FR2818376A1 - Dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsometrique d'un echantillon, procede de visualisation et procede de mesure ellipsometrique avec resolution spatiale - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsométrique d'un échantillon placé dans un milieu incident, observé entre un analyseur et un polariseur croisés par réflexion en lumière convergente, dans lequel les paramètres ellipsométriques de l'ensemble formé par l'échantillon et un substrat sur lequel il est placé, sont exploités.Le substrat comporte un support et un empilement de couches de base et ses propriétés ellipsométriques sont connues.Les propriétés ellipsométriques du substrat sont telles que les variations des paramètres ellipsométriques de l'échantillon soient visualisées avec un contraste supérieur au contraste produit en l'absence de ce substrat.L'invention concerne également un procédé de visualisation et un procédé de mesure ellipsométrique avec résolution spatiale.

Description

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La présente invention concerne un dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsométrique d'un échantillon, un procédé de visualisation et un procédé de mesure ellipsométrique avec résolution spatiale. Elle est particulièrement bien adaptée à une visualisation en contraste ellipsométrique ou en contraste interférentiel.
Un échantillon recevant de la lumière et la réfléchissant en modifie généralement la polarisation.
Il est possible d'utiliser cette propriété pour visualiser un échantillon ou pour le caractériser en mesurant ses paramètres ellipsométriques généralement désignés par y et A.
A ce sujet, on pourra, par exemple, se référer à l'ouvrage Azzam et Bashara publié en 1979.
Initialement, on a cherché à exploiter l'extinction du coefficient de Fresnel rp à l'angle de Brewster pour accéder à une mesure ellipsométrique précise des paramètres y et A (ellipsométrie) ou à une visualisation sensible de films très minces, notamment à la surface de l'eau (microscopie à angle de Brewster).
Par ailleurs, on a cherché à éclairer une zone d'un échantillon sous une incidence et un azimut uniques pour mesurer les paramètres y et A correspondant à cette zone.
On s'intéresse dans le cadre de la présente invention à une exploitation simultanée des paramètres \Il et Il pour un certain nombre de points d'un échantillon, définis chacun par leurs coordonnées x et y. C'est ce qui est appelé une visualisation ou une mesure bidimensionnelle ellipsométrique d'un échantillon.
De plus, dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse aux échantillons de petites dimensions observés, visualisés ou mesurés sous microscope optique en réflexion.
Ce type d'observations microscopiques pose des contraintes particulières dans la mesure, d'une part, où les objectifs de microscopes ont une ouverture numérique importante qui crée des conditions d'observations significativement différentes des conditions usuelles des mesures ellipsométriques, dans lesquels les faisceaux tant d'éclairage que de mesure (ou faisceaux réfléchis) sont généralement des faisceaux collimatés de faible ouverture et, d'autre part, où les faisceaux d'éclairage sont le plus
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souvent distribués uniformément autour de l'incidence normale, c'est-à-dire dans une gamme d'angles d'incidence peu propice à l'ellipsométrie.
Certes, des méthodes de visualisation basées sur l'utilisation d'un substrat antiréfléchissant ont été proposées antérieurement mais elles sont fondées sur la réflectivité incohérente du substrat. Les substrats proposés précédemment sont donc antiréfléchissants pour une lumière non polarisée ou pour une lumière polarisée avec une direction de polarisation constante par rapport au plan d'incidence, ce qui est incompatible avec l'utilisation d'un microscope. Le principe repose sur la minimisation du second membre de l'équation (E4).
Figure img00020001
1 zu (e, NP) =+r) E4 2 où rp et rs sont les coefficients complexes de réflexion de chacune des polarisations sur le substrat concerné, ON (e, NP) étant le flux normalisé réfléchi pour un angle d'incidence q, en lumière non polarisée.
Notons que l'extinction totale ne s'obtient que pour Irpl = Irs/= 0, qui est une condition extrêmement contraignante, puisque les valeurs des deux coefficients de Fresnel sont fixées. La condition d'extinction totale, Irp + rsl = 0, est beaucoup plus souple puisqu'elle se traduit seulement par une relation entre les deux coefficients de Fresnel, fp = -fs E6
Des substrats antiréfléchissants pour une lumière polarisée ont aussi été proposés pour augmenter les performances des ellipsomètres, mais l'ellipsométrie et la microscopie optique étaient jusqu'à présent jugées inconciliables.
Le but de l'invention est donc une visualisation bidimensionnelle ellipsométrique d'un objet de très faible épaisseur invisible sous microscope optique dans des conditions d'observation connues compatibles avec l'utilisation d'un microscope optique commercial.
Malgré cela, selon l'invention, il est possible à la fois de visualiser l'objet et de mesurer son épaisseur et son indice sous microscope.
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A cette fin, l'objet d'étude est déposé sur un substrat particulier, l'association de l'objet d'étude et du substrat formant l'ensemble observé que nous appelons-l'échantillon-. Le substrat est conçu de telle manière que l'objet d'étude, bien que très mince, suffise par sa présence à modifier l'aspect du substrat, conduisant ainsi à la visualisation de l'objet.
A cette fin, le substrat est constitué d'un support recouvert d'un empilement de couches tel que, d'une part, l'épaisseur e de la dernière couche vérifie la condition d2/de [Lnlrp +rsj] = 0 et tel que, d'autre part, le minimum de la quantité Irp +rs) sur l'ensemble des valeurs de e soit aussi faible que possible.
De même, la présence de l'objet suffit dans ces conditions à modifier de façon mesurable sous microscope optique les paramètres et A du substrat, si bien que les caractéristiques optiques de l'objet peuvent être extraites de la mesure des paramètres y et à de l'échantillon.
Ainsi, le substrat est conçu de telle manière que la sensibilité des paramètres y et A de l'échantillon à une petite perturbation de ses
Figure img00030001

