WO2001094898A1 - Ellipsometre spectroscopique a faible bruit - Google Patents

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WO2001094898A1
WO2001094898A1 PCT/FR2001/001781 FR0101781W WO0194898A1 WO 2001094898 A1 WO2001094898 A1 WO 2001094898A1 FR 0101781 W FR0101781 W FR 0101781W WO 0194898 A1 WO0194898 A1 WO 0194898A1
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ellipsometer
noise
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polarizer
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PCT/FR2001/001781
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Frédéric Ferrieu
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France Telecom
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry

Definitions

  • the present invention relates to a low noise spectroscopic ellipsometer.
  • FIG. 1 The principle of an ellipsometer according to a known state of the art has been shown in FIG. 1.
  • Such an ellipsometer conventionally comprises a light source 1, a polarizer 2, an analyzer 3 and a detector 4 associated with a monochromator 5. These different elements are arranged so that the light leaving the source 1 passes through the polarizer 2 before d 'reaching a sample E to be analyzed, then, after reflection on this sample E, passes through the analyzer 3 before reaching the detector 4 after having passed through the monochromator 5, which is generally a photomultiplier.
  • the output of the detector 4 is connected to processing means 6 which implement a Fourier analysis on the modulated signal measured by the detector 4, in order to determine information relating to the surface condition of the sample E.
  • the spectroscopic visible ellipsometers available on the market generally work in a spectral range between 1 ⁇ m and 230 nm and use a Xenon arc source (selected for their high irradiance).
  • ellipsometers capable of working in a wider spectral range than that of the aforementioned ellipsometers have already been proposed and which include an additional source, such as a less punctual Deuterium (D2) source emitting between 130 and 700 nm with a power from 30 to a few hundred Watts or higher.
  • D2 Deuterium
  • the detectors used are generally detectors of the Si, Ge photodiode type or photomultipliers (generally multi-alkaline photomultipliers), operating at ambient temperature.
  • the processing means of most ellipsometers implement a simplified photon counting method, this method being known as the Hadamart method.
  • This method consists in counting photons with a signal sampled in amplitude on a very limited number of channels: eight counters or channels, at each period of rotation of the rotating element. of the ellipsometer (polarizer or rotating analyzer configuration (modulated polarization) and / or rotating blade (phase modulation).
  • a first limitation is directly linked to the fluctuations of the source, that is to say its instability (noise called SNL or "shot noise limited”, according to English terminology).
  • DNL dark current or intrinsic noise linked to the photomultiplier and its internal amplification chain.
  • This noise is commonly called DNL, that is to say “detector noise limited”, according to English terminology. It will be noted that all the frequencies corresponding to the bandwidth of the photomultiplier are generally present there.
  • the sums of Hadamart are calculated by taking into account an offset or "offset" measured previously which corresponds to the leakage noise and to the DNL.
  • the amplitude of the spectral component at 2 ⁇ of the signal is of the same order of magnitude as that of the noise (and especially more particularly in the ultraviolet, where counts of only 100 to 1000 shots per second (cps) are measured).
  • the components of the signal are thus "drowned" in the noise level which itself corresponds to a superposition of spectral density of the noise of the source, a noise of shot in the case of a xenon arc, ambient light and detector and its associated electronics.
  • An object of the invention is to overcome these drawbacks. It notably proposes an ellipsometer structure in which the noise is minimized.
  • the invention proposes a spectroscopic ellipsometer comprising a light source emitting an optical beam, a polarizer arranged on the path of the optical beam emitted by the light source, a sample holder receiving the light beam at the output of the polarizer, an analyzer polarization intended to be crossed by the beam reflected by the sample to be analyzed, a detection assembly which receives the beam at the output of the analyzer and which comprises a monochromator and a photodetector, means for processing the signal at the output of this detection assembly, which includes counting electronics.
  • This ellipsometer has the characteristic of comprising cooling means to maintain the detection assembly at a temperature below ambient temperature, in particular at a temperature of the order of -15 ° C or lower.
  • its source is a Deuterium lamp, which is preferably of a power of the order of 30 watts.
  • the counting electronics is capable of implementing amplitude sampling on a number of channels between 8 (Hadamart equivalent) up to 1024 (filtered Fourier), in particular preferably of the order of 1000 or higher. , especially on a number of channels between 1024 and 8192 (depending on the type of encoder).
  • the processing means implement a Fourier analysis on the signals thus sampled.
