FR2962804A1 - Dispositif et procede de mesure polarimetrique a resolution microscopique, accessoire de polarimetrie pour microscope, ellipso-microscope et microscope a contraste ellipsometrique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de mesure polarimétrique à résolution microscopique comprenant en particulier des moyens de conversion de polarisation aptes à modifier la polarisation d'un faisceau pour passer d'une distribution spatialement uniforme à une distribution de symétrie cylindrique autour de l'axe optique et réciproquement, lesdits moyens de conversion étant disposés sur l'axe d'un objectif de focalisation (7) pour focaliser ledit faisceau polarisé de symétrie cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer. L'invention concerne également un micro-ellipsomètre, un microscope à contraste interférométrique, un accessoire polarimétrique pour microscope, et un procédé de mesure polérimétrique.
Description
La présente invention concerne un ellipsomètre à résolution microscopique et un microscope à contraste ellipsométrique. Nous faisons tout d'abord un état de la technique dans les domaines techniques où sont combinés les techniques de polarimétrie et de 5 microscopie. a) Ellipsométrie classique L'ellipsométrie est une technique de métrologie optique bien connue, qui permet d'obtenir des informations sur les propriétés optiques de matériaux et dépôts minces, telles que l'indice de réfraction de matériaux et/ou io l'épaisseur de couches minces. L'ellipsométrie est basée sur l'analyse de la réflexion (ou de la transmission) d'un faisceau de lumière polarisée en incidence oblique sur un échantillon à étudier. Il est généralement admis que la sensibilité d'un ellipsomètre est maximale lorsque l'angle d'incidence 0 est voisin de l'angle de Brewster OB, qui sur un certain nombre de matériaux is usuels est compris entre 50 et 65°. La figure 1 représente schématiquement un ellipsomètre classique comprenant une source de lumière 1, un bras d'illumination 2 qui comprend des composants optiques polarisants de manière à définir l'état de polarisation du faisceau incident et un bras d'analyse 3 qui comprend des 20 composants optiques polarisants aptes à analyser l'état de polarisation du faisceau réfléchi ou transmis par un échantillon 5. Différents types d'ellipsomètres sont connus, par exemple : - l'ellipsomètre à annulation repose sur le réglage de composants de contrôle de la polarisation dans le bras d'illumination et/ou d'analyse pour 25 obtenir l'extinction du signal sur le détecteur 4 ; - l'ellipsomètre à polariseur tournant ou à compensateur tournant qui repose sur la rotation d'un composant de contrôle de la polarisation, tel qu'un polariseur ou une lame birégringente ; - l'ellipsomètre à modulation de polarisation qui repose sur l'utilisation d'un 30 composant actif, tel qu'un modulateur photo-élastique, pour moduler l'état de polarisation de la lumière en fonction du temps ; - l'ellipsomètre de Mueller ou Muellermètre qui permet la mesure complète des paramètres de la matrice de Mueller d'un échantillon (cf par exemple l'ellipsomètre « MM16 » de HORIBA Jobin Yvon qui effectue une série de mesures pour différents états de polarisation obtenus en actionnant plusieurs systèmes à cristaux liquides). Certains ellipsomètres sont adaptés à la mesure quantitative du signal ellipsométrique en un point donné de l'échantillon, correspondant au point de focalisation du faisceau incident sur l'échantillon. La capacité à mesurer ce signal ellipsométrique sur une plage importante de longueur d'onde est un atout, on parle alors d'ellipsomètre spectroscopique. D'autres types d'ellipsomètres, dits imageurs ellipsométriques, permettent de réaliser des images en collectant le signal ellipsométrique sur une caméra. Io Un des objectifs de ces dernières années est de fabriquer un ellipsomètre ayant une très petite taille de spot. Un autre objectif est de fournir des images ellipsométriques à haute résolution grâce à un objectif de microscope. Toutefois, la combinaison des techniques d'ellipsométrie et de is microscopie pose un certain nombre de problèmes de configuration optique. b) Microscope-ellipsomètre sous incidence oblique Suivant une première approche, on connaît aussi un microscope fonctionnant sous incidence oblique et comprenant deux objectifs d'ouverture numérique assez limitée et des dispositifs de contrôle de la polarisation placés 20 respectivement en amont et en aval de l'ensemble (objectif d'illumination - échantillon - objectif de réception). Cependant, ce microscope présente l'inconvénient de faire travailler les objectifs non pas sous incidence normale mais sous un axe incliné par rapport à l'échantillon. Or, l'encombrement des objectifs impose une distance de travail minimale assez importante par 25 rapport à l'échantillon, ce qui limite le grossissement accessible. De plus, cette configuration ne permet pas d'avoir une mise au point sur tout le champ de l'échantillon, du fait de la faible profondeur de champ des objectifs et des variations de distance entre le plan de l'objectif et l'échantillon incliné. (Voir par exemple « Microscope at Brewster Angle... », S. Hénon et J. Meunier, 30 Rev. Sci. Instrum. 62, 936 (1991) ; ou bien « Description of a singular modular optical setup for ellipsometer, surface plasmons, waveguide modes, and their corresponding imaging techniques including Brewster Angle microscopy », M. Harke et al., Rev. Sci. Instrum. 68 3130 (1997)). c) Microscope et polarisation en incidence normale L'alliance de la microscopie et de la lumière polarisée comporte un certain nombre d'acquis. Ainsi, l'observation en lumière polarisée entre un polariseur P et un analyseur A est classique. Il est assez courant de rajouter des lames de phase sur le trajet optique.
On distingue les observations sous microscope en orthoscopie et en conoscopie. En orthoscopie, le diaphragme d'ouverture est très fermé, de façon à sélectionner les rayons incidents sur l'échantillon sous une incidence proche de la normale. Au contraire, en conoscopie, on s'intéresse aux effets d'incidence de la lumière, le diaphragme d'ouverture est ouvert, le io diaphragme de champ étant lui fermé de façon à n'analyser qu'une petite portion de l'échantillon. Ces méthodes de microscopie en lumière polarisée sont essentiellement utilisées pour l'étude d'échantillons biréfringents. On note ici que ces configurations microscopiques ne font pas usage de la grande sensibilité de la réflexion en lumière polarisée en incidence is oblique, qui est à la base du succès de l'ellipsométrie, y compris sur des échantillons non biréfringent. C'est une illustration des limites actuelles de la microsopie en lumière polarisée. Les raisons fondamentales du manque d'exploitation de la microscopie en lumière polarisée sous incidence oblique sont probablement liées aux difficultés d'analyse des signaux après réflexion. 20 En effet, pour exploiter la sensibilité de l'ellipsométrie, il faut s'intéresser aux évolutions de la polarisation à la réflexion non pas par rapport à une direction arbitraire perpendiculaire à l'axe optique du microscope, mais par rapport à un plan d'incidence. Or, l'objectif du microscope crée une multitude de plans d'incidences, et donc une multitude d'orientations de la polarisation par 25 rapport à ces plans, quand bien même la polarisation d'illumination a été sélectionnée par un polariseur homogène spatialement, ou même une combinaison d'un polariseur linéaire et d'une lame biréfringente. Les effets liés à la multitude de plans d'incidence peuvent être ignorés lorsque l'ensemble des rayons incidents sur l'échantillon sont proches de la 30 normale. Cependant, dès lors que l'ouverture numérique de l'objectif devient importante (typiquement supérieure à 0.6), ces effets deviennent prépondérants. Or, on utilise couramment des objectifs dont l'ouverture numérique atteint 0.8 ou 0.95. Une manière de s'affranchir des effets liés à la multiplicité de plans 35 d'incidence est d'exploiter les propriétés de substrats ayant des propriétés optiques particulières, telles que pour la plage d'incidence considérée, le substrat modifie très peu l'état de polarisation incident quelle que soit l'orientation du plan d'incidence. Ainsi, le brevet FR2841339 décrit l'utilisation d'un substrat possédant des propriétés optiques particulières (« Supports anti-réfléchissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumière polarisée en réflexion », D. Aussere et al.,) de manière à ce que la polarisation de la lumière réfléchie soit indépendante de l'azimut du plan d'incidence. Toutefois, ce n'est pas vrai pour des substrats usuels. Cependant, la solution proposée ci-dessus de io substrats non dépolarisant, ne fonctionne rigoureusement que pour un angle d'incidence. La plage d'incidence considérée est alors réduite et ne peut en aucun cas s'étendre à de fortes ouvertures numériques. d) Micro-ellipsomètre à sélection radiale Un ellipsomètre fonctionne théoriquement avec un faisceau lumineux is polarisé en ondes planes (ie d'ouverture nulle) dans un plan d'incidence et sous un angle d'incidence non nul par rapport à la normale à l'échantillon. D'autre part, un microscope utilise généralement un faisceau d'éclairage dont l'ouverture est élevée et dont l'axe est perpendiculaire à la surface de l'échantillon. Certes, pour illuminer un échantillon sous un angle d'incidence 20 donné au travers d'un objectif de microscope, il est simple de sélectionner au moyen d'un diaphragme annulaire sur le faisceau d'illumination un anneau de lumière incidente, correspondant à l'angle d'incidence choisi. Toutefois dans ce cas, un microscope ne comprend alors pas un unique plan d'incidence, mais une multitude de plans d'incidence, chacun des plans d'incidence étant 25 défini par un angle d'azimut autour de l'axe de l'objectif. Si le faisceau incident a une répartition de polarisation uniforme spatialement, l'orientation de la polarisation par rapport à chaque plan d'incidence devient non uniforme après réflexion sur l'échantillon et traversée de l'objectif, ce qui brouille la mesure ellipsométrique. 30 e) Micro Ellipsomètre résolu en azimut Pour résoudre le problème lié à la multiplicité de plans d'incidence, une solution connue en microscopie consiste à ne retenir qu'une petite partie du faisceau d'illumination, au moyen d'un diaphragme placé sur le faisceau incident pour sélectionner un seul azimut. Cette solution présente bien 35 entendu un inconvénient majeur en terme de luminosité.
