FR3045813A1 - Dispositif et procede de mesure de hauteur en presence de couches minces - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, comprenant un interféromètre à faible cohérence agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulations spectrales, lequel dispositif comprenant en outre (i) des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative, et (ii) des moyens électroniques et de calcul (20) agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17), et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24). L'invention concerne aussi un procédé mis en œuvre dans ce dispositif.

Description

« Dispositif et procédé de mesure de hauteur en présence de couches minces »
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif et un procédé permettant de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'échantillons tels que des wafers en présence de couches minces.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des systèmes de mesure optiques pour l'industrie semi-conducteur.
Etat de la technique antérieure
Il est souvent nécessaire d'effectuer des mesures de hauteur, de forme ou d'épaisseur sur des wafers au cours de process de fabrication de composants semiconducteurs. Ces mesures peuvent porter par exemple sur des formes ou des planéités de surface, des épaisseurs totales, ou des épaisseurs de couches.
Pour cela, il est connu d'utiliser des techniques optiques, dont en particulier des techniques d'interférométrie à faible cohérence qui mettent en œuvre des sources optiques à spectre large. Ces techniques sont pour l'essentiel de deux sortes : - les techniques avec une détection dans le domaine temporel; - les techniques avec une détection dans le domaine spectral.
Les techniques avec une détection dans le domaine temporel utilisent une ligne à retard temporelle qui permet de reproduire les délais de propagation des ondes de mesure réfléchies par des interfaces de l'objet à mesurer et de les faire interférer avec une onde de référence. On obtient ainsi sur un détecteur des pics d'interférences représentatifs de la position des interfaces de l'objet. Ces techniques temporelles permettent d'atteindre des étendues de mesure importantes, limitées uniquement par la course de la ligne à retard. En utilisant une source à large spectre émettant dans l'infrarouge elles permettent de mesurer des épaisseurs de matériaux semi-conducteurs tels que du silicium. Les épaisseurs minimales mesurables sont limitées par la largeur de l'enveloppe des interférogrammes, qui dépend de la forme et de la largeur du spectre de la source.
Ainsi, avec une diode superluminescente émettant dans l'infrarouge (1310 nm ou 1550 nm par exemple), il est possible de mesurer des épaisseurs de silicium ou de couches transparentes de l'ordre de quelques dizaines de microns à plusieurs millimètres.
Les techniques basées sur l'interférométrie à faible cohérence dans le domaine spectral sont en général plutôt destinées à des mesures de couches minces, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de microns. La lumière réfléchie par les interfaces de l'objet à mesurer est analysée dans un spectromètre. Les épaisseurs ou distances entre interfaces de l'objet à l'origine des réflexions introduisent des modulations dans le spectre détecté qui permettent de les mesurer.
On connaît par exemple le document EP 0 747 666 qui décrit un système basé sur l'interférométrie à faible cohérence dans le domaine spectral permettant de mesurer des distances entre interfaces en présence de couches minces, à partir d'une modélisation mathématique de la phase des ondulations du spectre mesuré.
En pratique, les wafers dont on souhaite mesurer l'épaisseur peuvent être recouverts d'une couche mince de matériau transparent. On rencontre par exemple des configurations dans lesquelles on souhaite mesurer l'épaisseur de wafers de silicium de 300 pm à 700 pm d'épaisseur recouverts d'une couche de polyimide de l'ordre de 10 pm d'épaisseur. Cette configuration est problématique car aucune des techniques citées précédemment ne permet de mesurer l'épaisseur totale de manière satisfaisante : - Les techniques d'interférométrie à faible cohérence avec une détection dans le domaine temporel (et une source infrarouge) permettent de mesurer l'épaisseur de silicium, mais elles ne permettent pas de distinguer les interfaces de la couche mince de polyimide, trop proches au regard de la largeur des interférogrammes. Même si l'on ne souhaite pas connaître l'épaisseur de la couche mince elle entraîne une incertitude de mesure de l'ordre de son épaisseur ; - Les techniques d'interférométrie à faible cohérence avec une détection dans le domaine spectral permettent de mesurer l'épaisseur de la couche mince, mais leur étendue de mesure est trop limitée pour mesurer l'épaisseur de silicium.
La présente invention a pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des épaisseurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets tels que des wafers en présence de couches minces sans dégradation de la précision de mesure.
La présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif et un procédé qui permette de mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets tels que des wafers, avec à la fois une étendue de mesure importante et une résolution permettant de mesurer des couches minces.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure tel qu'un wafer, comprenant un interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique et agencé pour combiner dans un spectromètre un faisceau optique de référence issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence et un faisceau optique de mesure issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure, de sorte à produire un signal de spectre cannelé avec des fréquences de modulations spectrales, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens de déplacement pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence, et des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative, et - des moyens électroniques et de calcul agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure et le faisceau optique de référence, et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure.
Les moyens de déplacement pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence (ou en d'autres termes la différence de longueur optique des faisceaux optiques de mesure et de référence) peuvent comprendre par exemple un dispositif de translation mécanique permettant de déplacer : - la surface de référence relativement à un élément séparateur de faisceaux de l'interféromètre, de sorte à faire varier la longueur du faisceau optique de référence ; - l'ensemble de l'interféromètre relativement à l'objet à mesurer, ou l'objet relativement à l'interféromètre, de sorte à faire varier la longueur du faisceau optique de mesure.
Les moyens de mesure d'une information de position peuvent comprendre tous moyens, tels qu'une règle optique ou un télémètre laser, pour mesurer la position de l'élément en mouvement.
La lumière polychromatique peut comprendre un spectre s'étendant dans des longueurs d'ondes visibles et/ou des longueurs d'ondes infrarouges.
Le signal de spectre est dit « cannelé » quand la différence de longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence est suffisamment grande pour qu'on puisse identifier au moins une période de modulation spectrale dans le signal de spectre (donc sur la largeur spectrale du signal de spectre). Bien entendu, le signal de spectre peut comprendre également des modulations de période supérieure à la largeur spectrale du signal de spectre, correspondant à des couches très minces.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une tête de mesure avec la surface de référence, et des moyens de déplacement en translation aptes à déplacer relativement ladite tête de mesure et l'objet de mesure selon une direction sensiblement parallèle à un axe optique du faisceau optique de mesure.
Dans ce cas, les moyens de déplacement permettent de faire varier la longueur optique du faisceau de mesure relativement au faisceau de référence.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une surface de référence sous la forme d'une lame semi-réfléchissante insérée dans le trajet du faisceau optique de mesure.
Suivant d'autres modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre une tête de mesure avec un élément optique séparateur apte à générer un faisceau optique de mesure et un faisceau optique de référence distincts.
Le dispositif selon l'invention peut notamment comprendre une tête de mesure avec un interféromètre de l'un des types suivants : Mirau, Linnick, Michelson, pour générer les faisceaux optiques de mesure et de référence.
Un interféromètre de Mirau comprend un élément optique séparateur avec une lame semi-réfléchissante perpendiculaire à l'axe du faisceau incident et une surface de référence sous la forme d'un miroir inséré au centre du faisceau incident.
Un interféromètre de Michelson ou un interféromètre de Linnick comprennent un élément optique séparateur avec une lame semi-réfléchissante ou un cube séparateur agencé pour générer un faisceau de mesure et un faisceau de référence sensiblement perpendiculaires, et une surface de référence sous la forme d'un miroir inséré dans le faisceau de référence.
Un interféromètre de Linnick comprend en outre des lentilles ou des objectifs insérés dans les bras de l'interféromètre correspondant au faisceau de référence et au faisceau de mesure.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens de translation aptes à déplacer relativement le faisceau optique de mesure et l'objet de mesure dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe optique du faisceau de mesure.
Ces seconds moyens de translation permettent de déplacer le faisceau optique de mesure sur la surface de l'objet (ou inversement) de sorte à pouvoir mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs en différent points de cet objet.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre un support apte à recevoir l'objet de mesure, et un objet de référence avec une hauteur et/ou des épaisseurs connues agencé sur ou faisant partie dudit support.
Le support peut être par exemple un chuck de wafer, pour recevoir un objet de mesure de la forme d'un wafer. L'objet de référence peut être par exemple une portion de wafer de caractéristiques connues placé sur ou solidaire du support. Il peut être aussi constitué d'une portion du support ou du chuck de hauteur calibrée. L'objet de référence peut être également constitué par une face d'appui du support destinée à recevoir l'objet à mesurer, ou une surface coplanaire de cette face d'appui. L'objet de référence permet d'étalonner le système de mesure, en effectuent des mesures de hauteurs et/ou d'épaisseurs connues sur sa surface.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure incident sur l'objet à mesurer selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure.