paramètres constitutifs soit très grande pour des angles d'incidence faibles, parame donc très différents de l'angle de Brewster, tandis que les méthodes de visualisation et de mesure proposées sont de plus conçues de telle manière que la géométrie radiale du microscope soit devenue compatible avec l'exploitation de ces caractéristiques ellipsométriques.
Dans un mode de réalisation préféré, mettant en oeuvre un microscope interférentiel différentiel (DIC) (grâce à un dispositif inséré au voisinage du plan focal arrière de l'objectif, par exemple un dispositif de Nomarski ou un dispositif de Smith), le faisceau d'éclairage, polarisé linéairement selon l'azimut (p = 0, est décomposé par le dispositif DIC en
Figure img00030002

deux faisceaux polarisés linéairement selon les directions 9 = 45'eut (p =-43 et décalés latéralement l'un par rapport à l'autre d'une petite quantité Ad, les deux plans d'onde associés à ces deux polarisations enregistrant à la réflexion sur l'échantillon des variations de phase dues à la présence ou aux inhomogénéités de l'objet, ces variations de phase se transformant en variations de couleur ou d'intensité après passage au retour du faisceau réfléchi dans le dispositif DIC, puis dans l'analyseur croisé avec le polariseur. Dans ce mode d'observation, le contraste de l'objet est optimisé grâce au réglage d'un compensateur inclus dans le dispositif DIC.
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Ce réglage consiste à éteindre l'interférence entre les deux faisceaux réfléchis par les régions non intéressantes de l'échantillon en réglant leur déphasage au niveau du dispositif où elles interfèrent, c'est-à-dire au niveau de l'analyseur, la qualité de cette extinction conditionnant la qualité de la visualisation. La condition mathématique de cette extinction est la même que précédemment, à savoir rp + r, = 0. La condition de sensibilité maximale sur l'épaisseur e de la dernière couche de l'empilement dans ce mode d'observation est d2/deLnlrp +rsl] = 0.
Le procédé de visualisation proposé est donc globalement optimal pour toutes les observations sous microscope entre polariseur et analyseur croisés, y compris lorsqu'un dispositif DIC est inclus dans le microscope.
L'invention concerne donc un dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsométrique d'un échantillon placé dans un milieu incident, observé entre un analyseur et un polariseur croisés par réflexion en lumière convergente, dans lequel les paramètres ellipsométriques de l'ensemble formé par l'objet et un substrat sur lequel il est placé, sont exploités.
Selon l'invention : - le substrat comporte un support et un empilement de couches et ses propriétés ellipsométriques sont connues, - les propriétés ellipsométriques du substrat sont telles que les variations des paramètres ellipsométriques de l'échantillon dues à l'objet soient visualisées avec un contraste supérieur au contraste produit en l'absence de ce substrat.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - l'échantillon est éclairé au travers d'un objectif à grande ouverture tel qu'un objectif de microscope, - le microscope est un microscope à contraste interférentiel différentiel,
Ce mode de réalisation est le plus efficace pour la visualisation ou la détection d'objets de dimensions nanométriques. Il s'agit alors de visualiser sans résoudre. Il permet en particulier la visualisation de tous les objets filiformes isolés, c'est-à-dire distants d'une quantité supérieure à la
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résolution latérale du microscope, dont la longueur est supérieure au micron (polymères, microtubules, collagène, bactéries, ADN, ARN, nanotubes de carbone, etc.).
- l'épaisseur e de la couche de l'empilement en contact avec l'objet est telle que les coefficients de réflexion complexes rp et rs du substrat vérifient la condition d2/de2 [Lnlrp +rsl] = 0, -les propriétés optiques du substrat sont telles que la valeur minimum prise par la quantité Irp + ri sur l'ensemble des valeurs de e est aussi faible que possible, - le dispositif comporte une source lumineuse polychromatique, - le dispositif comporte une source lumineuse monochromatique, - le support est en silicium,
De manière plus générale, le support est avantageusement un milieu absorbant, un métal ou un semi-conducteur dont la partie réelle de l'indice optique est supérieure à 3,3.
- l'empilement est constitué d'une couche unique,
Cette couche est avantageusement minérale, constituée d'un mélange SiO/Si02 en proportions adaptées.
- la couche est une couche de silice, - l'épaisseur de la couche de silice est de l'ordre de 1025 À, le milieu incident étant de l'air, - la couche est une couche de fluorure de magnésium, - l'épaisseur de la couche de Mg2 est de l'ordre de 1055 À, le milieu incident étant l'air,
Figure img00050001

- la couche est une couche de polymère, - la couche est une couche de polymère, d'indice optique approximativement égal à 1, 343, le milieu incident étant de l'air, - la couche est une couche minérale, d'indice optique approximativement égal à 1, 74, le milieu incident étant de l'eau, - la couche est une couche minérale, d'indice optique approximativement égal à 1,945, le milieu incident étant une huile d'indice optique 1,5, - la couche est discontinue et formée de plots de silice et d'indice 1, 345, de même hauteur définissant l'épaisseur de la couche et de
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dimensions en section très inférieures au micromètre, le milieu incident étant de l'air, - le dispositif comporte un microscope comportant un diaphragme d'ouverture en forme de fente longitudinale orientable autour de l'axe du microscope permettant de restreindre le cône d'éclairage à un seul plan d'incidence dans une direction choisie, - le dispositif comporte un microscope comportant un diaphragme d'ouverture en forme d'anneau limitant le cône d'éclairage de l'échantillon autour d'un angle d'incidence, - l'objet est un film mince et l'empilement comporte une couche en biseau dont l'épaisseur varie de façon monotone dans une direction X le long de la surface.
L'invention concerne aussi un procédé de mesure d'un film mince,
Figure img00060001

