by others
moyens optiques.optical means.
De nombreuses substances à analyser par spectroscopie dans le domaine de l'infrarouge sont opaques,meis on sait exploiter le rayonnement infrarouge réfléchi comme par un miroir et/ou de façon diffuse par la surface de ces substances De telles mesures dites de réflexion sont connues, par exemple, par le périodique Many substances to be analyzed by spectroscopy in the infrared range are opaque, but it is known how to exploit the infrared radiation reflected as by a mirror and / or diffusely by the surface of these substances. Such so-called reflection measurements are known. for example, by the periodical
"Analytical Chemistry", tome 50 ( 1978), pages 1906 à 1910 Le spec- "Analytical Chemistry", volume 50 (1978), pages 1906 to 1910 The spec-
tromètre infrarouge décrit dans cette étude est construit uniquement Infrared trometer described in this study is built only
pour des mesures de réflexion.for reflection measures.
Comme les appareils de mesure utlisant l'infrarouge sont techniquement compliqués et très onéreux, on connatt aussi l'emploi Since measuring devices using infrared are technically complicated and very expensive, the use is also known
d'une partie distincte de guidage des rayons, de manière que le rem- a separate part of the ray guide, so that the replacement
placement de moyens optiques permette d'utiliser le spectromètre infrarouge au choix, après une transformation en ce sens, pour des mesures de transmission ou pour des mesures de réflexion Un appareil accessoire permettant ainsi de passer de mesures de transmission à des mesures de réflexion est commercialisé, par exemple, par la firme Harrick Scientific Corporation de Ossining, N Y, Etats-Unis On connaît également un appareil accessoire de ce genre de la firme placement of optical means makes it possible to use the infrared spectrometer of the choice, after a transformation in this sense, for transmission measurements or for reflection measurements An accessory device thus making it possible to pass from transmission measurements to reflection measurements is marketed for example, by Harrick Scientific Corporation of Ossining, NY, USA An accessory apparatus of this kind is also known from the firm
Analect Instruments de Irvine, Ca, Etats-Unis. Analect Instruments from Irvine, Ca, USA.
Bien que ces appareils accessoires connus permettent l'emploi des mêmes moyens générateurs de rayons et de la même unité pour exploiter les résultats de mesures de transmission et de mesures de réflexion, le passage de l'un à l'autre type de mesures demande Although these known accessory devices allow the use of the same means generating rays and the same unit to exploit the results of transmission measurements and reflection measurements, the transition from one to the other type of measurement requires
une transformation considérable Pendant la durée de la transforma- a considerable transformation during the period of transformation
tion, le spectromètre infrarouge ne peut pas Ctre utilisé et du temps de travail du personnel qualifie qui s'en sert est perdu De plus, comme la transformation pour passer de l'un à l'autre type de iiesures implique des interruptions relativement longues, des mesures séquentielles sur des échantillons de courte durée de vie ne sont pas possibles ou sont seulement possibles sous de grandes difficultés Enfin, la transformation de l'unité optique entraîne obligatoirement le changement de la trajectoire des rayons, de sorte que l'échantillon à analyser par des mesures séquentielles n'occupe pas le même emplacement pendant les mesures, ce qui peut présenter des inconvénients considérables, surtout s'il s'agit the infrared spectrometer can not be used and the working time of qualified personnel who use it is lost In addition, since the transformation to switch from one type of action to another involves relatively long interruptions, sequential measurements on short-lived samples are not possible or are only possible under great difficulties Finally, the transformation of the optical unit inevitably leads to the change of the ray trajectory, so that the sample to be analyzed sequential measurements does not occupy the same location during the measurements, which may present considerable disadvantages, especially
d'échantillons non homogènes.non-homogeneous samples.
L'invention vise a apporter un spectromètre infra- The aim of the invention is to provide a spectrometer infra-
rouge avec lequel les mesures de transmission et les mesures de réflexion puissent 8 tre effectuées simultanément ou séquentiellement, c'est-à-dire les unes immédiatement à la suite des autres, et de manière que les deux sortes de mesures soient possibles simultanément ou séquentiellement sur un seul et même échantillon restant à la mêSe position. L'invention produit ce résultat par la disposition, du c 8 té du plan de section vers lequel est dirige le pinceau, d'un second dispositif détecteur destiné à recevoir de la lumière réfléchie with which the transmission measurements and the reflection measurements can be performed simultaneously or sequentially, that is to say one immediately after the others, and so that the two kinds of measurements are possible simultaneously or sequentially on one and the same sample remaining at the same position. The invention produces this result by arranging, on the side of the section plane towards which the brush is directed, a second detector device for receiving reflected light.
par l'échantillon dans une direction formant un angle avec la direc- by the sample in a direction at an angle to the direction
tion de la lumière incidente.incident light.
