DISPOSITIF PERFECTIONNÉ DE MESURE NON DESTRUCTIVE PAR RAYONSX DE CARACTÉRISTIQUES D'ÉCHANTILLON, EN RÉFLECTIVITÉ RASANTE
L'invention concerne le domaine des dispositifs de mesure non destructive par rayons X, en particulier en réflectivité rasante, notamment dans des domaines tels que la caractérisation de substrats massifs et de couches minces (utilisées par exemple en optique, dans les semiconducteurs, et dans la protection de surface), ou l'analyse des surfaces et des matériaux (comme par exemple les métaux, les semiconducteurs et les isolants organiques et inorganiques), ou encore l'analyse de la structure des roches, des ciments ou d'autres matériaux massifs.
On entend ici par rayon X une onde électromagnétique présentant une énergie comprise entre environ 0,1 kV (kilovolts) et environ 100 kV.
Comme le sait l'homme de l'art, les rayons X (par exemple la raie Ka à 1,54 Å du cuivre) sont totalement réfléchis par des surfaces planes, ou quasi-planes, lorsqu'ils sont utilisés sous une incidence rasante inférieure à un angle critique 6c. Cet angle critique c, qui correspond à l'angle pour lequel une moitié de l'intensité est réfléchie tandis que l'autre moitié pénètre dans le matériau, varie principalement en fonction de la densité du matériau objet des mesures. Par exemple, dans le cas du silicium (de densité égale à 2,28 g/cm ) c est égal à 0,262[deg], et dans le cas de l'or (de densité égale à 19 g/cm ) c est égal à 0,562[deg].
Au delà de cet angle critique c, les rayons X pénètrent dans la matière et le coefficient de réflexion décroît de façon exponentielle. Dans ces conditions d'utilisation, il est alors possible d'accéder à certaines caractéristiques (ou paramètres) physico-chimiques d'échantillons, comme par exemple le caractère planaire ou non planaire d'une surface, la rugosité (d'interface), les épaisseurs des couches et les coefficients de diffusion complexes (ô et beta ), pour une énergie ou une longueur d'onde (monochromatique) donnée.
Par exemple, on peut montrer, notamment à l'aide des facteurs de Debye-Waller, que plus une surface est rugueuse, plus l'atténuation de la réflexion est rapide.
Par ailleurs, dans le cas d'échantillons multicouches, d'épaisseur fine (typiquement de 1 nm à 300 nm), les rayons X se réfléchissent sur chaque interface induisant alors des interférences constructives et destructives. Plus les couches sont épaisses, plus les interférences sont serrées. Ainsi, dans le cas d'une couche d'oxyde de silicium de 2 nm, la première interférence destructive, correspondant à un phénomène d'anti-reflet, apparaît lorsque l'angle d'incidence des rayons X est d'environ 1,5[deg].
Les valeurs des caractéristiques physico-chimiques dépendant étroitement de l'angle d'incidence et de l'angle de réflectance des rayons X, il est donc impératif de contrôler avec précision, non seulement l'angle d'incidence des rayons X par rapport à la face supérieure de l'échantillon, mais également la position des moyens de détection par rapport à cette face lorsque la détection est de type multicanaux.
Pour ce faire, plusieurs techniques ont été proposées.
Une première technique, notamment décrite dans le document US 5,003,569, consiste à utiliser un faisceau de rayons X collimaté et monochromatique et à balayer les angles d'incidence en déplaçant simultanément soit le faisceau collimaté et les moyens de détection, soit l'échantillon et les moyens de détection. Cette technique, de type séquentiel, peut nécessiter plusieurs minutes, voire plusieurs heures, par position sur l'échantillon, de sorte qu'elle n'est pas bien adaptée à la caractérisation rapide, notamment. De plus, elle requiert une surface d'échantillon plane et homogène sur une surface d'au moins 1cm x 2cm, ce qui limite notablement son champ d'application pour des petites surfaces.
Une seconde technique, notamment décrite dans le document US 5,619,548, consiste à utiliser une source monochromatique de rayons X, ponctuelle ou linéaire, légèrement divergente, dont la face d'émission est sensiblement parallèle à la face supérieure de l'échantillon, et à faire converger les rayons X divergents sous incidence rasante en focalisant vers un point focal situé dans la zone de mesure de l'échantillon. Les rayons X, réfléchis au niveau du point focal sous différents angles de réflexion correspondants aux différents angles d'incidence, sont ensuite détectés simultanément à l'aide d'un détecteur de type multicanaux. La convergence est ici obtenue à l'aide d'un miroir concave ou cylindrique, voire même toroïdal, ou bien d'un cristal, ou bien d'une zone de Fresnel, ou encore de fibres creuse, placé(es) entre la source et l'échantillon.Le cristal ou le miroir peut servir d'élément sélectif en longueur d'onde de manière à rendre la source monochromatique.
Grâce à cette seconde technique, il est possible de tester un même point de l'échantillon sous tous les angles d'incidence compris dans un intervalle choisi, sans avoir à déplacer un élément du dispositif de mesure. En raison de la disposition de la source et du miroir relativement à l'échantillon, la zone de l'échantillon, qui est sondée par les rayons X focalisés, est extrêmement réduite suivant une direction, voire même deux dans le cas d'un miroir toroïdal. Une telle technique s'avère donc particulièrement bien adaptée à la détection microscopique des défauts locaux sensiblement au niveau de la surface des échantillons.
L'invention a pour but de proposer une solution alternative aux techniques de l'art antérieur, procurant une plus grande luminosité et/ou une plus grande simplicité.
Elle propose à cet effet un dispositif de mesure de caractéristiques d'un échantillon, comprenant une source délivrant un faisceau de rayons X destinés à être réfléchis sur une zone de mesure d'une face d'échantillon, des moyens chargés de détecter (en parallèle ou de façon séquentielle) les rayons X réfléchis sous différents angles sur l'échantillon et sélectionnés spectralement (en amont ou en aval de l'échantillon), et de délivrer des signaux représentatifs de leur intensité, de leur angle de réflexion par rapport à la face de l'échantillon, et éventuellement de leur position de détection (dans le cas par exemple d'une cartographie), et des moyens de traitement chargés de déduire de ces signaux des valeurs de caractéristiques choisies de l'échantillon.
Ce dispositif se caractérise par le fait que sa source (qui est par exemple linéaire et perpendiculaire à la surface) est agencée de manière à délivrer son faisceau selon une direction générale sensiblement parallèle à la face de l'échantillon, et par le fait qu'il comprend des moyens d'interception (par exemple une lame ou un "couteau") chargés d'intercepter les rayons X du faisceau qui parviennent au niveau de la zone de mesure avec une hauteur supérieure à une valeur choisie, de manière à limiter l'extension de cette zone de mesure suivant une première direction.
Les rayons X étant émis par une face d'émission (et plus précisément une ligne sensiblement verticale, lorsque l'échantillon est sensiblement placé dans un plan horizontal) sensiblement perpendiculaire à la face de l'échantillon, ils ne sont donc pas focalisés de façon ponctuelle sur l'échantillon en fonction de leur angle d'émission. Ils parviennent au niveau de l'échantillon de façon "étalée" suivant la première direction (sensiblement parallèle à la projection de leur direction de propagation sur la face de l'échantillon), et la longueur de cet étalement peut alors être contrôlée par les moyens d'interception et/ou la longueur de la source et/ou le grandissement induit par la distance au premier miroir.
Le dispositif selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui pourront être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
des moyens d'interception en forme de lame (ou couteau) installée sensiblement perpendiculairement à la face de l'échantillon et à la première direction (de propagation des rayons X, laquelle est parallèle à la surface), des moyens d'interception placés à une hauteur choisie en fonction de la résolution angulaire choisie et/ou du flux de rayons X choisi et/ou de l'extension choisie de la zone de mesure, des moyens d'interception préférentiellement installés au niveau de la zone de mesure, des moyens de limitation spatiale et/ou spectrale chargés de traiter le faisceau de sorte qu'il présente au niveau de la zone de mesure une extension choisie selon une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la première direction.
Par exemple, les moyens de limitation spatiale et/ou spectrale comprennent un dispositif à fente de Sollers installé devant la source.
En variante ou en complément, les moyens de limitation spatiale et/ou spectrale peuvent comprendre un (premier) dispositif de focalisation intercalé entre la source et l'échantillon et agencé de manière à faire converger vers un première ligne focale de la zone de mesure les rayons X du faisceau qui présentent une même première longueur d'onde et qui lui parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon.