  • the proposed ellipsometer allows noise minimization (to optimize its accuracy), i) with total protection from ambient light, ii) no polluting environment (mechanical vibrations and / or sources of electromagnetic noise) and iii) a detector working by counting photons in a minimum intrinsic noise level obtained here by cooling (12) which keeps the detection assembly at below room temperature. More efficient in terms of signal detection, it maintains the possibility of using optical fibers up to 160 nm. This therefore makes it possible to use it in a compact manner in an integrated metrology associated with the current development of clustered tools in the field of thin film technology. The system becomes fully integrated into the frame in situ since it allows the use of films.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an ellipsometer according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3a and 3b are graphs which have been plotted as a function of the wavelength of the parameter measurements ⁇ and ⁇ for an ellipsometer conforming to that of Figure 2 and a standard ellipsometer;
  • FIG. 4 is a graph which has been plotted as a function of the wavelength of direct trace measurements obtained for an ellipsometer conforming to that of Figure 2 and a standard ellipsometer. DESCRIPTION OF POSSIBLE EMBODIMENTS FOR THE INVENTION
  • a spectroscopic ellipsometer according to a possible embodiment of the invention has the following different characteristics.
  • Its source 1 is a single source with low noise, that is to say a source having a dispersion in frequency much lower than that of Xenon arc lamp.
  • Such a source is advantageously a Deuterium D2 lamp.
  • Deuterium D2 lamps are particularly low noise lamps. They exhibit much greater stability than Xenon arc lamps (stability in a 20 ratio), as well as much better stability than other types of lamps in the ultraviolet range and part of the visible range.
  • halogen lamps towards infrared
  • plasma discharge lamps visible and UV
  • plasma source are particularly suitable, even with a spectrum of emission lines (non-continuous).
  • Its photomultiplier 5 is placed, with its magnetic protection, in a low temperature environment, which decreases and stabilizes its dark current.
  • a Peltier cooling system (-15 ° C) is used for this purpose.
  • the noise is reduced by at least a decade (from 200 cps to 10 cps, for example).
  • the instability effects of the offset described above are eliminated.
  • this reduction in current allows measurements to be made at 187 nm, using a low-power lamp and in an unrestricted environment (absence of vacuum or purging with a neutral gas or dry atmosphere).
  • the photomultiplier works in a photon counting mode and is ideally linear (no non-linearity linked to the effects of avalanche overlaps (saturation in analog mode)).
  • This 160 nm limit can then also be crossed by placing oneself in inert atmosphere conditions (nitrogen) and with a PMT (R7639 from Hamamatsu) and a corresponding monochromator.
  • extreme UV 120-160nm
  • the proposed spectroscopic ellipsometer implements counting on a large number of channels: up to more than 1024 channels, which, combined with Fourier analysis, oversamples the signal and constitutes an effective filter of the noise components at high frequencies, ie intrinsic noise from sources and detectors and electronics.
  • the accumulation time is reduced.
  • This counting technique turns out to be far superior to what the Hadamart method allows. It can be done in a simple way with commercial electronics. The oversampling it performs contributes to attenuating noise at all the high frequencies associated with lamp noise.
  • This ellipsometer is of the rotating polarizer type.
  • Source 1 is a deuterium lamp (D 2 ) with 30 watts of power and a source point diameter of 0.5mm (Oriel 63163 or Hamamatsu L7295 or L7296 lamp).
  • the light beam is transferred from the source 1 by means of a 600-micron single-strand fused silica fiber 7 to the rotating polarizer 2.
  • This fiber is in particular to eliminate the residual birefringence of the source 1 .
  • the coupling with the rotating polarizer 2 is carried out by means of a convergent element 8 made of fused silica, selected for its low residual birefringence and its transparency in the ultraviolet.
  • the sample E to be analyzed is placed at the outlet of the polarizer 2, on a support 9 with adjustable orientation.
  • the beam reflected by the sample is sent to the analyzer 3.
  • the polarizer 2 and the analyzer 3 are made of MgF2 (for example, they are constituted by analyzers and polarizers from the company Fichou / Optique, which certifies 2.5 degree of deviation at 250nm and a bandwidth up to 10 eV). This choice of material makes it possible to obtain the greatest transparency in the ultraviolet.
  • the polarizer 2 is rotated at a frequency of about ten hertz (choice criteria linked to the environment) (sector or vibration frequency)) and is controlled by a mechanical assembly of the stepper type (micro step ).
