FR2748562A1 - Procede et dispositif a deux cameras d'observation pour des mesures tridimensionnelles d'une structure complexe - Google Patents
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Abstract
Le procédé de l'invention consiste essentiellement à envoyer deux faisceaux lumineux d'éclairage sur la structure à observer et un troisième faisceau d'éclairage, à envoyer le faisceau lumineux réfléchi par l'ensemble de la structure 2 vers une caméra vidéo 11 à champ large et le faisceau lumineux réfléchi par une zone localisée 2a vers une caméra vidéo 12 à champ étroit et vers un spectrographe 8a à travers une fibre optique 6 et une fente d'analyse 39 à l'entrée du spectrographe 8a, et à effectuer une analyse spectrale du faisceau lumineux réfléchi pour mesurer l'épaisseur absolue de la couche superficielle de la structure à couches minces 2.
Description
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour surveiller
la morphologie et observer l'épaisseur ainsi que son évolution dans une zone localisée d'une couche superficielle sur une
structure à couches minces.
Parmi de nombreuses application possibles de l'invention, on peut citer le contrôler in situ et en temps réel de la fabrication de microsystèmes comme des semi-conducteurs, des circuits intégrés, par exemple le contrôle tridimensionnel par extraction de contour d'une part, la mesure absolue de l'épaisseur d'une couche et sa vitesse de
croissance (déposition) ou de décroissance (gravure), d'autre part.
On connaît par la demande de brevet français n 2 680 414 (SOFIE) un ensemble compact d'observation et de mesures interférométriques simultanées par laser permettant d'effectuer des mesures interférométriques in situ sur un empilement de couches minces placé dans une chambre de traitement sous vide. L'ensemble comprend une caméra d'observation avec l'axe optique de l'objectif en commun pour un faisceau d'éclairage monochromatique et pour un ou
deux faisceaux laser de mesures interférométriques.
La technique révélée dans ce document antérieur est performante, notamment pour contrôler la vitesse de croissance ou de décroissance de la couche superficielle d'une structure à couches minces. Elle souffre cependant de certaines imperfections. En particulier, le faisceau lumineux monochronmatiqule d'éclairage et le faisceau laser de mesures ne présentent pas exactement la même longueur d'onde, ce qui crée un problème d'achromatisme rendant la mise au point simultanée pour les deux faisceaux lumineux possible seulement si les objectifs sont achromatiques. De plus, cette technique ne permet pas une mesure absolue de l'épaisseur de la couche superficielle dans la zone observée, car elle est basée sur un mesure différentielle interférométrique qui se répète à modulo une période voisine de X/2n; X étant la longueur d'onde d'observation et n l'indice
de réfraction de la couche superficielle.
On connaît par la demande de brevet français n 2 718 231 (SOFIE) un procédé de surveillance de l'épaisseur d'une zone localisée .. de la couche superficielle d'une structure à couches minces capable de mesurer l'épaisseur absolue de la couche superficielle dans une zone spécifique d'analyse en effectuant une analyse spectrale par un spectrographe d'un faisceau lumineux en provenance d'un faisceau de lumière blanche réfléchi par l'empilement de couches minces. Cette technique est efficace mais elle permet seulement de connaître l'épaisseur de la couche et sa vitesse de variation sur une zone localisée. La présente invention a pour objet de proposer une technique perfectionnée pour remédier aux limitations des techniques classiques précitées et de permettre une estimation de l'épaisseur de la couche superficielle sur l'ensemble de l'échantillon ou au moins une grande partie. L'invention a également pour objet de fournir un dispositif de surveillance mettant en oeuvre ce procédé et pouvant être intégré dans l'équipement préexistant pour le contrôle de la fabrication sous vide
des structures complexes à couches minces.
