WO2026008951A1 - Appareil optique d'analyse de surfaces à l'aide de lumières réfléchies par processus optiques linéaire et non linéaire - Google Patents

Appareil optique d'analyse de surfaces à l'aide de lumières réfléchies par processus optiques linéaire et non linéaire

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WO2026008951A1
WO2026008951A1 PCT/FR2025/050621 FR2025050621W WO2026008951A1 WO 2026008951 A1 WO2026008951 A1 WO 2026008951A1 FR 2025050621 W FR2025050621 W FR 2025050621W WO 2026008951 A1 WO2026008951 A1 WO 2026008951A1
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sample
light beam
incident
mirror
optical
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Application number
PCT/FR2025/050621
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English (en)
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Simon DUBUIS
Vincent RODRIGUEZ
Frédéric ADAMIETZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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Publication date
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    • 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
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/636—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using an arrangement of pump beam and probe beam; using the measurement of optical non-linear properties

Definitions

  • This disclosure relates to the field of optical devices for analyzing the surfaces of a sample.
  • the present disclosure relates more specifically to an optical device for analyzing the surfaces of a sample from second harmonic generation (SHG) signals and absorption signals in reflectivity.
  • SHG second harmonic generation
  • X-ray (XR) techniques can also be used to diagnose chemical or physical properties. However, they are often destructive and require preparation of the surface of the sample to be analyzed which proves difficult.
  • SHG second harmonic generation
  • This technique is particularly useful for controlling, for example, the quality of the interfaces between two layers during the fabrication of a semiconductor material structure.
  • SHG is therefore a particularly interesting technique for surface characterization with a view to detecting non-centrosymmetric crystal defects, where symmetry is broken.
  • the very low signal level generally necessitates the use of a powerful laser beam to increase detection sensitivity.
  • this technique is generally used with a fixed polarization state. The process can be considered as the combination of two photons to produce a single photon; in other words, the production of a light beam with twice the frequency or half the wavelength of the incident light beam.
  • the present disclosure also aims to propose a device that allows the use of different modes of analysis on the same sample, in point mode and in mapping mode.
  • An optical measuring device for characterizing the surface of a sample, comprising
  • a first source adapted to emit a first incident excitation light beam at a first excitation wavelength (X1);
  • a second source adapted to emit a second incident beam of light excitation at a second excitation wavelength (X2) different from said first excitation wavelength;
  • a projection arm capable of sending the first light beam and the second light beam onto a measurement point on the surface of the sample along a common optical path, said arm comprising a first mirror arranged to receive said first incident light beam and said second incident light beam and to reflect them towards the surface of the sample, a focusing device configured to generate a focal point on the surface of the sample and a polarizing device placed between the first mirror and the focusing device to generate a number of polarization states of the first incident light beam and a linear polarization state of the second incident beam;
  • a first detection device configured to record a first second harmonic generation (SHG) signal having a detection wavelength equal to half the excitation wavelength associated with the first light beam reflected by a measurement point on the surface of the sample;
  • SHG second harmonic generation
  • a second detection device configured to record a second linear absorption signal in reflectivity associated with the second light beam reflected by a measurement point on the surface of the sample
  • a collection arm capable of collecting the first light beam reflected and the second light beam reflected by the surface of the sample and transmitting them respectively to the first detection device and said second detection device;
  • a data processing module configured to determine structural information from the first non-linear SHG signal and the second linear signal transmitted respectively by the first detection device and the second detection device for the same measurement point on the surface of the sample.
  • the first mirror can be arranged so that the first incident beam and the second beam are incident on the surface of the sample with an oblique angle of incidence between 65° and 80° with respect to the plane of incidence.
  • the interaction of the first near-infrared laser beam with the sample surface generates linear and nonlinear optical effects that are collected at double the frequency after reflection.
  • Grazing angle analysis enhances the reflection, as the reflection coefficients increase with the angle of incidence beyond the angle of Brewster spectroscopy for dielectrics and surface photon-plasmon coupling for metals and semiconductors becomes highly effective.
  • Using a grazing angle of incidence allows probing only the surface of the sample. This defined angle of incidence optimizes surface reflectivity and excludes volumetric signals, unlike conventional techniques that use different signals, such as Raman, transmission, scattering, or backscattering.
  • the device may further comprise:
  • a first optical device arranged between said first source and the first mirror and configured to project the first laser beam onto the first mirror;
  • a second optical device arranged between said second source and the first mirror and configured to project the second laser beam onto the first orientation mirror.
  • the first optical device may include a second mirror, a shutter switchable between a passing position allowing the first incident beam to pass and a blocking position allowing the first incident beam to be blocked, a movable density filter capable of varying the power of the first incident light beam between 0.01% and 100% of the total power, and a polarization state controller placed successively on the optical path of the first incident beam between the first source and the first mirror.
  • the second optical device may include an optical fiber having a first end coupled to the output of the second source and a second end coupled to a movable collimator, said collimator being able to collimate the second light beam at the output of the optical fiber on the first mirror.
  • the polarization device may include:
  • a first movable polarization module to be placed on the optical path of the first incident beam between the first mirror and the focusing device and configured to generate a number of polarization states of the first incident beam
  • a second movable polarization module to be placed on the optical path of the second incident beam between the first mirror and the focusing device and configured to generate a linear polarization state of the second incident light beam.
  • the polarization is adapted to obtain SHG contrasts suitable for surface analysis, unlike a generic polarization configuration.
  • the first polarization module may include a rotating half-wave plate about an optical propagation axis to generate linear polarization at a desired angle and a fixed quarter-wave plate having a fast axis perpendicular to the optical propagation axis of the half-wave to generate elliptic and circular polarization states in association with the half-wave plate.
  • the second movable polarization module may include a horizontal linear polarizer capable of polarizing the second incident light beam into a horizontal polarization state “s” and a vertical linear polarizer capable of polarizing the second incident light beam into a vertical polarization state “p”.
  • the collection arm can be arranged symmetrically to the projection arm with respect to the plane of incidence, said collection arm comprising a second focusing device, a silicon window, a low-pass filter, a rotating polarization state analyzer and a tilting mirror arranged successively on the optical path of the first light beam and the second light beam reflected at the measurement point of the sample surface, said tilting mirror being configured to allow the first light beam reflected by the sample surface to pass towards the first detection device and to deflect the second beam reflected by the sample surface towards the second detection device.