avec un empilement en biseau dans lequel : - on découpe le dispositif de visualisation parallèlement à la direction X en deux éléments, - on dépose le film mince sur l'un de ces éléments, - on place les deux éléments entre un polariseur et un analyseur croisés sous un microscope polarisant éclairé en lumière polychromatique, de façon à former des franges d'interférences colorées sur chacun des éléments, - on mesure le décalage des franges formées respectivement dans chacun des éléments pour en déduire les propriétés de la couche déposée sur l'un d'eux.
L'invention concerne de plus un dispositif de visualisation d'un échantillon tel que précisé plus haut, dans lequel le substrat est une boîte de Petri.
L'invention concerne de plus un dispositif de visualisation d'un échantillon tel que précisé plus haut, dans lequel l'échantillon est un multicapteur matriciel, chaque plot ou pastille de la matrice pouvant constituer la dernière couche de l'empilement. Ce multicapteur peut être une biopuce à bactéries, à virus, à antigènes, à anticorps, à protéines, à ADN, à ARN, ou à chromosomes, le dispositif constituant alors un dispositif de lecture parallèle.
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L'invention concerne également un procédé de mesure ellipsométrique d'un échantillon avec résolution spatiale sous microscope polarisant dans lequel : - l'échantillon est éclairé par un faisceau d'éclairage polarisé linéairement, - la lumière réfléchie par l'échantillon est analysée par un polariseur, - une modulation est assurée par la rotation relative de la polarisation de faisceau d'éclairage et du polariseur d'analyse.
Selon ce procédé : - le diaphragme d'ouverture du faisceau d'éclairage est un disque ouo anneau centré sur l'axe de ce faisceau,
Figure img00070001

-on mesure le flux moyen ()) M réfléchi et son amplitude de modulation < }) m en chaque point de l'échantillon, - on traite les mesures < }) M (x, y) et ()) m (x, y) pour en déduire la combinaison sin (2\)/) cossa des paramètres ellipsométriques \lI (x, y) et A (x, y) à partir de la formule
Figure img00070002

! lrsI2 (1 + tan'y) avec une amplitude -i-g 2 (tan 2\+ 1-2 tan /cos A) 2 2
Figure img00070003

Eventuellement, dans une étape complémentaire : - le diaphragme d'ouverture du faisceau d'éclairage est une fente orientable autour de l'axe du microscope, éventuellement superposée à un anneau délimitant un seul angle d'incidence,
Figure img00070004

- on mesure l'intensité du faisceau réfléchi, - on traite la mesure de cette intensité, à partir de la relation
Figure img00070005
Avantageusement, l'objet étudié est placé sur un substrat. L'épaisseur e de la couche de l'empilement en contact avec l'objet est telle que les coefficients de réflexion complexes rp et rs du substrat vérifient la condition d2/d32[Ln#rp + rs#] = 0.
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Figure img00080001
De préférence, l'objet est placé sur un substrat dont les propriétés optiques sont telles que la valeur minimum prise par la quantité trip + rs) sur l'ensemble des valeurs de e est aussi faible que possible.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit plus précisément par référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2 définissent les paramètres de polarisation de la lumière p et s par rapport au vecteur de propagation k et les paramètres d'orientation en incidence et en azimut 9 et (p des rayons dans le système optique ; - la figure 3 représente l'échantillon par rapport à l'objectif du microscope ; - la figure 4 est un schéma du microscope polarisant mis en oeuvre selon l'invention ; - la figure 5 est une représentation schématique du dispositif de mesure directe d'épaisseur selon l'invention ; - les figures 6A et 6B sont une représentation schématique du dispositif de visualisation de l'un multicapteur mis en oeuvre dans certains modes de réalisation de l'invention.
La description de l'invention sera faite en utilisant les notations des figures 1 et 2, où p est le vecteur polarisation de la lumière portée par un rayon d'angle d'incidence 0 sur l'échantillon.
Par ailleurs, on désigne par-échantillon 1-l'ensemble agissant sur la mesure. Cet échantillon est séparé de l'objectif 2 par un milieu incident 3, il comporte, dans l'ordre en partant du milieu incident, un objet d'étude 4 (celui que l'on cherche à visualiser), un empilement 5 de couches dont la couche supérieure 6 est la couche en contact avec l'échantillon, et un support 7. L'empilement de couches et le support forment le substrat 8.
Les figures 4A et 4B sont des représentations de dispositifs utilisables selon l'invention ; les éléments analogues y sont représentés avec les mêmes références numériques.
Un échantillon 1 supposé plan et isotrope est donc placé sous un microscope optique fonctionnant en réflexion. Le microscope est muni d'un objectif 10 et d'un éclairage de type Köhler, comportant au moins deux lentilles 12 et 13 et un diaphragme d'ouverture ou pupille 11 conjugué par la lentille 13 du plan focal arrière de l'objectif 10, représenté par une ligne
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pointillée sur la figure 4A. Le polariseur P polarise la lumière dirigée vers l'échantillon par la lame semi-réfléchissante 15. La direction du polariseur P sert de référence. La lumière renvoyée par l'objet est soumise à un analyseur A.
La figure 4B correspond à la mise en oeuvre d'un microscope à contraste différentiel interférentiel (DIC), il comporte un élément polarisant 16 qui est soit un biprisme de Wollaston, soit un prisme et un compensateur de Nomarski.
Comme il est connu par ailleurs, il est également possible de remplacer les polarisations linéaires par des polarisations circulaires.
Alors, à la place des polariseurs et analyseurs croisés, on trouvera le miroir semi-transparent, un premier polariseur, une lame quart d'onde (/4), l'objectif, l'échantillon puis en retour à nouveau l'objectif, la lame ,/4, le polariseur mentionné plus haut et le miroir semi-transparent.
Dans le cas du microscope à contraste différentiel interférentiel, on trouvera alors le miroir semi-transparent, un polariseur, l'élément polarisant, une lame 1/4, l'objectif, l'échantillon puis en retour à niveau l'objectif, la lame /4, l'élément polarisant, le polariseur mentionné plus haut et le miroir semi-réfléchissant.
L'angle d'incidence d'un rayon est 0. Le microscope est muni d'un polariseur linéaire et d'un analyseur situés de part et d'autre de l'échantillon sur le trajet de la lumière. L'éclairage est épiscopique et monochromatique. L'analyseur est tournant et fait un angle avec le polariseur. On mesure le flux réfléchi normalisé ON comme le rapport du flux réfléchi et d'un flux de référence. Le flux de référence est celui qu'on obtiendrait sur le même instrument réglé de la même manière en l'absence de polariseur et d'analyseur avec un hypothétique échantillon parfaitement
Figure img00090001