Un spectromètre infrarouge selon l'invention comporte par conséquent deux dispositifs détecteurs, lesquels sont prêts à fonctionner simultanément et permettent d'analyser, l'un la lumière An infrared spectrometer according to the invention therefore comprises two detector devices, which are ready to operate simultaneously and make it possible to analyze, one the light
traversant l'eéchantillon et l'autre la lumière réfléchie par l'échan- crossing the sample and the other the light reflected by the sample.
tillon Dans le cas d'échantillons laissant passer la lumière infra- In the case of samples allowing light to pass through
rouge partiellement, les deux analyses peuvent être exécutées simul- partially red, both analyzes can be performed simul-
tanément Le domaine d'application d'un tel spectromètre est ainsi The field of application of such a spectrometer is thus
considérablement étendu.greatly expanded.
Selon la nature de l'échantillon à analyser, il peut être avantageux de disposer l'échantillon perpendiculairement au rayon qui le traverse ou sous un angle déterminé avec le rayon Depending on the nature of the sample to be analyzed, it may be advantageous to arrange the sample perpendicular to the radius passing through it or at a given angle with the radius.
incident et le rayon réfléchi suivant qu'il faut travailler seute- incident and the reflected ray according to which it is necessary to work only
ment en transmission et/ou en réflexion à miroir ou en réflexion diffuse A cet effet, on peut disposer dans la région du plan de section un porteéchantillon permettant d'orienter la surface de l'échantillon perpendiculairement au tronçon droit du pinceau et/ou in transmission and / or in mirror reflection or diffuse reflection For this purpose, it is possible to have in the region of the sectional plane a sample holder for orienting the surface of the sample perpendicularly to the right section of the brush and / or
perpendiculairement à la bissectrice des directions de la lumière - perpendicular to the bisector of the directions of light -
incidente et de la lumière réfléchie. incident and reflected light.
Les faisceaux produits dans les dispositifs optiques Beams produced in optical devices
sont de préférence des faisceaux parallèles Dans un mode de réali- are preferably parallel beams In a mode of realization
sation de l'invention, un tel faisceau parallèle est condensé de telle manière par un miroir parabolique qu'un foyer est formé sur la surface de l'échantillon Il est ainsi possible, d'une part, de produire une intensité de radiation élevée, d'autre part, d'obtenir une aire d'échantillon analysée aussi limitée et définie avec autant According to the invention, such a parallel beam is condensed in such a way by a parabolic mirror that a focus is formed on the surface of the sample. It is thus possible, on the one hand, to produce a high radiation intensity. on the other hand, to obtain a sample area analyzed as limited and defined with as much
de précision que possible Pour l'exploitation du signal de transmis- as accurate as possible For the operation of the transmission signal
sion ou de réflexion, les pinceaux divergents venant de l'échantil- reflection, the divergent brushes coming from the sample
lon sont de nouveau parallélisés et avantageusement condensés de nouveau sur un détecteur Il est cependant tout à fait possible d'amener les signaux de mesure à un détecteur immédiatement à la They are again parallelized and advantageously condensed again on a detector It is however quite possible to bring the measurement signals to a detector immediately at the detector.
suite de l'échantillon.following the sample.
Comme la lumière incidente et la lumière réfléchie Like incident light and reflected light
passent par le même demi-espace d'un côté de la surface de l'échantil- pass through the same half-space on one side of the surface of the sample
lon, un perfectionnement préféré de l'invention prévoit l'utilisation d'un parabololde extra-axial commun qui, d'une part, focalise le One preferred refinement of the invention provides for the use of a common extra-axial paraboloid which, on the one hand, focuses the
faisceau parallèle incident sur l'échantillon et, d'autre part, paral- parallel beam incident on the sample and, on the other hand, parallel
lelise le pinceau divergent réfléchi On obtient de cette manière une précision optique élevée et il n'est pas nécessaire de régler les The reflective divergent brush is used. In this way, a high optical precision is obtained and it is not necessary to adjust the
trajectoires des rayons séparément. ray trajectories separately.