  • the first source is a laser source adapted to emit a first incident excitation light beam at a first excitation wavelength between 1000 nm and 1100 nm, with a pulse between 100 fs and 600 fs, and a frequency between 1 MHz and 100 MHz.
  • the second source is a tungsten lamp adapted to emit a second incident excitation light beam at a second excitation wavelength between 400 nm and 700 nm.
  • the first optical focusing device may include a focusing lens capable of focusing the first light beam and the second light beam into a focal point with a diameter between 2 pm and 50 pm on the surface of the sample.
  • the apparatus may further include a displacement device coupled to the sample support, said displacement device being configured to move the sample support in a horizontal plane along a first horizontal direction along the X axis, a second horizontal direction along the Y axis, a third vertical direction along the Z axis, so as to move the sample support relative to the focal point to form a plurality of measurement points on the surface of the target sample.
  • the device may further comprise an imaging system including:
  • a collimation mirror capable of collimating the white light exiting the third optical fiber onto a beam splitter
  • a focusing lens capable of focusing white light onto the focal point of the first incident light beam and the second incident light beam;
  • said beam splitter being arranged between the collimating mirror and the focusing lens so as to allow white light to pass through in a direction of incidence normal to the surface of the sample and to reflect a part of the white light reflected by the surface of the sample back to the camera in order to form images on the focal point.
  • the on-board grazing angle of incidence imaging system provides direct visualization of the scattered spot, which ensures targeted, reliable and reproducible analysis.
  • the data processing module may include a memory configured to store the spatial coordinates of the sample support or the focal point corresponding to each measurement acquisition, by the first detection device and the second detection device of the first non-linear SHG signal and the second linear absorption signal in reflectivity.
  • the data processing module may include a control unit configured to control the displacement device, an image calculation and construction unit configured to generate images in which each pixel is representative of information from a measurement point of the sample.
  • Figure 1 is a schematic representation of an optical device for surface analysis of a sample according to a first embodiment
  • Figure 2 shows an optical device for surface analysis of a sample according to a second embodiment
  • Figure 3 shows a side view of the optical device of Figure 2.
  • Figure 4 shows a schematic view of a brightfield viewing area on the focal point of the first incident beam and on the focal point of the second incident light beam.
  • Figure 5 is a schematic view showing the optical elements of the optical apparatus of Figure 1 used for the second harmonic generation signal measurement technique
  • FIG. 6 Figure 6 is a schematic view showing the optical elements of the optical apparatus of Figure 1 used for the linear absorption signal measurement technique in reflectivity.
  • Figure 7 is a schematic view showing the optical elements of the imaging system of Figure 2 used for bright-field visualization of the measurement point of the sample surface.
  • the optical surface analysis device of this disclosure advantageously measures, at a single location on the surface of a sample, both the nonlinear second harmonic generation (SHG) signal and the linear absorption signal in reflectivity, and correlates them to obtain information about the microstructure of the sample surface.
  • the optical device was designed to integrate nonlinear reflectometry for SHG signal detection, visible reflection-absorption spectroscopy (Vis-RAS), and visual inspection of the sample surface by bright-field microscopy (GF), while maintaining the device's compact size.
  • the particular design of the device makes it possible to offer a single projection arm for two incident beams and a single analysis arm, allowing the surface of the sample to be probed by SHG and Vis-RAS at the same point.
  • Another advantage is the ability to project the first incident beam onto the surface of the sample so as to be able to measure the SHG signal at grazing incidence, making it possible to increase the amplitude of the reflected SHG signal.
  • the focusing device consists of a single optical lens or a lens assembly with a suitable focal length.
  • the focal length of the focusing lens is chosen in practice according to the desired analysis resolution and the light source used.
  • a mesh can be defined for data acquisition purposes with a spatial resolution between 2 pm and 50 pm, meeting, for instance, the requirements for monitoring defects of micrometer size.
  • FIG. 1 illustrates an optical device for surface analysis of a sample 13 according to a first embodiment.
  • the operating principle of the optical device 1 consists of directing an incident light beam through a group of optical components towards a study area of the sample so as to excite it at a measurement point within the material study area. The interaction of the material with the light beam generates the SHG phenomenon. A group of optical components collects the reflected light beam. The state of the light beam reflected by the sample is then analyzed to extract characteristic information from the light signal at a measurement point on the sample surface. By moving the sample relative to the focal point of the light beam, a representation of the characteristic data over all the measurement points of the predetermined spatial area is generated.
  • the proposed optical measuring device can advantageously be used with different types of materials, for example metals, glasses, dielectric materials, or semiconductor materials.
  • the various parameters used in the measurement are then adjusted according to the target material for each analysis, in particular by selecting the excitation wavelength of the analyzed material and the detection wavelength of the reflected signal.
  • the optical measuring device 1 comprises
  • a first source 2 adapted to emit a first incident beam of excitation light at a first length
  • a second source 29 adapted to emit a second incident excitation light beam at a second excitation wavelength (X2) different from said first excitation wavelength;
  • a projection arm capable of sending the first light beam and the second light beam onto a measurement point on the surface of the sample 13 along a common optical path, said arm comprising a first mirror 7 arranged to receive said first incident light beam and said second incident light beam and to reflect them towards the surface of the sample 13, a focusing device 15 configured to generate a focal point on the surface of the sample and a polarizing device 8 placed between the first mirror 7 and the focusing device 15 to generate a number of polarization states of the first incident light beam and a linear polarization state of the second incident beam;
  • a first detection device configured to record a first signal of second harmonic generation (SHG) having a detection wavelength equal to half the excitation wavelength associated with the first light beam (X1) reflected by a measurement point on the surface of sample 13;
  • a second detection device configured to record a second linear absorption signal in reflectivity associated with the second light beam reflected by a measurement point on the surface of sample 13;
  • a collection arm capable of collecting the first light beam reflected and the second light beam reflected by the surface of the sample and transmitting them respectively to the first detection device and said second detection device;
  • a data processing module 40 configured to determine surface information from the first non-linear SHG signal and the second linear signal transmitted respectively by the first detection device and the second detection device for the same measurement point of the surface of sample 13.
  • the light beam is called “incident beam” over the entire path from the light source 2, 29 to the sample 13, and “reflected beam” over the entire path from the sample 13 to the first detection device and to the second detection device.