e e réfléchissant. L'échantillon parfaitement réfléchissant est défini par ses coefficients complexes de Fresnel pour les polarisations parallèle (p) et perpendiculaire (s) comme rp = rg = 1. Pour un angle quelconque :
Figure img00090002

Dans le cas particulier où le polariseur et l'analyseur sont croisés
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Figure img00100001

( < }) == 7/2), cette formule se réduit a :
Figure img00100002
Figure img00100003

Le second membre de la formule (El) est directement interprétable.
Il est constitué de deux termes : Le premier, cos2 (Irpll + jrg) ), est le produit d'un coefficient d'extinction et d'un coefficient de réflexion en intensité que nous appellerons une réflectivité. Cette réflectivité peut être qualifiée de "réflectivité moyenne incohérente" car on l'obtiendrait en ignorant les interférences entre rp et rs, c'est-à-dire entre les composantes réfléchies parallèle et perpendiculaire, et en moyennant sur tous les azimuts (p possibles, c'est-à-dire sur toutes les orientations possibles du plan d'incidence par rapport à la direction du polariseur. Réduite à son premier terme, l'équation (El) donnerait donc la réflexion obtenue en intervertissant l'ordre de l'échantillon et de l'analyseur sur le trajet de la lumière, la surface ne jouant ici que le rôle d'un élément absorbant. Ce premier terme disparaît totalement lorsque +/2 : entre polariseur et analyseur croisés, et en l'absence d'éléments (dé) polarisants, rien ne passe.
Le second terme de l'équation (El) décrit l'interférence entre rp et rs.
Nous l'appelons"réflectivité cohérente". Il traduit la dépolarisation du faisceau incident par la surface, qui transforme la polarisation incidente linéaire en une polarisation elliptique. Cette ellipticité est différente pour chaque azimut, c'est-à-dire pour chaque plan d'incidence défini par son angle (p avec la direction du polariseur, et ce second terme décrit la
Figure img00100004

réflectivité moyenne qui en résulte pour la géométrie conique de e moyenne e l'éclairage. Il disparaît pour < )) =7 :/4, où les contributions de tous les azimuts se compensent, et aussi pour rp=-rs. Il diminue la réflectivité totale entre polariseur et analyseur parallèles et l'augmente quand ils sont croisés.
La technique de visualisation, objet de la présente invention, exploite directement ce second terme. Nous choisissons = n/2, et le second terme de l'équation (El) reste le seul présent. L'extinction ou, dans une version plus élaborée, la quasi extinction de la réflectivité incohérente est l'un des fondements de l'invention. Ce que nous appelons"réflectivité cohérente"
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Figure img00110001

peut encore s'appeler"réflectivité ellipsométrique"puisqu'elle résulte des ellipticités (fonctions de l'azimut (p) de la polarisation réfléchie. Une expression équivalente à (El) est :
Figure img00110002
Cette expression permet de comparer le signal obtenu en présence d'éléments polarisants au signal obtenu en l'absence d'éléments polarisants, c'est-à-dire en lumière non polarisée, qui est donné par le premier terme
Figure img00110003

seul. On le notera :
Figure img00110004

0Ne, NP) =+ Ir) E4 2
Figure img00110005

En présence des polariseurs, nous avons encore expérimentalement accès à cette quantité en imposant = n/4, comme le montre l'équation E3.
Pour la visualisation du bord d'un objet d'étude 4 ayant la forme d'un film mince posé sur la surface, nous exploitons les intensités recueillies en observant le film et la surface nue qui sont notées IF et Is. Elles sont proportionnelles aux flux normalisés correspondants.
Le contraste du bord du film est :
Figure img00110006
Pour bien visualiser le film, il faut maximiser C et donc rendre le rapport IF/Is maximal (iso pour tendre vers un contraste de 1) ou
Figure img00110007