  • the beam is refocused by a set of mirrors 11 and sent as input to the monochromator 5, which is a double monochromator with a 1/8 M network type 77250 Oriel blasé at 250nm at 1200 lines (180nm to 500nm at first order and an 0.6mm intermediate slit; its resolution at 500nm is 4nm).
  • Networks blasé at 200nm but with 600 lines / mm can be used.
  • the system automatically incorporates two filters successively during the measurement so as to eliminate the higher orders of diffraction from the monochromator gratings. Control takes place via an ORIEL filter changer and a National DAQ (TTL) Ni interface
  • the output of the monochromator 5 is sent to the detector 4 which allows photon counting.
  • This detector 4 is of the tube type and is sold under the reference R2949 or R7639 by Hamatsu.
  • the detector 4 is placed in a cooler 12 which is of the C-659S type and which maintains it at a temperature of -15 °.
  • the counting electronics include a discriminator 13 connected to the detector 4.
  • This discriminator is of the type marketed by Hamatsu under the reference C 3866 which has a linearity dynamic of 10 7 .
  • the detector 4 and the discriminator 13 are chosen for their characteristics of low dark current (159 cps (cycles per second) at 25 ° C and drops to less than 10 cps cooled for the R2949 and to less than one cps for the R7639 (which has a quantum efficiency of 44% at 160 nm). This can be implemented using water cooling or by means of an externally cooled “cryogenic” nitrogen circulation thanks to Peltier cooling elements and an external heat exchanger).
  • the detector and the discriminator are also chosen for their sensitivity to blue of 8.3 ⁇ A / lm with a gain of 10 7 . Photon counting electronics with a linearity of 10 7 photons.
  • the TTL output of the discriminator 13 is analyzed by means of a multi-scale counting card 14 (MCS II Nuclear Instrument or FMS (CM 7882 Canberra Electronics card) capable of analyzing 8192 counting channels, two simultaneous inputs with a time d sampling
  • MCS II Nuclear Instrument or FMS CM 7882 Canberra Electronics card
  • This card 14 is managed by a computer 15 under Windows NT server environment with a C ++ object programming coupled with the active X commercial components, here the components works ++ of National Instruments.
  • Figures 3a and 3b illustrate measurements of ⁇ and ⁇ obtained over a wavelength interval of 1 nanometer (around 250nm), respectively in the case of a standard ellipsometer with xenon lamp, photomultiplier at room temperature and detection by hadamart and in the case of an ellipsometer conforming to that which has just been described. There is a much greater dispersion of the measurements with the standard ellipsometer than with the ellipsometer of the type which has just been described.
  • the rotating polarizer system and analyzer are MgF 2 rocks mounted under vacuum on micro stepping micro motors (vacuum technology) whose axis is hollow (where the Rochon is inserted in MgF2) and the optical encoder which can thus even be positioned inside a frame or a cooling and metrology chamber of a cluster tool reactor.
  • the two entries “source” and “analysis” are compact blocks. It is thus possible to produce two heads (analyzer and polarizer being equivalent).
  • An estimate of physical space achievable corresponds to a cylinder of approximately 40 millimeters (mm) in diameter and 60 to 70 mm in length.
  • the source windows of birefringence and absorption are thus eliminated because only the optical fibers are connected to the frame of the reactor. It has been shown that this system can thus operate in situ in a spectral range of 160 nm and 700 nm of photon wavelengths.

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Abstract

Ellipsomètre spectroscopique comportant une source lumineuse (1) émettant un faisceau optique, un polariseur (2) disposé sur le trajet du faisceau optique émis par la source lumineuse, un support (9) d'échantillon recevant le faisceau lumineux en sortie du polariseur, un analyseur de polarisation (3) destiné à être traversé par le faisceau réfléchi par l'échantillon à analyser, un ensemble de détection qui reçoit le faisceau en sortie de l'analyseur et qui comporte un monochromateur (5) et un photodétecteur (4), des moyens (6) pour le traitement du signal en sortie de cet ensemble de détection, qui comportent une électronique de comptage (13). Des moyens (12) de refroidissement maintiennent l'ensemble de détection à une température inférieure à la température ambiante, minimisant le bruit du détecteur de façon à être toujours dans la condition d'un bruit de photons minimum. On établit que la condition optimum de mesure en ellipsomètre est obtenue en minimisant toutes les sources de bruit (lampes, détection, ambiant).

Description

ELLIPSOMETRE SPECTROSCOPIQUE A FAIBLE BRUIT
La présente invention est relative à un ellipsomètre spectroscopique à faible bruit.