Une autre solution connue consiste à résoudre spatialement le signal sur un détecteur imageur en fonction de l'azimut et/ou au moyen d'un traitement numérique du signal. On peut aussi envisager ne pas utiliser de diaphragme et de récolter l'ensemble des informations sur un imageur dont chaque pixel correspond à un angle d'incidence et un azimut (cf par exemple « Angle-resolved annular data acquisition method for microellipsometry », Sang-Heon Ye et al., Optics Express 15 (2007) 18056). L'inconvénient de cette solution est que des calculs complexes sont nécessaires pour extraire les données io ellipsométriques. Cette configuration ne se prête pas simplement à de l'imagerie. De plus, la configuration de mesure n'est optimale que pour un seul azimut, et pas pour l'ensemble de ces azimuts. Enfin, une difficulté supplémentaire concerne la calibration quantitative de cet appareil. Le brevet US 6,698,511 J. R. Leger and Q. Z. Zhan, décrit un is ellipsomètre imageur basé sur l'utilisation d'un seul objectif de microscope et de filtres spatiaux. On note que, dans ce dispositif, l'illumination de l'échantillon se fait avec une lumière polarisée uniformément et linéairement. Un autre exemple est présenté dans US 6,275,291 (« Micropolarimeter and ellipsometer », M. Abraham and M. Eberhardt) qui décrit un ensemble de 20 micro-ellipsomètres traitant le faisceau passant dans l'objectif comme une multitude de faisceaux différents, analysés respectivement par une multitude d'ellipsomètres microscopiques. f) Microscope et ellipsomètre à symétrie radiale D'autres configurations ont encore été proposées. Par exemple, Qiwen 25 Zhan et James Leger, ont proposé un ellipsomètre ayant une symétrie radiale adaptée à la symétrie d'un objectif autour de l'axe optique du microscope: « Microellipsometer with Radial symmetry, Qiwen Zhan and James R. Leger », Applied Optics 41, 4630 ( 2002). Le choix affiché dans cette publication est d'illuminer avec un état de polarisation circulaire uniforme 30 spatialement sur toute la zone d'illumination et d'analyser le faisceau réfléchi au moyen d'un analyseur radial. Un analyseur radial est un composant optique qui laisse passer la composante de polarisation linéaire orientée localement de manière radiale par rapport au centre de cet analyseur radial, dont l'axe optique est lui-même aligné avec l'axe optique de l'objectif. Plus 35 récemment, ce même principe d'illumination au moyen d'un faisceau polarisé uniformément en polarisation circulaire et d'analyse au moyen d'un analyseur non-uniforme à symétrie radiale placé devant un détecteur matriciel, a été appliqué pour réaliser un micro-ellipsomètre (« High spatial resolution nulling microellipsometer using rotational polarization symmetry », Alain Tschimwang and Qiwen Zhan, Applied Optics 49, 1574 (2010)). Le document US 6,693,711 (Ellipsometer using radial symmetry, J. R. Leger and Q. Z. Zhan) décrit d'autres concepts de micro-ellipsomètres à symétrie radiale. Tous ces concepts reposent sur l'utilisation d'une illumination dont la polarisation est à symétrie radiale et ont la particularité d'opérer sur le signal réfléchi à Io polarisation de symétrie radiale, pour générer un signal ellipsométrique également à symétrie radiale. La détection optique est alors effectuée sur un signal ayant une distribution spatiale de symétrie radiale. Or, travailler sur un faisceau distribué spatialement suivant une symétrie radiale pour générer un signal ellipsométrique, lui aussi à symétrie radiale, n'est pas chose aisée, car is la plupart des configurations ellipsométriques connues et maîtrisées reposent sur l'utilisation d'un faisceau de distribution d'état de polarisation spatialement uniforme. Par ailleurs, même s'il est possible d'utiliser des faisceaux ayant une distribution spatiale d'états de polarisation non uniforme, la grande majorité des composants optiques de contrôle de la polarisation sont des 20 composants présentant deux axes propres dans le plan dont l'orientation et les effets sont uniformes sur un faisceau optique. Ainsi, les lames quart d'onde, les polariseurs, les modulateurs ou les compensateurs couramment utilisés pour réaliser des ellipsomètres, ont deux axes propres dans un plan transverse l'axe optique du faisceau, et ne se prêtent pas à la génération d'un 25 signal ellipsométrique à distribution d'état de polarisation de symétrie radiale. Aussi, même si le principe proposé par Zhan et Leger présente l'avantage de respecter la symétrie radiale d'un objectif de microscope, c'est un grand inconvénient que de devoir réaliser un ellipsomètre à symétrie radiale, de l'illuminateur jusqu'au détecteur. 30 g) Convertisseur radial de polarisation Pour générer un faisceau incident ayant une distribution d'état de polarisation de symétrie raidale, ou pour analyser radialement une distribution d'états de polarisation, on utilise non pas un polariseur linéaire classique mais un convertisseur radial de polarisation. On connaît des convertisseurs de 35 polarisation, utilisés notamment en microscopie pour réaliser une illumination à polarisation radiale, qui présentent certains intérêts : le fait d'illuminer à l'angle de Brewster et pour la polarisation qui n'est pas réfléchie à cet angle (US2006/0268265 par Yung-Ho Chuang et al., « reducing variation in energy reflected from a sample due to thin film interference ») ; un microscope de type confocal utilisant différentes polarisations à symétrie radiales pour l'illumination (demande de brevet US2009/0284835, Doron Meshulah et al., « Scanning-microscopy using inhomogeneous polarizations ») ; une meilleure focalisation (US2010/0007863 C. Jorsdanoska) ; et différentes applications présentées dans (Advances in Optics and Photonics, vol. 1, pp1-57 (2009), io par Qiwen Zhan). Certes, un convertisseur radial de polarisation permet de transformer la distribution spatiale d'un état de polarisation, pour passer d'un état de polarisation linéaire spatialement uniforme à un état de polarisation linéaire ayant une distribution radiale, lorsqu'un axe du convertisseur est aligné avec is l'état de polarisation uniforme d'entrée, ou respectivement pour générer à un état de polarisation linéaire ayant une distribution azimutale, lorsqu'un axe du convertisseur est orienté perpendiculairement relativement à l'état de polarisation uniforme d'entrée. Toutefois, en ellipsométrie, on cherche à sonder la variation du rapport 20 rp/rs lors de la réflexion ou réfraction sur la surface d'un échantillon. Dans un ellipsomètre classique, on oriente donc le polariseur d'entrée à 45° des axes du plan d'incidence pour sonder à la fois l'état de polarisation p et l'état de polarisation s. Cependant, un convertisseur radial ne permet pas facilement de 25 combiner deux états de polarisation linéaires transverses. De même, un analyseur radial de polarisation permet d'analyser l'état de polarisation soit selon un état de polarisation linéaire (p) soit selon l'état de polarisation linéaire (s) mais ne permet pas d'obtenir d'information sur la modification du rapport rp/rs. 30 Dans les ellipsomètres à analyseur radial, l'échantillon et le convertisseur radial de polarisation affectent le signal de sortie. Un convertisseur radial de polarisation modifie non seulement la distribution spatiale d'un état de polarisation, mais modifie également l'état de polarisation lui-même de manière non homogène spatialement. Seuls un état 35 de polarisation linéaire soit parallèle ou soit perpendiculaire à un axe propre d'un convertisseur radial conservent en sortie un état de polarisation linéaire de distribution radiale ou respectivement azimutale. Tout état de polarisation uniforme en entrée d'un convertisseur radial qui n'est pas un état de polarisation linéaire est transformé en une distribution d'états de polarisation qui ne présente généralement pas de symétrie radiale. L'invention a pour objectif de remédier aux inconvénients des dispositifs antérieurs et de proposer d'augmenter la résolution spatiale d'un ellipsomètre tout en conservant une grande luminosité ; un ellipsomètre imageur fournissant des mesures ellipsométriques de bonne qualité ; un io microscope compatible avec des mesures ellipsométriques résolues à la fois en fonction de l'angle d'incidence et de l'angle d'azimut ; un procédé de mesure polarimétrique à forte résolution spatiale (micrométrique ou submicrométrique). L'invention concerne un dispositif de mesure polarimétrique à résolution 15 microscopique comprenant : - une partie excitation comprenant : - une source de lumière apte à émettre un faisceau lumineux incident sur un domaine de longueur d'onde et, - un générateur d'état de polarisation apte à générer un faisceau 20 optique incident présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - des premiers moyens de conversion de polarisation aptes à recevoir ledit faisceau optique incident de polarisation spatialement uniforme et à le convertir en un faisceau ayant une 25 distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique et selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; 30 - des moyens optiques de focalisation ayant un axe optique (8) pour focaliser ledit faisceau à polarisation de symétrie cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer, ledit axe optique (8) étant confondu avec la normale à l'échantillon ; - une partie analyse comprenant : - des moyens optiques de collection pour collecter le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optique de collection ayant un axe optique confondu avec l'axe optique dudit faisceau lumineux réfléchi ou transmis ; - des seconds moyens de conversion de polarisation disposés de manière à recevoir ledit faisceau lumineux collecté, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant aptes à convertir un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique selon laquelle un vecteur de io polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale et d'une composante azimutale de polarisation en un faisceau ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ; - un analyseur d'état de polarisation apte à recevoir le faisceau 15 optique converti par les seconds moyens de polarisation (10) et à analyser l'état de polarisation dudit faisceau optique suivant une base cartésienne d'états de polarisation ; - des moyens de détection (4) aptes à recevoir ledit faisceau lumineux analysé en polarisation par l'analyseur. 20 Selon un mode de réalisation particulier, les premiers moyens de conversion de polarisation et les seconds moyens de conversion de polarisation sont formés par un unique convertisseur de polarisation utilisé suivant deux directions de propagation opposées et en ce que lesdits moyens optiques de focalisation et de collection sont 25 confondus. Selon un mode de réalisation particulier, ledit convertisseur de polarisation est un convertisseur à cristaux liquides comprenant une face à symétrie cartésienne et une face à symétrie dylindrique. Selon un mode de réalisation particulier, ledit convertisseur de 30 polarisation est un convertisseur de polarisation apte à convertir la distribution d'état de polarisation de cartésien en cylindrique tout en conservant l'état de polarisation du faisceau. Selon un mode de réalisation particulier, le générateur d'état de polarisation est un polariseur linéaire spatialement uniforme et en ce 35 que l'axe de polarisation dudit polariseur linéaire est orienté par 25 30 35 rapport à un axe propre des premiers moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul. Selon un mode de réalisation particulier, l'analyseur d'état de polarisation est un analyseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit analyseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des seconds moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul. Selon différents aspects de modes de réalisation particuliers, le dispositif de mesure polarimétrique comporte en outre : io - des moyens optiques de séparation du faisceau incident sur l'échantillon et du faisceau réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optiques de séparation étant disposés sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation et le convertisseur de polarisation ; 15 - un diaphragme de champ, un diaphragme d'ouverture et/ou des moyens d'analyse spectroscopique des signaux détectés ; - un prisme de Nomarski, le convertisseur étant situé entre le prisme de Nomarski et lesdits moyens optiques de focalisation. Selon un mode de réalisation particulier, lesdites mesures 20 polarimétriques sont des mesures ellipsométriques, des mesures d'ellipsométrie de Mueller ou des mesures de scattérométrie.