Cette configuration permet de faire des mesures en étrier, par exemple pour effectuer des mesures d'épaisseur totale sur l'objet de mesure. Ces mesures d'épaisseur totale peuvent notamment être déduites de mesures de distances réalisées de part et d'autre de l'objet de mesure.
Les seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur peuvent être également étalonnés en effectuant des mesures sur l'objet de référence.
Suivant d'autres modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des seconds moyens mécaniques de mesure de distance avec un palpeur mécanique en contact avec une seconde face de l'objet à mesurer à l'opposé du faisceau de mesure.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur de l'un des types suivants : - interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral, - interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel, - système confocal chromatique.
Dans le cas d'un interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral, il peut être identique ou différent du premier interféromètre. Il peut également mettre en œuvre une lumière avec des longueurs d'ondes visibles et/ou infrarouges.
Un système confocal chromatique est un système de mesure qui utilise un élément optique dispersif pour focaliser différentes longueurs d'ondes à différentes distances, et une détection spectrale pour identifier les longueurs d'ondes réfléchies et ainsi la position des interfaces à l'origine de ces réflexions.
Suivant un autre aspect, il est proposé un procédé pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure tel qu'un wafer, mettant en œuvre un interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique et agencé pour combiner dans un spectromètre un faisceau optique de référence issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence et un faisceau optique de mesure issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure, de sorte à produire un signal de spectre cannelé avec des fréquences de modulation spectrales, Lequel procédé comprenant des étapes : - de mesure d'une information de position représentative de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence, - de détermination d'au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure et le faisceau optique de référence, - de détermination, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, d'au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape d'identification des fréquences de modulation spectrale dont la valeur varie avec une variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence de sorte à obtenir au moins une fréquence de modulation spectrale dans un intervalle de valeurs prédéterminé.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre des étapes : - de calcul d'un signal de modulation spectrale représentatif de l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de spectre cannelé, - d'identification de pics d'amplitude représentatifs de fréquences de modulation spectrale dans ledit signal de modulation spectrale.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de calibrage comprenant une mesure de hauteur et/ou d'épaisseur sur un objet de référence de hauteur et/ou d'épaisseur connue, de sorte à établir une relation entre au moins une information de position de la surface de référence, au moins une fréquence de modulation spectrale, et au moins une hauteur et/ou une épaisseur.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de mesure d'une seconde information de hauteur et/ou d'épaisseurs en utilisant des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure incident sur l'objet à mesurer selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure, de sorte à déterminer une information d'épaisseur dudit objet à mesurer.
Suivant un aspect particulièrement avantageux, le procédé de mesure selon l'invention met en œuvre un interféromètre à faible cohérence avec une détection en mode spectral dans une configuration qui permet d'effectuer des mesures de distances absolues sur des étendues de mesure importantes. On peut ainsi exploiter un avantage de ce type de détection spectrale qui est de permettre de distinguer des interfaces très proches, et obtenir un dispositif et un procédé de mesure de distances et/ou d'épaisseurs qui combine une grande étendue de mesure et une résolution (ou une capacité à distinguer des interfaces proches) également importante.
Pour cela : - On ajuster la différence de longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure et de référence en déplaçant de manière connue un élément de l'interféromètre (ou l'objet de mesure) de sorte que la fréquence de modulation spectrale correspondante du signal de spectre cannelé soit dans une gamme de valeurs où elle peut être mesurée dans de bonnes conditions ; - On utilise cette information de déplacement d'un élément de rinterféromètre ainsi que la ou les fréquences de modulations spectrales mesurées pour calculer une hauteur absolue de l'objet de mesure. - on calibre la mesure sur un objet de référence de hauteur connue pour établir une relation entre l'information de déplacement d'un élément de l'interféromètre et la hauteur absolue ;
Pour mesurer une épaisseur d'objet, on effectue une autre mesure sur la face opposée de l'objet, avec un dispositif similaire ou différent, optique ou même mécanique (palpeur à contact).
Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la Fig. 1 illustre un mode de réalisation de dispositif selon l'invention, - la Fig. 2 illustre un mode de réalisation de l'interféromètre sous la forme d'un interféromètre de Michelson, - la Fig. 3 illustre un mode de réalisation de l'interféromètre sous la forme d'un interféromètre de Mirau, - la Fig. 4 illustre, (a) un signal de spectre cannelé, et (b) une transformée de Fourier du spectre cannelé, - la Fig. 5 illustre les étapes du procédé selon l'invention.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
On va décrire, en référence à la figure 1, un premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention pour mesurer des hauteurs ou des épaisseurs d'objets de mesure 24.