Les moyens de limitation spatiale et/ou spectrale peuvent également comprendre au moins un autre (second) dispositif de focalisation intercalé entre la source et l'échantillon et agencé de manière à faire converger vers une seconde ligne focale de la zone de mesure les rayons X du faisceau qui présentent au moins une même seconde longueur d'onde et qui lui parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon.
Le premier dispositif de focalisation et/ou le second dispositif de focalisation peuvent être choisis parmi un miroir concave, un miroir cylindrique, un cristal diffractant, une zone de Fresnel et des fibres creuses.
Les premier et second points focaux peuvent être confondus ou espacés l'un de l'autre, des moyens de transformation intercalés entre l'échantillon et les moyens de détection et chargés de transformer les directions de propagation des rayons X réfléchis avant qu'ils ne parviennent au niveau des moyens de détection.
Les moyens de transformation peuvent comprendre un (premier) dispositif de convergence agencé de manière à faire converger vers une ligne focale, située au niveau des moyens de détection et conjuguée de la première ou seconde ligne focale de la zone de mesure, des rayons X réfléchis qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon et qui présentent la première ou la seconde longueur d'onde.
En variante, les moyens de transformation peuvent comprendre un (premier) dispositif de convergence chargé de transformer les rayons X réfléchis et divergents qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon, en rayons X parallèles destinés aux moyens de détection et présentant la première ou la seconde longueur d'onde.
Les moyens de transformation peuvent également comprendre au moins un autre (second) dispositif de convergence chargé de faire converger vers une ligne focale, située au niveau des moyens de détection et conjuguée de la seconde ou première ligne focale de la zone de mesure, des rayons X réfléchis qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon et qui présentent la seconde ou la première longueur d'onde. En variante ou en complément, les moyens de transformation peuvent comprendre un autre (second) dispositif de convergence chargé de réfléchir des rayons X divergents réfléchis par l'échantillon, qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face de l'échantillon, destinés aux moyens de détection et présentant la seconde ou la première longueur d'onde.
Le premier dispositif de convergence et/ou le second dispositif de convergence sont préférentiellement choisis parmi un miroir concave, un miroir cylindrique, un miroir plan, un cristal diffractant, une zone de Fresnel et des fibres creuses, des moyens de détection de type multicanaux afin de collecter simultanément les rayons X qui sont réfléchis selon des angles compris dans un intervalle choisi. Par exemple, les moyens de détection multicanaux comportent une matrice d'éléments de collection, tels que des éléments à couplage de charge (ou CCD).Dans ce cas, on peut également prévoir des moyens d'atténuation entre l'échantillon et les moyens de détection afin d'atténuer l'intensité des rayons X réfléchis en fonction d'une loi choisie, définissant par exemple l'intensité en fonction de l'angle de réflexion des rayons X réfléchis ;cela permet d'éviter la saturation, en variante, les moyens de détection peuvent être de type monocanal et montés mobiles relativement à l'échantillon, la source, les moyens de limitation spatiale et/ou spectrale, les moyens de transformation, les moyens de détection, et les moyens d'atténuation peuvent être mobiles et déplaçables solidairement relativement à l'échantillon et aux moyens d'interception, en variante, l'échantillon peut être mobile relativement à la source, aux moyens d'interception, aux moyens de limitation spatiale et/ou spectrale, aux moyens de transformation, aux moyens de détection et aux moyens d'atténuation, notamment en vue d'une cartographie, des moyens d'analyse chargés d'effectuer des mesures photométriques et/ou ellipsométriques, ou ellipsométriques et/ou spectroscopiques sur l'échantillon.
une enceinte éventuellement sous vide (ou purgée) logeant les différents moyens précités hormis les moyens de traitement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre de façon schématique, dans une vue de côté, un premier exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 2 illustre de façon schématique, une face d'émission d'une source de rayons X, équipée d'un dispositif à fentes de Sollers (optionnel), - la figure 3 illustre de façon schématique un exemple de matrice de détection d'un détecteur multicanaux, équipée d'un atténuateur, - la figure 4 illustre de façon schématique un diagramme donnant le logarithme népérien de l'intensité réfléchie sur un échantillon en fonction de l'angle d'incidence 0 des rayons X, - la figure 5 illustre de façon schématique, dans une vue de côté,une partie d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 6 est une vue du dessus du dispositif de la figure 5, - la figure 7 illustre de façon schématique, dans une vue du dessus, une partie d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 8 illustre de façon schématique, dans une vue du dessus, une partie d'un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 9 illustre de façon schématique, dans une vue du dessus, une partie d'un cinquième exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 10 illustre de façon schématique, dans une vue de côté, une partie d'un sixième exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, et - la figure 11 illustre de façon schématique,dans une vue de côté, un exemple d'agencement du dispositif de la figure 5 pendant une phase de calibration sans échantillon de référence.
Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
L'invention porte sur un dispositif dédié à la mesure non destructive de caractéristiques physico-chimiques d'échantillons, par rayons X en réflectivité rasante.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire un premier exemple de réalisation d'un dispositif de mesure D selon l'invention.
Le dispositif D illustré comprend tout d'abord une source S de rayons X, par exemple en cuivre et de type "fine focus". Cette source S comporte une face d'émission 1 délivrant par exemple un faisceau de rayons X de section initiale rectangulaire sous une puissance de 1,5 kW (30 kV sous 50 mA). Par exemple, la largeur de la section du faisceau délivré par la source S est d'environ 40 Microm et sa longueur d'environ 20 mm. Par ailleurs, cette source S émet préférentiellement les raies Kalpha 1 et Ka2 du cuivre à 8150 eV. On considère cependant dans cet exemple de réalisation que la source S n'émet qu'une unique longueur d'onde.
Le dispositif D comprend également un porte échantillon 2, sur lequel peut être installé un échantillon E et qui est de préférence monté sur un dispositif de positionnement, non représenté, permettant de le déplacer dans au moins un plan, voire même dans trois directions perpendiculaires entre elles et de régler son orientation suivant trois axes de rotation.
L'échantillon E présente une face supérieure 3 qui peut être considérée comme sensiblement plane à l'échelle macroscopique. Selon l'invention, la face supérieure 3 est installée sensiblement perpendiculairement par rapport à la face d'émission 1 de la source S.
Dans ce premier exemple de réalisation, la source S émet son faisceau monochromatique directement en direction de l'échantillon E sous une incidence rasante. Cette incidence rasante est obtenue à l'aide de moyens d'interception 4 chargés d'intercepter les rayons X du faisceau qui parviennent au niveau de l'échantillon E avec une hauteur supérieure à une valeur choisie. Par exemple, la hauteur de la fente ainsi définie est choisie égale à environ 12,5 Microm. Les moyens d'interception 4 sont par exemple agencés sous la forme d'une lame (ou couteau) réalisé(e) dans un matériau absorbant et installé(e) dans un plan sensiblement perpendiculaire à la face supérieure 3 de l'échantillon E.Grâce à ces moyens d'interception 4 on limite l'extension de la zone d'illumination (ou zone de mesure) 5 suivant une première direction (direction de propagation des rayons X d'incidence nulle).
De préférence, et comme illustré sur la figure 2, on prévoit également en sortie de la source S un dispositif de limitation spatiale 6, comme par exemple des fentes de Sollers, chargé de traiter le faisceau de sorte qu'il présente au niveau de l'échantillon E une extension choisie selon une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la première direction. Grâce à ce dispositif de limitation spatiale 6 on limite l'extension de la zone d'illumination (ou zone de mesure) 5 suivant la seconde direction.
On considère dans cet exemple de réalisation particulièrement simple que la source S et l'éventuel dispositif de limitation spatiale 6 permettent de limiter le faisceau sur l'échantillon E de sorte qu'il se présente au niveau de ce dernier sous la forme d'une ligne sensiblement rectangulaire. On verra dans un autre exemple de réalisation (figure 5) que cette convergence peut être obtenue à l'aide d'un miroir, assurant de surcroît la fonction de sélection spectrale.
Par exemple, en plaçant la face d'émission 1 de la source S à environ 300 mm de la lame d'interception 4 (elle-même placée préférentiellement à environ 12,5 Microm au dessus de la face supérieure 3 de l'échantillon E) on peut illuminer l'échantillon E sous des angles d'incidence 6 compris entre 0[deg] et environ 4[deg] (62), soit un angle d'incidence moyen 1 d'environ 2[deg]. Avec de telles valeurs, la largeur de la zone d'illumination 5 est égale à environ 20 mm et sa longueur est égale à environ 500 Microm pour des rayons X d'angle d'incidence égal à 3[deg] et à environ 5 mm pour des rayons X d'angle d'incidence 0 égal à 0,3[deg].
