FR2760085A1 - Dispositif et procede de mesures tridimensionnelles et d'observation in situ d'une couche superficielle deposee sur un empilement de couches minces - Google Patents

Abstract

Dispositif et procédé de mesures tridimensionnelles et d'observation d'une couche superficielle d'une structure à couches minces, comprenant une unité de surveillance 4 qui comporte une caméra vidéo 12, une source d'éclairage à faisceau large 14, une source d'éclairage à faisceau étroit 20, une unité d'exploitation et de commande et une table de déplacement horizontale.Le dispositif comprend un prisme de Wollaston 24 disposé sur le chemin optique du faisceau lumineux étroit, pour obtenir deux faisceaux lumineux étroits dont les états de polarisation sont rectilignes et orthogonaux entre eux, un polariseur 27 disposé sur l'axe optique du prisme de Wollaston 24 de façon à être traversé par le faisceau lumineux étroit réfléchi après son passage dans le prisme de Wollaston 24, et une cellule de détection 28.

Description

Dispositif et procédé de mesures tridimensionnelles et d'observation in

situ d'une couche superficielle déposée sur un

empilement de couches minces.

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour effectuer des mesures géométriques tridimensionnelles, in situ, d'une couche superficielle d'une structure à couches minces dans une chambre sous vide, et aussi pour mesurer l'évolution de ladite structure lors d'un procédé de gravure ou de dépôt. Parmni les applications de l'invention, on peut citer le contrôle in situ et en temps réel de la fabrication de couches semi-conductrices à gravure profonde dans le silicium, par exemple pour la fabrication de microsystèmes électriques ou pour l'amincissement de

micromembranes destinées à la fabrication de microcapteurs.

On connaît par la demande de brevet français n0 2 680 414 (SOFIE) un ensemble compact d'observations et de mesures interférométriques simultanées par laser permettant d'effectuer des mesures interférométriques in situ sur un empilement de couches minces placées dans une chambre sous vide. L'ensemble comprend une caméra d'observation dont les objectifs sont traversés, d'une part, par un faisceau d'éclairage et, d'autre part, par un ou deux faisceaux laser

de mesures interférométriques.

Grâce à cette technique, on peut notamment positionner le faisceau laser sur la couche à étudier et mesurer la vitesse de croissance ou de décroissance de l'épaisseur de la couche superficielle de la structure à couches minces. Toutefois, le faisceau lumineux monochromatique d'éclairage et le faisceau laser de mesure 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 une mesure différentielle interférométrique qui se répète à modulo une période voisine de XJ2n; X étant la longueur d'observation et n l'indice de réfraction de la

couche superficielle.

On connaît également 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 pour des profondeurs de quelques

dizaines de microns au maximum.

La présente invention a pour objet de proposer une technique perfectionnée capable de réaliser les mesures effectuées selon les techniques antérieures, mais également adaptée à des motifs de grande épaisseur ou profondeur pour des applications de micromécanique. En effet, lorsque les couches sont épaisses ou lorsque les motifs sont profonds, l'intensité de la lumière à mesurer devient très faible et les

techniques classiques ne sont plus adaptées.

L'invention a également pour objet de fournir un dispositif et un procédé capables d'effectuer une mesure instantanée de la différence de niveau entre une surface choisie comme origine et le motif gravé ou déposé. Le dispositif, selon l'invention, est destiné à la mesure tridimensionnelle 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 une paroi. Le dispositif comprend une unité de surveillance qui comporte un boîtier compact enfermant une caméra vidéo, une source d'éclairage à faisceau large, une source d'éclairage à faisceau étroit et des composants optiques, une unité d'exploitation et de commande comportant un connecteur optique et un connecteur électrique montés sur le boîtier de l'unité de surveillance pour la relier via respectivement un câble de fibres optiques et un câble électrique, à l'unité d'exploitation et de commande, et une table montée au-dessus de la chambre de traitement pour assurer, d'une part, le déplacement horizontal de l'unité de surveillance suivant deux axes afin de choisir un site et, d'autre part, le positionnement précis pour que les deux faisceaux incidents et les deux faisceaux réfléchis par la couche superficielle empruntent des chemins optiques voisins proches de l'axe optique de la caméra vidéo. Le dispositif comprend un prisme de Wollaston disposé sur le chemin optique du faisceau lumineux étroit pour obtenir en sortie dudit prisme de Wollaston deux faisceaux lumineux polarisés étroits, cohérents, de directions différentes décalées d'un angle ct et de polarisations orthogonales, le prisme de Wollaston étant disposé de façon à être traversé par les faisceaux lumineux étroits réfléchis par la couche, un polariseur disposé sur l'axe optique du prisme de Wollaston de façon à être traversé par le faisceau lumineux étroit réfléchi après son passage en retour dans ledit prisme de Wollaston, ledit polariseur étant monté rotatif par rapport