minimal (IF- > 0, pour tendre vers un contraste de-1). Il faut donc éteindre soit la surface, soit le film. Ainsi, une méthode sensible repose d'une part sur une bonne extinction, et d'autre part sur une extinction sélective.
Notre technique conjugue deux facteurs d'extinction : i) le polariseur et l'analyseur croisés ou presque croisés, ii) un substrat anti-réfléchissant pour ce mode d'observation.
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L'équation (El) met en relief la nature double de notre extinction : le polariseur et l'analyseur croisés éteignent le premier terme du second membre, notre substrat antiréfléchissant éteint le second. On peut donc le définir comme un substrat antiréfléchissant pour la réflectivité cohérente.
C'est le second fondement de notre technique de visualisation.
Mais une bonne extinction ne suffit pas pour une visualisation sensible. Il faut éteindre IF ou Is mais pas les deux en même temps. Comme le film que nous visualisons est très mince, comme donc ses paramètres physiques perturbent peu ceux de la surface nue, cela signifie que l'extinction doit être critique. En d'autres termes, l'extinction doit être perdue pour une toute petite modification de la surface. Ce caractère critique de la qualité anti-réfléchissante de notre substrat est le troisième fondement de notre technique de visualisation.
Les performances d'une méthode de visualisation peuvent être quantifiées par le contraste obtenu lorsque le film observé devient extrêmement mince. Dans ce cas, IF et Is deviennent voisins et dl = IF-Is s'apparente à un élément différentiel.
C peut alors s'écrire :
Figure img00120001

où Ae est l'épaisseur du film qu'on peut supposer pour la circonstance d'indice optique identique à celui de la couche supérieure, et où diode est la dérivée de l'intensité réfléchie par le substrat nu par rapport à l'épaisseur e de la dernière couche de l'empilement. Dans le cas où le substrat est composé d'un support solide recouvert d'une seule couche diélectrique, e est donc l'épaisseur de cette couche. Le fait de prendre un indice identique pour le film et pour la dernière couche diélectrique n'est pas obligatoire, mais il simplifie l'explication et montre que notre méthode n'exploite pas la réflexion entre le film et le substrat. Le film est donc considéré ici comme une simple fluctuation d'épaisseur de la couche supérieure.
Nous définissons la sensibilité de notre technique en Angströms. 1 comme le rapport de C sur Ae :
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Figure img00130001
L'expression de rp et rs pour un solide recouvert d'une seule couche est classique (réf. AZZAM par exemple) :
Figure img00130002

avec k = soit s, soit p, selon la polarisation considérée et
Figure img00130003

au support et l'indice 0 au milieu incident.
Cette équation nous permet d'écrire :
Figure img00130004

où Cij et #ij représentent respectivement la somme et le produit de rij (p) et rij (s).
La somme # est une fonction périodique de l'épaisseur optique Nie de période #/2. Son module Ici présente en général deux minima et deux maxima par période. Il en est de même pour Ln###. La fonction ici étant de plus une fonction bornée, elle reste très régulière et sa dérivée par rapport à e n'est jamais très importante. Par contre, la fonction Ln### diverge lorsque Icrl tend vers zéro et la sensibilité donnée par l'équation E7 devient très importante en valeur absolue de part et d'autre du minimum lorsque l'extinction devient totale. Le contraste est toujours négatif à gauche d'un minimum et positif à droite. C'est pourquoi nous désignons aussi la condition d'obtention d'un minimum par"condition d'inversion de contraste".
En résumé, les inversions rapides de contraste correspondent donc aux minima de Irp + rsj par rapport à e, et les inversions très rapides de contraste sont obtenues quand ce minimum de rp + rs ! tend vers 0.
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Figure img00140001
L'invention concerne aussi un procédé de mesure ellipsométrique pouvant également fonctionner sans que le recours à un substrat particulier ne soit nécessaire : Les angles ellipsométriques y et A sont définis par :
Figure img00140002

f Of !.
-=tanTe E10 is
Figure img00140003

Deux équations choisies arbitrairement parmi les quatre suivantes suffisent à établir les correspondances qui seront utiles entre réflectivités et paramètres ellipsométriques : IrPI2 + IrSI2 = Ir ) rp+) r=) r (l+tan/) EU jr + + rsl2 = Ir (1 + tan'y + 2 tan vs cos A) E12 'Ip - rsl2 = Irsl2 (1 + tan2/-2 tan y cos A) E13 12 tan Y COS A +ip\=2rs'tanTcosA E14 La première de ces équations montre que le paramètre ellipsométrique y est accessible par la mesure de la réflectivité incohérente. Chacune des trois autres montre que la détermination du second paramètre ellipsométrique, A, nécessite de plus la mesure de la réflectivité cohérente (ou d'une combinaison des deux réflectivités). C'est erent e donc en accédant au signal de réflectivité cohérente que nous pouvons déterminer y et A.
La mesure s'effectue en deux étapes : i) La première est basée sur la rotation de l'analyseur. L'image de l'échantillon est analysée par une caméra CCD ou tout autre détecteur bidimensionnel. L'équation E3 montre que le signal réfléchi oscille sinusoïdalement autour de la réflectivité incohérente avec une amplitude Irp-rs) et une période 71 : sur l'angle . Différentes procédures, nécessitant au minimum deux mesures, permettent d'obtenir deux combinaisons des trois paramètres irsl', tany, et cos, par exemple rus) 2 (l + tan'y) et
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Figure img00150001