Des angles légèrement supérieurs à 4[deg] peuvent être envisagés, et notamment 5[deg] ou 6[deg].
Afin de collecter les rayons X qui se réfléchissent sur l'échantillon E, le dispositif D selon l'invention comporte un détecteur 7. Celui-ci présente par exemple une extension de 25 mm et est par exemple placé à environ 375 mm de la lame 4. Dans l'exemple illustré, le détecteur D est de type multicanaux. Cela permet de collecter simultanément tous les rayons X réfléchis avec des angles de réflexion compris dans le même intervalle angulaire que celui des angles d'incidence (en raison de la présence de la lame 4). Mais, le détecteur pourrait être de type monocanal.Dans ce cas, le détecteur doit être monté sur un dispositif de positionnement chargé de le déplacer dans une direction sensiblement perpendiculaire à la face supérieure 3 de l'échantillon E, de manière à lui permettre de collecter séquentiellement les rayons X en fonction de leurs angles de réflexion respectifs. La résolution est alors liée à la largeur de la fente.
Le détecteur multicanaux 7 comporte par exemple une matrice 8 d'éléments (ou pixels) de détection 9, tels que des éléments à couplage de charge (ou CCD pour "Coupling Charge Device"). Dans ce cas, il est par exemple agencé sous la forme d'une caméra CCD dont la face de collection de rayons X est ici sensiblement perpendiculaire à la face supérieure 3 de l'échantillon E.
Lamatrice 8 présente par exemple une largeur d'environ 12,3 mm et une longueur d'environ 25,6 mm, et comporte par exemple 1024 x 512 pixels (ou éléments) de détection 9 carrés et contigus, de 25 Microm de côté. Une telle matrice permet, dans l'exemple décrit, de collecter les rayons X d'angles de réflexion compris entre 0[deg] et 4[deg] avec une résolution de 0,004[deg] pour chaque canal (ou pixel 9).
Comme illustré sur la figure 3, la matrice 8 peut être précédée d'un atténuateur d'intensité (ou filtre) 10. Le profil d'atténuation est choisi en fonction des caractéristiques recherchées. Cet atténuateur est destiné à réduire l'intensité en fonction de l'angle de réflexion. Il est en effet rappelé que l'intensité réfléchie décroît de façon exponentielle lorsque l'angle d'incidence des rayons X est supérieur à l'angle critique Oc. Par exemple, l'atténuateur 10 réduit l'intensité d'un facteur 100 entre le premier niveau de pixels 9 correspondant à l'angle de réflexion nul (0[deg]) et celui correspondant à l'angle de réflexion le plus grand (ici 4[deg]).La dynamique du détecteur peut atteindre la valeur 10000, ce qui combiné à une atténuation d'une valeur 100 fournit une dynamique de 106 entre les pixels 0[deg] et les pixels 4[deg], pour une seule lecture, avec le même temps d'intégration (lorsque l'on somme les signaux d'une ligne). Cette dynamique peut être encore accrue en jouant sur le nombre de lectures successives et donc en augmentant la durée de la mesure. Mais, on peut également faire une mesure de courte durée pour la première partie angulaire recevant une intensité importante, puis intégrer la seconde partie angulaire avec un temps plus long, quitte à saturer la première partie, puis combiner les deux mesures en tenant compte de leurs temps d'intégration différents.
Dans l'exemple illustré, le profil de l'atténuateur 10 est de type logarithmique. Mais il pourrait être de type linéaire ou d'un autre type.
Les éléments de détection 9 convertissent les rayons X qu'ils reçoivent en signaux électriques qui sont tour à tour adressés à un pré-amplificateur 11 sous le contrôle d'une horloge de lecture 12. Le pré-amplificateur 11 alimente en signaux amplifiés un numériseur 13 qui alimente un dispositif de traitement 14, tel qu'un ordinateur ou une station de travail, dans lequel sont implantés un logiciel de traitement 15 et une mémoire 16.
Les signaux numérisés, résultant de la détection par les éléments de détection 9, peuvent faire l'objet de tout type de traitement connu de l'homme de l'art et destiné à permettre l'extraction des valeurs de caractéristiques physico-chimiques d'échantillons. Ces traitements étant tout à fait classiques et n'étant pas l'objet de l'invention, ils ne seront pas décrits ici.
Grâce à l'agencement présenté ci-avant, on peut visualiser en temps réel ou en différé les résultats des mesures effectuées sur l'échantillon E. Un exemple de mesure de caractéristique est illustré sur la figure 4. Il s'agit plus précisément d'un diagramme donnant le logarithme népérien de l'intensité réfléchie sur un échantillon E, comportant par exemple un substrat revêtu d'une couche mince, en fonction de l'angle d'incidence des rayons X. 6c représente ici l'angle critique représentatif de la densité de la couche et représente la distance interfranges représentative de l'épaisseur de la couche mince.Il est rappelé que l'amplitude des franges d'interférence est représentative de la différence d'indice entre le substrat et la couche, et que l'atténuation en fonction de l'angle critique Oc est due à la rugosité à l'interface et au coefficient d'absorption du matériau.
Par ailleurs, grâce au détecteur multicanaux 7 présenté ci-avant, aucun élément du dispositif D n'a besoin d'être déplacé pendant une mesure effectuée sur une zone choisie d'un échantillon E. Cela n'est pas le cas lorsque le détecteur est de type monocanal. Dans ce cas, le détecteur doit être déplacé de manière à collecter séquentiellement les rayons X réfléchis sous des angles de réflexion différents.
Lorsque l'on veut changer de zone de mesure 5 sur l'échantillon E, il faut déplacer le porteéchantillon 2 (et donc l'échantillon E) relativement à la source S, à la lame 4 et au détecteur 7. Pour ce faire, il est préférable, comme indiqué ci-avant, de déplacer le porte-échantillon 2 à l'aide d'un dispositif de positionnement. Mais, l'inverse est également possible. Dans ce cas, on doit monter la source S, l'éventuel dispositif de limitation spatiale 6, le détecteur 7, et les éléments optiques (élément de focalisation 17 et fentes de Sollers) sur un (ou des) dispositifs) de positionnement (couplés).
La source S, le porte échantillon 2 (et son dispositif de positionnement), la lame 4 (et son éventuel dispositif de positionnement) et la matrice de détection 8, peuvent être installés dans une enceinte sous vide (non représentée). Cela peut permettre d'utiliser des longueurs d'onde qui sont absorbés dans l'air.
Mais, bien entendu, le dispositif D selon l'invention peut également être utilisé à l'air libre, notamment pour permettre l'analyse de surfaces et de matériaux (comme par exemple les métaux, les semiconducteurs et les isolants organiques et inorganiques), ou l'analyse de la structure de roches, de ciments ou d'autres matériaux massifs, ou encore de structures multicouches, mais également l'analyse de la rugosité d'interface.
On se réfère maintenant aux figures 5 et 6 pour décrire un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce deuxième mode de réalisation est une variante du dispositif présenté ci-avant en référence à la figure 1. Il ne s'en démarque que par la position de sa source S et par un dispositif de limitation spatiale et spectrale qui est réalisé sous la forme d'un élément de focalisation 17.
Plus précisément, dans ce deuxième mode de réalisation, la face d'émission 1 de la source S est toujours installée perpendiculairement à la face supérieure 3 de l'échantillon E, mais le faisceau qu'elle délivre n'est pas dirigé directement vers ladite face supérieure 3. Ici, le faisceau est dirigé vers un élément de focalisation 17 qui assure également une sélection en longueur d'onde de manière à n'illuminer l'échantillon qu'avec des rayons X sensiblement monochromatiques.
Cet élément de focalisation 17 est agencé de manière à faire converger vers une première ligne focale 18 de la zone de mesure 5 les rayons X du faisceau qui présentent une même première longueur d'onde et qui lui parviennent à un même niveau par rapport à la face supérieure 3 de l'échantillon E, comme illustré sur la figure 6. Cela permet de réduire énormément l'extension de la zone de mesure 5 suivant la seconde direction. En fait, dans ce mode de réalisation, la zone de mesure est quasi linéaire suivant la première direction. On obtient ainsi une image verticale de la source S sur la lame (ou le couteau) 4.
Par exemple, l'élément de focalisation 17 peut être placé à environ 150 mm (ou 200 mm) de la source S et de l'échantillon E.
Par ailleurs, comme évoqué dans la description de l'exemple précédent, lorsque le porteéchantillon 2 ne peut pas être déplacé, l'élément de focalisation 17 peut être déplaçable, tout comme la source S et les éventuelles fentes de Sollers.