Le dispositif, selon l'invention, est destiné à la mesure tridimentionnelle et à l'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces en cours de traitement dans une chambre sous vide équipée d'une fenêtre sur sa paroi supérieure. Le dispositif comprend un premier moyen d'observation à champ large correspondant aux dimensions de la structure à couches minces, associé à un premier moyen d'illumination, un deuxième moyen d'observation à champ étroit correspondant aux dimensions d'une zone localisée de la structure à couches minces, associé à un deuxième moyen d'illumination, un moyen d'analyse spectrale associé à un troisième moyen d'illumination fournissant un faisceau plus étroit que le deuxième moyen d'illumination, et une table mobile selon deux axes parallèles à la surface de la structure à couches minces, capable de supporter le deuxième moyen d'observation et le moyen d'analyse spectrale pour l'observation de zones localisées sur l'ensemble de la structure à couches minces. On peut ainsi obtenir des mesures extrêmement précises en des points particuliers sur des petits sites bien définis grâce au moyen d'observation à champ étroit et on peut en déduire une estimation valable pour l'ensemble de l'échantillon grâce au moyen
d'observation à grand champ.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le premier moyen d'observation comprend une caméra matricielle à cellules à transfert de charge et le premier moyen d'illumination est une source blanche
associée à un filtre placé devant la caméra.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le deuxième moyen d'observation comprend une caméra matricielle à cellules à transfert de charge et le deuxième moyen d'illumination est une source
blanche associée à un filtre interférentiel placé devant la caméra.
Le troisième moyen d'illumination peut être, soit une source de lumière blanche fournie par un arc Xénon couplé à une fibre
optique et d'un diaphragme, soit une source laser.
Avantageusement, le moyen d'analyse spectrale comprend un connecteur optique et une fibre optique. Le moyen d'analyse spectrale peut comprendre, en outre, un spectrographe relié à la fibre optique et comprenant une fente d'analyse, un réseau de diffraction à champ plan
et un élément photosensible.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend un moyen de traitement des signaux électriques émis par les moyens d'observation et par le moyen d'analyse spectrale, capable d'effectuer des traitements d'images bi et tridimensionnelles, et un moyen de commande du déplacement de la table mobile. Par le traitement desdits signaux électriques, on obtient deux cartes numériques correspondant aux champs respectifs des deux moyens d'observation. Le procédé de mesure tridimensionnelle et d'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces en cours de traitement dans une chambre sous vide équipée d'une fenêtre sur sa paroi supérieure comprend les étapes suivantes: - envoi d'un premier faisceau lumineux d'éclairage sur l'ensemble de la structure à observer, d'un deuxième faisceau lumineux d'éclairage sur une zone localisée de la structure à observer et d'un troisième faisceau d'éclairage sur un site spécifique, les faisceaux empruntant un chemin optique commun centré sur l'axe optique commun aux objectifs de deux caméras vidéo et traversant la fenêtre de la chambre de traitement pour atteindre la zone localisée, - envoi du faisceau lumineux réfléchi par l'ensemble de la structure à couches minces vers un capteur matriciel d'une caméra vidéo à champ large, et du faisceau lumineux réfléchi par la zone localisée et empruntant le chemin optique commun, d'une part vers un capteur matriciel d'une caméra vidéo à champ étroit à travers un filtre en vue de visualiser une cartographie monochromatique de la zone localisée par interférométrie différentielle, et, d'autre part vers un spectrographe à travers respectivement et successivement un diaphragme de sélection, une fibre optique et une fente d'analyse à l'entrée du spectrographe, - à l'aide du spectrographe, analyse spectrale du faisceau lumineux réfléchi en vue de mesurer l'épaisseur absolue de la couche superficielle sur un site spécifique d'analyse faisant partie de la zone localisée. Dans un mode de réalisation de l'invention, le procédé de surveillance comprend les étapes suivantes: - reconnaissance du type de structure à couches minces par comparaison entre l'image visualisée grâce à la caméra vidéo à champ large et une bibliothèque d'images correspondant à différents types de structures à couches minces, stockée dans une mémoire d'un moyen de traitement d'image et de commande de déplacement de la caméra à champ étroit, - positionnement de la caméra à champ étroit par rapport à la structure à couches minces, - étalonnage grâce à la mesure de la valeur absolue de l'épaisseur en plusieurs points, - estimation de la morphologie de la structure à couches minces par interférométrie monochromatique différentielle effectuée grâce à la caméra à champ large, les informations fournies par la caméra à champ large étant corrélées par le moyen de traitement et de commande avec les informations fournies par la caméra à champ étroit en des points particuliers de la structure à couches minces, - observation et surveillance de l'évolution de la morphologie de la structure à couches minces lors des changements d'épaisseur
provoqués par le traitement.