2jrs) tanM/cosA. Cela permet déjà de déterminer la combinaison sin2ycosA des seuls paramètres ellipsométriques, mais ne suffit pas pour déterminer séparément A et y. ii) La seconde étape nécessite la rupture de la symétrie radiale de l'éclairage, ce qui peut s'effectuer de deux façons : soit en modifiant physiquement la géométrie du diaphragme d'ouverture, qui doit devenir une fente ou un secteur angulaire 8 (p (modulo #) d'ouverture maximale #/4, capable comme l'analyseur de tourner autour de l'axe optique du microscope, soit en analysant la distribution d'intensité présente dans un plan conjugué du diaphragme d'ouverture situé sur le trajet de la lumière réfléchie, le microscope étant en éclairage Koehler Le microscope étant muni d'une caméra CCD pour recevoir l'image de l'échantillon, cette analyse peut s'effectuer très simplement en interposant une lentille de Bertrand entre l'objectif et la pupille de la caméra. Il s'agit donc d'une mesure conoscopique. L'intérêt de cette solution, facile à mettre en oeuvre, est que l'angle d'incidence 0 et l'azimut 9 sont, dans le plan conjugué, deux paramètres géographiquement séparables et que l'on peut donc accéder à la totalité de la fonction désignant la longueur d'onde de l'éclairage. On peut ainsi ajuster la gamme des angles d'ouverture conservés, explorer l'azimut, ou filtrer l'éclairage par des moyens numériques. Cette solution permet aussi, en l'absence de la lentille de Bertrand, d'effectuer la première étape de l'analyse simultanément sur plusieurs régions d'un échantillon hétérogène, et donc de déterminer par une mesure parallèle la quantité (sin2/cosA) (x, y). Pour une analyse complète avec la lentille de Bertrand, il faut cependant sélectionner une région homogène de l'échantillon par l'utilisation d'un diaphragme de champ ou d'une géométrie confocale. Cette solution ne permet donc pas l'analyse parallèle complète des différents points de l'échantillon. La première solution par contre (diaphragme à rupture de symétrie radiale), permet l'analyse parallèle totale puisqu'on garde toujours l'image de l'échantillon sur la caméra CCD.
La réflectivité totale lorsqu'un secteur angulaire 8 (p très petit sélectionne un azimut (p particulier sur le cône d'éclairage, fourni par l'équivalent des équations El à E4 est maintenant :
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Figure img00160001
Figure img00160002

Dans les deux cas particuliers les plus simples où (p = 0 (module vc) et (p = ? :/2 (module 71), on obtient respectivement :
Figure img00160003

(DN (6, < ), 0p = 1/2jrpcos et ON (6, (t), (p = 7c/2) = 1/21rl'cos'
Figure img00160004

Il suffit donc de prendre la racine du rapport de ces deux intensités pour obtenir la quantité tan. Cette mesure combinée aux deux précédentes permet donc de déterminer complètement r2#2, #, et A, et donc aussi Irai'.
Il faut noter que la détermination des seuls paramètres y et A peut s'obtenir en utilisant uniquement des rapports d'intensités mesurées, et ne nécessite donc pas l'utilisation d'un substrat de référence.
Dans l'exposé de la méthode de mesure, nous avons utilisé des équations valables pour un seul angle d'incidence 0. Comme Irsl', Y, et A dépendent de 0. nous pouvons : soit accéder à ces quantités pour un angle
Figure img00160005

0 unique en utilisant un diaphragme d'ouverture annulaire, soit accéder à des quantités moyennées sur une gamme d'angles d'incidence [Onirn, 9max], avec le plus souvent OminO. Les mêmes formules s'appliquent aux quantités moyennées. En fait, l'intérêt de la méthode est surtout de pouvoir effectuer des mesures ellipsométriques sous microscope afin de combiner mesure ellipsométrique et imagerie. On doit donc considérer que la géométrie naturelle de l'éclairage est un cône de lumière autour de la normale. Or, les paramètres ellipsométriques varient peu pour des incidences faibles. C'est d'ailleurs pourquoi l'ellipsométrie n'est une technique sensible qu'à des angles d'incidence élevés. La contrepartie dans notre procédé est que la moyenne qui s'effectue sur le cône d'éclairage brouille peu le signal exploitable. En l'absence de substrat optimisé, l'inconvénient de la mesure ellipsométrique sous microscope est que sa sensibilité est mauvaise. Mais en présence des substrats optimisés tels que nous les proposons, la sensibilité de la mesure aux paramètres physiques de l'échantillon redevient excellente, comparable en fait à celle des mesures
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traditionnelles autour de l'angle de Brewster, alors que le signal exploité reste peu sensible à l'angle d'incidence. Cela tient au fait qu'entre polariseur et analyseur croisés, l'extinction de la réflectivité cohérente est toujours totale en incidence normale, si bien que seules les incidences non nulles participent à la construction du signal que nous exploitons. Avec les conditions d'une bonne extinction pour des incidences non nulles, l'extinction est bonne sur l'ensemble des incidences du cône d'éclairage.
Il est possible d'optimiser l'épaisseur de la dernière couche pour des matériaux quelconques.
En effet, nous avons vu que la fonction o (e)) = Irp + r2# possède toujours des minima plus ou moins prononcés, qui correspondent aux conditions d'inversion de contraste. Le contraste est donc nul pour ces valeurs particulières de e. Etant aussi périodique et continu, il atteint un minimum à gauche de ces valeurs et un maximum à droite. Il est donc toujours possible de choisir l'épaisseur e de façon à ce qu'un de ces extrema soit atteint. Quelle que soit la nature du substrat, on peut donc optimiser l'épaisseur de la couche diélectrique en calculant o (e) l. Cela devient particulièrement intéressant lorsqu'on s'approche des conditions critiques.
Les compositions critiques des substrats sont définies par l'existence d'une solution à l'équation c (e) j = 0. Un substrat critique possède une épaisseur de couche proche d'une solution de cette équation. Une solution
Figure img00170001

de l'équation Icy (e) l = 0 correspond nécessairement à un minimum de la (e) l. C'est donc une épaisseur d'inversion du contraste. La plus petite de ces valeurs, ec, joue bien sûr un rôle particulier. Les autres épaisseurs d'inversion de contraste sont alors données par ec, k = ec + KNi/2.
Figure img00170002
D'après l'équation E9, l'équation dont nous discutons est :
Figure img00170003

cyoi + cl 12 (1 + noi) e- + coin2e =0 E15
Figure img00170004

Dans le cas d'un empilement réduit à une seule couche, les valeurs ec de e sont les solutions de l'équation E15 tirée de E9 :
Figure img00170005