Une fois réfléchis, les rayons X monochromatiques divergent en direction du détecteur 7, de sorte que chaque ligne de sa matrice d'éléments de détection 8 correspond à la contribution de l'intensité de l'élément de la source S qui est réfléchie par l'échantillon E pour un angle donné et la longueur d'onde sélectionnée par l'élément de focalisation 17. Cela requiert donc une stabilité spatiale et temporelle importante des éléments de la source S, obtenue par calibration.
Cet élément de focalisation 17 est par exemple réalisé sous la forme d'un miroir concave ou cylindrique de type multicouches, éventuellement à gradient d'épaisseur. Mais, il pourrait également être réalisé sous la forme d'un cristal diffractant, par exemple en graphite lorsque l'on veut sélectionner la raie Ka à 1,54 Å du cuivre, ou d'une zone de Fresnel, ou encore de fibres creuses.
Un tel élément de focalisation 17 permet de rassembler plus de rayons X délivrés par la source S, et donc d'obtenir un signal plus important au niveau du détecteur 7. Il permet en outre (sauf dans le cas des fibres creuses) d'obtenir une monochromaticité par sélection spectrale.
On se réfère maintenant à la figure 7 pour décrire un troisième mode de réalisation d'un dispositif D selon l'invention. Ce troisième mode de réalisation est une variante du dispositif présenté ci-avant en référence aux figures 5 et 6. Il ne s'en démarque que par l'utilisation, en complément, de moyens de transformation 19 intercalés entre l'échantillon E et le détecteur 7 et chargés de transformer les directions de propagation des rayons X réfléchis avant qu'ils ne parviennent au niveau dudit détecteur 7.
Les moyens de transformation 19 sont ici réalisés sous la forme d'un élément de focalisation chargé de faire converger vers une seconde ligne focale verticale 20, située au niveau de la matrice d'éléments de détection 8 du détecteur 7 et conjuguée de la première ligne focale 18 de la zone de mesure 5, les rayons X réfléchis sur l'échantillon E qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face supérieure 3 de l'échantillon E et qui présentent la longueur d'onde sélectionnée par l'élément de focalisation 17. Préférentiellement, ces moyens de transformation 19 effectuent également la même sélection de longueur d'onde que celle effectuée par l'élément de focalisation 17, afin d'empêcher que de la fluorescence, générée au niveau de l'échantillon E, ne parvienne au niveau du détecteur 7.
Cet élément de focalisation 19 est par exemple réalisé sous la forme d'un miroir concave ou cylindrique de type multicouches, éventuellement à gradient d'épaisseur. Mais, il pourrait également être réalisé sous la forme d'un cristal diffractant, ou d'une zone de Fresnel, ou encore de fibres creuses (qui ne sont cependant pas sélectives en longueur d'onde).
Dans ce mode de réalisation, on peut prévoir un atténuateur 10 devant l'élément de focalisation 19 et/ou devant la matrice 8 du détecteur 7.
On se réfère maintenant à la figure 8 pour décrire un quatrième mode de réalisation d'un dispositif D selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, on ne prévoit pas d'élément de focalisation (17) en amont de l'échantillon E. Un dispositif de limitation spatiale 6 du type de celui illustré sur la figure 2 peut être prévu en sortie de la source S pour en limiter l'extension selon la seconde direction. Par ailleurs, comme dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, le faisceau de rayons X, délivré par la face d'émission 1 de la source S, est dirigé directement vers l'échantillon E.
Le dispositif D comprend également des moyens de transformation 21, comme dans le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 7. Ici, les moyens de transformation 21 comprennent un dispositif de convergence chargé de transformer les rayons X divergents, réfléchis par l'échantillon E et qui leur parviennent à un même niveau par rapport à la face supérieur 3 de l'échantillon E, en rayons X parallèles présentant une même longueur d'onde. Les moyens de transformation 21 sont donc ici chargés non seulement de la convergence des rayons X multichromatiques réfléchis sur l'échantillon E, mais également de la sélection de l'une des longueurs d'onde de ces rayons X multichromatiques réfléchis, en amont du détecteur 7.
La convergence s'effectuant en aval de l'échantillon E, le signal collecté par le détecteur 7 est donc moins fort que celui collecté avec le deuxième exemple de réalisation précédemment décrit en référence aux figures 5 et 6. En d'autres termes, cet exemple de dispositif D est moins lumineux que celui des figures 5 et 6. En outre, la résolution spatiale est légèrement moins bonne. Cependant, la sélection de longueur d'onde étant effectuée en aval de l'échantillon E, il est ici possible de s'affranchir de la fluorescence générée au niveau de l'échantillon E.
Les moyens de transformation 21 sont par exemple réalisés sous la forme d'un miroir concave ou cylindrique de type multicouches, éventuellement à gradient d'épaisseur. Mais, ils pourraient également être réalisés sous la forme d'un cristal diffractant ou d'une zone de Fresnel.
On se réfère maintenant à la figure 9 pour décrire un cinquième mode de réalisation d'un dispositif D selon l'invention. Ce cinquième mode de réalisation est une variante du dispositif présenté ci-avant en référence aux figures 5 et 6. Il s'en démarque par l'utilisation non pas d'un seul dispositif de limitation spatiale et spectrale 17, mais de trois 17, 22 et 23 intercalés entre la source S et l'échantillon E, et de deux moyens de transformation (éventuellement spectrale) 24 et 25 intercalés entre l'échantillon E et le détecteur 7.
Chaque dispositif de limitation spatiale et spectrale 17, 22 ou 23 est chargé de sélectionner une longueur d'onde spécifique de manière à illuminer l'échantillon avec des rayons X sensiblement monochromatiques. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation l'échantillon peut être illuminé par trois faisceaux de rayons X présentant trois longueurs d'onde différentes. Par ailleurs, chaque dispositif de limitation spatiale et spectrale 17, 22 ou 23 est un élément de focalisation chargé de faire converger son faisceau vers une ligne focale 18 de la zone de mesure 5. Les trois lignes focales sont préférentiellement confondus.
Chaque élément de focalisation 17, 22 ou 23 est par exemple réalisé sous la forme d'un miroir concave ou cylindrique de type multicouches, éventuellement à gradient d'épaisseur.
Mais, il pourrait également être réalisé sous la forme d'un cristal diffractant, ou d'une zone de Fresnel. Bien entendu, ces éléments de focalisation 17, 22 et 23 sont agencés différemment les uns des autres du fait qu'ils doivent sélectionner des longueurs d'onde différentes lorsque la source S n'est pas de type monochromatique.
Une fois réfléchis, les rayons X provenant de l'élément de focalisation 17 divergent en direction du détecteur 7, les rayons X provenant de l'élément de focalisation 22 divergent en direction du moyen de transformation 24, et les rayons X provenant de l'élément de focalisation 23 divergent en direction du moyen de transformation 25.
Les moyens de transformation 24 et 25 sont chargés de transformer les directions de propagation des rayons X réfléchis présentant les seconde et troisième longueurs d'onde afin qu'ils parviennent au niveau du détecteur 7. Dans l'exemple illustré, le moyen de transformation 24 est un miroir plan, tandis que le moyen de transformation 25 est un miroir concave ou cylindrique de type multicouches, éventuellement à gradient d'épaisseur, focalisant les rayons X vers une ligne focale conjuguée de la ligne focale 18 de la zone de mesure 5. Mais, ils pourraient également être réalisés sous la forme de cristaux diffractants, ou d'une zone de Fresnel, ou encore de fibres creuses.
Dans ce mode de réalisation, on peut prévoir un atténuateur 10 devant l'un au moins des moyens de transformation 24 et 25 et/ou devant la matrice 8 du détecteur 7.
Par ailleurs, il est important de noter que lorsque les trois faisceaux réfléchis sont superposés au niveau du détecteur 7, on doit effectuer séquentiellement les mesures suivant leurs trois longueurs d'onde en utilisant un obturateur déplaçable relativement au détecteur 7. En variante, on peut illuminer en parallèle trois zones différentes du détecteur 7, puis effectuer des traitements sur les signaux détectés par ces trois zones, mais il faut alors séparer les trois faisceaux réfléchis.
On se réfère maintenant à la figure 10 pour décrire un sixième mode de réalisation d'un dispositif D selon l'invention. Ce sixième mode de réalisation est une variante du dispositif présenté ci-avant en référence aux figures 5 et 6. Il s'en démarque par l'utilisation de moyens d'analyse 26 et 27 de type ellipsométrique et/ou spectrométrique, par exemple de l'ultravio- let du vide jusqu'à l'infrarouge, ou de type ellipsométrique à simple longueur d'onde. Cette variante s'applique également aux autres modes de réalisation décrits précédemment.