Dans le mode de réalisation présenté, le dispositif selon l'invention est destiné plus particulièrement à mesurer des objets de mesure 24 sous la forme de wafers 24 en cours de process.
Comme illustré, ces wafers 24 peuvent comprendre une ou plusieurs couches minces 25 déposées sur leur surface.
Ces wafers 24 peuvent par exemple comprendre une épaisseur de silicium de 450 pm à 700 pm et une couche de polyimide, oxyde de silicium, nitrure de silicium ou autres diélectriques transparent de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns.
De manière habituelle ces couches minces sont au moins partiellement transparentes aux longueurs d'ondes visibles. Le silicium est transparent aux longueurs d'onde infrarouges. Toutefois, selon les échantillons, la couche de silicium peut comprendre des couches opaques (composant, transistors, couches ou pistes métalliques ...).
Dans ces conditions, comme expliqué précédemment, les méthodes connues pour mesurer l'épaisseur totale du wafer ne sont en général pas en mesure de séparer ou résoudre les interfaces des couches minces, surtout quand elles sont transparentes dans les longueurs d'ondes de mesure. Même si l'on ne cherche pas à mesurer l'épaisseur de ces couches mais seulement l'épaisseur totale du wafer 24, la précision de la mesure est limitée par l'indétermination sur la détection des interfaces des couches minces 25. A l'inverse, ces couches minces peuvent être mesurées ou leurs interfaces distinguées avec des techniques d'interférométrie à faible cohérente opérant dans le domaine spectral, en utilisant une source de lumière avec un spectre suffisamment étendu en fréquences. Toutefois ces techniques ne permettent pas de mesurer des épaisseurs optiques importantes (telles que 700 pm de silicium, qui correspondent à une épaisseur optique supérieure à 2 mm en tenant compte de l'indice de réfraction du silicium qui est de l'ordre de 3.5) cas les oscillations du spectre cannelé deviennent trop rapprochées pour pouvoir être échantillonnées par le détecteur.
En outre, les wafers 24 à mesurer peuvent être fortement déformés, ce qui nécessite un système de mesure avec une étendue de mesure importante.
Le cœur du dispositif de mesure selon l'invention est constitué par un interféromètre à faible cohérence intégré dans une tête de mesure 10.
La tête de mesure 10 est fixée à des moyens de déplacement 21 avec une platine de translation motorisée qui permet de la déplacer selon un axe Z relativement au châssis de l'appareil sur lequel cette platine de translation est fixée. La platine de translation est équipée de moyens de mesure d'une information de position sous la forme d'une règle optique, qui permettent d'en mesurer précisément son déplacement et sa position. L'interféromètre est illuminé par une source optique lia large spectre qui émet une lumière polychromatique 12 dans le spectre visible. Dans le mode de réalisation présenté, cette source comprend une source halogène, ou deutérium halogène avec un spectre s'étendant jusqu'à 300 nm dans l'ultraviolet. L'interféromètre comprend une lame séparatrice 13 qui dirige la lumière de la source 11 vers l'objet à mesurer 24.
Une partie de la lumière est réfléchie sur une surface de référence 14 constituée par une lame semi réfléchissante 14, pour former un faisceau optique de référence 17.
Une partie de la lumière de la source est transmise au travers de la lame semi réfléchissante 14 pour former un faisceau optique de mesure 16. Ce faisceau optique de mesure 16 est focalisé sur l'objet à mesurer 24 (le wafer 24) par un objectif ou une lentille 15.
Le faisceau optique de mesure 16 est positionné relativement à l'objet de mesure 24 de sorte que son axe optique 19 soit sensiblement perpendiculaire aux interfaces de cet objet 24. Dans le mode de réalisation présenté, cet axe optique 19 est sensiblement parallèle à Taxe de déplacement Z des moyens de déplacement 21.
La lumière du faisceau de mesure 16 est réfléchie sur les interfaces de l'objet à mesurer 24, et notamment dans l'exemple illustré par les interfaces de la couche mince 25.
Les faisceaux des mesure 16 et de référence 17 réfléchis sont dirigés au travers de la lame séparatrice 13 vers un spectromètre de détection 18.
Ce spectromètre 18 comprend un réseau diffractif qui disperse spatialement en fonction de des fréquences optiques la lumière combinée des faisceaux de mesure 16 et de référence 17, et un capteur linéaire (CCD ou CMOS) dont chaque pixel reçoit la lumière issue du réseau diffractif correspondant à une gamme particulière de fréquences optiques.