Le spectromètre infrarouge selon l'invention permet enfin d'obtenir des résultats de mesure particulièrement bons par la disposition de l'échantillon dans un plan horizontal Ceci permet d'éviter des inconvénients susceptibles de se produire sous l'action de la pesanteur lorsqu'il s'agit d'échantillons plats disposés sur tranche. Le spectromètre selon l'invention permet au total, The infrared spectrometer according to the invention finally makes it possible to obtain particularly good measurement results by the arrangement of the sample in a horizontal plane. This makes it possible to avoid disadvantages that may occur under the action of gravity when these are flat samples arranged on a slice. The spectrometer according to the invention makes it possible
pour la première fois, de déterminer des constantes optiques entière- for the first time, to determine entire optical constants
ment par des mesures simultanées en transmission et en réflexion en by simultaneous measurements in transmission and reflection in
maintenant l'échantillon exactement à la même position Ce tte pcssi- now the sample exactly at the same position This head pcssi-
bilité est particulièrement avantageuse dans la fabrication de circuits It is particularly advantageous in the manufacture of
intégrés, en silicium par exemple, o il s'agit de respecter scrupu- silicon, for example, where it is necessary to respect scrupulously
leusement les paramètres de production Le spectromètre selon l'inven- production parameters The spectrometer according to the invention
tion permet de conserver exactement les paramètres de production et les propriétés du matériau utilisé par des mesures de transmission This allows the exact production parameters and properties of the material used to be
et de réflexion simultanées.and simultaneous reflection.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention Other features and advantages of the invention
ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un will be clearer from the following description of a
exemple de réalisation non limitatif, ainsi que du dessin annexe, sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un spectromètre infrarouge selon l'invention; et la figure 2 est une représentation schématique de la trajectoire des rayons dans la région de l'échantillon sur un non-limiting embodiment, and the accompanying drawing, in which: Figure 1 is a perspective view of an embodiment of an infrared spectrometer according to the invention; and Figure 2 is a schematic representation of the ray path in the region of the sample on a
spectromètre comme celui de la figure 1. spectrometer as in Figure 1.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, la référence 10 désigne une unité de spectromètre (monochromateur ou In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, reference numeral 10 denotes a spectrometer unit (monochromator or
interféromètre) comme celles utilisées couramment sur les spectro- interferometer) as those commonly used on
mètres infrarouges du type dont il est question ici Le dispositif infrared meters of the type in question here.
optique et l'échantillon sont disposés sur une table de spectro- optical and sample are arranged on a spectral table.
mètre 11 L'unité 10 émet un faisceau parallèle 12, lequel tombe d'abord sur un premier miroir parabolique 13 Il est préférable que ce miroir constitue, avec un quatrième miroir parabolique 14 dont il meter 11 Unit 10 emits a parallel beam 12, which first falls on a first parabolic mirror 13 It is preferable that this mirror constitutes, with a fourth parabolic mirror 14 which it
sera encore question par la suite, un paraboloide extra-axial commun 15. will still be discussed later, a common extra-axial paraboloid 15.
Le premier miroir parabolique 13 transforme le faisceau parallèle 12 en un pinceau convergent incident 16, comme le montre The first parabolic mirror 13 transforms the parallel beam 12 into an incident convergent brush 16, as shown
également la figure 2 Le pinceau 16 tombe sur un échantillon 17 dis- also Figure 2 The brush 16 falls on a sample 17 Dis
pose horizontalement sur un porte-échantillon qui n'est pas repré- laying horizontally on a sample holder which is not
sente pour plus de clarté La figure 2 montre que l'axe 18 du pinceau incident 16 forme un angle f'avec la perpendiculaire 19 à la surface Figure 2 shows that the axis 18 of the incident brush 16 forms an angle f 'with the perpendicular 19 to the surface
de l'échantillon 17.of the sample 17.
Le pinceau incident 16 de l'échantillon 17 produit, d'une part, un pinceau divergent 20 qui traverse l'échantillon 17 et dcnt l'axe 22 coïncide avec l'axe 18 du pinceau incident, d'autre part, un pinceau divergent 21 réfléchi par l'échantillon 17 et dont l'axe 23 forme le même angle %t avec la perpendiculaire 19 si la sur- face de l'échantillon renvoie la lumière à la façon d'un miroir Il va de soi que l'on peut également choisir un angle qui diffère de l'angle 'e s'il s'agit d'exploiter de la lumière réfléchie de manière diffuse. Le spectromètre selon l'invention des figures 1 et 2 comporte des premiers moyens optiques guide-rayons et détecteurs pour la saisie du signal de transmission et, en même temps, des seconds moyens optiques guide-rayons et détecteurs pour la saisie du signal The incident brush 16 of the sample 17 produces, on the one hand, a diverging brush 20 which passes through the sample 17 and on the axis 22 coincides with the axis 18 of the incident brush, on the other hand, a divergent brush 21 reflected by the sample 17 and whose axis 23 forms the same angle% t with the perpendicular 19 if the surface of the sample returns the light in the manner of a mirror It goes without saying that one can also choose an angle that differs from the angle e if it is to exploit light reflected diffuse manner. The spectrometer according to the invention of FIGS. 1 and 2 comprises first guide-ray and detector optical means for the capture of the transmission signal and, at the same time, second optical guide-ray means and detectors for capturing the signal.
de réflexion.reflection.