La mesure spectroscopique bénéficie avantageusement des informations d'épaisseur fournies par la technique d'analyse dite GXRR (pour "Grazing X-Rays Reflectometry"), car dans le domaine des rayons X l'indice N =1, de sorte que l'on peut mesurer l'épaisseur T quel que soit N. En revanche, la spectrométrie permettant d'observer une forte corrélation entre l'indice N et l'épaisseur T, on peut décorréler T de N.
On se réfère maintenant à la figure 11 pour décrire un exemple de calibration d'un dispositif D selon l'invention. Le dispositif illustré sur cette figure 11 est le même que celui présenté ci-avant en référence aux figures 5 et 6. Mais, cet exemple de calibration s'applique également aux autres modes de réalisation.
Avant d'effectuer des mesures, il est nécessaire d'effectuer une calibration. Celle-ci peut se faire à l'aide d'un échantillon de référence dont les coefficients de réflexion sont stables et connus pour chaque angle de réflexion et chaque élément de détection 9 du détecteur 7. Il suffit ensuite d'effectuer les mesures sur un échantillon E de coefficients inconnus puis d'effectuer le rapport permettant de normer la réflectivité de l'échantillon E par rapport à celle de l'échantillon de référence.
Mais, on peut également utiliser la technique de calibration illustrée sur la figure 11. Celle-ci évite d'avoir à utiliser un échantillon de référence. Elle consiste à installer à la place de l'échantillon E, au même niveau que la lame 4 et en face de celle-ci de manière à définir une fente d'ouverture deux fois plus grande que celle existant en présence de l'échantillon E, une seconde lame (ou couteau) 28. Puis, on place le détecteur 7 en position inversée (matérialisée en traits pleins) par rapport à sa position classique (matérialisée en pointillés), de sorte que sa ligne d'éléments de détection 9 dédiée à l'angle de réflexion nul (0[deg]), et matérialisée par l'espace entre les lames, demeure à un niveau inchangé par rapport au niveau où se trouve la face supérieure 3 de l'échantillon E hors phase de calibration.
La mesure sans échantillon au travers de la fente de hauteur double (entre les deux lames 4 et 28) correspond à une intensité de 100% pour chaque élément de détection 9 correspondant à chaque angle. On installe ensuite l'échantillon E de manière à obtenir une intensité détectée de 50% au niveau des éléments de détection 9 dédiés à l'angle de réflexion nul (0[deg]), quand le détecteur est en position de mesure, l'acquisition étant bien entendu effectuée dans les mêmes conditions de puissance source et de temps d'intégration que celles utilisées pour la trace directe (sans échantillon). On effectue ensuite pour chaque élément de détection 9 le rapport entre l'intensité mesurée sur l'échantillon E et sans échantillon (trace directe).
Bien qu'il ait été mentionné précédemment que l'on pouvait utiliser en aval de l'échantillon E des moyens de transformation effectuant une sélection de longueur d'onde, on peut dans certaines situations ne pas effectuer une telle sélection afin de collecter la fluorescence, générée au niveau de l'échantillon E, en fonction de l'angle de réflexion. Comme indiqué précédemment, cela nécessite une bonne stabilité temporelle et spatiale des éléments de la source S, obtenue par calibration.
Par ailleurs, on peut également envisager d'utiliser un dispositif selon l'invention pour effectuer de la diffraction sous des angles d'incidence d'environ 30[deg] et des tailles de faisceau sur l'échantillon de très petites dimensions.
En outre, on peut également envisager d'utiliser un dispositif selon l'invention pour effectuer de la diffusion sous de petits angles d'incidence et sans cache, notamment pour effectuer des mesures de rugosité ou de porosité. Cette technique d'analyse d'image dans un plan focal est connue sous l'acronyme anglais SAXS (pour "Small Angle X-Ray Scattering").
Enfin, il est également possible d'utiliser des filtres atténuateurs.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de mesure décrits ciavant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.IMPROVED DEVICE FOR RAYONSX NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF SAMPLE CHARACTERISTICS, IN HIGH REFLECTIVITY
The invention relates to the field of X-ray non-destructive measuring devices, in particular grazing reflectivity, in particular in areas such as the characterization of solid substrates and of thin films (used for example in optics, in semiconductors, and in surface protection), or the analysis of surfaces and materials (such as metals, semiconductors and organic and inorganic insulators), or the analysis of the structure of rocks, cements or other materials massive.
X-ray means here an electromagnetic wave having an energy of between about 0.1 kV (kilovolts) and about 100 kV.
As is known to those skilled in the art, X-rays (for example the 1,54 Å Ka line of copper) are totally reflected by flat or quasi-flat surfaces when used under grazing incidence. less than a critical angle 6c. This critical angle c, which corresponds to the angle at which one half of the intensity is reflected while the other half penetrates the material, varies mainly as a function of the density of the material being measured. For example, in the case of silicon (with a density of 2.28 g / cm) c is equal to 0.262 [deg], and in the case of gold (of density equal to 19 g / cm) c is equal at 0.562 [deg].
Beyond this critical angle c, the X-rays penetrate the material and the reflection coefficient decreases exponentially. Under these conditions of use, it is then possible to access certain physico-chemical characteristics (or parameters) of samples, such as, for example, the planar or non-planar nature of a surface, the roughness (interface), layer thicknesses and complex diffusion coefficients (δ and beta), for a given energy or wavelength (monochromatic).
For example, it can be shown, in particular using the Debye-Waller factors, that the rougher the surface, the faster the attenuation of the reflection.
Moreover, in the case of multilayer samples, of fine thickness (typically from 1 nm to 300 nm), the X-rays are reflected on each interface thus inducing constructive and destructive interferences. The thicker the layers, the more interference is tight. Thus, in the case of a 2 nm silicon oxide layer, the first destructive interference, corresponding to an anti-reflection phenomenon, occurs when the angle of incidence of the X-rays is about 1, 5 [deg].
As the values of the physico-chemical characteristics closely depend on the angle of incidence and the angle of reflectance of the X-rays, it is therefore imperative to precisely control, not only the angle of incidence of the X-rays with respect to the upper face of the sample, but also the position of the detection means with respect to this face when the detection is multichannel type.
To do this, several techniques have been proposed.
A first technique, in particular described in the document US Pat. No. 5,003,569, consists in using a collimated and monochromatic X-ray beam and in scanning the angles of incidence while simultaneously moving either the collimated beam and the detection means, or the sample and the detection means. This technique, sequential type, may require several minutes, or even hours, per position on the sample, so it is not well suited to rapid characterization, including. In addition, it requires a flat and homogeneous sample surface over an area of at least 1cm x 2cm, which significantly limits its field of application for small areas.
A second technique, in particular described in the document US Pat. No. 5,619,548, consists in using a monochromatic source of X-rays, one-off or linear, slightly divergent, whose emission face is substantially parallel to the upper face of the sample, and to make converging the divergent X-rays under grazing incidence by focusing towards a focal point located in the measurement zone of the sample. The X-rays, reflected at the focal point at different angles of reflection corresponding to different angles of incidence, are then detected simultaneously with a detector of the multichannel type. Convergence is obtained here using a concave or cylindrical mirror, or even a toroidal mirror, or a crystal, or a Fresnel zone, or hollow fiber placed between the source The crystal or mirror may serve as a wavelength selective element to render the source monochromatic.
With this second technique, it is possible to test the same point of the sample at all angles of incidence within a chosen interval, without having to move an element of the measuring device. Due to the arrangement of the source and the mirror relative to the sample, the area of the sample, which is probed by the focused X-rays, is extremely small in one direction, or even two in the case of a mirror toroidal. Such a technique is therefore particularly suitable for the microscopic detection of local defects substantially at the surface of the samples.
The object of the invention is to propose an alternative solution to the techniques of the prior art, providing greater brightness and / or greater simplicity.
It proposes for this purpose a device for measuring the characteristics of a sample, comprising a source delivering an X-ray beam intended to be reflected on a measurement zone of a sample face, means responsible for detecting (in parallel or sequentially) the X-rays reflected at different angles on the sample and selected spectrally (upstream or downstream of the sample), and deliver signals representative of their intensity, their angle of reflection relative to the face of the sample, and possibly their detection position (in the case for example of a map), and processing means responsible for deriving from these signals values of selected characteristics of the sample.