L'invention concerne aussi un accessoire polarimétrique pour microscope comprenant : - un générateur d'état de polarisation apte à recevoir un faisceau optique incident et à générer un faisceau optique présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - un convertisseur de polarisation radial ou cylindrique apte à convertir un faisceau se propageant dans une première direction de propagation axiale et ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique, et réciproquement ledit convertisseur étant apte à convertir un faisceau se propageant une seconde direction axiale contra-propagative à la première direction et ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique autour de l'axe optique en un faisceau ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - un analyseur d'état de polarisation selon une base cartésienne d'état de polarisation ; - ledit convertisseur étant disposé sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation et l'objectif de microscope d'une part et entre l'objectif de microscope et l'analyseur d'état io de polarisation d'autre part. L'invention concerne aussi un microscope-ellipsomètre imageur comprenant un accessoire selon un mode de réalisation de l'invention, un objectif de microscope d'ouverture numérique supérieure ou égale à 0,7 et un détecteur imageur. 15 L'invention concerne aussi un microscope à contraste ellipsométrique comprenant un accessoire selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant : - un premier convertisseur pour diriger un faisceau optique vers un échantillon à mesurer, 20 - un second convertisseur pour diriger le faisceau optique réfléchi ou transmis par l'échantillon vers un substrat de référence, - lesdits premier et second convertisseur ayant leurs axes propres orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre. 25 Enfin, L'invention concerne aussiun procédé de mesure polarimétrique comprenant les étapes suivantes : - on génère un faisceau lumineux incident ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - on convertit la distribution du vecteur de polarisation dudit 30 faisceau incident en une distribution d'état de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique, selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; 5 i0 - on focalise ledit faisceau de polarisation à symétrie cylindrique ou semi-cylindrique sur la surface d'un échantillon à mesurer suivant un axe optique confondu avec la normale à l'échantillon; - on collecte le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon; - on convertit la distribution spatiale d'état de polarisation du faisceau collecté de manière à convertir une distribution d'état de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique en une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ; - on analyse l'état de polarisation du faisceau collecté et converti en polarisation ; - on détecte le faisceau analysé.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de mesure 15 polarimétrique comprend en outre l'une des étapes suivantes : - on analyse spectroscopiquement le faisceau détecté ; - on détecte une image de la surface de l'échantillon sur un détecteur imageur ; et/ou - on détecte une image d'un plan conjugué optiquement de la 20 surface de l'échantillon. L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse en micro-ellipsométrie, en microscopie à contraste ellipsométrique, ou encore en imagerie ellipsométrique à résolution micrométrique. La présente invention concerne également les caractéristiques qui 25 ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles. Cette description est donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins 30 annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un ellipsomètre ; - la figure 2A représente schématiquement en vue éclatée les deux faces d'un convertisseur de polarisation cartésien-cylindrique connu dans l'art antérieur ; la figure 2B représente schématiquement une projection dans un 35 plan transverse à l'axe optique des repères cartésien et cylindrique associés respectivement aux deux faces 11 et 12 du convertisseur ainsi que l'orientation des axes des cristaux liquides pour passer d'une face à l'autre face du convertisseur ; - la figure 3 représente schématiquement un micro-ellipsomètre selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement la propagation d'un faisceau de polarisation uniforme à travers un objectif de microscope et après réflexion sur un échantillon ; - la figure 5 représente schématiquement la propagation d'un faisceau io de polarisation uniforme à travers un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 6 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé à travers un convertisseur et un objectif de microscope dans un plan d'incidence quelconque ; is - la figure 7 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé à travers un dispositif de microscope à contraste ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 8 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope à éclairage épiscopique et fonctionnant en lumière polarisée selon 20 l'art antérieur - la figure 9 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 représente schématiquement une vue en coupe de la partie détection d'un microscope selon un mode de réalisation de particulier 25 de l'invention - la figure 11 représente schématiquement une vue en coupe d'un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention utilisant la partie détection représentée sur la figure 10. L'invention repose sur l'utilisation d'un composant appelé convertisseur 30 de polarisation « cartésien vers cylindrique » et d'un analyseur de polarisation. Selon un mode de réalisation de l'invention, on utilise, dans une configuration particulière, un convertisseur de polarisation à cristaux liquides tel que décrit notamment par Stalder et al. Opt. Lett. 21 p. 1948 (1996). La 35 figure 2A représente schématiquement en vue éclatée les deux faces d'un tel convertisseur de polarisation cartésien-cylindrique à cristaux liquides. Un tel convertisseur de polarisation à cristaux liquides comporte deux faces distinctes désignées dans le présent document : face cartésienne 11 et face cylindrique 12 respectivement. La face cartésienne 11 comporte deux axes propres, orientés à 90°, ces axes propres sont repérés par uX et us, , l'un des axes uX, uy étant un axe d'alignement des cristaux liquides. La face « cylindrique » comporte un centre O et il est commode de lui associer un repère en coordonnées cylindriques (centré en O) ucp, ur. La figure 2B représente une projection dans un plan transverse à l'axe optique des repères io cartésien et cylindrique associés respectivement aux deux faces 11 et 12 du convertisseur ainsi que l'orientation des axes des cristaux liquides pour passer d'une face à l'autre face du convertisseur. Le convertisseur de polarisation reçoit sur sa face cartésienne 11 un faisceau incident parallèle à son axe optique. D'après Stalder et al. on sait que lorsque le faisceau incident sur la is face cartésienne est polarisé linéairement et de polarisation uniforme, l'axe de la polarisation incidente étant aligné sur l'un des axes uX ou respectivement uy, le convertisseur transforme ce faisceau en un faisceau de polarisation radiale ou respectivement azimutale. Plus généralement, lorsque le faisceau incident sur la face cartésienne a une polarisation uniforme uniforme 20 spatialement du type : a.ux + b.uy (exprimée dans la base cartésienne) le convertisseur transforme ce faisceau incident de polarisation uniforme en un faisceau émergent de sa face cylindrique, de polarisation non uniforme, mais dont la distribution d'états de polarisation est de symétrie cylindrique autour de l'axe optique et qui s'exprime (dans la base cylindrique) par [a.0 , - 25 b.exp(j.x).ur]*Sign(-y). Le facteur exp(j.x) exprime le fait qu'il peut y avoir un déphasage x entre la composante radiale et la composante azimuthale de l'onde, ce déphasage étant introduit lors de la traversée du convertisseur de polarisation. Le coefficient Sign(-y) est égal à -1 si y est positif (ou, ce qui revient au même, si (p est compris entre 0 et n) et Sign(-y) est égal à +1 si y 30 est négatif (ou, ce qui revient au même, si (p est compris entre n et 2n). Le comportement de ce convertisseur n'est pas défini au voisinage immédiat de 0 ni sur l'axe où y est égal à O. Réciproquement, un faisceau ayant une polarisation de symétrie cylindrique incident sur la face cylindrique, dont la distribution d'états de polarisation est donnée dans le repère cylindrique par 35 a.uq, + b.ur , ce faisceau sort de la face cartésienne du convertisseur sous la forme d'un faisceau dont la distribution d'état de polarisation est uniforme, et donnée par [a.u, - b.exp(j. x).uy]*Sign(-y).
On notera que c'est la direction de la polarisation émergente qui est à symétrie cylindrique, son sens, lui, n'étant pas le même dans les deux demi- parties du composant, étant affecté par Sign(-y).
Notons que la publication Stalder divulgue essentiellement l'utilisation d'un convertisseur de polarisation dans une configuration où la direction de propagation du faisceau va de la face cartésienne vers la face cylindrique, et où le vecteur de polarisation incident est aligné suivant l'un des axes du
Io convertisseur pour générer un faisceau de polarisation soit radiale soit azimutale. Cette publication ne divulgue pas l'utilisation d'un tel convertisseur pour générer un faisceau de polarisation cylindrique généralisé (generalized cylindrical vecteor beam ou encore generalized CV Beam), comprenant des composantes radiale et azimutale. Ce document ne divulgue pas non plus
is l'utilisation d'un tel convertisseur avec un faisceau se propageant depuis la face cylindrique vers la face cartésienne. Notamment, le couplage d'un faisceau de polarisation cylindrique généralisé, comprenant une combinaison linéaire de composantes radiale et azimutale non nulles, à la face cylindrique d'un tel convertisseur pour générer un faisceau de polarisation uniforme
20 spatialement n'est pas décrit.