Le spectromètre est relié à des moyens électroniques et de calcul 20 sous la forme d'un ordinateur 20. L'objet à mesurer 24, qui est dans le mode de réalisation illustré un wafer 24, est positionné sur un support 23, qui a la forme d'un support de wafer 23 (« chuck » en Anglais).
Le dispositif comprend en outre un objet de référence 26 sous la forme d'une portion de wafer 26 d'épaisseur connue. Cet objet de référence 26 est positionné sur support de wafer 23.
Le support de wafer 23 est fixé sur des seconds moyens de translation 22 sous la forme d'une platine de translation 22 qui assure son déplacement (relativement au châssis de l'appareil par exemple) dans un plan X-Y sensiblement perpendiculaire à l'axe optique 19 du faisceau de mesure 16.
Ces seconds moyens de translation 22 permettent de positionner le faisceau de mesure 16 en tout point de la surface du wafer 24, et sur l'objet de référence 26.
Le dispositif selon l'invention comprend en outre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur 27 avec un second faisceau de mesure 28 incident sur l'objet à mesurer 24 selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure 16.
Dans le mode de réalisation présenté, ces seconds moyens optiques de mesure 27 comprennent un interféromètre à faible cohérence fonctionnant dans le domaine temporel, avec une ligne à retard temporelle qui permet d'introduire un retard ou une variation de chemin optique variable.
De tels interféromètres sont connus de l'homme du métier, aussi seuls les principes généraux en sont rappelés ici.
La lumière issue d'une source à spectre large est séparée entre un faisceau de référence interne et un faisceau de mesure 28 incident sur l'objet à mesurer. Le faisceau de mesure 28 est réfléchi sur des interfaces de l'objet. Chaque réflexion subit un retard proportionnel au chemin optique jusqu'à l'interface considérée. Ce retard est reproduit dans la ligne à retard de sorte à remettre en phase les faisceaux de mesure et de référence et ainsi générer des pics d'interférences au cours du déplacement de la ligne à retard. La connaissance du déplacement de cette ligne à retard permet de déterminer la position des interfaces à l'origine des pics d'interférence.
On utilise de préférence une source de lumière dans l'infrarouge (autour de 1310 nm par exemple), qui permet de pénétrer le silicium et ainsi d'effectuer également des mesures sur des couches internes au wafer le cas échéant. L'utilisation de deux faisceaux de mesure 16, 28 de part et d'autre de l'objet à mesurer 24 suivant une configuration « en étrier » permet d'effectuer des mesures d'épaisseur sur cet objet 24 en mesurant les distances de ses faces de part et d'autre relativement aux systèmes de mesure. On peut ainsi déterminer l'épaisseur de l'objet 24 dans tous les cas, qu'il soit transparent, opaque, ou partiellement opaque aux longueurs d'ondes de mesure utilisées.
Bien entendu, les seconds moyens de translation 22 permettent également de positionner le second faisceau de mesure 28 en tout point de la seconde surface du wafer 24, et sur une seconde face de l'objet de référence 26 à l'opposé du premier faisceau de mesure 16.
Les Fig. 2 et Fig. 3 illustrent des variantes de modes de réalisation de l'interféromètre qui ont l'avantage de séparer spatialement les faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Ces configurations permettent notamment d'augmenter la distance de travail entre l'interféromètre et l'objet à mesurer 24 sans augmenter la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17.
La Fig. 2 illustre une configuration d'interféromètre de Michelson. La lumière de la source est divisée par un cube séparateur 31 pour former un faisceau de mesure 16 dirigé vers l'objet 24 et un faisceau de référence 17 dirigé vers une surface de référence sous la forme d'un miroir 14. Les faisceaux de mesure et de référence sont sensiblement perpendiculaires.
La Fig. 3 illustre une configuration d'interféromètre de Mirau. La lumière de la source est divisée par une lame semi réfléchissante 32 sensiblement perpendiculaire à l'axe optique 19 du faisceau incident pour former un faisceau de mesure 16 dirigé vers l'objet 24 et un faisceau de référence 17 dirigé vers une surface de référence sous la forme d'un miroir 14. Dans ce cas le miroir de référence 14 est sur l'axe optique 19 du faisceau incident dont il forme une obscuration centrale.
La Fig. 4(a) illustre un signal de spectre cannelé 41 tel qu'il est obtenu à la sortie du spectromètre 18.