This device is characterized in that its source (which is for example linear and perpendicular to the surface) is arranged to deliver its beam in a general direction substantially parallel to the face of the sample, and in that it comprises means of interception (for example a blade or a "knife") charged to intercept the X-rays of the beam which reach the level of the measurement zone with a height greater than a chosen value, so as to limit the extension of this measurement zone in a first direction.
X-rays being emitted by an emission face (and more precisely a substantially vertical line, when the sample is substantially placed in a horizontal plane) substantially perpendicular to the face of the sample, they are therefore not focused so punctually on the sample according to their emission angle. They arrive at the level of the sample "spread" in the first direction (substantially parallel to the projection of their direction of propagation on the face of the sample), and the length of this spreading can then be controlled by the means interception and / or the length of the source and / or the magnification induced by the distance to the first mirror.
The device according to the invention may comprise other characteristics that may be taken separately or in combination, and in particular:
blade-shaped interception means (or knife) installed substantially perpendicularly to the face of the sample and to the first direction (X-ray propagation, which is parallel to the surface), interception means placed at a height chosen according to the chosen angular resolution and / or the chosen X-ray flux and / or the chosen extension of the measuring zone, interception means preferably installed at the measurement zone, means spatial and / or spectral limitation to process the beam so that it has at the measurement zone an extension chosen in a second direction substantially perpendicular to the first direction.
For example, the spatial and / or spectral limitation means comprise a Sollers slot device installed in front of the source.
Alternatively or additionally, the spatial and / or spectral limitation means may comprise a (first) focusing device interposed between the source and the sample and arranged so as to converge to a first focal line of the measurement zone the X-ray beam which have the same first wavelength and which reach him at the same level with respect to the face of the sample.
The spatial and / or spectral limitation means may also comprise at least one other (second) focusing device interposed between the source and the sample and arranged so as to converge the X-rays towards a second focal line of the measurement zone. beam which have at least one second wavelength and which reach him at the same level with respect to the face of the sample.
The first focusing device and / or the second focusing device may be chosen from a concave mirror, a cylindrical mirror, a diffractive crystal, a Fresnel zone and hollow fibers.
The first and second focal points may be merged or spaced from one another, transformation means interposed between the sample and the detection means and responsible for transforming the propagation directions of the reflected X-rays before they reach the level of the detection means.
The transforming means may comprise a (first) convergence device arranged in such a way as to converge towards a focal line situated at the level of the detection and conjugate means of the first or second focal line of the measurement zone with reflected X-rays. which reaches them at the same level with respect to the face of the sample and which have the first or the second wavelength.
As a variant, the transformation means may comprise a (first) convergence device responsible for transforming the reflected and divergent X-rays arriving at the same level with respect to the face of the sample, into parallel X-rays intended for the transmission means. detection and having the first or the second wavelength.
The transformation means may also comprise at least one other (second) convergence device designed to converge towards a focal line situated at the level of the detection and conjugate means of the second or first focal line of the measurement zone, radii X reflected that reach them at the same level with respect to the face of the sample and which have the second or the first wavelength. Alternatively or in addition, the transformation means may comprise another (second) convergence device designed to reflect divergent X-rays reflected by the sample, which reach them at the same level with respect to the face of the sample, for the detection means and having the second or the first wavelength.
The first convergence device and / or the second convergence device are preferably chosen from a concave mirror, a cylindrical mirror, a plane mirror, a diffracting crystal, a Fresnel zone and hollow fibers, and multichannel type detection means. to simultaneously collect X-rays that are reflected at angles within a chosen range. For example, the multichannel detection means comprise an array of collection elements, such as charge-coupled elements (or CCDs) .In this case, it is also possible to provide attenuation means between the sample and the means. in order to attenuate the intensity of the X-rays reflected as a function of a chosen law, defining, for example, the intensity as a function of the angle of reflection of the reflected X-rays, which makes it possible to avoid saturation, alternatively , the detection means may be of single-channel type and mounted mobile relative to the sample, the source, the spatial and / or spectral limitation means, the transformation means, the detection means, and the attenuation means may be movable and movable integrally relative to the sample and the means of interception, alternatively, the sample may be movable relative to the source, the interception means, the limiting means spatial and / or spectral, to the transformation means, the detection means and the attenuation means, in particular for the purpose of mapping, analysis means responsible for carrying out photometric and / or ellipsometric or ellipsometric measurements; and / or spectroscopic on the sample.
an enclosure possibly under vacuum (or purged) housing the various aforementioned means except the processing means.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on examining the following detailed description, and the accompanying drawings, in which: FIG. 1 schematically illustrates, in a side view, a first example of embodiment of a measuring device according to the invention, - Figure 2 schematically illustrates an emission face of an X-ray source, equipped with a slotted device Sollers (optional), - the figure 3 schematically illustrates an example of a multi-channel detector detection matrix equipped with an attenuator; FIG. 4 schematically illustrates a diagram giving the natural logarithm of the intensity reflected on a sample as a function of the angle of incidence 0 of X-rays, - Figure 5 schematically illustrates, in a side view, a portion of a second embodiment of a measuring device according to the invention, - Figure 6 is a view from above FIG. 7 schematically illustrates, in a view from above, a portion of a third embodiment of a measuring device according to the invention; FIG. 8 schematically illustrates in a view from above, a part of a fourth embodiment of a measuring device according to the invention, - Figure 9 schematically illustrates, in a view from above, a part of a fifth example of embodiment of a measuring device according to the invention, - Figure 10 schematically illustrates, in a side view, a portion of a sixth embodiment of a measuring device according to the invention, and - the FIG. 11 schematically illustrates, in a side view, an exemplary arrangement of the device of FIG. 5 during a calibration phase without a reference sample.
The attached drawings may not only serve to complete the invention, but also contribute to its definition, if any.
The invention relates to a device dedicated to the non-destructive measurement of physicochemical characteristics of samples, by X-ray grazing reflectivity.
Referring first to Figure 1 to describe a first embodiment of a measuring device D according to the invention.
The device D illustrated first comprises an X-ray source S, for example of copper and of the "fine focus" type. This source S comprises a transmission face 1 delivering for example a rectangular x-ray beam of rectangular initial section under a power of 1.5 kW (30 kV at 50 mA). For example, the width of the section of the beam delivered by the source S is about 40 microm and its length about 20 mm. Moreover, this source S emits preferentially the Kalpha 1 and Ka 2 copper lines at 8150 eV. However, it is considered in this embodiment that the source S emits a single wavelength.
The device D also comprises a sample holder 2, on which a sample E may be installed and which is preferably mounted on a positioning device, not shown, for moving it in at least one plane, or even in three perpendicular directions between they and adjust its orientation along three axes of rotation.
Sample E has an upper face 3 which can be considered substantially flat on the macroscopic scale. According to the invention, the upper face 3 is installed substantially perpendicular to the emission face 1 of the source S.
In this first exemplary embodiment, the source S emits its monochromatic beam directly in the direction of the sample E under grazing incidence. This grazing incidence is obtained by means of interception means 4 responsible for intercepting the X-rays of the beam which reach the level of the sample E with a height greater than a chosen value. For example, the height of the slot thus defined is chosen equal to about 12.5 microm. The interception means 4 are for example arranged in the form of a blade (or knife) made of an absorbent material and installed in a plane substantially perpendicular to the upper face 3 of the sample E. Thanks to these interception means 4, the extension of the illumination zone (or measuring zone) 5 in a first direction (direction of propagation of the X-rays of zero incidence) is limited.
Preferably, and as illustrated in FIG. 2, there is also provided at the output of the source S a spatial limitation device 6, such as, for example, Sollers slots, responsible for processing the beam so that it presents at the level of the sample E an extension chosen in a second direction substantially perpendicular to the first direction. With this spatial limitation device 6 is limited the extension of the illumination zone (or measurement zone) 5 in the second direction.
In this particularly simple embodiment, it is considered that the source S and the possible spatial limitation device 6 make it possible to limit the beam to the sample E so that it appears at the level of the latter in the form of a substantially rectangular line. It will be seen in another embodiment (FIG. 5) that this convergence can be obtained using a mirror, furthermore ensuring the spectral selection function.
For example, by placing the emission face 1 of the source S at about 300 mm from the intercepting blade 4 (itself preferably placed at about 12.5 microm above the upper face 3 of the sample E ) the sample E can be illuminated at angles of incidence 6 between 0 [deg] and about 4 [deg] (62), ie an average incidence angle 1 of about 2 [deg]. With such values, the width of the illumination zone 5 is equal to about 20 mm and its length is equal to about 500 microm for incidence angle X-rays equal to 3 [deg] and about 5 mm for X-ray incidence angle 0 equal to 0.3 [deg].