audit prisme de Wollaston, et une cellule de détection.

On dispose ainsi de deux faisceaux lumineux étroits, l'un, par exemple, dirigé vers une portion de la couche superficielle non traitée et l'autre, par exemple, dirigé vers une portion de la couche superficielle en cours de traitement. La rotation du polariseur autour de son axe optique permet de sélectionner l'un ou l'autre des faisceaux réfléchis polarisés ou une combinaison des deux et d'effectuer une analyse permettant de connaître la différence de niveau entre les deux

portions de la couche superficielle.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le prisme de Wollaston est mobile en translation et est monté sur un bâti rotatif supportant également le polariseur, de façon que la rotation du prisme de Wollaston entraîne celle du polariseur, ce dernier étant monté sur un support rotatif par rapport audit bâti. La rotation du bâti du prisme de Wollaston permet la rotation des deux zones spécifiques de la couche superficielle éclairées par les deux faisceaux lumineux étroits autour de l'axe optique à l'intérieur du site éclairé par le faisceau

lumineux large.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un faisceau laser pour générer le faisceau lumineux étroit, plus

particulièrement pour la mesure de motifs très profonds.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif

comprend une source blanche pour générer le faisceau lumineux étroit.

Avantageusement, le prisme de Wollaston est prévu avec une séparation angulaire cx des deux faisceaux comprise entre 10 et 100

minutes d'angle.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un diaphragme disposé entre le polariseur et la cellule de détection, le trou dudit diaphragme étant de diamètre correspondant à celui du faisceau lumineux étroit réfléchi. Le diaphragme sert ainsi de filtre spatial en réduisant la lumière située hors de la trajectoire du faisceau lumineux étroit réfléchi. A titre de variante, le diaphragme peut être remplacé par un ensemble comprenant deux diaphragmes et une

lentille intermédiaire, placé devant la cellule de détection.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un filtre interférentiel disposé devant la cellule de détection, la bande passante du filtre correspondant à la longueur d'onde du faisceau lumineux étroit réfléchi. On effectue ainsi un filtrage fréquentiel

avantageux lorsqu'on utilise un faisceau laser.

Dans un mode de réalisation de l'invention, on prévoit un modulateur de la polarisation de la lumière des deux faisceaux étroits réfléchis, disposé en amont du polariseur sur le trajet desdits faisceaux étroits réfléchis, sous la forme d'une lame quart d'onde tournante, en vue de la mesure de la différence de phase entre les deux faisceaux, ladite différence de phase étant représentative de la différence de niveau entre les zones de la couche superficielle sur lesquelles se

réfléchissent les deux faisceaux étroits.

Le procédé, selon l'invention, est destiné à la mesure et à l'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces placée dans une chambre sous vide équipée

d'une fenêtre sur une paroi.

Le procédé consiste - à envoyer un faisceau lumineux large d'éclairage sur un site de la structure à observer, un premier faisceau lumineux étroit d'éclairage sur une première zone spécifique de la structure à observer et un deuxième faisceau lumineux étroit d'éclairage sur une deuxième zone spécifique de la structure à observer, les faisceaux empruntant des chemins optiques voisins proches de l'axe optique d'une caméra vidéo et traversant la fenêtre de la chambre de traitement pour atteindre le site, les premier et deuxième faisceaux lumineux étroits étant cohérents entre eux et leurs directions étant décalées d'un angle or, lesdits premier et deuxième faisceaux lumineux étroits étant générés par une source lumineuse unique; - à envoyer le faisceau lumineux réfléchi par le site de la structure à couches minces vers un capteur matriciel d'une caméra vidéo à champ large et les deux faisceaux lumineux réfléchis par les deux zones spécifiques et empruntant le chemin optique commun vers un moyen capable de les combiner optiquement, les faisceaux lumineux réfléchis combinés interférant à la sortie d'un polariseur suivi d'une cellule de détection en vue de la mesure de la différence de niveau

entre les deux zones spécifiques.