En d'autres termes, le convertisseur de polarisation de Stalder et Schadt est décrit, pour le passage d'une onde polarisée uniformément dans un repère cartésien, par la matrice de transformation suivante : /1 0 = Sign(-y) - exp(j.,Z')) 25 où le déphasage x dépend de la longueur d'onde. Pour le passage de la face cylindrique vers la face cartésienne, la matrice de transformation des coordonnées (exprimées dans le système de coordonnées relatif à chaque face) est la suivante : /1 0 M~'y = Sign(-y) - exp(j-,Z') 30 Il peut être avantageux d'utiliser un convertisseur de polarisation parfait, c'est-à-dire pour lequel x est proche de zéro. Un tel convertisseur conserve l'ellipticité de la polarisation incidente, l'ellipticité de la polarisation sortante étant identique à celle de la polarisation incidente. Un convertisseur qui convient pour mettre en oeuvre l'invention est selon un mode de réalisation préféré basé sur un convertisseur à cristaux liquides. D'autres modes de réalisation de l'invention peuvent utiliser d'autres types de convertisseurs de polarisation, reposant par exemple sur l'utilisation de lames demi-onde segmentées, des réseaux diffractifs ou subdiffractifs à symétrie cylindrique. Un convertisseur de polarisation est utilisable dans l'invention dès lors que lors de sa traversée, la matrice exprimant les coordonnées dans le repère cylindrique de la polarisation d'un faisceau émergent de la face à symétrie io cylindrique, en fonction des coordonnées dans le repère cartésien de la polarisation du faisceau incident sur la face à symétrie cartésienne, est diagonale, c'est-à-dire du type: où les coefficients a,13 de cette matrice sont uniformes sur chaque is moitié du composant. Le convertisseur permet donc de transformer un faisceau optique ayant une distribution d'états de polarisation spatialement uniforme, en un faisceau ayant une distribution d'états de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique. 20 On utilise également un convertisseur pour transformer un faisceau ayant une distribution d'états de polarisation de symétrie cylindrique en un faisceau optique ayant une distribution d'états de polarisation uniforme dans un repère cartésien. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, représenté 25 schématiquement sur la figures 3, un même convertisseur 10 est utilisé dans les deux sens de propagation le long de l'axe optique 8 d'une lentille 7 de focalisation : une première fois dans le sens de conversion cartésien vers cylindrique et une seconde fois dans le sens de conversion cylindrique vers cartésien. Le trajet lumineux traverse deux fois le convertisseur 10, une fois 30 avant de frapper l'échantillon 5, et la seconde fois, au retour. Par contre, les composants de conditionnement 2 et d'analyse 3 de la polarisation placés respectivement en amont et en aval du convertisseur sont différents pour le faisceau incident et réfléchi. De plus, on n'utilise pas de composant optique pour filtrer une polarisation propre particulière (radiale ou azimutale), f_1 0 xy-vr= a puisqu'on cherche justement à avoir une information sur les deux polarisations (contrairement aux dispositifs utilisant un polariseur radial et non un convertisseur de polarisation). s I. Modes de réalisation selon l'invention 1) Ellipsomètre à résolution microscopique
Dans l'invention, on construit un micro-ellipsomètre formé de deux io sous ensembles : - un ellipsomètre (ou Mueller-mètre) conventionnel, comportant un bras d'illumination 2 dans lequel la polarisation sortante est uniforme dans le repère cartésien uX et uy. On peut l'écrire a.ux+b.uy. L'ellipsomètre comporte aussi un bras de détection 3, adapté à mesurer l'état de polarisation entrante is dans le même repère uX , uy. Si l'on note la polarisation entrant dans le bras de détection rx.ux + ry.uy, l'ellipsomètre conventionnel mesure le rapport complexe ry / rX. Dans le cas d'un ellipsomètre imageur, on mesure une cartographie de ry / rX dans le plan (x, y) ; - le convertisseur de polarisation 10 et des pièces optiques permettant 20 d'intercepter en entrée vers sa face cartésienne 11 tout ou partie du bras d'illumination de l'ellipsomètre, les axes propres de sa face cartésienne 11 coïncidant avec les axes propres de l'ellipsomètre, orientés par les vecteurs uX et uy. En sortie, le convertisseur 10 envoie tout ou partie de la lumière émergente vers le bras de détection 3 de l'ellipsomètre. Le faisceau lumineux 25 émergent par la face cylindrique 12 du convertisseur va vers l'objectif 7 du microscope, l'axe optique 8 de l'objectif 7 étant aligné sur le centre O de la face cylindrique 12 du convertisseur de polarisation 10. - Un objectif de microscope 7, placé sensiblement perpendiculairement à l'échantillon 5 à étudier. 30 En ce qui concerne les pièces optiques permettant d'envoyer le faisceau du bras d'illumination 2 vers le convertisseur 10, et le faisceau issu du convertisseur 10 vers le bras de détection 3, on pourra se servir de lames séparatrices 6. On préfère placer le plan d'incidence de ces lames 6 et des différentes interfaces, soit selon uX soit selon uy afin de permettre une 35 calibration simple des changements d'amplitude et de phase à la réflexion qui pourraient se traduire par rp / rs différent de 1.
2) Microscope comprenant un accessoire d'ellipsométrie
Partons d'un microscope adapté à l'observation en lumière polarisée en épiscopie, tel que représenté schématiquement par exemple à la figure 8. Plutôt que de limiter l'influence des effets d'incidence sur la polarisation en travaillant en orthoscopie, ou plutôt que de recourir à des substrats particuliers, notre approche est conceptuellement totalement différente. On part d'un champ de polarisation de la lumière incidente ayant une distribution io spatialement uniforme d'état de polarisation, qui s'exprime dans un repère cartésien sous la forme a.ux + b.uy , avec a et b constants sur le champ objet (x, y). On transforme cette distribution d'état de polarisation au moyen de composants ayant leurs axes optiques uniformes de manière à générer en un champ de polarisation de symétrie cylindrique qui s'exprime : 15 [a.% -b.exp(j.x).ur]*Sign(-y) dans le repère cylindrique ayant pour axe l'axe optique 8 de l'objectif 7. Le facteur exp(j.x) exprime le fait qu'il peut y avoir un déphasage entre la composante radiale et la composante azimutale de l'onde, introduit par le convertisseur de polarisation 10. Cette transformation est opérée par un 20 convertisseur de polarisation 10 dont les axes principaux sont orientés selon uX, uy, et dont le centre est sur l'axe optique 8 de l'objectif 7. Dans ce repère, le vecteur radial ur est dans le plan d'incidence et le vecteur orthoradial (aussi dénommé azimuthal) uq, est perpendiculaire au plan d'incidence. Le rayon réfléchi s'exprime donc (si l'on note rp(8) et rs(8) les coefficients de réflexion 25 sous un angle d'incidence e, pour une polarisation respectivement parallèle et perpendiculaire au plan d'incidence) : [rp(e).a.u,- rs(e).b. exp(j.x).ur]*Sign(-y) En repassant en sens inverse, dans le convertisseur de polarisation, le faisceau considéré a une polarisation qui s'exprime comme suit : 30 [rp(e).a.ux + rs(e).b.uy]*Sign(-y)*Sign(+y)= -[rp(e).a.ux + rs(e).b.uy] La formule ci-dessus reste valable quel que soit l'azimut cp avec lequel le rayon traverse l'objectif. Tout se passe donc comme si le système selon l'invention « simplifiait » l'objectif de microscope en un objectif « 2D plan » ayant un seul et unique plan d'incidence.
La figure 4 représente schématiquement un dispositif de microellipsométrie selon l'art antérieur. Une source 1 émet un faisceau lumineux. Sur la figure 4, sont représentés deux rayons 31a et 31 b, parallèles à l'axe optique 8 de la lentille 7 et situés à une même distance de l'axe optique 8 mais à des azimuts différents. Des moyens de polarisation (non représentés) définissent un état de polarisation spatialement uniforme du faisceau incident. Les rayons 31a (en trait plein) et 31 b (en tirets) ont donc le même état de polarisation (représenté sous forme d'une polarisation elliptique). Les faisceaux 31a et 31 b sont dirigés vers une lentille 7 (ou un Io objectif de microscope) de forte ouverture numérique. On considère la propagation des deux rayons d'ouverture identique et d'azimut différents (respectivement en trait plein et en traits-tiretés) à travers la lentille 7 avant et après réflexion sur l'échantillon 5, c'est-à-dire dans deux plans d'incidence. Dans un premier plan d'incidence, le rayon figuré en trait plein, le faisceau de is polarisation 31a traverse la lentille 7 et devient le faisceau 32a incident sur l'échantillon. La lentille 7 ne modifie pas l'état de polarisation des faisceaux transmis 32a, 32b. Le faisceau situé dans le premier plan d'incidence est polarisé elliptiquement, avec un axe de l'ellipse de polarisation 32a situé dans son plan d'incidence. Lors de la réflexion sur l'échantillon 5, ce faisceau 20 connaît une évolution et devient un faisceau 33a dont le grand axe est multiplié le coefficient de réflexion rp, relatif à la réflexion d'un rayon dans le plan d'incidence, et dont le petit axe par rs, relatif à la réflexion d'un rayon perpendiculairement au plan d'incidence. Dans un second plan d'incidence, le rayon en traits-tiretés a une ellipse de polarisation 32b dont l'axe n'est plus 25 dans le second plan d'incidence après avoir une première traversée de la lentille 7. Après réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation 33b est différent de l'état de polarisation 33a en pointillés. L'état de polarisation n'est donc pas le même dans des plans d'incidence distincts. Par conséquent, il n'est pas possible de collecter ensemble des rayons comme le pointillé et le 30 trait-tireté pour faire de l'imagerie ellipsométrique. Le signal ellipsométrique dépend ainsi du plan d'incidence (ou de l'azimut) sous lequel ils ont traversé la lentille, ce qui rend l'analyse compliquée. Comme indiqué dans l'art antérieur, il est alors nécessaire d'effecteur une sélection en azimut ou d'analyser radialement le signal 33a, 33b en fonction de l'angle d'incidence et 35 de l'angle d'azimut.