DOMAINE GENERAL ET ETAT DE LA TECHNIQUE
Généralités
Le principe d'un ellipsomètre conforme à un état de la technique connu a été représenté sur la figure 1.
Un tel ellipsomètre comporte classiquement une source lumineuse 1 , un polariseur 2, un analyseur 3 et un détecteur 4 associé à un monochromateur 5. Ces différents éléments sont disposés de telles sorte que la lumière en sortie de la source 1 traverse le polariseur 2 avant d'atteindre un échantillon E à analyser, puis, après réflexion sur cet échantillon E, traverse l'analyseur 3 avant d'atteindre le détecteur 4 après être passé à travers le monochromateur 5, qui est généralement un photomultiplicateur. L'un des deux éléments que constituent le polariseur 2 ou l'analyseur
3 est un élément tournant.
La sortie du détecteur 4 est reliée à des moyens de traitement 6 qui mettent en œuvre une analyse de Fourier sur le signal modulé mesuré par le détecteur 4, afin de déterminer des informations relativement à l'état de surface de l'échantillon E.
On rappelle en effet que lors de sa réflexion sur l'échantillon E, la polarisation de la lumière est modifiée et qu'un montage ellipsomètrique permet de mesurer d'une part la différence de phase Δ et d'autre part le rapport tan(ψ) entre les composantes de polarisations parallèles et perpendiculaires du faisceau réfléchi sur l'échantillon. Grâce au monochromateur 5, il est possible de réaliser des mesures à plusieurs longueurs d'onde et ainsi de caractériser les propriétés optiques du matériau.
Pour une présentation générale de techniques d'ellipsomètrie spectroscopique, on pourra avantageusement se référer au brevet US 5.329.357 (Bemoux et al.) qui décrit uniquement l'intérêt d'adjonction de fibres optiques sur ce montage.
Les ellipsomètres visibles spectroscopiques disponibles sur le marché travaillent généralement dans une gamme spectrale entre 1μm et 230 nm et utilisent une source à arc Xénon (sélectionnées pour leur haute irradiance).
Il a toutefois déjà été proposé des ellipsomètres susceptibles de travailler dans une gamme spectrale plus large que celle des ellipsomètres précités et qui comportent une source additionnelle, telle qu'une source au Deutérium (D2) moins ponctuelle émettant entre 130 et 700 nm avec une puissance de 30 à quelques centaines de Watts ou supérieure.
Les détecteurs utilisés sont quant à eux généralement des détecteurs de type photodiode Si, Ge ou des photomultiplicateurs (généralement des photomultiplicateurs multi-alcalins), fonctionnant à la température ambiante.
Ils utilisent des optiques de très haute qualité, qui possèdent des coefficients d'extinctions de polarisation de l'ordre de 10"5, ainsi qu'une très haute transparence même dans l'ultraviolet.
Ceci permet , dans la gamme spectrale précitée, des déterminations des coefficients ψ et Δ avec une précision égale ou inférieure au 1/1000eme de degré.
Par ailleurs, les moyens de traitement de la plupart des ellipsomètres mettent en œuvre une méthode de comptage de photon simplifiée, cette méthode étant connue sous le nom de méthode d'Hadamart. Cette méthode consiste à compter des photons avec un signal échantillonné en amplitude sur un nombre très limité de canaux : huit compteurs ou canaux, à chaque période de rotation de l'élément tournant de l'ellipsomètre (configuration polariseur ou analyseur tournant (polarisation modulée) et/ou lame tournante (modulation de phase).
Inconvénients des éllpsomètres de l'état de la technique
Les ellipsomètres du type de ceux qui viennent d'être décrits présentent plusieurs limitations.
Une première limitation est liée directement aux fluctuations de la source, c'est à dire à son instabilité (bruit appelé SNL ou « shot noise limited », selon la terminologie anglo-saxonne).
Une autre limitation est liée au bruit provenant de la lumière environnante dit également de « bruit de fuite », qui s'élimine théoriquement par une parfaite isolation de l'ensemble de l'ellipsomètre (et non uniquement du photomultiplicateur) vis à vis de la lumière ambiante, mais qui reste encore une difficulté à laquelle beaucoup de fabricants d'éllipsomètres se heurtent.
Une autre limitation encore tient au courant d'obscurité ou bruit intrinsèque lié au photomultiplicateur et à sa chaîne interne d'amplification. Ce bruit est communément appelé le DNL, c'est à dire « detector noise limited », selon la terminologie anglo-saxonne. On notera que toutes les fréquences correspondant à la largeur de bande du photomultiplicateur y sont généralement présentes.