Dans une exécution simple de l'appareil de l'inven- In a simple embodiment of the apparatus of the invention,
tion, les premiers de ces moyens peuvent être constitués par un premier détecteur 24 qui est situé directement sous l'échantillon 17 et the first of these means can be constituted by a first detector 24 which is located directly under the sample 17 and
qui reçoit directement le pinceau divergent 20 traversant l'échan- which directly receives the divergent brush 20 passing through the sample
tillon. Cependant, pour pouvoir effectuer des mesures plus exactes et afin d'obtenir une densité de signal plus élevée à la surface du détecteur optique, un mode de réalisation perfectionné et préféré de l'invention prévoit que le pinceau 20 est de nouveau parallélisé par un second miroir parabolique 25 délivrant un faisceau parallèle 26 qu'un troisième miroir parabolique 27 focalise sur un ple. However, in order to be able to perform more accurate measurements and to obtain a higher signal density on the surface of the optical detector, an improved and preferred embodiment of the invention provides that the brush 20 is again parallelized by a second one. parabolic mirror 25 delivering a parallel beam 26 that a third parabolic mirror 27 focuses on a
détecteur 28.detector 28.
En même temps, le pinceau divergent réfléchi 21 est parallélisé par le quatrième miroir parabolique 14 déjà mentionné au début, lequel produit un faisceau parallèle 29 qu'un cinquième At the same time, the reflected divergent brush 21 is parallelized by the fourth parabolic mirror 14 already mentioned at the beginning, which produces a parallel beam 29 that a fifth
miroir parabolique focalise sur un second détecteur 31. parabolic mirror focuses on a second detector 31.
Il va de soi que les détecteurs 24, 28, 31 représentés It goes without saying that the detectors 24, 28, 31 represented
sur la figure 1 sont connectés à des moyens d'exploitation électro- in FIG. 1 are connected to electromagnetic operating means
niques en soi connus et non représentés. in themselves known and not shown.
Il ressort facilement de la représentation en perspec- It is easy to see the representation in perspec-
tive de la figure 1 que l'invention permet ainsi des mesures simul- FIG. 1 that the invention thus enables simulated measurements to be
tanées ou séquentielles en transmission et en réflexion Aucune transformation n'est nécessaire puisque les rayons de trar smission et de réflexion sont produits simultanément et peuvent être exploités en même temps Par conséquent, il n'est pas nécessaire de transformer des moyens optiques ni de transporter l'échantillon 17 d'un point d'analyse à un autre; l'échantillon peut être analysé selon les deux procédés de mesure en restant exactement au même endroit et à la taned or sequential in transmission and reflection No transformation is necessary since the transmission and reflection rays are produced simultaneously and can be exploited at the same time Therefore, it is not necessary to transform optical means or to transport sample 17 from one point of analysis to another; the sample can be analyzed according to the two measurement methods by staying exactly in the same place and at the same time.
même position.same position.
Naturellement, les moyens optiques de guidage des rayons, en particulier les miroirs 13, 14, 25, 27 et 30, établissent une trajectoire de rayons particulièrement avantageuses mais qui n'est qu'un exemple, étant entendu que d'autres trajectoires sont utilisables aussi La disposition représentée à titre d'exemple sur Naturally, the optical means for guiding the spokes, in particular the mirrors 13, 14, 25, 27 and 30, establish a particularly advantageous ray path, which is only an example, it being understood that other paths are usable. also the layout shown as an example on
la figure 1 convient particulièrement à des mesures sur des échan- Figure 1 is particularly suitable for measurements on samples
tillons 17 posés horizontalement et uniquement maintenus en place par la pesanteur ou par dépression La mesure sur des échantillons 17 horizontally and only held in place by gravity or depression Measurement on samples
inclinés ou orientés verticalement serait possible par simple pivo- tilted or vertically oriented would be possible simply by
tement de la table 11 autour de l'axe du faisceau parallèle 12 ou 11 of the table 11 around the axis of the parallel beam 12 or
par des changements en soi connus du trajet des rayons. by known changes in the path of the rays.
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