On peut envoyer un faisceau lumineux étroit obtenu à partir d'une source unique vers un prisme de Wollaston pour obtenir les premier et deuxième faisceaux lumineux étroits incidents et on peut envoyer les deux faisceaux lumineux étroits réfléchis vers le prisme de Wollaston pour les combiner sur un axe optique unique tout en maintenant l'orthogonalité de leurs polarisations respectives, le polariseur étant mobile en rotation d'un angle d'au moins 90 de façon à pouvoir sélectionner le premier faisceau lumineux étroit réfléchi dans une seule polarisation, le deuxième faisceau lumineux étroit réfléchi dans une seule polarisation décalée de 90 par rapport à la polarisation du premier faisceau et la combinaison des deux faisceaux étroits lumineux réfléchis dans une position angulaire décalée de l'ordre de

par rapport à la première.

Avantageusement, on peut ajuster la distance entre les deux zones spécifiques par translation du prisme de Wollaston et on les déplace en

rotation par rotation du prisme de Wollaston et du polariseur.

Le prisme de Wollaston appartient à la catégorie des séparateurs d'états de polarisation. Les faisceaux émergents sont déviés de part et d'autre de la direction moyenne du rayon incident, mais ces déviations

ne sont pas rigoureusement symétriques.

Par exemple, si on choisit un prisme de Wollaston de séparation angulaire (x égale à 30 minutes d'angle, on obtient à une distance de 20 cm de la structure des zones spécifiques décalées d'environ 450 microns. Le déplacement en translation du prisme de Wollaston dans la caméra permet d'ajuster cet écart. La rotation du prisme de Wollaston permet de déplacer les deux zones spécifiques. On peut ainsi choisir aisément une zone spécifique sur une portion de la couche superficielle recouverte par un masque et donc épargnée par le traitement et l'autre zone spécifique dans une portion en cours de gravure. On peut bien entendu effectuer une pluralité de mesures sur différentes portions du site en cours de gravure. Le site peut être

changé au moyen de la table à déplacement horizontal.

Si l'on dispose une zone spécifique sur un bord entre une portion en cours de gravure et une portion recouverte par le masque, il se produira un phénomène de diffraction que l'on pourra observer sur la caméra de surveillance, ce qui permettra de déplacer légèrement la zone spécifique afin d'éviter ce phénomène. Le masque qui recouvre une partie de la structure à couches minces est transparent aux longueurs d'ondes utilisées avec une sélectivité par rapport à la structure elle- même de l'ordre de 50. Lorsque la sélectivité entre le matériau gravé et le masque est supérieure à 10, la gravure du masque n'affecte pas la précision des mesures. La caméra sert à la fois à reconnaître le positionnement des faisceaux et à effectuer des mesures géométriques grâce à la digitalisation qu'elle effectue. Par ailleurs, le procédé de gravure peut avoir tendance à élargir les portions non recouvertes par le masque par attaque des bords de celui-ci ou bien à creuser une portion masquée au bord d'une portion en cours de gravure par attaque sous le masque. De telles évolutions sont observées, en temps réel, au moyen du traitement d'images et de l'interférométrie car elles se traduisent par un changement des contrastes au cours du temps. Deux images successives de l'échantillon peuvent être

comparées pour faire ressortir cet éventuel changement de contrastes.

On vérifie la stabilité du masque, en temps réel, dans le plan horizontal selon les axes X, Y et en profondeur. On obtient donc des informations tridimensionnelles sur l'évolution des motifs de l'échantillon. Après réflexion sur l'échantillon, les deux faisceaux disponibles à la sortie du prisme de Wollaston sont caractérisés par: - des états de polarisation rectilignes et orthogonaux entre eux, - des amplitudes différentes ex et ey, - un déphasage A. Les amplitudes différentes proviennent non seulement des réflexions de nature différente sur l'échantillon, mais aussi de l'action des éléments de montage, notamment de la caméra, qui dépend de la

polarisation du faisceau.