Ainsi, les sommes d'Hadamart (déterminées sur des quarts de périodes du signal modulé) sont calculées en tenant compte d'un décalage ou "offset" mesuré auparavant qui correspond au bruit de fuite et au DNL.
Toutefois, bien que les ellipsomètres classiques correspondent pratiquement à une détection synchrone (filtrage fréquentiel en phase de la modulation du signal), la méthode d'Hadamart devient délicate lorsque l'amplitude de modulation est faible.
Pour un signal modulé à ω, l'amplitude de la composante spectrale à 2ω du signal est du même ordre de grandeur que celle du bruit (et notamment plus particulièrement dans l'ultraviolet, où des comptages de seulement 100 à 1000 coups par seconde (cps) sont mesurés).
Les composantes du signal sont ainsi « noyées » dans le niveau du bruit qui correspond lui-même à une superposition de densité spectrale du bruit de la source, un bruit de grenaille dans le cas d'un arc xénon, de la lumière ambiante et du détecteur et de son électronique associée.
En outre, avec des ellipsomètres classiques, lorsque l'on cherche à travailler à des longueurs en dessous de 200 nm, le rapport signal/bruit observé est peu favorable. La seule façon connue pour éliminer les effets des différentes sources de bruit est alors d'augmenter les temps d'acquisition.
Mais la mesure est alors entachée d'erreurs systématiques, notamment pour les longueurs d'ondes en dessous de 200 nm. Aussi les appareils doivent-ils utiliser des pré-calibrations. Par ailleurs, on notera également qu'un problème rencontré avec les ellipsomètres utilisant des sources additionnelles pour élargir leur gamme de fonctionnement est celui de leur coût et de la puissance d'alimentation qu'ils nécessitent.
Dans ces conditions, il est pratiquement impossible d'envisager dans le cas d'une mesure in situ (métrologie intégrée), un système suffisamment compact même dans un système de comptage de photons tel qu'il est décrit ci-dessus. L'impossibilité d'une tête de mesure interne au bâti aboutit à une limitation due au fenêtres du bâti de métrologie qui introduisent des effets de biréfringence qui doivent être corrigés.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients. Elle propose notamment une structure d'ellipsomètre dans laquelle le bruit est minimisé.
On connaît, notamment par l'abrégé de la demande de brevet japonais 0907995, des techniques consistant à refroidir des photomultiplicateurs dans des applications très différentes de celles des ellipsomètres.
Ces techniques de refroidissement ne sont aucunement destinées à permettre des réductions de bruit. Elle servent à abaisser autant que possible les limites de détection.
L'invention propose quant à elle un ellipsomètre spectroscopique comportant une source lumineuse émettant un faisceau optique, un polariseur disposé sur le trajet du faisceau optique émis par la source lumineuse, un support d'échantillon recevant le faisceau lumineux en sortie du polariseur, un analyseur de polarisation destiné à être traversé par le faisceau réfléchi par l'échantillon à analyser, un ensemble de détection qui reçoit le faisceau en sortie de l'analyseur et qui comporte un monochromateur et un photodétecteur, des moyens pour le traitement du signal en sortie de cet ensemble de détection, qui comportent une électronique de comptage.
Cet ellipsomètre présente la caractéristique de comporter des moyens de refroidissement pour maintenir l'ensemble de détection à une température inférieure à la température ambiante, notamment à une température de l'ordre de -15°C ou inférieure. Avantageusement également, sa source est une lampe Deutérium, qui est de préférence d'une puissance de l'ordre de 30 watts.
D'autres sources à faible bruit sont envisageables et notamment des sources à lampe à plasma ou à lampe halogène.
De façon avantageuse également, l'électronique de comptage est apte à mettre en œuvre un échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux entre 8 (équivalent Hadamart) jusqu'à 1024 (Fourier filtré), notamment préférentiellement de l'ordre de 1000 ou supérieur, notamment sur un nombre de canaux compris entre 1024 et 8192 (suivant le type de codeur). Les moyens de traitement mettent en œuvre une analyse de Fourier sur les signaux ainsi échantillonnés.