  • the first light source 2 is a laser adapted to emit a first quasi-monochromatic, pulsed femtosecond incident light beam at a first wavelength X1.
  • the excitation wavelength can be 1025 nm.
  • the power of the first light beam is 1.3 W.
  • the pulses can range from 100 fs to 600 fs.
  • the laser 2 emits the laser beam in a direction X.
  • the first source 2 can be a wavelength-tunable source.
  • the wavelength can be between 200 nm and 2000 nm.
  • the first light source is configured to emit a pulsed light beam of 250 femtoseconds.
  • a pulsed source and specifically one in the femtosecond range ( 10 ⁇ 15 s), makes it possible to deliver a high peak power while maintaining a low average power, enhancing nonlinear effects.
  • the pulses are sufficiently spaced in time so that the The thermal relaxation of the equipment must be complete, so as to avoid a local accumulation of energy that could damage the sample.
  • the instantaneous response of the equipment comes solely from electrons and is perfectly suited to electron spectroscopy by limiting vibrational effects and avoiding the propagation of acoustic waves present in the picosecond regime.
  • the second light source 29 is a stable light source configured to emit a beam of light covering the visible spectrum.
  • the second light source is a tungsten lamp.
  • the wavelength can be between 400 nm and 700 nm.
  • the device includes a first optical device arranged between the first source 2 and the first mirror 7 and configured to project the first incident laser beam onto the first mirror 7.
  • the first optical device includes a second mirror 3, a shutter 36 switchable between a passing position allowing the first incident beam to pass through and a blocking position allowing the first incident beam to be blocked, a movable density filter 4 capable of varying the power of the first incident light beam between 0.01% and 100% of the total power, a polarization state controller 5 which are placed successively on the optical path of the first incident beam between the first source 2 and the first mirror 7.
  • the first mirror 7 and the second mirror 3 are arranged so that the angle of incidence of the laser beam on each of them is approximately 90° in the plane of the figure
  • the apparatus 1 includes a second optical device arranged between said second source 29 and the first mirror 7 and configured to project the second incident laser beam onto the first orientation mirror 7.
  • the second optical device comprises a first optical fiber 28 having a first end coupled to the output of the second source 29 and a second end coupled to a movable collimator 6.
  • the second incident light beam emitted by the second source 28 is therefore injected into the first optical fiber 28 which carries the incident beam to the collimator 6 which is able to collimate the second light beam at the output of the optical fiber 28 onto the first mirror 7.
  • the second beam reflected by the first mirror 7 is reflected in the same direction as the first incident beam, namely in Figure 1, in the direction X.
  • the collimator 6 is adapted for achromatic optical fiber up to 780 nm. It has a focal length and numerical aperture adjusted to allow the visible spectrum to remain collimated up to the surface of the sample so that the spot focused on the surface is uniform.
  • the first mirror 7 is arranged so as to orient the first incident beam and the second incident beam at an angle of incidence between 65° and 80° with respect to the plane of incidence.
  • This configuration is particularly useful for increasing the amplitude of the reflected nonlinear SHG signal.
  • An example of this configuration is illustrated in Figure 3.
  • the injection arm 70 of the first incident light beam and the second incident light beam is oriented at a grazing angle of 70° with respect to the plane of incidence, the plane normal to the surface of the sample 13.
  • the collection arm 71 which is placed on the optical path to collect the reflected light beam, is arranged symmetrically and complementaryly to the injection arm. 70 relative to the plane of incidence. In figure 3, the collection arm 71 is oriented at -70° relative to the plane of incidence.
  • the polarization device 8 comprises:
  • a first movable polarization module 10 to be placed on the optical path of the first incident beam between the first mirror 7 and the focusing device 15 and configured to generate a number of polarization states of the first incident beam
  • a second movable polarization module 9 to be placed on the optical path of the second incident beam between the first mirror 7 and the focusing device 15 and configured to generate a linear polarization state of the second incident light beam.
  • the first polarization module 10 comprises a rotating half-wave plate 11 about an optical propagation axis to generate linear polarization at a desired angle and a fixed quarter-wave plate 12 having a fast axis perpendicular to the optical propagation axis of the half-wave, along the Y axis.
  • the second mirror 7 directs the first incident beam at an angle of 70° to the plane of incidence YZ, which then passes through the zero-order half-wave plate 11 centered at X1.
  • the rotation of the half-wave plate 11, by an angle denoted allows the polarization plane to be rotated by 2 around the optical propagation axis to generate any linear polarization at the desired angle.
  • the fixed quarter-wave plate 12 is of zero order centered at X1, by an angle denoted . Its fast axis lies horizontally along Y.
  • the first polarization module may include a high-pass filter 14 whose cutoff frequency is, for example, 950 nm, allowing the first incident beam to be spectrally filtered by allowing only infrared to pass through so that no visible light reaches the surface of the sample 13.
  • the shutter 36, the neutral density filter 4, the rotating half-wave plate 11, and the fixed quarter-wave plate 12 are arranged on a motorized support so as to position them in the optical path of the first incident light beam to perform the measurement of the SHG signal.
  • the high-pass filter 14 is manually removed, and the rotating half-wave plate 11 and the fixed quarter-wave plate 12 are retracted by the motors.
  • the mobility of the shutter 36, the neutral density filter 4, the linear polarizer 9, and the The fixed quarter-wave plate 12 is represented respectively by an arrow 34, 31, 32, 33.
  • the half-wave plate 11 is provided with a rotational mobility 37.
  • the second movable polarization module 9 includes a horizontal linear polarizer capable of polarizing the second incident light beam into a horizontal polarization state “s” and a vertical linear polarizer capable of polarizing the second incident light beam into a vertical polarization state “p”.
  • the linear polarizer is capable of covering a spectral range from 400 nm to 700 nm which allows the second light beam at the output of the first optical fiber 28 to be polarized.
  • the first incident beam and the second incident beam are focused by the focusing device 15 onto the surface of the sample.
  • Sample 13 is associated with an orthonormal coordinate system (X, Y, Z).
  • the Z axis is an axis perpendicular to the analysis surface of the sample, and the (X, Y) plane is parallel to the surface of the sample.
  • the sample 13 is placed on a sample support 30 which has two translations (X, Y), one translation (Z), as well as two rotations (0, cp) to ensure fine compensation of the flatness of the sample in the XY plane.