Le déphasage A provient surtout de - la différence de niveau entre les zones de la couche superficielle sur lesquelles se réfléchissent les faisceaux étroits, - les réflexions de nature différente sur l'échantillon,

- les éléments du montage.

Pour obtenir une précision satisfaisante, on sépare les trois

contributions, par une procédure de calibrage appropriée.

Le déphasage A est un déphasage entre les amplitudes de deux

faisceaux, en deux points différents de l'échantillon.

Dans le cas de la lame quart d'onde rotative, on va effectuer deux mesures du déphasage, la première o les deux faisceaux se réfléchissent sur un même plan d'o une valeur A1 et la seconde o les deux faisceaux se réfléchissent sur des plans différents d'o une valeur A2. La différence de niveau entre les plans est liée à ces valeurs de déphasage: A2 - A1 = (2 I-/X) 2 e; X étant la longueur d'onde des faisceaux et e étant la distance verticale entre les plans. On parvient ainsi à supprimer l'influence du déphasage à l'origine. Le dispositif est apte à mesurer des motifs de faible épaisseur sur l'échantillon, ce qui

lui confère une gamme de mesure très vaste.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description

détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple 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; la figure 3 est une vue en coupe de la structure à couches minces surveillée selon la technique de l'invention; la figure 4 est une vue de dessus correspondant à la figure 3; et la figure 5 montre une variante de la figure 2. La demanderesse a mis au point un ensemble très compact d'observations et de mesures interférométriques simultanées par laser, en particulier sur des structures à couches minces, technique exposée en détail dans les demandes de brevets français n 2 680 414 et n 2 718 231 auxquelles 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 sous vide enferme un échantillon 2 à traiter, par exemple une plaque de silicium en cours de gravure sous plasma pour obtenir une membrane, 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 câble 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 commander le déplacement horizontal de l'unité de surveillance 4 sur

la table 5.

Comme on le voit plus en détail sur la figure 2, l'unité de surveillance 4 présente un boîtier 11 qui enferme une caméra vidéo 12 dont l'objectif 13 réglable peut être du type autofocus, une source d'éclairage à faisceau large 14 et un certain nombre de lames optiques pour assurer le guidage des faisceaux lumineux selon les chemins optiques prédéterminés. La caméra vidéo 12 comprend un capteur 15 de préférence constitué d'une pluralité de cellules à transfert de charge (CCD) disposées en une matrice. Le capteur 15 est relié d'une manière non représentée à un connecteur électrique 16 pour le câble électrique 7 en vue de fournir un signal vidéo numérique à l'unité 8 d'exploitation et de commande pour être visualisé sur l'écran 10, le

connecteur électrique 16 étant monté sur le boîtier 11.

Le boîtier 11 comporte un compartiment intérieur 1l a dans lequel se trouve la source d'éclairage 14 qui émet dans un spectre présentant de préférence un recouvrement au moins partiel avec le spectre de

lumière visible. Pour simplifier la description suivante, on parlera de

la lumière blanche émise par la source d'éclairage 14. Le compartiment intérieur la présente une fenêtre pourvue d'une lentille optique 17 qui oriente le faisceau lumineux d'éclairage vers une lame semi-transparente 18 disposée entre l'objectif 13 et le capteur 15 de la caméra 12, de façon que le faisceau lumineux d'éclairage emprunte le chemin optique de la caméra, c'est-à-dire l'axe optique 13a de l'objectif 13. Un premier piège à lumière 19 sous 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 de rayons laser 20 comporte une diode laser et émet un faisceau étroit projeté par l'intermédiaire d'une lame semi-transparente 21 sur une autre lame semi-transparente 22 intercalée dans le trajet optique entre l'objectif 13 et le capteur 15 de la caméra 12, de manière que le faisceau laser 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 23 sous forme d'une lame est disposé derrière la

lame semi-transparente 22.