Le moyen de traitement d'image permet de centrer sur la zone localisée, le faisceau du troisième moyen d'illumination, qui est conjugué avec l'entrée de la fibre optique destinée au spectrographe. Il permet aussi par mesure de son intensité la mise au point du faisceau lumineux sur l'échantillon. Le plan image est défini en fonction des caractéristiques optiques de l'objectif de la caméra, du rapport signal sur bruit pour les signaux issus du spectrographe et de la morphologie de la zone localisée afin, par exemple, de ne contenir qu'une partie représentative de la couche superficielle surveillée à l'exclusion de
parties adjacentes autres que la couche concernée.
La fente d'entrée du spectrographe est déterminée en fonction des caractéristiques du spectrographe, du diamètre et de la disposition de la fibre optique de transmission et de l'ouverture du diaphragme qui définit le diamètre du faisceau du troisième moyen d'illumination sur
la couche à mesurer.
L'analyse spectrale du faisceau réfléchi permet d'obtenir l'épaisseur de la couche superficielle dans la zone observée. Cette détermination n'est possible en pratique que pour des épaisseurs de la couche superficielle au-delà d'une valeur de seuil, qui dépend de la plus petite des longueurs d'onde du spectre du faisceau lumineux d'éclairage. Il est possible de diminuer la valeur de seuil minimum dans l'analyse spectrale en choisissant un spectre d'éclairage dont la
plus petite de ses longueurs d'onde est décalée vers l'ultraviolet.
On examine par interférométrie différentielle l'évolution de l'intensité lumineuse du faisceau réfléchi correspondant au faisceau émis par la deuxième source monochromatique. De cette façon, on peut déterminer avec précision la variation d'épaisseur de la couche superficielle de l'échantillon dans le temps. Cette technique permet de suivre précisément l'évolution de l'épaisseur de la couche superficielle de l'échantillon, notamment pendant le procédé de gravure sous plasma ou le procédé de dépôt chimique en phase gazeuse de la couche
superficielle.
Les deux caméras vidéo fournissent des images numérisées de la surface de l'échantillon qui peuvent être traitées simultanément afin d'obtenir une meilleure visualisation de l'état de surface de l'échantillon. On peut ainsi obtenir les caractéristiques géométriques bidimensionnelles de l'échantillon grâce à des fonctions de traitement d'images basées, par exemple sur le traitement des périmètres, des
contours en modifiant le contraste.
La combinaison entre l'analyse spectrale, l'interférométrie différentielle effectuée par la caméra à champ large et par la caméra à champ étroit permet donc de déterminer en temps réel, l'épaisseur absolue de zones particulières de la couche superficielle de l'échantillon, d'en déduire la morphologie de l'ensemble de la couche superficielle de l'échantillon et de déterminer la vitesse de variation instantanée de l'épaisseur de la couche superficielle non seulement
dans les zones localisées mais aussi sur l'ensemble de l'échantillon.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description
détaillée d'un mode de réalisation pris à titre nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma explicatif de l'appareillage utilisé pour le procédé de l'invention; la figure 2 est un schéma explicatif du dispositif de l'invention; les figures 3a et 3b montrent schématiquement les vues détaillées de la zone localisée de l'échantillon, surveillée selon la technique de l'invention; et la figure 4 montre le principe de fonctionnement du spectrographe. La demanderesse a mise au point l'ensemble très compact d'observation et de mesures interférométriques simultanées par laser, en particulier sur des structures à couches minces, technique exposée en détail dans les demandes de brevet français n 2 680 414 et n 2 718 231 auquel le lecteur est invité à se reporter pour plus de
détails sur l'appareillage et le fonctionnement de base du dispositif.