  • the device further includes a motorized displacement device 39 coupled to the sample support 30 which can be moved along the two motorized directions X and Y and in the Z direction.
  • the Z direction is used to adjust the focus perfectly to the interface.
  • Sample 13 may be, for example, a semiconductor component whose surface must be analyzed to determine whether it contains structural defects or impurities.
  • the detection wavelength signal will be observed at z.1/2 and is an SHG signal.
  • the detection wavelength signal will be observed at /.2 and is a linear absorption signal in reflectivity.
  • the surface of the sample support 30 can optionally be treated with a dichroic coating to increase its surface reflectivity.
  • the reflected beam is collected by the collection arm 71.
  • the collecting arm is therefore placed on the optical path of the reflected light beam.
  • the collection arm in Figure 3 comprises a second focusing device 16, a silicon window 17, a low-pass filter 18, a rotating polarization state analyzer 19, and a tilting mirror 20 arranged successively in the optical path of the first and second light beams reflected at the measurement point on the sample surface.
  • the tilting mirror 20 is able to be placed in a first position allowing the first light beam reflected by the sample surface to pass towards the first detection system and in a second position to deflect the second beam reflected by the sample surface towards the second detection system.
  • the second focusing device 16 includes a second focal lens that makes the reflected light beam parallel to the propagation axis.
  • the silicon window 17 is capable of allowing the fundamental signal X1 to pass through and reflecting the second harmonic generation (SHG) signal to the analyzer 19.
  • the analyzer 19 is a visible-band polarizer mounted on a controlled-rotation stage, allowing the linear polarization states to be filtered according to its rotation.
  • the motorized tilting mirror allows the beam to pass to the first detection system and/or be deflected to the second detection system.
  • the first detection device includes a photomultiplier 24, a depolarizer 22, a bandpass filter 23 centered for example at z.1/2 (515 nm) with a full width at half height of 40 nm and a third focusing lens 21.
  • the photomultiplier 24 is capable of amplifying the reflected SHG signal in order to detect it from a threshold optical power of less than a few pW. This power The received signal depends on the peak power of the laser and the amplification of the detection. Each positive response from the photomultiplier 24 allows for the optimal determination that the focal point of the first incident beam has interacted with the surface of the sample 13.
  • the depolarizer 22 and the bandpass filter 23 are added to select the nonlinear signal at 515 nm and uniformly redistribute depolarized light onto the photomultiplier 24.
  • the intensity of the light is then measured by the photomultiplier, which converts the photons it receives from the reflected beam into an electrical signal.
  • the photomultiplier 24 further includes an analog-to-digital converter adapted to convert the signals into digital values.
  • the third focusing lens 21 focuses the reflected light beam onto the photomultiplier 24.
  • the second detection device comprises a collimating lens 25, a second optical fiber 26 and a visible spectrometer 27.
  • the second reflected light beam is deflected by the tilting mirror 20 towards the collimating lens 25 which is connected to the spectrometer 27 by means of the second optical fiber 26.
  • the spectrometer 27 records the reflected signal in the visible range.
  • the data processing device 40 includes a memory 41 configured to store the spatial coordinates of the sample support or the focal point corresponding to each measurement acquisition, by the first detection device of the first non-linear SHG signal and the second detection device of the second linear absorption signal in reflectivity.
  • the data processing module 40 further includes a control unit 42 configured to control the displacement device 39 and the various electromechanical components of the optical apparatus.
  • the control unit 42, the memory 41, and the displacement device 39 are synchronized together so as to automatically detect and record the exact positions of the displacement device motor in response to the detection of the first nonlinear SHG signal and the second linear absorption signal in reflectivity.
  • the data processing module 40 includes an image processing and construction unit 43 configured to calculate information from the signals transmitted by the two detection devices for each measurement point. By compiling the detection information and associated coordinates of each measurement point, the image processing and construction unit 43 is able to generate a map in which each pixel is representative of information from a measurement point of the sample.
  • the construction unit 43 receives information for each measured point whose position is known in the orthonormal coordinate system (XYZ) associated with the sample.
  • Each pixel on the image that represents a measurement point of the sample is associated with at least one piece of information related to the detected signals.
  • Construction unit 43 further includes means for subtracting additive noise in order to increase the signal-to-noise ratio.
  • the measuring device in Figure 1 allows, in a sequential manner, for measurements of the nonlinear SHG signal and the absorption signal in reflectivity of the same location in a sample, without increasing the size of the device and the complexity of the measurement process.
  • the nonlinear SHG signal allows the extraction of information concerning the intensity and nonlinear response of absorbing molecules grafted onto a surface (molecular monolayer).
  • the linear absorption signal in reflectivity, both in p and s, allows the surface concentration of the molecules to be estimated, provided their molar extinction coefficient is known. By combining this information, the statistical orientation angle of the absorbing molecules grafted onto a sample surface is estimated.
  • the optical detection device further includes an imaging system 50 which allows the user to view the probe area in a bright field.
  • the optical apparatus comprises all the elements previously described, represented by the same numerical references as in Figure 1.
  • the optical elements of the bright-field imaging system are placed above the sample holder.
  • the imaging system 50 comprises an incoherent light source 51 of the diode type capable of emitting white light, i.e., broad-spectrum light covering the entire visible spectral range, enabling bright-field microscopy imaging.
  • the system also includes a camera 56 capable of recording images.
  • the imaging system 50 further includes a third optical fiber 57, a collimation mirror 52, a beam splitter 53 and a lens 54, placed between the source 51 and the sample holder 30.
  • the optical fiber, the mirror and the lens are placed on the optical path of the incident beam.
  • the mirror 52 and the lens 54 are arranged with respect to the surface of the sample 13 so that the white light is directed towards the surface of the sample at normal incidence. This arrangement allows visualization of the probing area over a field of 1.5 x 1 mm2 while taking into account the size of the optical and mechanical elements of the device and the camera.
  • the lens 54 is a 10x lens.
  • the beam splitter operates in the spectral range from 350 nm to 1100 nm.
  • the beam splitter 53 is configured so as to allow the white light emitted by the source to pass through in the Z direction, and to reflect a portion of the returning white light in the X direction, towards the camera 56 in order to form images, as illustrated in Figure 3.
  • White light is directed by optical fiber 57 towards collimating mirror 52 to create a wide uniform beam of diameter 1 cm.