A titre de variante, on peut prévoir de remplacer la source laser 20 par une source de lumière blanche au moyen d'un arc Xénon qui peut être disposé à l'extérieur du boîtier 11 et relié à celui-ci par

l'intermédiaire d'une fibre optique, non représentée.

Sur le trajet du faisceau laser émis par la source 20, entre la lame semi-transparente 21 et la lame semi-transparente 22, est disposé un prisme de Wollaston 24 qui a pour effet de diviser le faisceau issu de la source laser 20 en deux faisceaux étroits 25 et 26 présentant une séparation angulaire de 30 minutes d'angle et dont les états de polarisation sont rectilignes et orthogonaux entre eux. On dispose ainsi de deux faisceaux laser cohérents. Pour des raisons de compréhension, le décalage angulaire des faisceaux 25 et 26 a été volontairement exagéré sur la figure 2. Les polarisations rectilignes sont conservées lors du trajet, à condition que les directions de polarisation rectiligne à la sortie du Wollaston soient bien respectivement parallèle et perpendiculaire au plan d'incidence sur la lame 22, sinon chacun des faisceaux prend une polarisation elliptique. Ainsi, le boîtier compact 11 de l'unité de surveillance 4 enferme la caméra vidéo 12 avec la source d'éclairage 14 et la source de rayons laser 20 pour émettre un faisceau lumineux composé du faisceau lumineux d'éclairage émis par la source d'éclairage 14 et des faisceaux laser étroits 25 et 26 émis par la source de rayons laser 20 et séparés par le prisme de Wollaston 24 selon un chemin optique passant par l'objectif 13 de la caméra 12. Le faisceau lumineux combiné est envoyé par l'unité de surveillance 4 à travers l'objectif 13 et la fenêtre 3 de la chambre de traitement 1 pour arriver sur l'échantillon 2 en

structure à couches minces (figure 1).

Le faisceau lumineux réfléchi par l'échantillon 2 traverse l'objectif 13 pour pénétrer à l'intérieur du boîtier 11 de l'unité de surveillance 4. La lame semi-transparente 22 sépare le faisceau lumineux réfléchi en deux parties. Une partie transmise qui, après avoir traversé les lames semi-transparentes 22 et 18, arrive au capteur de la caméra 12. Une partie réfléchie par la lame 22 traverse le prisme de Wollaston 24, ce qui provoque la combinaison des deux faisceaux laser étroits réfléchis en un seul. Le faisceau laser réfléchi unique à la sortie du prisme de Wollaston 24 traverse un polariseur 27 pour atteindre une cellule de détection 28 reliée par une fibre optique

6 à l'unité d'exploitation 8.

Le faisceau réfléchi orienté vers le capteur 15 de la caméra 12 correspond au spectre du faisceau lumineux d'éclairage avec deux faisceaux laser réfléchis de haute intensité. Afin d'éviter l'éblouissement du capteur 15 et donc de la caméra vidéo 12 par l'effet des faisceaux laser réfléchis, on dispose un filtre 29 dans le trajet

optique de la caméra 12 juste devant le capteur 15.

Le filtre optique 29 est transparent pour une longueur d'onde caractéristique et opaque pour les autres longueurs d'ondes afin de ne laisser passer qu'une lumière quasiment monochromatique vers le capteur 15 de la caméra 12. Ainsi, chaque cellule CCD du capteur 15 se comporte individuellement comme un interféromètre représentant un pixel du plan image de la caméra 12. La caméra vidéo 12 se comporte ainsi comme une pluralité d'interféromètres montés en matrice et fournit ainsi un signal vidéo que l'on visualise sur l'écran et qui correspond à une cartographie monochromatique représentant la surface du site éclairé de l'échantillon 2. De préférence, on choisit la longueur d'onde caractéristique du filtre optique 29 suffisamment voisine de la longueur d'onde des faisceaux laser réfléchis de façon à visualiser également sur l'écran 10, les deux spots laser à l'intérieur de la zone localisée éclairée sans que ces derniers n'éblouissent la caméra

vidéo 12.

L'interférence des faisceaux est possible grâce au polariseur 27, sur l'axe de transmission duquel se projettent les vecteurs champ électrique des deux faisceaux. On obtient ainsi à la sortie, des vibrations colinéaires et déphasées qui peuvent interférer, contrairement aux champs électriques avant le polariseur qui sont orthogonaux et donc incapables d'interférer, même si les rayons

correspondants sont rigoureusement confondus.