Comme montré sur la figure 1, une chambre de traitement 1 sous vide enferme un échantillon 2 à traiter, par exemple une plaque de circuit intégré en cours de fabrication par gravure sous plasma, et comporte, dans sa paroi supérieure, une fenêtre 3 en silice. Une unité de surveillance 4 est montée au-dessus de la chambre de traitement 1 sur une table 5 à déplacement horizontal X-Y. L'unité de surveillance 4 est reliée par une fibre optique 6 et un cable électrique 7 à une unité 8 d'exploitation et de commande à laquelle sont associés un clavier de commande 9 et un écran de visualisation 10. L'unité 8 est reliée à deux moteurs électriques pas à pas (non représentés) pour permettre le
déplacement horizontal de l'unité de surveillance 4 sur la table 5.
L'unité de surveillance 4 est du type à champ étroit capable de visualiser une petite partie de l'échantillon 2. Une unité de surveillance 11 à champ large est disposée au-dessus de la chambre de
traitement 1 et est capable d'observer l'ensemble de l'échantillon 2.
Comme illustré plus en détail sur la figure 2, l'unité de surveillance 4 comprend une caméra vidéo 12 dont l'objectif 13 réglable peut être du type autofocus, une source d'éclairage 14, une source blanche 15 et une certain nombre de lames optiques pour assurer le guidage de faisceaux lumineux selon les chemins optiques prédéterminés. La caméra vidéo 12 à champ étroit comprend un capteur 16 de préférence constitué d'une pluralité de cellules à transfert de charge (CCD) disposées en une matrice. Le capteur 16 est relié d'une manière non représentée au câble électrique 7 en vue de fournir un signal vidéo à l'unité 8 d'exploitation et de commande pour être visualisé par l'écran 10. La source d'éclairage 14 associée à la caméra 12 comprend une source blanche et un filtre interférentiel d'observation définissant la longueur d'onde de la lumière monochromatique émise de préférence dans le spectre de la lumière visible. Le faisceau émis par la source d'éclairage 14 traverse un verre dépoli 17 puis se réfléchit sur une lame semi-transparente 18 disposée entre l'objectif 13 et le capteur 16 de la caméra 12, de façon à ce que le faisceau lumineux d'éclairage emprunte le chemin optique de la caméra 12, c'est-à-dire l'axe optique 13a de l'objectif 13. Un premier piège à lumière 19 sous la forme d'une lame est placé derrière la lame semi-transparente 18 en vue d'absorber la partie du faisceau lumineux d'éclairage ayant traversé la lame semi-transparente 18 et de réduire ainsi les
perturbations optiques dans l'unité de surveillance 4.
La source blanche 15, par exemple du type Xénon, émet un arc envoyé par l'intermédiaire d'une fibre optique 20 et d'un diaphragme ajustable 21 via une lame semi-transparente 22 sur une autre lame semi- transparente 23 intercalée dans le trajet optique entre l'objectif 13 et le capteur 16 de la caméra 12, de façon que le faisceau emprunte également le chemin optique de la caméra 12 qui est confondu avec l'axe optique 13a de l'objectif 13. Un autre piège à
lumière 24 sous forme d'une lame est disposé derrière la lame semi-
transparente 23 en vue d'absorber les faisceaux lumineux égarés dans l'unité de surveillance 4. Dans d'autres modes de réalisation, la source blanche 15 pourrait être remplacé par une source laser directement
disposée dans l'unité de surveillance 4.
La caméra vidéo 11 à champ large comprend également un objectif 25 réglable, une source d'éclairage 26 et des lames optiques pour assurer le guidage des faisceaux lumineux selon les chemins optiques prédéterminés. La caméra vidéo 11 comprend un capteur non représenté, du même type que le capteur 16 de la caméra vidéo 12, et est reliée par un câble électrique 27 à l'unité 8 d'exploitation et de commande pour fournir un signal vidéo destiné à être visualisé sur l'écran 10. La source d'éclairage 26 comprend une source blanche et un filtre enterférentiel définissant la longueur d'onde de la lumière monochromatique émise de préférence dans le spectre de la lumière visible. Le faisceau émis par la source d'éclairage 26 est orienté vers une lame semi-transparente 28 disposée devant l'objectif 25, de façon que le faisceau lumineux émis par la source d'éclairage 26 emprunte le chemin optique de la caméra 11. Une deuxième semi-transparente 29 est disposée sur l'axe optique 13a entre l'objectif 13 et la fenêtre 5 de la chambre de traitement 1 et sur l'axe optique de la caméra vidéo 11 de façon à ce que le faisceau lumineux émis par la source d'éclairage 26 soit envoyé par l'intermédiaire des lames semi-transparentes 28 et
29 sur l'échantillon 2.