Ce signal représente une intensité spectrale I(v) exprimée en fonction de la fréquence optique v. Cette intensité I(v) peut être représentée comme une somme de i fonctions harmoniques correspondant chacune à un signal d'interférence entre deux ondes incidentes sur le spectromètre 18 : I(v) ~ A0(v) + Zi { Aj(v) COS[(2n/c) 2Lj v + q>j] > Où A0 et Aj sont des coefficients d'intensité, tpi un coefficient de phase, c la vitesse de la lumière, et 2 Lj la différence de trajets optiques entre les deux ondes qui interfèrent.
La « fréquence » de modulation spectrale de chacune de ces fonctions harmoniques (qui en fait a une dimension de temps et correspond au retard entre les deux ondes qui interfèrent) peut s'écrite : Tî = (2Lj /c).
Cette « fréquence » de modulation spectrale est donc représentative de la différence de trajets optiques 2Lj entre les deux ondes qui interfèrent.
Pour analyser le signal d'intensité spectrale I(v), on en effectuer une transformée de Fourier, et on obtient un spectre d'amplitude ou signal de modulation spectrale 42 tel qu'illustré à la Fig. 4(b). Il est à noter que ce signal de modulation spectrale 42 est représentatif d'une enveloppe de la fonction d'autocorrélation temporelle des faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Il comprend un pic d'amplitude 43, 44, 45 pour chaque retard
Tj correspondant à une différence de trajets optiques 2L, entre deux ondes qui interfèrent.
Le signal de modulation spectrale 42 illustré à la Fig. 4(b) correspond qualitativement à la situation illustrée à la Fig. 1 dans laquelle on a un objet de mesure 24 avec une couche mince 25.
Bien entendu, les signaux représentés aux Fig. 4(a) et Fig. 4(b) sont purement illustratifs.
Le signal de modulation spectrale 42 comprend un premier pic 43 centré sur un retard τ correspondant à la différence de trajets optiques 2E, où E est l'épaisseur optique de la couche mince 25. Ce premier pic 43 correspond donc à une interférence entre deux composantes du faisceau de mesure 16 réfléchies sur les deux interfaces de l'objet 24 situées de part et d'autre de la couche mince 25.
Il comprend également un second pic 44 et un troisième pic 45 correspondant respectivement à des interférences entre le faisceau de référence 17 et les composantes du faisceau de mesure 16 réfléchies sur l'une et l'autre interfaces de l'objet 24 situées de part et d'autre de la couche mince 25.
Seuls ces seconds et troisièmes pics 44, 45 et les fréquences de modulations spectrales associées sont représentatifs d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure 16 et le faisceau optique de référence 17. Et donc seuls ces seconds et troisièmes pics 44, 45 contiennent une information de hauteur absolue de l'objet.
Il est donc nécessaire pour effectuer une mesure de hauteur sur l'objet 24 de pouvoir discriminer les pics 43 dus uniquement à des interférences entre composantes du faisceau de mesure 16 et les pics d'intérêt 44, 45 qui sont dus à des interférences entre le faisceau de référence 17 et le faisceau de mesure 16 et qui seuls contiennent l'information utile.
Pour cela, on déplace la tête de mesure 10 relativement à l'objet à mesurer 24 avec les moyens de déplacement 21, ce qui fait varier la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17. Seuls les pics d'intérêt 44, 45 dus à des interférences entre le faisceau de référence 17 et le faisceau de mesure 16 se déplacent dans l'étendue de mesure, ce qui permet de les distinguer des autres qui restent stationnaires.
En outre on peut ainsi les positionner dans une zone préférentielle de l'étendue de mesure où ils peuvent être distingués et mesurés dans de bonnes conditions. Pour cela, on positionne les pics d'intérêt 44, 45: - dans l'étendue de mesure (en termes de retards τ ou de différences de trajets optiques 2L) exploitable. Cette étendue de mesure s'étend de zéro (retard nul) à des retards pour lesquels les fréquences de modulation spectrales ne peuvent plus être échantillonnées du fait de la résolution spectrale du spectromètre. - de préférence dans une zone de l'étendue de mesure correspondant à des retards τ ou de différences de trajets optiques 2L supérieurs à ceux correspondants à l'épaisseur des couches minces 25 de l'objet 24.
Il est à noter que : - l'étendue de mesure totale est ainsi essentiellement déterminée par la course des moyens de déplacement 21, et - la résolution, c'est-à-dire la capacité à discriminer des interfaces proches est déterminée par la résolution de la détection spectrale.