Le polariseur 27 se présente sous la forme d'un film qui comporte des particules dichroïques qui absorbent la lumière selon une première direction du champ électromagnétique et la laisse passer selon une deuxième direction orthogonale à la première. Comme les polarisations des faisceaux laser réfléchis ne sont pas modifiées par leur passage dans le prisme de Wollaston 24, la rotation du polariseur 27 permet, dans une première position angulaire, de sélectionner l'un des faisceaux laser réfléchis, dans une deuxième position décalée de par rapport à la première, de sélectionner le second faisceau laser réfléchi, et dans une troisième position décalée de l'ordre de 45 par rapport à la première, d'analyser les deux faisceaux laser réfléchis et notamment leurs interférences. La cellule de détection 28 peut être de

différents types, et notamment un spectrographe.

Devant le polariseur 27, on peut prévoir de monter un diaphragme dont le trou est de diamètre correspondant à celui des faisceaux laser réfléchis, de façon à limiter la détection par la cellule de détection 28 de la lumière en provenance de la source 14. On peut aussi prévoir un filtre interférentiel, non représenté, disposé entre le polariseur 27 et la cellule de détection 28 afin d'éviter une action du filtre sur la polarisation et dont la bande passante correspond à la longueur d'onde de la source 20 de façon à réduire la lumière d'autres couleurs provenant également de façon incidente ou réfléchie, de la source 14. On améliore ainsi le rapport signal sur bruit de la cellule de détection 28, notamment lorsqu'on utilise un arc Xénon riche dans le domaine des bleus alors que la source 14 est riche dans le domaine des

rouges et que l'on effectue une analyse dans ce dernier domaine.

Les figures 3 et 4 montrent schématiquement les images représentatives du procédé de l'invention. L'échantillon à traiter 2 est une structure à couches minces servant à la fabrication par gravure de membranes. L'échantillon 2 comprend un substrat 31 en silicium dont certaines parties sont protégées par un masque 32. La zone 31a du substrat 31 non protégé par le masque 32, est attaquée par un procédé

plasma, connu en soi, jusqu'à une épaisseur prédéterminée.

Le faisceau lumineux incident émis par l'unité de surveillance 4 éclaire un site 2a de la surface supérieure de l'échantillon 2. Le site 2a est délimité par le faisceau lumineux d'éclairage en lumière blanche 33. Le premier faisceau laser 25 atteint l'échantillon 2 sur une zone protégée par le masque 32. Comme le masque 32 est transparent à la lumière, le faisceau laser 25 se réfléchit sur la surface du substrat 31 disposé sous le masque 32. Le second faisceau laser 26 se réfléchit sur la zone 31a du substrat 31 en cours de gravure. Sur l'écran de l'unité de surveillance 4, on visualise la position des faisceaux laser 25 et 26 et on peut ainsi les déplacer pour que l'un se réfléchisse sur une zone protégée par le masque 32 et que l'autre se réfléchisse sur une tranchée

en cours de gravure dans le substrat 31.

Le déplacement des faisceaux laser 25 et 26 par rapport à l'échantillon 2 s'effectue, d'une part, grâce au déplacement de la table dans un plan horizontal et, d'autre part, grâce au mouvement du prisme de Wollaston 24. Le prisme de Wollaston 24 est mobile en translation le long de son axe optique, ce qui permet d'ajuster l'écartement entre les faisceaux laser 25 et 26 sur l'échantillon 2. Le prisme de Wollaston 24 est monté sur un bâti rotatif, non représenté, ce qui permet de déplacer les faisceaux laser 25 et 26 par rotation autour de leur axe d'origine 34. Le polariseur 27 est également monté sur le bâti rotatif du prisme de Wollaston 24. La rotation du prisme de Wollaston 24 entraîne celle du polariseur 27 de façon qu'undéplacement des faisceaux laser 25 et 26 ne modifie pas le réglage du polariseur 27. Le polariseur 27 est monté sur un support, non représenté, rotatif par rapport au bâti du prisme de Wollaston 24. On effectue ainsi le réglage du polariseur 27 indépendamment du prisme

de Wollaston 24.