coi + < ? i2 (l + Iol) Z + coinZ = 0 E16
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Elle possède deux solutions complexes zl et z2 qui sont fonctions des indices du milieu incident, de la couche, de l'indice complexe du substrat, et de l'angle d'incidence 00 (ou de façon équivalente de l'angle réfracté dans la couche, 01). Les conditions critiques sont atteintes lorsque le module d'une de ces deux solutions est égal à 1. Ce problème est assez simple à explorer numériquement. Analytiquement, il est possible de développer chacun des termes jusqu'à l'ordre 4 en 01 car chacun ne dépend que faiblement de l'angle à proximité de la normale. On peut ainsi trouver des solutions"à la main". En pratique, les deux milieux extrêmes sont souvent imposés et c'est l'indice et l'épaisseur de la couche qu'il faut déterminer. On trace donc le contraste en fonction de l'épaisseur pour quelques indices arbitraires et on constate une variation monotone du contraste. Il suffit donc de progresser dans la direction où les choses s'améliorent jusqu'à ce qu'elles commencent à se dégrader. A partir de là, on continue l'exploration autour de la meilleure valeur en affinant les variations de l'indice. On peut aussi se servir des nombreux résultats publiés dans la littérature pour une couche unique en termes de y et A. Les
Figure img00180001

situations recherchées correspondent simultanément à :
Figure img00180002

tan=letA=7r E17
Figure img00180003

Les solutions que nous avons trouvées numériquement sont assez bien approchées par la formule empirique :
Figure img00180004
On obtient des résultats particulièrement intéressants en réalisant un substrat silicium recouvert d'une couche unique répondant aux paramètres suivants, l'éclairage étant préféré monochromatique de longueur d'onde X = 540 mn et l'angle d'ouverture du cône d'éclairage étant supposé de 30 degrés :
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Figure img00190001
<tb>
<tb> No <SEP> N3 <SEP> N2 <SEP> e
<tb> 1, <SEP> 00 <SEP> (air) <SEP> 3, <SEP> 88 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> i <SEP> 1,343 <SEP> 1060+5 <SEP> Â
<tb> 1, <SEP> 34 <SEP> (eau) <SEP> 3, <SEP> 88-0, <SEP> 02 <SEP> i <SEP> 1,749 <SEP> 814 <SEP> 5 <SEP> Â
<tb> 1,50 <SEP> (huile) <SEP> 3,88-0,02 <SEP> i <SEP> 1,945 <SEP> 750 <SEP> i <SEP> 10 <SEP>
<tb>
où No est l'indice du milieu ambiant, N3 est l'indice du support du substrat,
Figure img00190002

N2 est l'indice de la couche et e son épaisseur.
L'épaisseur optimale e est une fonction linéaire de  mais n'est pas
Figure img00190003

proportionnable à A. Pour des observations dans l'air,-= 0, 2. c
Figure img00190004

Les couches d'indices 1, 74 et 1, 945 peuvent être fabriquées par de nombreuses méthodes, telles que les dépôts PECVD. Les couches d'indice 1,345 sont plus difficiles à réaliser. Elles peuvent être formées d'un hydrogel, d'un aérogel, d'un polymère, ou être hétérogènes, par exemple formées de plots d'épaisseur constante et de très petites dimensions. Il peut encore s'agir d'une solution dans l'eau, de sucre, de sel, de polymère...
Une méthode de visualisation particulièrement intéressante de l'épaisseur optique (Ni x el) d'un film très mince peut être réalisée avec le substrat mis en oeuvre dans l'invention de la manière suivante représentée sur la figure 5.
On réalise sur un support 20, un dépôt d'une couche 21 d'épaisseur variable en forme de biseau (figure 5A, figure 5B).
On découpe ensuite ce substrat 20 de façon à en obtenir deux éléments identiques 22,23 (23 non représenté est alors identique à 22) (figure 5C).
On recouvre ensuite l'un de ces éléments du film 24 mince à étudier (figure 5C).
Puis on observe alors ces deux éléments sous microscope éclairés en lumière blanche avec ime pupille en forme de disque, après avoir positionné ces deux éléments l'un par rapport à l'autre, dans leur position relative initiale, à l'aide d'un repère, d'une encoche ou d'une cale 25.
On observe alors des franges 26,27 en lumière blanche, respectivement sur chacun de ces éléments et leur décalage relatif At permet la mesure des propriétés de la couche déposée sur l'un de ces
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éléments.
L'invention est particulièrement adaptée à la visualisation d'éléments contenus dans des multicapteurs.
Un multicapteur chimique ou biologique (= biopuce) est constitué d'un support 30 sur lequel sont déposées des pastilles 31 (= spots) formées chacune d'une couche différente capable de fixer sélectivement chacune une espèce différente à reconnaître au sein d'un mélange liquide (biopuce) ou gazeux (nez artificiel), et formant entre elles une matrice d'éléments ordonnés le long de la surface. Chaque pastille a une surface de quelques microns carrés et souvent une épaisseur d'ordre moléculaire.
Le multicapteur est utilisé de la façon suivante : il est mis en contact avec le mélange que l'on veut analyser. Chaque pastille 31, 32... fixe l'espèce qu'elle sait reconnaître quand elle est présente dans le mélange. In situ ou après rinçage, on regarde alors quels plots 32 se sont chargés et quels plots 31 sont restés vides pour connaître la composition du mélange. Une espèce fixée crée une surépaisseur, visualisable au niveau du plot, la position des plots 31,32 dans la matrice nous renseignant sur la nature de l'espèce reconnue. Cette étape est l'étape de lecture du multicapteur.
Notre méthode de microscopie est suffisamment sensible pour faire la différence entre un plot vide et le même plot chargé, dans beaucoup de types de multicapteurs. Elle fournit donc une méthode de lecture simple, directe et parallèle pour l'ensemble des multicapteurs.
Dans un exemple préféré, nous décrivons sa mise en oeuvre sur un type particulier de multicapteurs : les biopuces. Ils comprennent par exemple les puces à ADN, les puces à anticorps, les puces à bactéries, les puces à virus, les puces à chromosomes, les puces à protéines, etc.
Dans l'exemple des puces à ADN, chaque plot est constitué d'une couche moléculaire d'oligonucléotides identiques capables de s'hybrider avec et seulement avec leur brin complémentaire. L'ADN analysé est découpé en brins de longueur convenable, amplifiés par la technique PCR, ce qui signifie que chaque brin est répliqué un grand nombre de fois, puis mis en solution au contact de la puce. Les brins reconnus sont fixés par les pastilles correspondantes.
Notre méthode permet de reconnaître les pastilles chargées. A cette fin, les pastilles dont l'épaisseur est régulière et connue, sont prises comme
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éléments de l'édifice multicouche, de telle sorte que l'ensemble support + multicouche + pastille ou spot constitue un substrat optimisé de très grande sensibilité. Dans ces conditions, la présence de brins supplémentaires après hybridation est aisément détectée par le changement d'intensité ou de couleur qu'elle entraîne dans l'observation de la pastille par notre procédé de visualisation. La quantité de matière présente sur une pastille peut aussi être quantitativement évaluée par notre procédé de mesure.