  • the white light brought by the optical fiber 57 is then reflected by the collimating mirror 52 in the Z direction towards the objective 54 after passing through the beam splitter 53.
  • the objective 54 allows the white light to be focused onto the surface of the sample, at normal incidence.
  • Part of the light is then reflected by the surface, in the Z direction, towards the beam splitter 53, after passing through the lens 54.
  • the reflected light travels the same optical path as the incident light in the opposite direction.
  • the reflected light is redirected by the beam splitter 53 to a focusing lens 55.
  • the reflected light is focused onto the camera to form images.
  • the camera 56 is connected to the control unit 40 to display the images taken by the camera.
  • the control unit 40 to display the images taken by the camera.
  • the brightfield imaging system 50 allows the user to identify areas of interest in order to then carry out analytical techniques. More sensitive with greater spatial resolution: measure the non-linear second harmonic generation signal as a function of power, incident polarization, and output polarization, measure the absorption signal in reflectivity in s or p polarization.
  • the field of view formed by the camera 56 is centered on the focal point of the first light beam and the focal point of the second incident light beam, which are represented by spots labeled 71 and 72, respectively, as illustrated in Figure 4. These spots 71 and 72 represent, respectively, the pixel of the image formed by the reflected SHG signal and the pixel of the image formed by the reflected linear absorption signal. Their diameter is directly related to the spatial resolution of the imaging technique used. The diameter of the image area 70, which is approximately 1.5 x 1 mm2 , is larger than the focal point of the first light beam and the focal point of the second incident light beam. The camera 56 therefore makes it possible to observe the probing area and to record images of this same area.
  • the first source 2 which is here a pulsed infrared laser (1025 nm, 250 fs, 54 MHz), emits a first incident laser beam which has a wavelength of 1025 nm, a pulse of 250 fs and a pulse frequency of 51 MHz.
  • the second mirror 3 deflects the first incident beam towards the first mirror 7, passing successively through the shutter 36, the neutral density filter 4, and the Glan-Taylor polarizer 5.
  • the shutter 36 allows the beam to pass through or be blocked on command.
  • the power of the first incident beam is variable using the filter.
  • neutral density 31 A Glan-Taylor type polarizer (PGT) filters the incident polarization to obtain a linear output polarization of 99%.
  • the first mirror 7 directs the beam at an angle of 70° to the plane of incidence YZ, which then passes through the rotating zero-order half-wave plate 11 centered at 1030 nm, and the fixed zero-order quarter-wave plate 12 centered at 1030 nm.
  • the rotation of the LDO (angle denoted ⁇ P) rotates the polarization plane by 2'4 J around the optical propagation axis to generate any linear polarization at the desired angle.
  • the first incident beam Upon exiting the fixed quarter-wave plate 12, the first incident beam passes through the high-pass filter 14, the cutoff frequency of which is 950 nm. Thus, the first beam is spectrally filtered so as to allow only infrared to pass through.
  • the first incident beam is then focused onto the surface of the sample using the focusing lens 15.
  • the focal point on the surface of a sample where nonlinear effects will appear is highly sensitive to positioning.
  • the present disclosure proposes a perfectly aligned detection system using specifically chosen optical components placed in a thoughtful design, thus optimizing detection.
  • the first reflected beam is collected by the collecting arm 71 placed in the optical path of the reflected light where a second focusing lens 16 makes the light parallel to the propagation axis.
  • the first reflected beam passes successively, the silicon window 17 reflects the SHG signal towards the photomultiplier tube 24, followed by the motorized polarizer 19 covering the visible spectrum, which filters the linear polarization states according to its rotation.
  • a final lens 21 is placed in front of the detector to restrict the size of the SHG signal beam before it reaches the depolarizer 22, and then the photomultiplier tube 24.
  • the mirror 20 and the polarization controller 11 are moved so as not to be positioned on the optical path of the first beam.
  • the optical device of Figure 1 and Figure 2 can be used to operate in two distinct modes of operation, in point mode or in mapping mode for the detection and analysis of the SHG signal.
  • the sample 13 remains fixed during the measurement at a measurement point.
  • the intensity of the SHG signal ( l2 ") is measured by varying the incident power (l") using the neutral density filter 4, the incident polarization angle using the rotating half-wave plate 11 and the analysis angle using the fixed quarter-wave plate 12.
  • a first acquisition method consists of measuring and analyzing l2 “ as a function of power (PWR-Scan) when the incident and analysis polarizations are fixed (constant angles ⁇ P and ) and the incident power is gradually increased.
  • the result obtained is an R-SHG intensity curve that varies quadratically with respect to the incident power. This provides information on the intensity of the nonlinear response of the material under study.
  • a quantitative response hierarchy is thus established with a reference sample;
  • a second acquisition method involves varying the incident polarization (angle ⁇ P) while keeping the incident power (l“) and the analysis polarization ( ⁇ P) constant.
  • This opscan is sensitive to symmetry (or to defects, symmetry breaking) and the nature of the material being analyzed, which can be metal, semiconductor, dielectric, organized (crystal), or amorphous (glass), etc., by probing the susceptibility components involved in the scan.
  • processing this information at a more complex level allows for the determination of structural parameters. For example, the degree of isotropy or anisotropy of the surface and the statistical orientation of molecules on the surface of molecular monolayers.
  • a third acquisition method involves varying the analysis polarization (angle ) when the incident power ( ⁇ ) and incident polarization ( ⁇ P) are constant.
  • This ⁇ b-Scan allows for a perfect characterization of the polarization states of the R-SHG response by determining the Stokes parameters, in particular.
  • the -Scan can generate unique contrasts and allow for a complete characterization of the ellipsometric response of the reflected beam. Only the absolute left-handed or right-handed nature of the elliptical (or circular) polarization remains undefined in this case.
  • the sample is spatially displaced while the incident power ⁇ 1, the incident angle ⁇ P, and the analysis angle remain constant.
  • the real-time absolute position is determined by the (X,Y) coordinates of the sample holder (Z being constant for focusing on the surface), which is stored in memory 41.
  • the SHG signal ⁇ 21 is measured point by point according to user-defined dimensions and steps. The mapping allows the degree of surface homogeneity to be illustrated according to the nonlinear response of the sample.
  • the second light source 29 emits a second visible light beam which is injected into the optical fiber 28.