En raison de la différence des longueurs des trajets effectués par les deux faisceaux laser réfléchis dûe à la profondeur de gravure de la zone exposée 31a du substrat 31 de l'échantillon 2, l'intensité des deux faisceaux laser réfléchis, après leur passage dans le prisme de Wollaston 24, n'est pas absolument égale, ce qui diminue le contraste des franges d'interférence. Lorsque l'on veut étudier les interférences entre les deux faisceaux laser réfléchis, on règle alors le polariseur 27 à un angle qui peut être très légèrement différent de 45 de façon à équilibrer en intensité les composantes en provenance respectivement des deux faisceaux laser réfléchis. La différence d'intensité des faisceaux laser réfléchis peut être aussi due, en partie, à la réflexion sur la lame 22 lors de laquelle la polarisation parallèle au plan

d'incidence sur la lame 22 est favorisée.

Le déphasage entre les faisceaux provient d'une part de la réflexion sur l'échantillon 2, c'est le déphasage utile qui permet de mesurer une épaisseur de couche ou une profondeur de gravure, mais d'autre part, de la réflexion et de la transmission à travers les lames 21 et 22 et le prisme de Wollaston 24, surtout si ce dernier n'est pas bien centré. En lumière monochromatique (laser), on peut effectuer un calibrage en dirigeant les deux faisceaux sur une surface unique de

l'échantillon 2.

Un cube à polarisation ou un second prisme de Wollaston peut être disposé sur le chemin optique du faisceau réfléchi après son passage en retour dans le prisme de Wollaston 24 pour séparer spatialement les faisceaux selon leur polarisation, mesurer séparément leurs amplitudes Rx et Ry et calculer leur rapport. Un cube à polarisation permet une séparation spatiale d'un angle de 90 . Un prisme de Wollaston réalisé en calcite permet une séparation spatiale d'un angle de plusieurs degrés. Comme illustré sur la figure 5, la caméra 12 comprend un montage qui supporte le polariseur 27 et une lame quart d'onde 36 entraînée en rotation autour de son centre par un moteur électrique 37 pour

réaliser une modulation de la polarisation de la lumière.

On obtient ainsi des informations relatives à la modification

d'états de surface de l'échantillon.

Grâce à l'invention, on peut surveiller des opérations de gravure profonde de couches semi-conductrices avec deux faisceaux laser cohérents en raison de leur provenance d'une source unique. On effectue ainsi une mesure précise de la profondeur de gravure. Avant le début de la gravure, on peut observer plusieurs motifs de l'échantillon en se positionnant successivement sur chacun d'entre eux pour en déduire une modélisation de l'échantillon intéressante pour un

processus de gravure industrielle en grandes séries.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mesures tridimensionnelles 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 (1) équipée d'une fenêtre sur une paroi comprenant une unité de surveillance (4) qui comporte un boîtier compact enfermant une caméra vidéo (12), une source d'éclairage à faisceau large (14), une source d'éclairage à faisceau étroit (20) et des composants optiques, une unité d'exploitation et de commande (8) comportant un connecteur optique et un connecteur électrique montés sur le boîtier de l'unité de surveillance pour la relier via respectivement un câble de fibres optiques et un câble électrique, à l'unité d'exploitation et de commande, et une table (5) montée au-dessus de la chambre de traitement pour assurer, d'une part, le déplacement horizontal de l'unité de surveillance suivant deux axes (X, Y) afin de choisir un site et, d'autre part, le positionnement précis pour que les deux faisceaux incidents et les deux faisceaux réfléchis par la couche superficielle empruntent des chemins optiques voisins proches de l'axe optique de la caméra vidéo, caractérisé par le fait qu'il comprend un prisme de Wollaston (24) disposé sur le chemin optique du faisceau lumineux étroit pour obtenir en sortie dudit prisme de Wollaston deux faisceaux lumineux polarisés étroits, cohérents, (25, 26) de directions différentes décalées d'un angle cc et de polarisations orthogonales, le prisme de Wollaston étant disposé de façon à être traversé par les faisceaux lumineux étroits réfléchis par la couche, un polariseur (27) disposé sur l'axe optique du prisme de Wollaston de façon à être traversé par le faisceau lumineux étroit réfléchi après son passage en retour dans ledit prisme de Wollaston, ledit polariseur étant monté rotatif par rapport audit prisme de Wollaston, et une cellule de