La figure 5 permet d'expliquer le fonctionnement de l'invention. Dans le dispositif de l'invention (figure 5), on a rajouté un convertisseur de polarisation 10, dont la face à symétrie cylindrique 12 est disposée du côté de l'objectif 7 et centrée sur l'axe optique 8 de l'objectif. Le faisceau incident a une distribution uniforme spatialement d'état de polarisation. Sur la figure 5, les rayons 31a (en trait plein) et 31b (en tirets) ont une polarisation initiale elliptique dont le grand axe est orienté parallèlement à l'axe x du convertisseur de polarisation 10. A la sortie du convertisseur 10, les ellipses de polarisation 34a et 34b des rayons transmis ont leur grand axe dans la direction radiale et Io lorsque ensuite les rayons 34a et 34b traversent la lentille 7, ce grand axe est dans le plan d'incidence de chaque rayon. Dans ce cas, pour chacun des rayons, l'ellipse de polarisation 35a, respectivement 35b connaît la même évolution lors de la réflexion sur la surface de l'échantillon 5 : le grand axe de chaque ellipse est multiplié le coefficient de réflexion Rp, relatif à la réflexion 15 d'un rayon dans le plan d'incidence, et le petit axe par RS, relatif à la réflexion d'un rayon perpendiculairement au plan d'incidence. On constate donc que la symétrie cylindrique de la distribution d'état de polarisation n'est pas modifiée par la réflexion sur l'échantillon 5, ni par la deuxième traversée de la lentille 7. Mais ce n'est pas tout, car au retour, le convertisseur de polarisation 10 20 joue aussi un rôle décisif, puisqu'il permet, comme on le voit sur le rayon dessiné en traits tiretés, de remettre l'ellipse de polarisation 36b dans le repère cartésien uniforme. Ainsi, tous les rayons de même angle d'incidence quel que soit leur azimut cp, qui ont un même état de polarisation 35a, 35b dans un repère polaire avant de traverser le convertisseur de polarisation 10, 25 ont aussi un même état de polarisation 36a, 36b dans un repère cartésien après avoir effectué un aller-retour dans ce convertisseur 10 et l'objectif 7 (ou la lentille) à forte ouverture numérique. Tous ces rayons 36a et 36b sont porteurs de l'information « ellipsométrique » relative à la réflexion sous incidence oblique sur la surface 5 et contribuent de la même manière au 30 signal ellipsométrique pour un même angle d'incidence et à la longueur d'onde considérée quel que soit leur azimut (p. Il est alors possible d'additionner les contributions des rayons 36a et 36b afin de les analyser de manière classique en utilisant un analyseur linéaire de polarisation, comme c'est couramment le cas en ellipsométrie et en Mueller-métrie. 35 L'arrangement de la figure 5 est essentiel pour faire de l'imagerie.
On notera que la figure 5 représente le cas où le convertisseur de polarisation 10 n'induit pas de déphasage entre les deux polarisations propres (x=0) par souci de simplicité. C'est aussi un cas avantageux puisqu'il peut simplifier la calibration, et le fait d'obtenir x=0 sur une plage importante de longeur d'onde facilite le travail en lumière blanche, du fait que ce composant est pratiquement achromatique. On notera par ailleurs que le fait que chaque rayon lumineux fasse un trajet aller et un trajet retour dans le convertisseur de polarisation 10, à deux azimuts qui diffèrent de 180°, fait que l'on peut utiliser un convertisseur de io polarisation 10 qui présente un déphasage différent selon le demi-plan suivant lequel on le traverse (c'est le « Sign(-y) » dans les formules au-dessus, qui correspond à un déphasage den lorsque le rayon traverse le composant à une abscisse y>0). En effet, un rayon lumineux se réfléchissant sur la surface de l'échantillon traverse une fois le convertisseur à une abscisse positive, is l'autre fois pour une abscisse négative. Par conséquent, on obtient un déphasage uniforme lors de l'aller-retour quel que soit l'azimut du rayon. La figure 6 représente schématiquement la propagation d'un faisceau polarisé elliptiquement dans un plan d'incidence quelconque à travers un convertisseur 10 et un objectif 7 de microscope. Un faisceau incident est 20 défini par son état de polarisation 21 spatialement uniforme. Ce faisceau polarisé 21 est incident sur la face cartérsienne 11 du convertisseur 10. La face cylindrique 12 de centre 0 est centrée sur l'axe optique 8 de l'objectif 7. Le faisceau émergent de la face cylindrique 12 du convertisseur 10 présente une distribution d'état de polarisation 22 de symétrie cylindrique autour de 25 l'axe 8. L'objectif 7 est choisi pour ne pas modifier l'état de polarisation du faisceau. Le faisceau incident 23 sur l'échantillon 5 est de symétrie cylindrique autour de l'axe 8. Après réflexion, le faisceau polarisé elliptiquement voit son état de polarisation modifié par les coefficients de réflexion Rp et Rs de l'échantillon. Le faisceau réfléchi a un état de polarisation 24 modifié comparé 30 au faisceau 23. Cependant, le faisceau incident ayant une distribution de polarisation de symétrie cylindrique, dans chaque plan d'incidence, la modification de polarisation est identique. Sur le trajet retour, le faisceau 24 retraverse l'objectif 7, pour former un faisceau polarisé 25, qui est incident sur la face cylindrique 12 du convertisseur 10. L'état de polarisation des faisceaux 35 22, 23, 24 et 25 est uniforme dans un repère de coordonnées polaires. Après traversée du convertisseur 10 dans le sens polaire-cartésien, le faisceau 26 a donc une disctribution d'état de polarisation uniforme dans un repère cartésien. De par le fonctionnement du convertisseur 10, tous les plans d'incidence sont équivalents à celui représenté sur la figure 6 et ont la même contribution au signal. L'utilisation du convertisseur de polarisation 10 situé juste en amont de l'objectif 7 et sur le trajet aller-retour de la lumière, l'orientation d'un analyseur, d'un polariseur et éventuellement d'un compensateur situé en aval du polariseur ou en amont de l'analyseur, permettent effectivement de définir et io d'analyser l'état de polarisation par rapport au plan d'incidence sur l'échantillon. Les positions des différents composants sont repérées dans le repère uX, uy défini par les axes cartésiens du convertisseur de polarisation 10. Par ailleurs, on notera que la sensibilité de la technique ellipsométrique is est particulièrement importante au voisinage de l'angle de Brewster GB du substrat utilisé, où l'angle GB est égal à Arctan(N) où N est l'indice du substrat. Des angles d'incidences de 60° ou plus peuvent être utilisés, ce qui correspond à une ouverture numérique supérieure à 0,85. On utilise avantageusement un objectif d'ouverture numérique de 0,9 ou plus, valeurs 20 qui peuvent être obtenues sur des objectifs commerciaux . On pourra néenmoins utiliser des angles d'incidence à partir de 45°, soit des ouvertures numériques supérieures à 0,7. On notera toutefois qu'il est important que l'objectif 7 utilisé ne modifie pas la distribution radiale d'état de polarisation. Il est important que l'objectif 7 ne présente pas de biréfringence susceptible de 25 modifier la distribution spatiale d'état de polarisation de manière hétérogène ou aléatoire. De préférence, on utilise un objectif 7 compatible avec les observations en lumière polarisée ou bien un objectif de type Nomarski compatible avec l'observation en contraste interférentiel. Enfin, on peut tout à fait envisager de réaliser des mesures 30 ellipsométriques en immersion, ce qui permet d'atteindre plus facilement les conditions de Brewster. Dans le cas d'un objectif à immersion, l'angle de Brewster GB est égal à Arctan(N/Nimmersion) où N est l'indice du substrat et Nimmersion l'indice du milieu d'immersion. La figure 8 représente un microscope fonctionnant en lumière polarisée 35 selon l'art antérieur. Le microscope comprend un illuminateur 27, généralement de type Kohler. L'illuminateur 27 comprend une source de lumière 1 placée derrière un dépoli 1 a, un diaphragme d'ouverture 16a, un diaphragme de champ 17a, et plusieurs lentilles 1 b, 18b, 18c. Le tube du microscope comprend une lame séparatrice 6, un objectif 7 d'axe optique 8, une lentille de tube 9, une pupille 19, un diaphragme de champ 17a ou 17b, un oculaire 20 et un détecteur 4. Pour fonctionner en lumière polarisé, le microscope comprend un polariseur 13 dans le bras d'illumination, et/ou un analyseur 14 dans le bras de détection. L'orientation des axes du polariseur 13 et/ou de l'analyseur 14 permet l'observation de l'échantillon 5 entre io polariseurs croisés par exemple. La figure 9 représente un microscope ellipsométrique selon un mode de réalisation de l'invention. On retrouve les composants du microscope de la figure 8. En outre, le microscope comporte un convertisseur 10 inséré entre la lame séparatrice 6 et l'objectif 7. Pour sélectionner un angle d'incidence 9 is donné, on utilise avantageusement un diaphragme annulaire 16 inséré au niveau du diaphragme d'ouverture 16a du microscope ou dans un plan qui représente un plan de Fourier de l'échantillon 5. En orientant les composants 13 (polariseur), 14 (analyseur) et/ou 15, 15' (compensateur) on peut rechercher les conditions proches de la « nulling ellipsometry », propres à 20 annuler la lumière émergente sur le détecteur 4, de manière à faire ressortir les plus petites variations de propriétés sur la surface 5 à observer. Toutes les connaissances de l'état de l'art concernant l'observation dans des conditions de nulling ellipsometry peuvent alors être réutilisées, mais en bénéficiant de la commodité du fait que l'incidence est obtenue au moyen d'un seul objectif 25 dont l'axe est confondu avec la normale à l'échantillon. On distingue deux modes d'utilisation de ce système : - un mode « imagerie », lorque l'image formé sur l'oculaire ou la caméra 4 est celle de l'échantillon, pour un angle d'incidence 9 donné. Le système est alors un « ellipso-microscope » (illustré 30 Figure 9) ; - un mode « signal ellipsométrique fonction de l'angle d'incidence » (illustré Figures 10 et 11). Si l'on choisit de s'intéresser au signal ellipsométrique fonction de l'angle d'incidence 9, sur une zone donnée de l'échantillon, auquel cas on ferme le diaphragme de 35 champ 17a ou 17b, on met en place une lentille de Bertrand 28, et on obtient directement sur le dispositif de visualisation du microscope le signal réfléchi en fonction de l'incidence 9 et de l'azimut cp de la polarisation incidente. Contrairement aux dispositifs d'ellipsométrie résolus en azimut qui n'utilisent pas de convertisseur de polarisation, chaque cercle d'observation correspondant à une incidence donnée est homogène (pour le cas d'un échantillon isotrope) et peut du coup être intégré directement. Le signal ellipsométrique est relatif au spot lumineux créé par l'objectif 7 du microscope. Ce spot peut être rendu très petit (une dizaine de µm, io voire 5 µm, ou même 1 µm) en restreignant le diphragme de champ à une toute petite ouverture. Le système est alors un « microellipsomètre ». Le dispositif de l'invention ne requiert donc pas l'utilisation d'un analyseur radial, d'un système complexe d'imagerie radiale, ou de traitement du signal. 