  • the achromatic optical fiber collimator 6 collimates the second beam onto the first mirror 7.
  • the second beam then passes through the linear polarizer 9, covering wavelengths from 400 nm to 700 nm, to be polarized into a target polarization state.
  • horizontal "s" and vertical "p" polarizations are considered.
  • the reflected light is deflected by the silicon window 17 towards the analyzer 19, which filters out the linear component of the incident polarization state.
  • the mirror 20 is placed in the optical path to direct the reflected beam towards the focusing lens 25, which connects to the UV-Vis-NIR spectrometer 27 using an optical fiber 26.
  • the reflected signal is collected in the visible range.
  • the optical device of Figure 1 and Figure 2 can also be used to operate in two distinct modes of operation, in point mode or in mapping mode for the detection and analysis of the linear signal in Vis-RAS configuration.
  • the sample In Vis-RAS mapping mode, the sample is spatially displaced while the incident and analysis polarization states remain constant and identical, either in "s" or "p" polarization.
  • the real-time absolute position is determined by the (X, Y) coordinates of the sample holder. Reflectance spectra are measured across the entire visible (A) range, point by point, according to user-defined dimensions and steps.
  • the mapping illustrates surface homogeneity based on sample absorption and wavelength (A).
  • the light spot 71, 72 that reaches the surface of the sample represents the pixel of the analysis under consideration and is related to the spatial resolution of the technique, whether R-SHG or Vis-RAS. It is possible to superimpose the R-SHG and Vis-RAS pixels to probe the same location. Using the imaging system 50, it is also possible to visualize the sample in brightfield. The X, Y positions being known and determined by the holder- sample 30, it is possible to correlate the mapping information between what is observed in the clear field, and then what is measured by R-SHG and Vis-RAS.
  • the method for this correlative spectroscopy comprises the following steps:
  • the three imaging techniques allow for detailed analysis of the sample surface and the acquisition of additional information.
  • the apparatus of the present disclosure can be applied, in particular, in the field of characterizing the surface of a sample such as a semiconductor component.
  • the information obtained by the apparatus of the present invention makes it possible to determine information on the structure and texture of the observed surface.
  • the information obtained from the second harmonic generation (SHG) signal as a function of the incident polarization makes it possible to characterize the degree of isotropy and anisotropy (and texturization and/or contrast) of the surface of the sample.
  • the information obtained from the SHG signal as a function of the output polarization of the analyzer makes it possible to characterize, for example, the potential phase shift of the measurement, namely the achiral or chiral character.
  • SHG signal mapping and absorption signal mapping in reflectivity make it possible to illustrate surface homogeneity according to the non-linear response of the sample, and in particular the presence of defects on the surface of the sample.
  • the same device is used to probe an area of interest of a component to generate second-harmonic signal images and absorption-by-reflection images, which provide complementary information on the sample structure, thus offering a more precise and complete analysis.

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Abstract

Un appareil optique d'analyse de surface (1) permet de mesurer avantageusement en un même endroit de la surface d'un échantillon un signal non linéaire de génération de seconde harmonique (SHG) et un signal linéaire d'absorption en réflectivité et de les corréler pour remonter à des informations sur la microstructure de la surface de l'échantillon. Le design de l'appareil optique a été conçu de manière à intégrer une réflectométrie non linéaire pour la détection du signal SHG, une spectroscopie visible par réflexion-absorption (Vis-RAS) et un dispositif de contrôle visuel de la surface de l'échantillon par microscopie en champ clair (CC) tout en maintenant la compacité de l'appareil.

Description

Description
Titre : Appareil optique d’analyse de surfaces à l’aide de lumières réfléchies par processus optiques linéaire et non linéaire
Domaine technique
[0001] La présente divulgation se rapporte au domaine des dispositifs optiques d’analyse de surfaces d’un échantillon.
[0002] La présente divulgation concerne plus précisément un appareil optique d’analyse de surfaces d’un échantillon à partir des signaux de génération de seconde harmonique (SHG) et des signaux d’absorption en réflectivité.
Technique antérieure
[0003] Il est connu d’utiliser des techniques optiques reposant sur l’interaction entre un faisceau lumineux et un échantillon pour sonder les propriétés physiques et chimiques de la surface d’un échantillon, et en particulier des défauts structuraux formés pendant la fabrication de l’échantillon.
[0004] L’ imagerie ellipsométrique et la réflectométrie linéaire sont basées sur la mesure des modifications de la lumière lors de son interaction avec l’échantillon pour extraire les informations de surface. Cependant, ces processus d’optique étant basés sur l’exploitation d’effets optiques linéaires, les informations extraites ne sont généralement pas complètes. Ces techniques doivent être couplées avec d’autres méthodes de caractérisation de surface plus avancées.
[0005] Les techniques d’analyses chimiques tels que la résonnance plasmon de surface (SPR), la diffusion Raman exaltée de surface (SERS), et la spectroscopie infrarouge de réflexion absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) permettent de détecter de très faibles quantités de matière en surface. Cependant, ces techniques nécessitent la présence d’une plaque métallique couplée à un échantillon pour fonctionner. L’opérateur doit être spécifiquement formé pour piloter les appareils. Enfin, ces techniques sont d’utilisation relativement complexe et lourde à mettre en oeuvre, et nécessitent la collecte d’une quantité importante de données pour pouvoir extraire les informations de surface, ce qui les rend peu compatibles avec les impératifs de tests de qualité et conformité dans le cadre d’une fabrication en série.
[0006] Les techniques par rayons X (RX) peuvent être également utilisées pour diagnostiquer des propriétés chimiques ou physiques. Cependant, elles sont souvent destructives et requièrent une préparation de la surface de l’échantillon à analyser qui s’avère difficile.
[0007] Une autre technique connue consiste à détecter le phénomène non linéaire appelée génération de seconde harmonique (SHG) qui se produit au point de focalisation d’un faisceau lumineux pour sonder la polarisabilité d’un échantillon. Une telle technique est particulièrement utilisée pour contrôler par exemple la qualité des interfaces entre deux couches lors de la fabrication d’une structure de matériaux semi-conducteurs. La technique SHG est donc une technique particulièrement intéressante pour la caractérisation de surface en vue de détection de défauts cristallins non centrosymétriques, là où la symétrie est brisée. Le niveau très faible du signal nécessite généralement l’utilisation d’un faisceau laser puissant pour augmenter la sensibilité de détection. Toutefois, cette technique est généralement utilisée avec un état de polarisation fixe. Le processus peut être considéré comme la combinaison de deux photons pour produire un seul photon, en d’autres termes, la production d’un faisceau lumineux de deux fois la fréquence ou la moitié de la longueur d’onde du faisceau lumineux incident.