détection (28).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le prisme de Wollaston est mobile en translation et est monté sur un bâti rotatif supportant également le polariseur de façon que la rotation du prisme de Wollaston entraîne celle du polariseur, ce dernier étant

monté sur un support rotatif par rapport audit bâti.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un faisceau laser pour générer le faisceau lumineux étroit.

4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend une source blanche pour générer le faisceau lumineux étroit.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un diaphragme (29) disposé entre le prisme de Wollaston et le polariseur, dont le trou est

de diamètre correspondant à celui du faisceau lumineux étroit réfléchi.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisé par le fait qu'il comprend un ensemble pourvu de deux diaphragmes et d'une lentille intermédiaire, placé devant la cellule de

détection.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un filtre interférentiel disposé entre le polariseur et la cellule de détection, la bande passante du filtre correspondant à la fréquence du faisceau

lumineux étroit réfléchi.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un modulateur de la polarisation de la lumière des deux faisceaux étroits réfléchis, disposé en amont du polariseur sur le trajet desdits faisceaux étroits réfléchis, sous la forme d'une lame quart d'onde tournante, en vue de la mesure de la différence de phase entre les deux faisceaux, ladite différence de phase étant représentative de la différence de niveau entre les zones de la couche superficielle sur lesquelles se réfléchissent les deux

faisceaux étroits.

9. Procédé de mesure et d'observation in situ et en temps réel d'une couche superficielle d'une structure à couches minces placée dans une chambre sous vide équipée d'une fenêtre sur une paroi, caractérisé en ce qu'il consiste à: - envoyer un faisceau lumineux large d'éclairage sur un site de la structure à observer, un premier faisceau lumineux étroit d'éclairage sur une première zone spécifique de la structure à observer et un deuxième faisceau lumineux étroit d'éclairage sur une deuxième zone spécifique de la structure à observer, les faisceaux empruntant des chemins optiques voisins proches de l'axe optique d'une caméra vidéo et traversant la fenêtre de la chambre de traitement pour atteindre le site, les premier et deuxième faisceaux lumineux étroits étant cohérents entre eux et leurs directions étant décalées d'un angle ax, lesdits premier et deuxième faisceaux lumineux étroits étant générés par une source lumineuse unique, - envoyer le faisceau lumineux réfléchi par le site de la structure à couches minces vers un capteur matriciel d'une caméra vidéo à champ large et les deux faisceaux lumineux réfléchis par les deux zones spécifiques et empruntant le chemin optique commun vers un moyen capable de les combiner optiquement, les faisceaux lumineux réfléchis combinés interférant à la sortie d'un polariseur suivi d'une cellule de détection en vue de la mesure de la différence de niveau entre les deux

zones spécifiques.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'on envoie un faisceau lumineux étroit obtenu à partir d'une source unique vers un prisme de Wollaston pour obtenir les premier et deuxième faisceaux lumineux étroits incidents et qu'on envoie les deux faisceaux lumineux étroits réfléchis vers le prisme de Wollaston pour les combiner sur un axe optique unique tout en maintenant l'orthogonalité de leurs polarisations respectives, le polariseur étant mobile en rotation d'un angle d'au moins 90 de façon à pouvoir sélectionner le premier faisceau lumineux étroit réfléchi dans une seule polarisation, le deuxième faisceau lumineux étroit réfléchi dans une seule polarisation décalée de 90 par rapport à la polarisation du premier faisceau et la combinaison des deux faisceaux étroits lumineux réfléchis dans une position angulaire décalée de l'ordre de

par rapport à la première.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on ajuste la distance entre les deux zones spécifiques par translation du prisme de Wollaston et on les déplace en rotation par rotation du

prisme de Wollaston et du polariseur.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 1 1,

caractérisé par le fait que les deux faisceaux lumineux réfléchis traversent un moyen de modulation de la polarisation avant l'entrée

dans le polariseur.