Angles slightly greater than 4 [deg] may be considered, and in particular 5 [deg] or 6 [deg].
In order to collect the X-rays which are reflected on the sample E, the device D according to the invention comprises a detector 7. This has, for example, an extension of 25 mm and is placed for example at about 375 mm from the blade 4. In the example illustrated, the detector D is of multichannel type. This makes it possible to simultaneously collect all the X-rays reflected with angles of reflection in the same angular range as that of the angles of incidence (due to the presence of the blade 4). However, the detector could be of the single-channel type. In this case, the detector must be mounted on a positioning device responsible for moving it in a direction substantially perpendicular to the upper face 3 of the sample E, so as to enable it to sequentially collect the X-rays according to their respective angles of reflection. The resolution is then related to the width of the slot.
The multichannel detector 7 comprises, for example, a matrix 8 of detection elements (or pixels) 9, such as charge coupled elements (or CCDs for Coupling Charge Device). In this case, it is for example arranged in the form of a CCD camera whose X-ray collection face is here substantially perpendicular to the upper face 3 of the sample E.
Lamatrice 8 has for example a width of about 12.3 mm and a length of about 25.6 mm, and comprises for example 1024 x 512 pixels (or elements) of detection 9 squares and contiguous, of 25 microm side. Such a matrix makes it possible, in the example described, to collect X-rays with angles of reflection between 0 [deg] and 4 [deg] with a resolution of 0.004 [deg] for each channel (or pixel 9).
As illustrated in FIG. 3, the matrix 8 may be preceded by an attenuator of intensity (or filter) 10. The attenuation profile is chosen according to the desired characteristics. This attenuator is intended to reduce the intensity as a function of the angle of reflection. It is recalled that the reflected intensity decreases exponentially when the angle of incidence of X-rays is greater than the critical angle Oc. For example, the attenuator 10 reduces the intensity by a factor of 100 between the first level of pixels 9 corresponding to the zero reflection angle (0 [deg]) and that corresponding to the largest angle of reflection ( here 4 [deg]) .The detector dynamics can reach the value 10000, which combined with an attenuation of a value 100 provides a dynamic of 106 between the pixels 0 [deg] and the pixels 4 [deg], for a only reading, with the same integration time (when we sum the signals of a line). This dynamic can be further increased by playing on the number of successive readings and thus increasing the duration of the measurement. But, it is also possible to make a short-term measurement for the first angular part receiving a high intensity, then to integrate the second angular part with a longer time, even to saturate the first part, then to combine the two measurements taking into account their different integration times.
In the example illustrated, the profile of the attenuator 10 is of the logarithmic type. But it could be of linear type or of another type.
The detection elements 9 convert the X-rays they receive into electrical signals which are in turn addressed to a pre-amplifier 11 under the control of a read clock 12. The pre-amplifier 11 supplies amplified signals with a digitizer 13 which feeds a processing device 14, such as a computer or a workstation, in which a processing software 15 and a memory 16 are located.
The digitized signals, resulting from the detection by the detection elements 9, can be the subject of any type of treatment known to those skilled in the art and intended to allow the extraction of the physico-chemical characteristic values of samples. These treatments being quite conventional and not the subject of the invention, they will not be described here.
Thanks to the arrangement presented above, it is possible to visualize, in real time or in time, the results of the measurements made on the sample E. An example of a measurement of characteristic is illustrated in FIG. a diagram giving the natural logarithm of the intensity reflected on a sample E, for example comprising a substrate coated with a thin layer, as a function of the angle of incidence of the X-rays. 6c here represents the representative critical angle of the density of the layer and represents the interfringe distance representative of the thickness of the thin layer. It is recalled that the amplitude of the interference fringes is representative of the difference in index between the substrate and the layer, and that the attenuation as a function of the critical angle θ is due to the roughness at the interface and the absorption coefficient of the material.
Moreover, thanks to the multi-channel detector 7 presented above, no element of the device D needs to be moved during a measurement carried out on a selected zone of a sample E. This is not the case when the detector is of the single channel type. In this case, the detector must be moved in order to sequentially collect the reflected X-rays at different angles of reflection.
When it is desired to change measurement zone 5 on sample E, sample holder 2 (and thus sample E) must be moved relative to source S, to blade 4 and to detector 7. To do this, it is preferable, as indicated above, to move the sample holder 2 with the aid of a positioning device. But the opposite is also possible. In this case, it is necessary to mount the source S, the possible spatial limitation device 6, the detector 7, and the optical elements (focusing element 17 and Sollers slots) on one or more positioning devices (coupled ).
The source S, the sample holder 2 (and its positioning device), the blade 4 (and its possible positioning device) and the detection matrix 8 can be installed in a vacuum enclosure (not shown). This can make it possible to use wavelengths that are absorbed in the air.
But, of course, the device D according to the invention can also be used in the open air, in particular to allow the analysis of surfaces and materials (such as metals, semiconductors and organic and inorganic insulators), or the analysis of the structure of rocks, cements or other massive materials, or multilayer structures, but also the analysis of the interface roughness.
Referring now to Figures 5 and 6 to describe a second embodiment of a device according to the invention. This second embodiment is a variant of the device presented above with reference to FIG. 1. It differs only in the position of its source S and by a spatial and spectral limitation device which is embodied in the form of a focusing element 17.
More precisely, in this second embodiment, the transmission face 1 of the source S is always installed perpendicularly to the upper face 3 of the sample E, but the beam it delivers is not directed directly towards said Here, the beam is directed towards a focusing element 17 which also provides wavelength selection so as to illuminate the sample only with substantially monochromatic X-rays.
This focusing element 17 is arranged so as to converge to a first focal line 18 of the measurement zone 5 the X-rays of the beam which have the same first wavelength and which reach it at the same level with respect to the upper face 3 of the sample E, as shown in Figure 6. This greatly reduces the extension of the measuring zone 5 in the second direction. In fact, in this embodiment, the measurement zone is almost linear in the first direction. This gives a vertical image of the source S on the blade (or knife) 4.
For example, the focusing element 17 may be placed about 150 mm (or 200 mm) from the source S and the sample E.
Furthermore, as mentioned in the description of the previous example, when the sample holder 2 can not be moved, the focusing element 17 can be movable, as the source S and any slots Sollers.
Once reflected, the monochromatic X-rays diverge towards the detector 7, so that each line of its array of detection elements 8 corresponds to the contribution of the intensity of the element of the source S which is reflected by the sample E for a given angle and the wavelength selected by the focusing element 17. This therefore requires significant spatial and temporal stability of the elements of the source S, obtained by calibration.
This focusing element 17 is for example made in the form of a concave or cylindrical mirror of the multilayer type, possibly with a thickness gradient. But, it could also be made in the form of a diffractive crystal, for example graphite when one wants to select the 1.54 Å Ka line of copper, or a Fresnel zone, or hollow fibers .
Such a focusing element 17 makes it possible to gather more X-rays delivered by the source S, and thus to obtain a larger signal at the detector 7. It also makes it possible (except in the case of hollow fibers) to obtain monochromaticity by spectral selection.
Referring now to Figure 7 to describe a third embodiment of a device D according to the invention. This third embodiment is a variant of the device presented above with reference to FIGS. 5 and 6. It differs only in the use, in addition, of transformation means 19 interposed between the sample E and the detector 7 and responsible for transforming the propagation directions of the reflected X-rays before they reach the level of said detector 7.
The transformation means 19 are here embodied in the form of a focusing element responsible for converging towards a second vertical focal line 20 situated at the level of the detection element array 8 of the detector 7 and conjugated with the first line focal length 18 of the measurement zone 5, the X-rays reflected on the sample E reaching them at the same level with respect to the upper face 3 of the sample E and having the wavelength selected by the element Preferably, these transformation means 19 also perform the same wavelength selection as that performed by the focusing element 17, in order to prevent fluorescence generated at the level of the sample E, does not reach the detector 7.
This focusing element 19 is for example made in the form of a concave or cylindrical mirror of the multilayer type, possibly with a thickness gradient. But, it could also be realized in the form of a diffracting crystal, or a Fresnel zone, or hollow fibers (which are however not selective in wavelength).
In this embodiment, an attenuator 10 can be provided in front of the focusing element 19 and / or in front of the array 8 of the detector 7.
Referring now to Figure 8 to describe a fourth embodiment of a device D according to the invention. In this embodiment, no focusing element (17) is provided upstream of the sample E. A spatial limitation device 6 of the type of that illustrated in FIG. 2 can be provided at the output of the source S to limit the extension in the second direction. Moreover, as in the first embodiment illustrated in FIG. 1, the X-ray beam, delivered by the emission face 1 of the source S, is directed directly towards the sample E.