[0008] Aucune des techniques de mesure connues ne permet de collecter à la fois le signal non linéaire SHG et le signal d’absorption en réflexion en un même point de l’échantillon et de pouvoir ainsi les corréler pour extraire certaines informations physiques et chimiques de la surface de l’échantillon.
[0009] Il est donc souhaitable de développer un dispositif optique de mesure qui soit rapide et facile à mettre en oeuvre pour accéder à un maximum d’information de surface de l’échantillon, avec une résolution de l’ordre micrométrique, et ce quel que soit le matériau de l’échantillon.
[0010] La présente divulgation a également pour objectif de proposer un dispositif qui permet d’utiliser différents modes d’analyse sur un même échantillon, en mode point et en mode cartographie.
Résumé
[0011] La présente divulgation vient améliorer la situation.
[0012] Il est proposé un appareil de mesure optique pour caractériser la surface d’un échantillon, comprenant
- une première source adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident d’excitation à une première longueur d’onde d’excitation (X1 ) ;
- une seconde source adaptée pour émettre un second faisceau lumineux incident d’excitation à une seconde longueur d’onde d’excitation (X2) différente de ladite première longueur d’onde d’excitation ;
- un support d’échantillon apte à recevoir l’échantillon;
- un bras de projection apte à envoyer le premier faisceau lumineux et le second faisceau lumineux sur un point de mesure de la surface de l’échantillon selon un chemin optique commun, ledit bras comprenant un premier miroir agencé de manière à recevoir ledit premier faisceau lumineux incident et ledit second faisceau lumineux incident et à les réfléchir vers la surface de l’échantillon, un dispositif de focalisation configuré pour générer un point de focalisation sur la surface de l’échantillon et un dispositif de polarisation placé entre le premier miroir et le dispositif de focalisation pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau lumineux incident et un état de polarisation linéaire du second faisceau incident;
- un premier dispositif de détection configuré pour enregistrer un premier signal de génération de seconde harmonique (SHG) présentant une longueur d’onde de détection égale à la moitié de la longueur d’onde d’excitation associée au premier faisceau lumineux réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon;
- un second dispositif de détection configuré pour enregistrer un second signal linéaire d’absorption en réflectivité associé au second faisceau lumineux réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon;
- un bras de collecte apte à collecter le premier faisceau lumineux réfléchi et le second faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon et à les transmettre respectivement vers le premier dispositif de détection et ledit le second dispositif de détection ;
- un module de traitement de données configuré pour déterminer des informations structurales à partir du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire transmis respectivement par le premier dispositif de détection et le second dispositif de détection pour un même point de mesure de la surface de l’échantillon.
[0013] Selon un mode de réalisation, le premier miroir peut être agencé de sorte que le premier faisceau incident et le second faisceau soient incidents sur la surface de l’échantillon avec un ange d’incidence oblique compris entre 65° et 80° par rapport au plan d’incidence.
[0014] L’ interaction du premier faisceau laser proche infrarouge avec la surface de l’échantillon génère des effets optiques linéaires et non linéaires qui sont collectés à fréquence doublée après réflexion. L’analyse à angle rasant permet d’exalter la réflexion, car les coefficients de réflexion augmentent avec l’angle d’incidence au-delà de l’angle de Brewster pour les diélectriques et le couplage photon-plasmon de surface pour les métaux et semiconducteurs devient très efficace. L’utilisation d’un angle d’incidence rasant permet de sonde uniquement la surface de l’échantillon. L’angle d’incidence défini permet ainsi une optimisation de la réflectivité en surface et l’exclusion des signaux volumiques, contrairement à des techniques conventionnelles qui utilisent des signaux différents, tels que Raman, transmission, diffusion, ou rétrodiffusion par exemple.
[0015] La combinaison spécifique d’une mesure non linéaire (SHG) et linéaire en réflectivité, permet une orientation spécifiquement vers les interfaces et couches minces.
[0016] Selon un mode de réalisation, l’appareil peut comprendre en outre :
- un premier dispositif optique agencé entre ladite première source et le premier miroir et configuré pour projeter le premier faisceau laser sur le premier miroir;
- un second dispositif optique agencé entre ladite seconde source et le premier miroir et configuré pour projeter le second faisceau laser sur le premier miroir d’orientation.
[0017] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
[0018] Le premier dispositif optique peut comprendre un deuxième miroir, un obturateur commutable entre une position passante permettant de laisser passer le premier faisceau incident et une position bloquante permettant de bloquer le premier faisceau incident, un filtre densité mobile apte à faire varier la puissance du premier faisceau lumineux incident entre 0,01% et 100% de la puissance totale, et un contrôleur d’état de polarisation placés successivement sur le chemin optique du premier faisceau incident entre la première source le premier miroir.
[0019] Le second dispositif optique peut comprendre une fibre optique ayant une première extrémité couplée à la sortie de la seconde source et une seconde extrémité couplée à un collimateur mobile, ledit collimateur étant apte à collimater le second faisceau lumineux en sortie de la fibre optique sur le premier miroir.
[0020] Le dispositif de polarisation peut comprendre :
- un premier module de polarisation mobile pour être placé sur le trajet optique du premier faisceau incident entre le premier miroir et le dispositif de focalisation et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau incident, et
- un second module de polarisation mobile pour être placé sur le trajet optique du second faisceau incident entre le premier miroir et le dispositif de focalisation et configuré pour générer un état de polarisation linéaire du second faisceau lumineux incident.
[0021] La polarisation est adaptée pour obtenir des contrastes SHG adaptés à l’analyse de surface, contrairement à une configuration de polarisation générique.
[0022] Le premier module de polarisation peut comprendre une lame demi-onde rotative autour d’un axe optique de propagation pour générer une polarisation linéaire selon un angle désiré et une lame quart d’onde fixe ayant un axe rapide perpendiculaire à l’axe optique de propagation de la demi-onde pour générer des états de polarisation elliptique et circulaire en association avec la lame demi-onde.