Comme expliqué précédemment, l'interféromètre permet de déterminer des différences de trajets optiques 2Lj entre le faisceau de référence et le faisceau de mesure réfléchi par les interfaces de l'objet 24. Il permet donc de déterminer les hauteurs optiques Lj de ces interfaces par rapport à une origine définie par une égalité de chemin optique dans l'interféromètre. On rappelle que les distances ou hauteur optiques correspondent aux distances ou hauteurs géométriques multipliées par l'indice de réfraction des milieux traversés. Dans le mode de réalisation de la Fig. 1, ces hauteurs Lj correspondent à la distance optique entre la surface de référence 14 et les interfaces de l'objet 24 le long de l'axe Z.
Pour calculer la hauteur optique Huî des interfaces de l'objet 24 par rapport à une origine d'un système de coordonnées (X, Y, Z) tel qu'illustré à la Fig. 1, il faut prendre en compte la position PH de l'interféromètre ou de la tête de mesure 10 le long de l'axe Z. Cette position PHest donnée par les moyens de mesure de position de la platine de translation 21, après calibrage. En considérant une position PH et des hauteurs optiques Hui orientées selon l'axe Z, la hauteur optique Huî des interfaces de l'objet 24 est donnée par la relation :
Hui = PH - Lj.
On peut également obtenir des mesures de hauteur optique Hlj des interfaces de l'objet de mesure 24 selon sa face opposée d'une manière similaire avec les seconds moyens optiques de mesure 27. De préférence, ces mesures de hauteur optique Hlj sont mesurées par rapport à la même origine du système de coordonnées (X, Y, Z).
On peut alors déterminer des épaisseurs optiques T de l'objet en additionnant (ou soustrayant selon les conventions de signe) les hauteurs optiques Hu et Hl obtenues selon les deux faces de l'objet 24.
En référence à la Fig. 5, on va maintenant décrire un procédé de mesure de distances et/ou d'épaisseur qui met en œuvre le dispositif de l'invention.
Pour effectuer une mesure : - on positionne le faisceau de mesure sur la surface de l'objet à mesurer 24 au moyen des seconds moyens de translation 22 (étape 50) ; - on déplace la tête de mesure 10 en Z relativement à l'objet à mesurer 24 avec les moyens de déplacement 21 pour faire varier la différence de trajet optique entre les faisceaux de mesure 16 et de référence 17 (étape 51) ; - on identifie le ou les pics d'intérêts 44, 45 comme expliqué précédemment et ou les positionne dans une zone préférentielle de l'étendue de mesure (étape 52) ; - on mesure la ou les différences de trajets optiques Lj correspondant à ces pics d'intérêt 44, 45 dans la gamme de mesure de l'interféromètre (par rapport au retard nul correspondant à une égalité de chemins optiques des faisceaux de mesure 16 et de référence 17 (étape 53); - On calcule la hauteur optique Huî des interfaces de l'objet 24 en prenant en compte la position PH de l'interféromètre comme décrit précédemment (étape 54) ; - pour calculer une épaisseur de l'objet, on effectue également une mesure de hauteur optique Hlj des interfaces de l'objet de mesure 24 selon sa face opposée avec les seconds moyens optiques de mesure 27, et on combine de hauteurs optiques Hu et Hl pour déterminer l'épaisseur (optique) T (étape 55).
On peut ensuite déplacer les faisceaux de mesure sur un autre point de la surface de l'objet 24 pour effectuer une autre mesure et ainsi réaliser une cartographie ou une topologie de l'objet 24. L'étape 51 de déplacement de la tête de mesure 10 peut être omise entre les points de mesures à la surface de l'objet si l'identification des pics d'intérêt est conservée.
Le procédé selon l'invention comprend également une étape de calibrage 56 qui permet de déterminer la valeur de la position PH de l'interféromètre ou de la tête de mesure 10 le long de l'axe Z. Pour cela on effectue une ou plusieurs mesures sur l'objet de référence 26 dont la hauteur Hu est connue, et on en déduit la valeur de la position PH. On peut également calibrer d'une manière similaire les seconds moyens optiques de mesure 27.
Cette procédure de calibrage peut être réalisée une fois avant d'effectuer un ensemble de mesures sur la surface d'un objet 24.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, comprenant un interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique (12) et agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence (14) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulations spectrales, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens de déplacement (21) pour faire varier la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17), et des moyens de mesure d'une information de position représentative de ladite longueur optique relative, et - des moyens électroniques et de calcul (20) agencés pour déterminer au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17), et pour déterminer, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24).