15 On observe que le dispositif peut fonctionner aussi bien en épiscopie (c'est-à-dire la lumière illumine l'échantillon en passant par l'objectif), ou en diascopie. En diascopie, il faut alors deux convertisseurs de polarisation, un premier convertisseur 10 cartésien-cylindrique entre le polariseur et l'objectif, et un second convertisseur 10' cylindrique-cartésien entre l'objectif et 20 l'analyseur. Pour augmenter le contraste et le rapport signal sur bruit d'un microscope à contraste ellipsométrique, on utilise avantageusement une modulation faible des deux composants de polarisation autour de la position d'annulation et une détection synchrone d'image par rapport à chacune de 25 ces modulation. On peut par exemple appliquer une première modulation par une petite rotation de l'analyseur autour de sa position d'annulation. Une autre solution consiste à moduler faiblement le retard d'un compensateur réalisé à partir d'une lame de cristaux nématiques commandée en tension, en modifiant faiblement la tension appliquée à cette lame à retard commandée 30 en tension autour de la valeur permettant l'annulation. 3) Microscope à contraste ellipsométrique On considère que l'invention permet d'ouvrir un nouveau champ d'applications en microscopie, en proposant un microscope à contraste ellipsométrique auto-compensé sur une large gamme d'incidence et de 35 longueur d'onde. 25 Cette prolongation de l'invention consiste en une manière d'observer (en imagerie) avec un contraste accru des objets possédant une ou deux dimensions très petites (10nm jusqu'en dessous du dixième de nm), sans être restreint à une longueur d'onde, ni à une plage d'incidence pour l'illumination, tout en bénéficiant du contraste ellipsométrique. Le fait de pouvoir travailler avec toute l'ouverture numérique de l'objectif est un avantage en terme de résolution latérale. Afin de mieux expliquer cette prolongation de l'invention, on commence par décrire de manière détaillée, dans le formalisme matriciel de Jones, ce qui io se passe lors d'un trajet qui passe par le convertisseur de polarisation 10, l'objectif 7 à grande ouverture, la réflexion sur l'échantillon 5, puis suit un trajet retour, tel que représenté schématiquement sur la figure 6. Le vecteur polarisation en sortie est obtenu en faisant le produit du vecteur polarisation en sortie par la matrice M1 obtenue en multipliant chacune des matrices de 15 Jones des composants individuels : /1 0 "ts O`/rs e/ts O" /1 0 Sign(y) O -exp(j.x))0 t0 r0 tp~ 0 -exp(j.x), On note que l'on travaille en coordonnées cylindriques dans l'espace situé après le convertisseur de polarisation 10 et en coordonnées 20 cartésiennes dans le repère x, y, pour les faisceaux notés 21 et 26 sur la figure 6. tp et ts sont les coefficients de transmission à travers l'objectif ou la lentille 7. Pour une ouverture élevée, on a en général une différence de phase significative entre tp et ts. En effectuant le calcul, on trouve y,2 0 2 0 M' p 0 .tp2 exp(2j-%%) -r .ts Co (t~ ~ t 1z exp~2j. )per , Dans le cas où l'on s'intéresse à la quantité ellipsométrique rp/rs , on peut par différentes mesures et calibration déterminer (tp/ts)exp(2j.x) qui dépend à la fois de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence. On peut aussi placer sur le trajet optique, dans la zone « cartésienne », des éléments qui 30 présentent dans le repère cartésien (x,y) une matrice de Jones qui permet de diminuer l'influence de (tp/ts)2 exp(2j.x) et en particulier diminuer ses variations en fonction de la longueur d'onde. La manière de concevoir un système à base de lames retard ou dichroïques pour cela est connue de M1 = Sign(-y) l'homme de l'art. Cependant, ce système de compensation risque de fonctionner au mieux pour une plage d'incidence et de longueur d'onde limitée. Plaçons nous maintenant dans le cas où l'on cherche à faire de l'imagerie d'objets d'épaisseur extrêmement faible (quelques dixièmes de nm à quelques nm), et présentant des propriétés optiques très peu contrastées (objets transparents par exemple), disposés sur un substrat plan. La grandeur ellipsométrique rp/rs du substrat va être modifiée en rp1/rs1 au niveau de ces objets, et l'avantage attendu de l'imagerie à contraste ellipsométrique est de io révéler avec un très bon contraste ces petites variations, en annulant autant que faire se peut, le signal du substrat nu. Pour cela, un mode de réalisation particulier de l'invention, illustré par la figure 7, consiste à faire en sorte que chaque rayon contribuant à la formation de l'image, ait un trajet qui compense le facteur lié à l'instrument et is au substrat nu : (tp / ts )2 exp(2J-.i)-rp / rs Pour cela, on utilise un deuxième sous-ensemble convertisseur de polarisation 10' - objectif 7' (ou lentille à forte ouverture numérique), identique à celui utilisé pour regarder l'objet 5. Ce second sous-ensemble comprend un 20 substrat de référence SREF, totalement vierge de défauts et d'objets à examiner et de préférence identique au substrat qui sert à l'examen des objets. On agence le deuxième ensemble pour que le trajet dans le deuxième ensemble convertisseur de polarisationl0'-objectif 7'-substrat de référence SREF, de façon à ce qu'il soit traversé par tous les rayons qui servent à 25 constituer l'image à contraste ellipsométrique, dans les mêmes conditions d'angle d'incidence, mais avec une configuration de polarisation tournée de 90° : un rayon polarisé linéairement selon l'axe « x1 » du premier ensemble traversera le second parallèlement à l'axe « y2 » du second ensemble. Ainsi, la matrice correspondant à la traversée des deux ensembles est 30 de la forme suivante : M = M,.M, = ,.t z 0 p.tpz exp(2J.,y) 0 z 0 p .tp exp(2 J.,%) 0 r .tsz Lo 0 =ri p-(tpts)zexp(2J-x) 0 (rp, l r,)l(rp l ), Le facteur devant la matrice représente une atténuation et un déphasage indépendant de la polarisation, ceci quel que soit l'incidence et la longueur d'onde. Une observation entre polariseurs croisés permet facilement d'isoler un contraste lié à la différence entre (i / rs»/(p i r) et l'unité. On peut rajouter une petite modulation d'un déphasage pour permettre la détection de la phase de la quantité pl ri)/( p r). Il est à noter que ces mesures peuvent s'effectuer sur une large plage d'incidences angulaires et sur une large plage de longueur d'ondes. Ainsi, on obtient un nouveau type de microscope. Io On note que les performances de ce nouveau microscope peuvent être encore améliorées en disposant un dispositif Digital Interference Contraste (aussi appelé Nomarski). La figure 7 représente un exemple de microscope à contraste ellipsométrique auto-compensé sur toute la plage spectrale et d'incidence. 15 Deux ensembles convertisseurs de polarisation - objectif - miroir semitransparents identique, focalisés l'un sur un substrat de référence SREF, l'autre sur un substrat comportant des objets à observer 5, sont disposés de telles sorte que un rayon issu de la source lumineuse, arrivant sur le convertisseur 20 10 polarisé linéairement parallèlement à la direction y, (convertie en une polarisation radiale par le convertisseur, selon nos convention de notation), arrive sur le second convertisseur 10' avec une polarisation selon la direction x2 de ce second convertisseur 10' (c'est-à-dire converti en une polarisation azimutale). Réciproquement, un rayon lumineux issu de la source et incident 25 sur le convertisseur 10 avec une polarisation linéaire parallèle à x,, est incident sur le second convertisseur 10' avec une polarisation parallèle à y2. Ainsi un rayon 28, dans un premier plan d'incidence, est polarisé linéairement suivant une direction p parallèle au plan d'incidence. Après traversée du convertisseur 10 son état de polarisation est radial et reste donc un état de 30 polarisation de type p. Après traversée de l'objectif 7, réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation du faisceau reste p jusqu'au second ensemble convertisseur 10' (représenté en vue de dessus). Les axes (x2, y2) du second convertisseur 10' étant orientés à 90 degrés des axes (x,, y,) du premier convertisseur 10, le faisceau devient après traversée du convertisseur 10', un faisceau de polarisation transverse ou s. Ce faisceau polarisé s est alors incident sur l'échantillon de référence SREF. De la même manière un faisceau 27, dans un second plan d'incidence orienté à 90 degrés par rapport au premier plan d'incidence. Le faisceau 27 est initialement polarisé linéairement. Après traversée du convertisseur 10 l'état de polarisation est radial et suivant une direction de polarisation de type p. Après traversée de l'objectif 7, réflexion sur l'échantillon 5, l'état de polarisation du faisceau reste p jusqu'au second ensemble convertisseur 10' (sur la vue de dessus). Les axes (x2, y2) du second convertisseur 10' étant io orientés à 90 degrés des axes (x,, y,) du premier convertisseur 10, le faisceau 27 devient après traversée du convertisseur 10', un faisceau de polarisation transverse ou s. Ce faisceau polarisé s est alors incident sur l'échantillon de référence SREF. Un même faisceau est donc incident suivant des directions de is polarisation respectivement p sur l'échantillon 5 à observer puis s sur l'échantillon de référence SREF (et inversement) En amont et en aval de ce dispositif, se trouvent les bras d'éclairement 2 et de détection 3 d'un imageur ellipsométrique classique. De manière préférentielle, on utilisera un polariseur 13, un compensateur 15, et un 20 analyseur 14, ce qui correspond à la configuration d'un ellipsomètre à annulation classique. De préférence, le polariseur 13 linéaire est orienté de sorte que l'axe du vecteur polarisation incident sur le premier convertisseur 10 soit incliné d'un angle compris entre 20 et 70° relativement à l'axe y,, et de manière encore plus préférentielle, incliné à 45°+/-10°. 25 Le dispositif peut comprendre en outre des moyens de séparation optique (miroir semi-transparent, lame séparatrice 6 ou autre), pour séparer le faisceau incident du faisceau réfléchi par l'échantillon. Ces moyens de séparation des faisceaux sont de préférence disposés entre le polariseur 13 et 30 le convertisseur 10 d'une part et entre le convertisseur 10 et l'analyseur 14 d'autre part.