Claims (25)

  1. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsométrique d'un échantillon, comportant un objet, placé dans un milieu incident, observé entre un analyseur et un polariseur croisés par réflexion en lumière convergente, dans lequel les paramètres ellipsométriques de l'ensemble formé par l'objet (4) et un substrat (8) sur lequel il est placé, sont exploités, caractérisé en ce que : - le substrat comporte un support et un empilement de couches et que ses propriétés ellipsométriques sont connues, - les propriétés ellipsométriques du substrat étant telles que les variations des paramètres ellipsométriques de l'échantillon dues à l'objet soient visualisées avec un contraste supérieur au contraste produit en l'absence de ce substrat.
  2. 2. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon est éclairé au travers d'un objectif à grande ouverture tel qu'un objectif de microscope.
  3. 3. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le microscope est un microscope à contraste interférentiel différentiel.
  4. 4. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur e de la couche de l'empilement en contact avec l'objet est telle que les coefficients de réflexion complexes rp et rs du substrat vérifient la condition d2/de2 [Lnlrp +rst] =0.
  5. 5. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon
    Figure img00220001
    la revendication 4, caractérisé en ce que les propriétés optiques du substrat sont telles que la valeur minimum prise par la quantité Irp + rsl sur l'ensemble des valeurs de e est aussi faible que possible.
  6. 6. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse polychromatique.
  7. 7. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse monochromatique.
    <Desc/Clms Page number 23>
  8. 8. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support est en silicium.
  9. 9. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'empilement est constitué d'une couche unique.
  10. 10. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche de silice.
  11. 11. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de silice est de l'ordre de 1025 À, le milieu incident étant de l'air.
  12. 12. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche de fluorure de magnésium.
  13. 13. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche de polymère.
  14. 14. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche de polymère, d'indice optique approximativement égal à 1,343, le milieu incident étant de l'air.
  15. 15. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche minérale, d'indice optique approximativement égal à 1,74, le milieu incident étant de l'eau.
  16. 16. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est une couche minérale, d'indice optique approximativement égal à 1,945, le milieu incident étant une huile d'indice optique 1,5.
  17. 17. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche est discontinue et formée de plots de silice et d'indice 1,343, de même hauteur définissant l'épaisseur de la couche et de dimensions en section très inférieures au micromètre, le milieu incident étant de l'air.
    <Desc/Clms Page number 24>
  18. 18. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 2 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte un microscope comportant un diaphragme d'ouverture en forme de fente longitudinale orientable autour de l'axe du microscope permettant de restreindre le cône d'éclairage à un seul plan d'incidence dans une direction choisie.
  19. 19. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte un microscope comportant un diaphragme d'ouverture en forme d'anneau limitant le cône d'éclairage de l'échantillon autour d'un angle d'incidence.
  20. 20. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objet est un film mince et l'empilement comporte une couche en biseau dont l'épaisseur varie de façon monotone dans une direction X le long de la surface.
  21. 21. Procédé de mesure à l'aide du dispositif de la revendication 20, caractérisé en ce que : - l'on découpe le dispositif de visualisation parallèlement à la direction X en deux éléments, - l'on dépose le film mince sur l'un de ces éléments, - l'on place les deux éléments entre un polariseur et un analyseur croisés sous un microscope polarisant éclairé en lumière polychromatique, de façon à former des franges d'interférences colorées sur chacun des éléments, - l'on mesure le décalage des franges formées respectivement dans chacun des éléments pour en déduire les propriétés de la couche déposée sur l'un d'eux.
  22. 22. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le substrat est le fond d'une boîte de Petri.
  23. 23. Dispositif de visualisation bidimensionnelle d'un échantillon selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que l'échantillon est un multicapteur matriciel.
  24. 24. Dispositif de lecture parallèle d'un multicapteur matriciel selon la revendication 23, caractérisé en ce que chaque plot ou pastille de la matrice constitue la dernière couche de l'empilement.
    <Desc/Clms Page number 25>
  25. 25. Dispositif de lecture parallèle d'un multicapteur matriciel selon la revendication 23, caractérisé en ce que le multicapteur est une biopuce à bactéries, à virus, à antigènes, à anticorps, à protéines, à ADN, à ARN, à chromosomes.
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