  2. 2. Le dispositif de la revendication 1, qui comprend une tête de mesure (10) avec la surface de référence (14), et des moyens de déplacement en translation (21) aptes à déplacer relativement ladite tête de mesure (10) et l'objet de mesure (24) selon une direction sensiblement parallèle à un axe optique (19) du faisceau optique de mesure (16).
  3. 3. Le dispositif de la revendication 2, qui comprend une surface de référence (14) sous la forme d'une lame semi-réfléchissante (14) insérée dans le trajet du faisceau optique de mesure (16).
  4. 4. Le dispositif de la revendication 2, qui comprend une tête de mesure (10) avec un élément optique séparateur (31, 32) apte à générer un faisceau optique de mesure (16) et un faisceau optique de référence (17) distincts.
  5. 5. Le dispositif de la revendication 4, qui comprend une tête de mesure (10) avec un interféromètre de l'un des types suivants : Mirau, Linnick, Michelson, pour générer les faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17).
  6. 6. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre des seconds moyens de translation (22) aptes à déplacer relativement le faisceau optique de mesure (16) et l'objet de mesure (24) dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe optique (19) du faisceau de mesure (16).
  7. 7. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre un support (23) apte à recevoir l'objet de mesure (24), et un objet de référence (26) avec une hauteur et/ou des épaisseurs connues disposé sur ou faisant partie dudit support (23).
  8. 8. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) avec un second faisceau de mesure (28) incident sur l'objet à mesurer (24) selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure (16).
  9. 9. Le dispositif de la revendication 8, qui comprend des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur (27) de l'un des types suivants : - interféromètre à faible cohérence dans le domaine spectral, - interféromètre à faible cohérence dans le domaine temporel, - système confocal chromatique.
  10. 10. Procédé pour mesurer des hauteurs et/ou des épaisseurs sur un objet de mesure (24) tel qu'un wafer, mettant en œuvre un interféromètre à faible cohérence illuminé par une lumière polychromatique (12) et agencé pour combiner dans un spectromètre (18) un faisceau optique de référence (17) issu d'une réflexion de ladite lumière sur une surface de référence (14) et un faisceau optique de mesure (16) issu de réflexions de ladite lumière sur des interfaces de l'objet de mesure (24), de sorte à produire un signal de spectre cannelé (41) avec des fréquences de modulation spectrales, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes : - de mesure d'une information de position représentative de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17), - de détermination d’au moins une fréquence de modulation spectrale représentative d'une différence de trajet optique entre le faisceau optique de mesure (16) et le faisceau optique de référence (17), - de détermination, en exploitant ladite information de position et ladite au moins une fréquence de modulation spectrale, d'au moins une hauteur et/ou une épaisseur sur ledit objet de mesure (24).
  11. 11. Le procédé de la revendication 10, qui comprend une étape d'identification des fréquences de modulation spectrale dont la valeur varie avec une variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17).
  12. 12. Le procédé de l'une des revendications 10 ou 11, qui comprend en outre une étape de variation de la longueur optique relative des faisceaux optiques de mesure (16) et de référence (17) de sorte à obtenir au moins une fréquence de modulation spectrale dans un intervalle de valeurs prédéterminé.
  13. 13. Le procédé de l'une des revendications 10 à 12, qui comprend en outre des étapes : - de calcul d'un signal de modulation spectrale (42) représentatif de l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de spectre cannelé (41), - d'identification de pics d'amplitude (43, 44, 45) représentatifs de fréquences de modulation spectrale dans ledit signal de modulation spectrale (42).
  14. 14. Le procédé de l'une des revendications 10 à 13, qui comprend en outre une étape de calibrage comprenant une mesure de hauteur et/ou d'épaisseur sur un objet de référence (26) de hauteur et/ou d'épaisseur connue, de sorte à établir une relation entre au moins une information de position de la surface de référence (16), au moins une fréquence de modulation spectrale, et au moins une hauteur et/ou une épaisseur.
  15. 15. le procédé de l'une des revendications 10 à 14 qui comprend en outre une étape de mesure d'une seconde information de hauteur et /ou d'épaisseurs en utilisant des seconds moyens optiques de mesure de distance et/ou d'épaisseur avec un second faisceau de mesure (28) incident sur l'objet à mesurer (24) selon une seconde face à l'opposé du faisceau de mesure (16), de sorte à déterminer une information d'épaisseur dudit objet à mesurer (24).
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