4) Combinaison ellipsomètre et microscope Afin de disposer de performances supérieures en terme de qualité des mesures ellipsométrique, on sait qu'il vaut mieux préférer les ellipsomètres à modulation aux ellipsomètres à annulation. Pour bénéficier de la précision d'un ellipsomètre à modulation, on peut modifier un microscope en intercalant un bras ellipsométrique d'illumination 2 en aval de la source lumineuse, un bras ellipsométrique d'analyse 3 en amont du détecteur 4 et un convertisseur de polarisation 10 immédiatement en amont de l'objectif 7. L'un des bras ellipsométriques comporte de préférence un modulateur dynamique de polarisation. Les composants du bras d'illumination et d'analyse sont orientés io par rapport au repère uX, uy du convertisseur, de la même manière qu'ils le sont par rapport aux direction p et s. Le calcul des grandeurs ellipsométriques est effectué de manière classique. On note par ailleurs que dans toutes les zones du microscope où les rayons lumineux ont une inclinaison faible par rapport à la normale, on peut is sans difficulté introduire des composants de polarisation présentant une symétrie cartésienne, car les effets de polarisation à symétrie cylindrique, liés à l'incidence sur les lentilles, sont faibles. C'est le cas des zones avant et après la séparatrice d'un microscope épiscopique, respectivement du côté de l'illumination et de l'observation (conduit d'illumination et « tube » d'un 20 microscope confocal). Les composants de contrôle et de modulation de la polarisation sont donc préférentiellement disposés dans ces zones. Dans un certain nombre d'ellipsomètres (à modulateur photoélastique ou à compensateur tournant), l'un des bras (illumination ou détection) comprend un seul polariseur dont l'axe de polarisation linéaire est orienté à 25 45° degrés de la direction P. On utilise avantageusement le polariseur présent dans un microscope et orienté de façon à ce que la polarisation linéaire incidente sur le convertisseur de polarisation soit situé à 45° (à +/-15 degrés près) de l'axe uX du convertisseur et on rajoute un bras de détection ellipsométrique à modulation de polarisation au niveau ou après le tube du 30 microscope, qui est la partie du trajet optique proche de l'oculaire et/ou de la caméra de visualisation. Alternativement, on peut préférer rajouter la modulation sur le bras d'éclairement, après la source et utiliser l'analyseur comme bras ellipsométrique d'analyse, orienté de façon à ce que la polarisation linéaire incidente sur le convertisseur de polarisation soit situé à 35 45° (à +/-15 degrés près) de l'axe uX du convertisseur.
Du fait de cette orientation à 45° environ, on note que l'état de polarisation de la lumière incidente sur l'échantillon n'est ni purement radial de purement de manière azimutal, mais comprend une combinaison des deux composantes de polarisation radiale et azimutale. Le dispositif de l'invention permet ainsi de générer un faisceau incident ayant un état de polarisation combiné radial et azimutal incident, qui est différent de l'état de polarisation généré dans des dispositifs antérieurs où on utilise un convertisseur de polarisation essentiellement en tant que polariseur soit radial io soit azimutal.
5) Combinaison Mueller-mètre et microscope
De manière analogue, on peut combiner un dispositif qui mesure la 15 matrice de Muller, et un microscope. Par exemple, le dispositif de mesure de la matrice de Mueller commercialisé par Jobin Yvon sous le nom d'ellipsomètre MM16, comportant un bras d'illumination et un bras de détection peuvent être agencés avec en aval un convertisseur de polarisation et une lentille à grande ouverture (N.A. > 0.5 de préférence N.A. > 0.8) ou un 20 objectif de microscope (lui aussi de grande ouverture, le mieux étant N.A.> =0.9 mais on peut commencer à travailler dès N.A.> 0.5). Selon une variante de ce mode de réalisation, on combine un microscope et un imageur de Mueller, tel que décrit dans « Mueller Polarimetric Imaging System with Liquid Crystals » B. Laude-Boulesteix, A. De 25 Martino, B. Drévillon, and L. Schwartz , Applied Optics, Vol. 43, Issue 14, pp. 2824-2832 (2004). II. Variantes de l'invention 30 On va maintenant voir quelques modes particuliers de fonctionnement qui s'appliquent à l'ensemble des dispositifs précédents
1) Fonctionnement spectroscopique Selon un mode de réalisation particulier, comme cela est classique en 35 ellipsométrie, on travaille à une longueur d'onde fixe, correspondant à la longueur d'onde d'émission de la source (laser ou diode par exemple), ou à une longueur d'onde filtrée spectralement au moyen d'un filtre ou d'un monochromateur. Selon un autre mode de réalisation particulier, on utilise avantageusement un spectromètre au niveau de la détection pour obtenir des s mesures spectroscopiques.
2) Fonctionnement en imagerie à plusieurs longueurs d'onde Lorsque l'on réalise de l'imagerie à contraste ellipsométrique avec un ellipsomètre à extinction, le réglage de l'extinction ne fonctionne généralement io sur une plage limitée de longueur d'onde, du fait que les grandeurs ellipsométriques dépendent de la longueur d'onde (et aussi du fait du chromatisme de certains composants optiques, tels qu'une lame à retard). Dans ce cas, on ajuste la plage de longueur d'onde de façon à obtenir des bonnes conditions d'extinction. 15 Toutefois, lorsque l'on observe des objets transparents et très peu épais sur des substrats transparents, comme du verre, dont l'indice varie faiblement avec la longueur d'onde, les conditions de l'extinction peuvent être stables sur une grande plage de longueur d'onde. On utilise alors préférentiellement un compensateur achromatique pour bénéficier d'un 20 contraste ellipsométrique élevé en lumière blanche. Pour pouvoir disposer d'une information ellipsométrique résolue spectroscopiquement sur les objets disposés sur le substrat transparent, on utilise avantageusement une caméra couleur conventionnelle, ou bien plusieurs caméras équipées de filtres en longueur d'onde. 25 3) Procédures de calibration Lors de la traversée d'objectif de microscope présentant une ouverture élevée, les rayons lumineux subissent en général un déphasage qui dépend de la polarisation de l'onde, les polarisations propres correspondant à une 30 polarisation linéaire dans le plan radial de l'objectif (repérée par ur), ou son plan azimutal (repérée par us,). Appelons de manière générale tr et te les coefficients de transmission pour ces deux polarisations propres sur tout le domaine « symétrie cylindrique » délimité par le convertisseur de polarisation, correspondant à l'aller-retour dans l'objectif pour un système en réflexion ou à 35 la traversée du condenseur et de l'objectif pour un système en transmission).
Les coefficients tr et te dépendent de la distance r à l'axe 8 de l'objectif 7 (que l'on peut relier à l'angle d'incidence 9 lorsque le diaphragme de champ est assez fermé). La mesure ellipsométrique donne en fait non pas rp/rs mais (rp.tr)/(rs.tq,).
On mesure tr/tq, en effectuant une mesure ellipsométrique sur un substrat de référence, pour différents angles d'incidence O. On peut alors corriger la mesure ellipsométrique de l'effet de l'objectif.
4) Multi-angle d'incidence io Dans le cas où l'on observe en imagerie des échantillons très minces sur un substrat, on souhaite augmenter le flux lumineux destiné à l'observation. Selon un mode de réalisation particulier, on dispose une lame retard (dite couramment lame quart d'onde) dans le plan du diaphragme d'ouverture. On utilise de préférence une lame dont les axes sont uniformes is dans un repère cartésien, mais dont l'épaisseur varie en fonction de la distance à l'axe optique afin d'introduire un retard adapté à l'angle d'incidence. Cette lame permet de conserver de bonnes conditions d'annulation du fond ellipsométrique. Selon un autre mode de réalisation particulier, on dispose en outre, 20 dans le plan du diaphragme d'ouverture, un filtre coloré comportant trois anneaux de couleurs ainsi que des anneaux de diaphragme, pour permettre d'associer trois plages d'incidence différentes à trois couleurs différentes. L'observation directe de l'image obtenue au moyen d'une caméra trois couleurs (RGB par exemple) permet d'extraire des images correspondant 25 respectivement aux différents angles d'incidence.