Ainsi, l'ellipsomètre proposé permet une minimosation du bruit (pour optimiser sa précision), i) avec une protection totale de la lumière ambiante, ii) pas d'environnement polluant (vibrations mécaniques et/ou sources de bruit électromagnétique) et iii) un détecteur travaillant en comptage de photons dans un niveau de bruit intrinsèque minimum obtenu ici par refroidissement (12) qui maintient l'ensemble de détection à une température inférieure à la température ambiante. Plus performant en terme de détection du signal, il maintient la possibilité d'utiliser des fibres optiques jusqu'à 160 nm. Ceci permet de l'utiliser donc de façon compacte dans une métrologie intégrée associée au développement actuel des outils regroupés (« cluster tools ») dans le domaine de la technologie des couches minces. Le système devient en effet entièrement intégré dans le bâti in situ puisqu'il permet l'utilisation de films.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 , déjà discutée, est une représentation schématique illustrant le principe d'un ellipsomètre spectroscopique connu dans l'état de la technique;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un ellipsomètre conforme à un mode de réalisation de l'invention; - les figures 3a et 3b sont des graphes sur lesquels on a porté en fonction de la longueur d'onde des mesures de paramètres ψ et Δ pour un ellipsomètre conforme à celui de la figure 2 et un ellipsomètre standard;
- la figure 4 est un graphe sur lequel on a porté en fonction de la longueur d'onde des mesures de traces directes obtenues pour un ellipsomètre conforme à celui de la figure 2 et un ellipsomètre standard. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION POSSIBLES POUR L'INVENTION
Principes
Un ellipsomètre spectroscopique conforme à un mode de réalisation possible de l'invention présente les différentes caractéristiques suivantes.
1) Sa source 1 est une source unique à faible bruit, c'est à dire une source présentant une dispersion en fréquence très inférieure à celle de lampe à arc Xénon.
Une telle source est avantageusement une lampe Deutérium D2.
Les lampes Deutérium D2 sont des lampes d'un bruit particulièrement faible. Elles présentent une bien plus grande stabilité que les lampes à arc Xénon (stabilité dans un rapport 20), ainsi qu'une bien meilleure stabilité que d'autres types de lampes dans le domaine ultraviolet et une partie du visible.
D'autres types de lampes peuvent être envisagées. Notamment, des lampes halogène (vers l'infrarouge) ou lampes à décharge plasma (visible et UV) ou source plasma sont particulièrement appropriées, même avec un spectre de raies d'émission (non continu).
2) Son photomultiplicateur 5 est placé, avec sa protection magnétique, dans un environnement à basse température, ce qui diminue et stabilise son courant d'obscurité. On utilise par exemple à cet effet un système de refroidissement par effet Peltier (-15°C).
En diminuant le courant d'obscurité du photomultiplicateur, on diminue le bruit par au moins une décade (de 200 cps à 10 cps, par exemple). Ainsi les effets d'instabilité de l'offset décrit plus haut sont éliminés.
Des températures plus basses améliorent encore les performances du photomultiplicateur à quelques coups par secondes. Dans une gamme spectrale telle que l'ultraviolet, avec une lampe D2 le bruit d'émission de la source est faible. Le DNL est alors du même ordre de grandeur que la limite SNL. Cela revient à dire que le nombre de coups du comptage du courant d'obscurité Nd demeure toujours négligeable, seul un faible bruit résiduel de la source Nph (nombre de photons dus à l'émission de la source) dégrade le signal. Grâce à la diminution du courant d'obscurité intrinsèque du photomultiplicateur, on obtient donc une mesure d'ellipsométrie précise, qui est impossible à obtenir si Nprι < Nd. Notamment, cette diminution de courant permet des mesures à 187 nm, en utilisant une lampe de faible puissance et dans un environnement non restreint (absence de vide ou de purge avec un gaz neutre ou d'atmosphère sec). Le photomultiplicateur travaille dans un mode de comptage de photons et est idéalement linéaire (pas de non linéarité liée aux effets de recouvrements d'avalanches (saturation en mode analogique)).
Cette limite de 160 nm peut alors être franchie également en se plaçant dans des conditions d'atmosphère inerte (azote) et avec un PMT (R7639 de Hamamatsu) et un monochromateur correspondant. Dans l'extrême UV (120-160nm), il est judicieux d'utiliser un refroidissement de l'embase du photomultiplicateur 5, ou un balayage de N2 dans l'enceinte du photomultiplicateur refroidit grâce à un élément frigorifique de type échangeur Peltier, évitant ainsi l'introduction de fenêtre en MgF2.
3) Par ailleurs, l'ellipsomètre spectroscopique proposé met en œuvre un comptage sur un nombre de canaux importants : jusqu'à plus de 1024 canaux, ce qui, combiné avec l'analyse de Fourier, suréchantillonne le signal et constitue un filtre efficace des composantes de bruit aux hautes fréquences, c'est à dire des bruits intrinsèques des sources et détecteur et de l'électronique.