Ainsi, l'unité de surveillance 4 comprend la caméra vidéo 12 avec la source d'éclairage 14 et la source blanche 15 pour émettre un faisceau lumineux composé du faisceau lumineux d'éclairage émis par la source d'éclairage 14 et du faisceau émis par la source blanche 15 selon un chemin optique commun qui est confondu avec l'axe optique 13a de l'objectif 13 de la caméra 12. Le faisceau lumineux combiné est envoyé par l'unité de surveillance 4 à travers l'objectif 13, la lame semi-transparente 29 et la fenêtre 3 de la chambre de traitement 1 pour arriver sur l'échantillon 2 de structure à couches minces. Le faisceau lumineux réfléchi par l'échantillon 2 emprunte le même chemin optique commun que le faisceau lumineux incident et traverse la lame semitransparente 29 et l'objectif 13 pour pénétrer à l'intérieur de l'unité de surveillance 4. La lame semi-transparente 23 sépare le faisceau lumineux réfléchi en deux parties. Une partie transmise qui après avoir traversé les lames semi-transparentes 23 et 18 arrive au capteur 16 de la caméra 12. Une partie réfléchie par la lame 23 traverse le lame semi-transparente 22 pour atteindre une fibre optique 6, via un connecteur optique 30 monté sur l'unité de surveillance 4. La lame semi- transparente 29 sépare également le faisceau réfléchi en deux parties, une partie se dirigeant vers l'objectif 13 comme
précédemment expliqué et l'autre partie traversant la lame semi-
transparente 28 et se dirigeant vers l'objectif 25 de la caméra vidéo 11
à champ large.
Le faisceau réfléchi orienté vers le capteur 16 de la caméra vidéo 12 correspond au spectre du faisceau lumineux d'éclairage émis par la source d'éclairage 14 avec un faisceau réfléchi de lumière blanche de relativement haute intensité. Afin d'éviter l'éblouissement des capteurs 16 et donc de la caméra vidéo 12, par le faisceau réfléchi de lumière blanche, on dispose un filtre 31 dans le trajet optique de la caméra 12 juste devant le capteur 16. Le filtre optique 31 est transparent pour une bande de longueur d'onde caractéristique et opaque pour les autres longueurs d'onde afin de ne laisser passer qu'une lumière quasiment monochromatique vers le capteur 16 de la
caméra 12.
Ainsi, chaque cellule CCD du capteur 16 se comporte individuellement comme interféromètre représentant un pixel du plan image de la caméra 12. Il en résulte que la caméra vidéo 12 se comporte comme une pluralité d'interféromètres montés en matrice et fournit ainsi un signal vidéo dont la visualisation sur l'écran 10 correspond à une cartographie quasi-monochromatique représentant la morphologie superficielle de la zone localisée éclairée de l'échantillon 2. Dans le cas d'un faisceau laser, on choisit la longueur d'onde caractéristique du filtre optique 31 suffisamment voisine de la longueur d'onde du faisceau laser de façon à visualiser également sur l'écran 10 le spot laser à l'intérieur de la zone localisée éclairée sans que ce dernier n'éblouisse la caméra vidéo 12. Le fonctionnement de la caméra vidéo 11 est similaire à celui de la caméra vidéo 12 chaque cellule CCD du capteur de la caméra 11 se comportant individuellement également comme interféromètre représentant un
pixel du plan image de la caméra 11.
Le connecteur optique 30 reçoit une partie du faisceau réfléchi pour l'envoyer à l'unité 8 d'exploitation et de commande via la
câble de fibre optique 6.