5) Fonctionnement en mode Scattéromètre Selon un autre mode de réalisation de l'invention, plutôt que d'analyser le rayonnement réfléchi spéculairement, on peut aussi s'employer à analyser 30 la lumière diffusée angulairement. Pour cela, on utilise un diaphragme annulaire d'ouverture et on analyse la polarisation au moyen d'une lentille de type lentille de Bertrand placée dans le tube du microscope, selon une configuration d'analyse du signal ellipsométrique en incidence normale. 6) Utilisation conjointe d'un ellipso-microscope ou d'un microscope à contraste ellipsométrique avec un Dispositif à contraste interférentiel (aussi appelé « Nomarski ») Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, on conjugue s les bénéfices de l'imagerie à constraste ellipsométrique et Nomarski, en modifiant un microscope équipé d'un dispositif à contraste de Nomarski (aussi appelé Differential Interference Contrast) pour lui ajouter : * un convertisseur de polarisation entre le prisme de Nomarski et l'objectif, le convertisseur étant centré sur l'axe de l'objectif, sa face io « cartésienne » étant du côté du Nomarski, sa face « à symétrie cylindrique » étant du côté de l'objectif, et ses directions propres uX, us,, étant sensiblement parallèles aux directions propres du prisme de Nomarski, et à 45 degré des axes du polariseur ; un diaphragme annulaire d'ouverture, permettant de 15 sélectionner une plage d'incidence ; * une lame retard orientable située avant l'analyseur. On utilise ce système en cherchant les conditions d'annulation du contraste ellipsométrique et en insérant ensuite le prisme de Nomarski. Selon une variante de ce mode de réalisation, on peut échanger le rôle 20 de l'analyseur et du polariseur, à condition de placer la lame retard après le polariseur.
7) Utilisation en tant qu' ellipsomètre imageur à grand champ et incidence élevée 25 En utilisant un objectif d'ouverture numérique élevée et de faible grandissement, on obtient un ellipsomètre imageur à grand champ. Comme exposé plus haut, le principe de l'invention permet de nouvelles et très prometteuses applications. 30 Le double passage de la lumière à travers le convertisseur pour effectuer à l'aller une conversion « cartésien vers cylindrique » et au retour une conversion « cylindrique vers cartésien » évite l'utilisation d'un analyseur radial et d'un système de traitement du signal complexe dédié à une géométrie radiale. Au contraire, le dispositif de l'invention permet d'utiliser un 35 analyseur linéaire et des moyens de détection standard.
A la différence des dispositifs polarimétriques antérieurs à conversion de polarisation radiale, l'invention utilise au niveau de l'échantillon un faisceau à distribution de polarisation de type cylindrique généralisé, comprenant un état de polarisation quelconque, qui n'est ni purement radial, c'est à dire p, ni purement circonférentiel, c'est à dire s. Ceci est fondamental en ellipsométrie, puisqu'on s'intéresse au rapport rp sur rs. Or, dans les dispositifs polarimétriques antérieurs qui exploitent uniquement soit l'un ou soit l'autre des états de polarisation p (en radial) ou s (en azimutal), il n'est pas possible d'extraire d'information sur le rapport rp sur rs. io Dans le domaine de l'ellipsométrie, où l'invention permet d'obtenir des mesures ellipsométriques avec un fort grossissement optique tout en conservant une excellente luminosité ce qui permet d'obtenir des mesures avec une résolution micrométrique sur l'échantillon. Dans le domaine de la microscopie, il devient possible de modifier un is microscope standard pour le transformer en micro-ellipsomètre par l'insertion d'un accessoire convertisseur de polarisation. Enfin, dans le domaine des microscopes imageurs, l'invention permet d'améliorer le contraste des images par un dispositif de contraste ellipsométrique performant. 5 15 20 25 30 35
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure polarimétrique à résolution microscopique comprenant : une partie excitation comprenant : - une source de lumière (1) apte à émettre un faisceau lumineux incident sur un domaine de longueur d'onde et, - un générateur d'état de polarisation (2, 13, 15) apte à générer un faisceau optique incident présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - des premiers moyens de conversion de polarisation (10) aptes à recevoir ledit faisceau optique incident de polarisation spatialement uniforme et à le convertir en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique et selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; - des moyens optiques de focalisation (7) ayant un axe optique (8) pour focaliser ledit faisceau à polarisation de symétrie cylindrique sur la surface d'un échantillon (5) à mesurer, ledit axe optique (8) étant confondu avec la normale à l'échantillon (5) ; une partie analyse comprenant : - des moyens optiques de collection (7) pour collecter le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon (5), lesdits moyens optique de collection ayant un axe optique (8) confondu avec l'axe optique dudit faisceau lumineux réfléchi ou transmis ; - des seconds moyens de conversion de polarisation (10, 10') disposés de manière à recevoir ledit faisceau lumineux collecté, lesdits seconds moyens de conversion de polarisation étant aptes à convertir un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique selon laquelle un vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale et d'une composante azimutale de 20 25 30 35polarisation en un faisceau ayant une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ; - un analyseur d'état de polarisation (3, 14, 15') apte à recevoir le faisceau optique converti par les seconds moyens de polarisation (10) et à analyser l'état de polarisation dudit faisceau optique suivant une base cartésienne d'états de polarisation ; - des moyens de détection (4) aptes à recevoir ledit faisceau lumineux analysé en polarisation par l'analyseur. Io
- 2. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premiers moyens de conversion de polarisation et les seconds moyens de conversion de polarisation sont formés par un unique convertisseur de polarisation (10) utilisé suivant deux directions de propagation 15 opposées et en ce que lesdits moyens optiques de focalisation (7) et de collection (7) sont confondus.
- 3. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit convertisseur de polarisation (10) est un convertisseur à cristaux liquides comprenant une face à symétrie cartésienne et une face à symétrie dylindrique.
- 4. Dispositif de mesure polarimétrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit convertisseur de polarisation est un convertisseur de polarisation apte à convertir la distribution d'état de polarisation de cartésien en cylindrique tout en conservant l'état de polarisation du faisceau.
- 5. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le générateur d'état de polarisation (13, 15) est un polariseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit polariseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des premiers moyens de conversion de polarisation (10) de manière à former un angle non nul. 20 25 30
- 6. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'analyseur d'état de polarisation est un analyseur linéaire spatialement uniforme et en ce que l'axe de polarisation dudit analyseur linéaire est orienté par rapport à un axe propre des seconds moyens de conversion de polarisation de manière à former un angle non nul. io
- 7. Dispositif de mesure polarimétrique selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens optiques de séparation (6) du faisceau incident sur l'échantillon et du faisceau réfléchi ou transmis par l'échantillon, lesdits moyens optiques de séparation (6) étant disposés sur le 15 trajet optique entre le générateur d'état de polarisation (13, 15) et le convertisseur de polarisation (10).
- 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un diaphragme de champ (17a), un diaphragme d'ouverture (16, 16a) et/ou des moyens d'analyse spectroscopique des signaux détectés.
- 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que lesdites mesures polarimétriques sont des mesures ellipsométriques, des mesures d'ellipsométrie de Mueller ou des mesures de scattérométrie.
- 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend un prisme de Nomarski, le convertisseur (10) étant situé entre le prisme de Nomarski et lesdits moyens optiques de focalisation (7).
- 11.Accessoire polarimétrique pour microscope comprenant : 5 15 20 25 30un générateur d'état de polarisation apte à recevoir un faisceau optique incident et à générer un faisceau optique présentant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - un convertisseur de polarisation radial ou cylindrique apte à convertir un faisceau se propageant dans une première direction de propagation axiale et ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme en un faisceau ayant une distribution du vecteur de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique, et réciproquement ledit convertisseur étant apte à convertir un faisceau se propageant une seconde direction axiale contra-propagative à la première direction et ayant une distribution du vecteur de polarisation présentant une symétrie cylindrique autour de l'axe optique en un faisceau ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - un analyseur d'état de polarisation selon une base cartésienne d'état de polarisation ; - ledit convertisseur (10) étant disposé sur le trajet optique entre le générateur d'état de polarisation (13, 15) et l'objectif (7) de microscope d'une part et entre l'objectif de microscope (7) et l'analyseur d'état de polarisation (14, 15') d'autre part.
- 12. Microscope-ellipsomètre imageur comprenant un accessoire selon la revendication 11, un objectif de microscope (7) d'ouverture numérique supérieure ou égale à 0,7 et un détecteur imageur.
- 13. Microscope à contraste ellipsométrique comprenant un accessoire selon la revendication 11,comprenant : - un premier convertisseur (10) pour diriger un faisceau optique vers un échantillon (5) à mesurer, - un second convertisseur (10') pour diriger le faisceau optique réfléchi ou transmis par l'échantillon (5) vers un substrat de référence (SREF), 10 15 20 25 30 35- lesdits premier et second convertisseur (10, 10') ayant leurs axes propres orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.
- 14. Procédé de mesure polarimétrique comprenant les étapes suivantes : - on génère un faisceau lumineux incident ayant une distribution d'état de polarisation spatialement uniforme ; - on convertit la distribution du vecteur de polarisation dudit faisceau incident en une distribution d'état de polarisation présentant une symétrie cylindrique ou semi-cylindrique autour de l'axe optique, selon laquelle chaque vecteur de polarisation comprend une combinaison linéaire d'une composante radiale non nulle et d'une composante azimutale non nulle ; - on focalise ledit faisceau de polarisation à symétrie cylindrique ou semi-cylindrique sur la surface d'un échantillon (5) à mesurer suivant un axe optique (8) confondu avec la normale à l'échantillon (5) ; - on collecte le faisceau lumineux réfléchi ou transmis par l'échantillon(5) ; - on convertit la distribution spatiale d'état de polarisation du faisceau collecté de manière à convertir une distribution d'état de polarisation de symétrie cylindrique autour de l'axe optique en une distribution spatialement uniforme d'état de polarisation ; - on analyse l'état de polarisation du faisceau collecté et converti en polarisation ; - on détecte le faisceau analysé.
- 15. Procédé de mesure polarimétrique selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'une des étapes suivantes : on analyse spectroscopiquement le faisceau détecté ; - on détecte une image de la surface de l'échantillon sur un détecteur imageur ; et/ou - on détecte une image d'un plan conjugué optiquement de la surface de l'échantillon.
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