The device D also comprises transformation means 21, as in the third embodiment illustrated in FIG. 7. Here, the transformation means 21 comprise a convergence device responsible for transforming the diverging X-rays, reflected by the sample E. and which reach them at the same level with respect to the upper face 3 of the sample E, in parallel X-rays having the same wavelength. The transformation means 21 are therefore charged here not only with the convergence of the multichromatic X-rays reflected on the sample E, but also with the selection of one of the wavelengths of these reflected multi-chromatic X-rays, upstream of the detector. 7.
The convergence occurring downstream of the sample E, the signal collected by the detector 7 is therefore less strong than that collected with the second embodiment previously described with reference to FIGS. 5 and 6. In other words, this example device D is less bright than that of Figures 5 and 6. In addition, the spatial resolution is slightly worse. However, the wavelength selection being performed downstream of the sample E, it is possible here to overcome the fluorescence generated at the sample E.
The transformation means 21 are for example made in the form of a concave mirror or cylindrical multilayer type, optionally gradient thickness. But, they could also be made in the form of a diffracting crystal or a Fresnel zone.
Referring now to Figure 9 to describe a fifth embodiment of a device D according to the invention. This fifth embodiment is a variant of the device presented above with reference to FIGS. 5 and 6. It differs in the use not of a single spatial and spectral limitation device 17, but of three 17, 22 and 23 interposed between the source S and the sample E, and two transformation means (possibly spectral) 24 and 25 interposed between the sample E and the detector 7.
Each spatial and spectral limitation device 17, 22 or 23 is responsible for selecting a specific wavelength so as to illuminate the sample with substantially monochromatic X-rays. In other words, in this embodiment the sample can be illuminated by three x-ray beams having three different wavelengths. Furthermore, each spatial and spectral limitation device 17, 22 or 23 is a focusing element responsible for converging its beam towards a focal line 18 of the measurement zone 5. The three focal lines are preferably merged.
Each focusing element 17, 22 or 23 is for example formed in the form of a concave or cylindrical mirror of the multilayer type, possibly with a thickness gradient.
But, it could also be realized in the form of a diffracting crystal, or a Fresnel zone. Of course, these focusing elements 17, 22 and 23 are arranged differently from each other because they must select different wavelengths when the source S is not monochromatic type.
Once reflected, the X-rays from the focusing element 17 diverge towards the detector 7, the X-rays coming from the focusing element 22 diverge towards the transformation means 24, and the X-rays coming from the focusing element 23 diverge towards the transformation means 25.
The transformation means 24 and 25 are responsible for transforming the propagation directions of the reflected X-rays having the second and third wavelengths so that they reach the level of the detector 7. In the example illustrated, the transformation means 24 is a plane mirror, while the transformation means 25 is a concave or cylindrical mirror of the multilayer type, possibly with a thickness gradient, focusing the X-rays towards a conjugate focal line of the focal line 18 of the measurement zone 5. But, they could also be made in the form of diffracting crystals, or a Fresnel zone, or hollow fibers.
In this embodiment, an attenuator 10 can be provided in front of at least one of the transformation means 24 and 25 and / or in front of the matrix 8 of the detector 7.
Furthermore, it is important to note that when the three reflected beams are superimposed at the detector 7, the measurements must be sequentially sequenced at their three wavelengths using a displaceable shutter relative to the detector 7. Alternatively, illuminate in parallel three different zones of the detector 7, then perform processing on the signals detected by these three zones, but it is then necessary to separate the three reflected beams.
Referring now to Figure 10 to describe a sixth embodiment of a device D according to the invention. This sixth embodiment is a variant of the device presented above with reference to FIGS. 5 and 6. It is distinguished by the use of ellipsometric and / or spectrometric analysis means 26 and 27, for example the ultraviolet from vacuum to infrared, or ellipsometric type to single wavelength. This variant also applies to the other embodiments described above.
The spectroscopic measurement advantageously benefits from the thickness information provided by the so-called GXRR analysis technique (for "Grazing X-Rays Reflectometry"), because in the X-ray field the index N = 1, so that one It is possible to measure the thickness T irrespective of N. On the other hand, since the spectrometry makes it possible to observe a strong correlation between the index N and the thickness T, it is possible to decorrelate T from N.
Referring now to Figure 11 to describe an example of calibration of a device D according to the invention. The device illustrated in this FIG. 11 is the same as that presented above with reference to FIGS. 5 and 6. However, this calibration example also applies to the other embodiments.
Before taking measurements, it is necessary to perform a calibration. This can be done using a reference sample whose reflection coefficients are stable and known for each angle of reflection and each detection element 9 of the detector 7. It is then sufficient to perform measurements on a sample E unknown coefficients then perform the report to standardize the reflectivity of the sample E relative to that of the reference sample.
But, one can also use the calibration technique illustrated in Figure 11. This avoids having to use a reference sample. It consists in installing in place of the sample E, at the same level as the blade 4 and in front of it so as to define an opening slot twice as large as that existing in the presence of the sample E. a second blade (or knife) 28. Then, the detector 7 is placed in the inverted position (materialized in solid lines) with respect to its conventional position (materialized in dashed lines), so that its line of detection elements 9 dedicated at the angle of reflection zero (0 [deg]), and materialized by the space between the blades, remains at a level unchanged from the level where is the upper face 3 of the sample E out of calibration phase.
The measurement without sample through the double height slot (between the two blades 4 and 28) corresponds to an intensity of 100% for each detection element 9 corresponding to each angle. The sample E is then installed so as to obtain a detected intensity of 50% at the detection elements 9 dedicated to the zero reflection angle (0 [deg]), when the detector is in measurement position, the acquisition being of course performed under the same conditions of source power and integration time as those used for the direct trace (without sample). The ratio between the intensity measured on the sample E and without sample (direct trace) is then carried out for each detection element 9.
Although it has been mentioned previously that it is possible to use downstream of the sample E wavelength-selective transformation means, it is possible in certain situations not to make such a selection in order to collect the fluorescence. , generated at the sample E, as a function of the angle of reflection. As indicated above, this requires good temporal and spatial stability of the elements of the source S, obtained by calibration.
Furthermore, it is also possible to envisage using a device according to the invention for effecting diffraction at angles of incidence of about 30 [deg] and beam sizes on the sample of very small dimensions.
In addition, it is also conceivable to use a device according to the invention for effecting diffusion at small angles of incidence and without a cover, in particular for making measurements of roughness or porosity. This technique of image analysis in a focal plane is known by the acronym SAXS (for "Small Angle X-Ray Scattering").
Finally, it is also possible to use attenuator filters.
The invention is not limited to the embodiments of measuring device described above, only by way of example, but it encompasses all the variants that may be considered by those skilled in the art within the scope of the claims below.
REVENDICATIONS
1. Dispositif (D) de mesure de caractéristiques d'un échantillon (E), comprenant une source (S) délivrant un faisceau de rayons X destinés à être réfléchis sur une zone de mesure (5) d'une face (3) dudit échantillon (E), des moyens de détection (7) propres à collecter certains au moins desdits rayons X, réfléchis sous différents angles et sélectionnés spectralement, et à délivrer des signaux représentatifs au moins de leur intensité et de leur angle de réflexion par rapport à ladite face (3), et des moyens de traitement (11-16) propres à déduire desdits signaux des valeurs de caractéristiques choisies dudit échantillon, caractérisé en ce que ladite source (S) est agencée pour délivrer ledit faisceau selon une direction générale sensiblement parallèle à ladite face (3), et en ce qu'il comprend des moyens d'interception (4)agencés pour intercepter les rayons X du faisceau parvenant au niveau de ladite zone de mesure (5) avec une hauteur supérieure à une valeur choisie, de manière à limiter l'extension de ladite zone de mesure suivant une première direction. 1. Device (D) for measuring characteristics of a sample (E), comprising a source (S) delivering an X-ray beam intended to be reflected on a measurement zone (5) of a face (3) of said sample (E), detection means (7) adapted to collect at least said X-rays, reflected at different angles and selected spectrally, and to provide signals representative of at least their intensity and their angle of reflection with respect to said face (3), and processing means (11-16) adapted to derive from said signals selected characteristic values of said sample, characterized in that said source (S) is arranged to deliver said beam in a substantially parallel general direction to said face (3), and in that it comprises interception means (4) arranged to intercept the X-rays of the beam arriving at said measurement zone (5) with a height greater than chosen value, so as to limit the extension of said measurement zone in a first direction.