Les figures 3a et 3b montrent schématiquement quelques images représentatives du procédé de l'invention. L'échantillon à traiter 2 est une structure à couches minces servant à la fabrication par gravure ou dépôt sous plasma des circuits intégrés. L'échantillon 2 comprend un substrat 32 en silicium, une sous-couche 33 recouvrant le substrat 32 et une couche superficielle 34 en oxyde de silicium dans laquelle va être gravé le circuit intégré. Pour ce faire, certaines parties de la couche superficielle 34 sont protégées par un masque 35. La zone 34a de la couche superficielle 34 non protégée par le masque 35 est attaquée par un procédé plasma, connu en soi, jusqu'à une épaisseur prédéterminée. Le faisceau lumineux incident émis par la source d'éclairage 26 associée à la caméra 11 éclaire l'ensemble de l'échantillon. Le faisceau lumineux incident émis par la source d'éclairage 14 de l'unité de surveillance 4 éclaire une zone localisée 2a sur la surface supérieure de l'échantillon 2. La zone localisée 2a est délimitée par le faisceau lumineux d'éclairage 36. Le faisceau de lumière blanche 37 est concentrique au faisceau d'éclairage 36 et permet le
positionnement précis de ce dernier sur l'échantillon 2.
Une cartographie monochromatique de l'ensemble de l'échantillon 2 est établie en temps réel par la caméra vidéo 11 et peut être visualisée sur l'écran 10. De même une cartographie monochromatique de la zone localisée éclairée 2a de l'échantillon 2 (limitée par la surface utile de la caméra 12) est établie en temps réel par la caméra vidéo 12 et peut être visualisée sur l'écran 10. On peut donc surveiller en temps réel la morphologie et son changement dans le temps de l'échantillon 2 et de sa zone localisée éclairée 2a avant et pendant le procédé de gravure ou de dépôt sous plasma de l'échantillon 2, ainsi que le contrôle dimensionnel en temps réel des motifs dans la zone localisée éclairée 2a par comptage de pixels et ajustement de seuil d'intensité lumineuse de la caméra vidéo 12. Le spot de lumière blanche 37a positionné sur la partie exposée 34a de la couche superficielle 34 de l'échantillon 2 est visible sur la cartographie monochromatique établie par la caméra vidéo 12. Ainsi, la gravure peut être suivie de façon précise grâce à l'image générale de l'échantillon 2 fournie par la caméra 11 sur laquelle la zone localisée 2a peut être repérée et à l'image de la zone localisée 2a fournie par la caméra vidéo 12. Les caméras 11 et 12 envoyant simultanément des informations à l'unité 8 d'exploitation et de commande, celle-ci peut procéder à des traitements d'images variés tels que la superposition ou la soustraction d'images de façon à ce que l'opérateur parvienne à
suivre de façon aisée l'opération de gravure sur l'écran 10.
Dans l'unité 8 d'exploitation et de commande se trouve un spectrographe 8a dont le fonctionnement illustré sur la figure 4 va être
décrit par la suite.
Pour être représentatif, le faisceau lumineux envoyé au spectrographe 8a aux fins d'analyse doit être limité à une zone spécifique 32 (figure 3b) représentative de l'échantillon 2. La gravure sous plasma de l'échantillon 2 nécessite la surveillance de l'épaisseur e et de la variation d'épaisseur Ae dans le temps de la partie non protégée 34a de la couche superficielle 34. Il est alors nécessaire que la zone spécifique d'analyse 38 se trouve à l'intérieur de la partie 34a en excluant les parties couvertes par le masque 35. De préférence, la zone spécifique d'analyse 38 est centrée sur le spot de lumière blanche 37a, cette zone étant délimitée par le diaphragme de sélection 30a à l'entrée du connecteur optique 30. L'ouverture du diaphragme de sélection 21 est déterminée en fonction du grossissement de l'objectif 13, de la distance entre l'objectif 13 et la zone exposée 34a de la couche superficielle 34 de l'échantillon 2, et du rapport signal sur bruit du signal issu du spectrographe 8a. Le plan image du spectrographe 8a défini par la fente d'analyse 39 correspond à la zone spécifique d'analyse 38 sur l'échantillon 2. Entre le diaphragme de sélection 21 et la fente d'analyse 39 se trouve la fibre optique 6 qui permet de véhiculer le faisceau lumineux réfléchi par la zone
spécifique d'analyse 38 de l'échantillon 2 dans le spectrographe 8a.