Le temps d'accumulation est réduit.
Cette technique de comptage s'avère bien supérieure à ce que permet la méthode d'Hadamart. Elle peut être réalisée de façon simple avec des électroniques du commerce. Le suréchantillonnage qu'elle réalise contribue à atténuer le bruit à toutes les hautes fréquences associées au bruit de la lampe.
Exemple détaillé d'un mode de réalisation possible
Un exemple d'éllipsomètre conforme à un mode de réalisation possible va maintenant être décrit de façon détaillée en référence à la figure 2. Cet ellipsomètre est du type à polariseur tournant.
Il fonctionne entre 180nm et 750nm. Il peut être envisagé de l'utiliser sous vide et atmosphère contrôlé de façon à étendre sa gamme de fonctionnement vers la gamme de 130 à 720 nm.
La source 1 est une lampe deutérium (D2) de 30 watts de puissance et de diamètre de point source de 0.5mm (lampe Oriel 63163 ou Hamamatsu L7295 ou L7296).
Le faisceau lumineux est transféré depuis la source 1 par le biais d'une fibre en silice fondue mono-brin 7 de 600 micromètres jusqu'au polariseur tournant 2. Une fonction de cette fibre est notamment d'éliminer la biréfringence résiduelle de la source 1.
Le couplage avec le polariseur tournant 2 est réalisé par le biais d'un élément convergent 8 en silice fondue, sélectionné pour sa faible biréfringence résiduelle et sa transparence dans l'ultraviolet.
Il peut également être réalisé à l'aide d'un ensemble miroir concave et miroir plan traités en surface MgF2.
L'échantillon E à analyser est disposé en sortie du polariseur 2, sur un support 9 d'orientation réglable.
Le faisceau réfléchi par l'échantillon est envoyé sur l'analyseur 3.
Le polariseur 2 et l'analyseur 3 sont en MgF2 (par exemple, ils sont constitués par des analyseurs et polariseurs de la société Fichou/Optique, qui certifie 2.5 degré de déviation à 250nm et une bande passante jusqu'à 10 eV). Ce choix de matériau permet d'obtenir la plus grande transparence dans l'ultraviolet.
La rotation du polariseur 2 s'effectue à une fréquence de la dizaine de hertz (critère de choix lié à l'environnement) (fréquence du secteur ou des vibrations)) et est commandée par un ensemble mécanique de type pas à pas (micro pas).
Après réflexion sur l'échantillon et passage à travers l'analyseur 3, le faisceau est refocalisé par un jeu de miroirs 11 et envoyé en entrée du monochromateur 5, qui est un double monochromateur à réseau 1/8 M type 77250 Oriel blasé à 250nm à 1200 traits (180nm à 500nm au premier ordre et une fente intermédiaire 0.6mm ; sa résolution à 500nm est de 4nm). Des réseaux blasés à 200nm mais avec 600 traits/mm peuvent être utilisés.
Le système incorpore automatiquement successivement deux filtres durant la mesure de façon à éliminer les ordres supérieurs de diffraction des réseaux du monochromateur. La commande s'effectue par l'intermédiaire d'un passeur de filtre de ORIEL et un interface Ni DAQ (TTL) de National
Instrument.
La sortie du monochromateur 5 est envoyée sur le détecteur 4 qui permet le comptage de photons. Ce détecteur 4 est du type à tube et est commercialisé sous la référence R2949 ou R7639 par Hamatsu.
Le détecteur 4 est disposé dans un refroidisseur 12 qui est de type C- 659S et qui le maintient à une température de -15°.
L'électronique de comptage comporte un discriminateur 13 relié au détecteur 4. Ce discriminateur est du type commercialisé par Hamatsu sous la référence C 3866 qui a une dynamique linéarité de 107.
Le détecteur 4 et le discrimateur 13 sont choisis pour leurs caractéristiques de faible courant d'obscurité (159 cps (cycles par seconde) à 25°C et descend à moins de 10 cps refroidit pour le R2949 et à moins d'un cps pour le R7639 (qui a un rendement quantique de 44% à 160 nm). Ceci peut être mis en œuvre en utilisant un refroidissement eau ou encore par le biais d'une circulation d'azote « cryogénique » refroidie externe grâce à des éléments Peltier réfrigérants et un échangeur thermique externe). Le détecteur et le discriminateur sont également choisis pour leur sensibilité au bleu de 8.3μA/lm avec un gain de 107. L'électronique de comptage de photons à une linéarité de 107 photons.