Comme illustré sur la figure 4, le faisceau lumineux entré dans le spectrographe 8a par la fente d'analyse 39 est projeté sur un réseau de diffraction à champ plan 40. Un élément photosensible 41 qui peut être sous la forme d'une barrette constituée d'une pluralité de photodiodes (au nombre de 1024 par exemple), de n diodes CCD, ou une matrice de diodes CCD en m lignes et n colonnes. Pour une barrette de diodes CCD, chaque diode représente habituellement une
dimension de 25 kum x 25,um.
L'élément photosensible 41 fournit l'intensité lumineuse pour
chaque longueur d'onde X du spectre du faisceau lumineux d'éclairage.
Le spectre analysé est limité par une longueur d'onde minimale et une longueur maximale. L'analyse spectrale permet de fournir de manière précise l'épaisseur instantanée e de la partie exposée 34a de la couche superficielle 28 de l'échantillon 2 et ainsi de déterminer la cinétique
e(t) du procédé.
Simultanément à l'analyse spectrale, on peut effectuer une interférométrie différentielle dans le temps pour une longueur d'onde L1 prédéterminée choisie dans le spectre d'éclairage. L'analyse du diagramme d'intensité lumineuse en fonction du temps pour la longueur d'onde prédétermrinée 2 permet de fournir de manière connue en soi la vitesse de variation de l'épaisseur de la partie exposée 34a de la couche superficielle de
l'échantillon 2 pendant le procédé de gravure ou de dépôt sous plasma.
Grâce à l'invention, on peut effectuer un positionnement satisfaisant de l'échantillon 2 grâce à la caméra 11 à champ large puis effectuer un nombre donné d'observations en des points de coordonnées prédéterminées au moyen de la caméra 12 à champ étroit afin de
reconnaître le type d'échantillon 2 présent dans la chambre de traitement.
Les informations fournies à l'unité de commande et de traitement peuvent être comparées à des informations stockées dans une mémoire de l'unité 8 de commande et de traitement qui constitue une bibliothèque dans laquelle sont enregistrées des informations correspondant aux différents types d'échantillons 2 susceptibles de passer dans la chambre de traitement 1. On peut ainsi effectuer une reconnaissance automatique du type de l'échantillon 2. Cette reconnaissance permet une grande souplesse dans lafabrication des semi-conducteurs. Le traitement simultané des images obtenues par les caméras vidéo 11 et 12, par exemple par extraction de contour, améliore le suivi de l'état de l'échantillon par l'opérateur. L'observation par la caméra 12 à champ étroit d'un certain nombre de points prédéterminés de l'échantillon 2 permet par corrélation avec les informations fournies par la caméra 11 à champ large d'obtenir une estimation rapide et précise de l'épaisseur de la couche superficielle sur l'ensemble de l'échantillon 2. De même on peut obtenir une estimation de la variation d'épaisseur de la couche superficielle sur l'ensemble de
l'échantillon 2.
Bien entendu, l'invention s'applique à d'autres traitements sous vide des structures à couches minces pour reconnaître la structure, surveiller la morphologie et l'épaisseur en temps réel et in situ de la
couche superficielle de l'échantillon.
Claims (10)
1. Dispositif de mesure tridimentionnelle et d'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces (2) en cours de traitement dans une chambre sous vide (1) équipée d'une fenêtre (3) sur sa paroi supérieure, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier moyen d'observation à champ large correspondant aux dimensions de la structure à couches minces, associé à un premier moyen d'illumination (26), un deuxième moyen d'observation à champ étroit correspondant aux dimensions d'une zone localisée (2a) de la structure à couches minces, associé à un deuxième moyen d'illumination (14), un moyen (8a) d'analyse spectrale associé à un troisième moyen d'illumination (15) fournissant un faisceau plus étroit que celui du deuxième moyen d'illumination, et une table mobile (5) selon deux axes parallèles à la surface de la structure à couches minces, capable de supporter le deuxième moyen d'observation et le moyen d'analyse spectrale pour l'observation de zones localisées sur
l'ensemble de la structure à couches minces.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier moyen d'observation comprend une caméra matricielle (11) à cellules à transfert de charge et le premier moyen d'illumination
est une source blanche associée à un filtre placé devant la caméra.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le deuxième moyen d'observation comprend une caméra matricielle (12) à cellules à transfert de charge et le deuxième moyen d'illumination est une source blanche associée à un filtre interférentiel
devant la caméra.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le troisième moyen d'illumination (15) est une source de lumière blanche fournie par un
arc Xénon couplé à une fibre optique (20) et d'un diaphragme (21).
5. Dispositif selon l'une quelconque les revendications 1 à 3.
caractérisé par le fait que le troisième moyen d'illumination est une
source laser.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le moyen d'analyse spectrale
comprend un connecteur optique (30) et une fibre optique (6).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen d'analyse spectrale comprend, en outre, un spectrographe (8a) relié à la fibre optique (6) et comprenant une fente d'analyse (39), un réseau de diffraction à champ plan (40) et un élément photosensible (41).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de traitement (8) des signaux électriques émis par les moyens d'observation et par le moyen d'analyse spectrale, capable d'effectuer des traitements d'images numérisées bi et tridimensionnelles et un
moyen de commande du déplacement de la table mobile.
9. Procédé de surveillance et d'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces (2) en cours de traitement dans une chambre sous vide (1) équipée d'une fenêtre (3) sur sa paroi supérieure, caractérisé en ce qu'il consiste à: - envoyer un premier faisceau lumineux d'éclairage sur l'ensemble de la structure à observer, un deuxième faisceau lumineux d'éclairage sur une zone localisée (2a) de la structure à observer et un troisième faisceau d'éclairage sur un site spécifique, les faisceaux empruntant un chemin optique commun centré sur l'axe optique (13a) commun aux objectifs de deux caméras vidéo (11, 12) et traversant la fenêtre de la chambre de traitement pour atteindre la zone localisée; - envoyer le faisceau lumineux réfléchi par l'ensemble de la structure à couches minces vers un capteur matriciel d'une caméra vidéo (11) à champ large, et le faisceau lumineux réfléchi par la zone localisée et empruntant le chemin optique commun, d'une part vers un capteur matriciel (16) d'une caméra vidéo (12) à champ étroit à travers un filtre (31) en vue de visualiser une cartographie monochromatique de la zone localisée par interférométrie différentielle, et, d'autre part vers un spectrographe (8a) à travers respectivement et successivement un diaphragme de sélection (30a), une fibre optique (6) et une fente d'analyse (39) à l'entrée du spectrographe; - effectuer à l'aide du spectrographe une analyse spectrale du faisceau lumineux réfléchi en vue de mesurer l'épaisseur absolue de la couche superficielle sur un site spécifique d'analyse faisant partie de
la zone localisée.
10. Procédé de surveillance selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à: - reconnaître le type de structure à couches minces par comparaison entre l'image visualisée grâce à la caméra vidéo (11) à champ large et une bibliothèque d'images correspondant à différents types de structures à couches minces, stockée dans une mémoire d'un moyen de traitement d'image et de commande de déplacement de la caméra à champ étroit, - à positionner la caméra (12) à champ étroit par rapport à la structure à couche mince; - effectuer un étalonnage grâce à la mesure de la valeur absolue de l'épaisseur en plusieurs points; - effectuer une estimation de la morphologie de la structure à couches minces par interférométrie monochromatique différentielle effectuée grâce à la caméra à champ large, les informations fournies par la caméra à champ large étant corrélées par le moyen (8) de traitement et de commande avec les informations fournies par la caméra à champ étroit en des points particuliers de la structure à couches minces; - observer et surveiller l'évolution de la morphologie de la structure à couches minces lors des changements de dimensions
provoqués par le traitement.
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