La sortie TTL du discriminateur 13 est analysée au moyen d'une carte 14 de comptage multi-échelle (MCS II Nuclear Instrument ou FMS (carte CM 7882 Canberra Electronics) capable d'analyser 8192 canaux de comptage, deux entrées simultanées avec un temps d'échantillonnage de
2μs.
Cette carte 14 est gérée par un ordinateur 15 sous environnement Windows NT serveur avec une programmation objet C++ couplée aux composants active X commerciaux, ici les components works++ de National Instruments.
Exemples de résultats
Les figures 3a et 3b illustrent des mesures de ψ et Δ obtenues sur un intervalle de longueurs d'ondes de 1 nanomètre, (autour de 250nm), respectivement dans le cas d'un ellipsomètre standard à lampe xénon, photomultiplicateur à température ambiante et détection par hadamart et dans le cas d'un ellipsomètre conforme à celui qui vient d'être décrit. On constate une bien plus grande dispersion des mesures avec l'ellipsomètre standard qu'avec l'ellipsomètre du type de celui qui vient d'être décrit.
On a également comparé des traces directes obtenues avec l'un et l'autre des deux ellipsomètres. C'est ce qu'illustre la figure 4.
L'amélioration est aussi nettement sensible. On rappelle qu'en trace directe, on doit avoir : tan ψ=Cos Δ=1. Ceci est parfaitement vérifié (à l'alignement prêt de l'optique), dans le cas de l'ellipsomètre spectroscopique faible bruit précédemment décrit, alors qu'avec un ellipsomètre standard, l'écart est bien plus important pour pour Cos Δ, de sorte qu'il est alors important de normaliser α et β. Une application consiste à l'étendre à un montage « in situ ». Le système polariseur tournant, et analyseur sont des rochons en MgF2 montés sous vide sur des micro moteurs (technologie vide) pas à pas dont l'axe est creux (où s'insère le Rochon en MgF2) et le codeur optique qui peut ainsi être même positionnés à l'intérieur d'un bâti ou d'une chambre de refroidissement et de métrologie d'un réacteur type « cluster tool ». Les deux entrées « source » et « analyse » sont des bloccs compacts. On peut ainsi réaliser deux têtes (analyseur et polariseur étant équivalents). Une estimation d'encombrement physique réalisable correspond à un cylindre d'environ 40 millimètres (mm) de diamètre et 60 à 70 mm de longueurs. Les fenêtres sources de biréfringence et d'absorption sont ainsi éliminées car seules les fibres optiques sont connectées au bâti du réacteur. Il a été montré que ce système peut ainsi fonctionner in situ dans un domaine spectral de 160 nm et 700 nm de longueurs d'onde des photons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ellipsomètre spectroscopique comportant une source lumineuse (1) émettant un faisceau optique, un polariseur (2) disposé sur le trajet du faisceau optique émis par la source lumineuse, un support (9) d'échantillon recevant le faisceau lumineux en sortie du polariseur, un analyseur de polarisation (3) destiné à être traversé par le faisceau réfléchi par l'échantillon à analyser, un ensemble de détection qui reçoit le faisceau en sortie de l'analyseur et qui comporte un monochromateur (5) et un photodétecteur (4), des moyens (6) pour le traitement du signal en sortie de cet ensemble de détection, qui comportent une électronique de comptage (13), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12) de refroidissement pour maintenir l'ensemble de détection à une température inférieure à la température ambiante.
2. Ellipsomètre selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens (12) de refroidissement sont aptes à maintenir l'ensemble de détection à une température de l'ordre de -15°C ou inférieure.
3. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source (1) est constituée par une lampe Deutérium.
4. Ellipsomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lampe est d'une puissance de l'ordre de 30 watts.
5. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la source est constituée par une lampe à plasma froid.
6. Ellipsomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la source est constituée par une lampe halogène.
7. Ellipsomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électronique de comptage (13) est apte à mettre en œuvre un échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux de l'ordre de 1000 ou supérieur.
8. Ellipsomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électronique de comptage (13) est apte à mettre en œuvre un échantillonnage en amplitude sur un nombre de canaux compris entre 1024 et 8192.
9. Ellipsomètre selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens de traitement (6) mettent en œuvre une analyse de Fourier sur les signaux en sortie de l'électronique de comptage.
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