[0023] Le second module de polarisation mobile peut comprendre un polariseur linéaire horizontal apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation horizontale “s” et un polariseur linéaire vertical apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation vertical “p”.
[0024] Selon un mode de réalisation, le bras de collecte peut être agencé de manière symétrique au bras de projection par rapport au plan d’incidence, ledit bras de collecte comprenant un deuxième dispositif de focalisation, une fenêtre de silicium, un filtre passe- bas, un analyseur d’état de polarisation rotatif et un miroir basculant agencés successivement sur le trajet optique du premier faisceau lumineux et du second faisceau lumineux réfléchis au point de mesure de la surface de l’échantillon, ledit miroir basculant étant configuré pour laisser passer le premier faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon en direction du premier dispositif de détection et à dévier le second faisceau réfléchi par la surface de l’échantillon vers le second dispositif de détection.
[0025] De préférence, la première source est une source laser adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident d’excitation à une première longueur d’onde d’excitation entre 1000 nm et 1100 nm, avec une impulsion entre 100 fs et 600 fs, et une fréquence entre 1 MHz et 100 MHz.
[0026] De préférence, la seconde source est une lampe tungstène adaptée pour émettre un second faisceau lumineux incident d’excitation à une second longueur d’onde d’excitation comprise entre 400 nm et 700 nm.
[0027] Dans des modes de réalisation, le premier dispositif optique de focalisation peut comprendre une lentille de focalisation apte à focaliser le premier faisceau lumineux et le second faisceau lumineux en un point de focalisation de diamètre compris entre 2 pm et 50 pm sur la surface de l’échantillon. [0028] Selon un mode de réalisation, l’appareil peut comprendre en outre un dispositif de déplacement couplé au support d’échantillon, ledit dispositif de déplacement étant configuré pour déplacer le support d’échantillon dans un plan horizontal selon une première direction horizontale selon l’axe X, une seconde direction horizontale selon l’axe Y, une troisième direction verticale selon l’axe Z, de manière à déplacer le support d’échantillon relativement au point de focalisation pour former une pluralité de points de mesure sur la surface de l’échantillon cible.
[0029] La variation selon l’axe Z permet de garantir une mise au point précise quel que soit le type d’état de surface. Il permet ainsi, en combinaison avec la cartographie X-Y (R- SHG) d’assurer une stabilité et une focalisation adaptées aux variations de topologie.
[0030] Selon un autre mode de réalisation, l’appareil peut comprendre en outre un système d’imagerie comprenant :
- une troisième source lumineuse apte à émettre une lumière blanche ;
- une troisième fibre optique ayant une extrémité couplée à la sortie de la troisième source lumineuse ;
- un miroir de collimation apte à collimater la lumière blanche en sortie de la troisième fibre optique sur un séparateur de faisceau;
- un objectif de focalisation apte à focaliser la lumière blanche sur le point de focalisation du premier faisceau lumineux incident et du second faisceau lumineux incident;
- une caméra;
- ledit séparateur de faisceau étant agencé entre le miroir de collimation et l’objectif de focalisation de sorte à laisser passer la lumière blanche dans une direction d’incidence normale à la surface de l’échantillon et à réfléchir une partie de la lumière blanche réfléchie par la surface de l’échantillon vers la caméra afin de former des images sur le point de focalisation.
[0031] Le système d’imagerie embarqué à angle d’incidence rasant offre une visualisation directe du spot diffusé, ce qui garantit une analyse ciblée, fiable et reproductible.
[0032] Selon certains modes de réalisation, le module de traitement de données peut comprendre une mémoire configurée pour stocker les coordonnées spatiales du support d’échantillon ou du point de focalisation correspondant à chaque acquisition de mesure, par le premier dispositif de détection et le second dispositif de détection du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire d’absorption en réflectivité. [0033] Selon certains modes de réalisation, le module de traitement de données peut comprendre une unité de commande configurée pour commander le dispositif de déplacement, une unité de calcul et de construction d’images configurée pour générer des images dont chaque pixel est représentatif d’une information d’un point de mesure de l’échantillon.
Brève description des dessins
[0034] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
[0035] [Fig. 1] La figure 1 est une représentation schématique d’un appareil optique d’analyse de surface d’un échantillon selon un premier mode de réalisation ;
Fig. 2
[0036] [Fig. 2] La figure 2 montre un appareil optique d’analyse de surface d’un échantillon selon un deuxième mode de réalisation ;
Fig. 3
[0037] [Fig. 3] La figure 3 montre une vue de profil de l’appareil optique de la figure 2.
Fig. 4
[0038] [Fig. 4] La figure 4 montre une vue schématique d’une zone de visualisation en champ clair sur le point de focalisation du premier faisceau incident et sur le point de focalisation du second faisceau lumineux incident.
Fig. 5
[0039] [Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique montrant les éléments optiques de l’appareil optique de la figure 1 utilisés pour la technique de mesure du signal de génération de seconde harmonique ;
Fig. 6
[0040] [Fig. 6] La figure 6 est une vue schématique montrant les éléments optiques de l’appareil optique de la figure 1 utilisés pour la technique de mesure du signal linéaire d’absorption en réflectivité. [0041] [Fig. 7] La figure 7 est une vue schématique montrant les éléments optiques du système d’imagerie de la figure 2 utilisés pour la visualisation en champ clair du point de mesure de la surface de l’échantillon.
Description des modes de réalisation
[0042] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
[0043] Sur les différentes figures, les éléments désignés par la même référence désignent des éléments identiques ou similaires.
[0044] L’appareil optique d’analyse de surface de la présente divulgation permet de mesurer avantageusement en un même endroit de la surface d’un échantillon le signal non linéaire de génération de seconde harmonique (SHG) et le signal linéaire d’absorption en réflectivité et de les corréler pour remonter à des informations sur la microstructure de la surface de l’échantillon. Le design de l’appareil optique a été conçu de manière à intégrer la réflectométrie non linéaire pour la détection du signal SHG, la spectroscopie visible par réflexion-absorption (Vis-RAS) et le contrôle visuel de la surface de l’échantillon par microscopie en champ clair (CG) tout en maintenant la compacité de l’appareil.
[0045] De manière avantageuse, le design particulier de l’appareil permet de proposer un unique bras de projection pour deux faisceaux incidents et un unique bras d’analyse, permettant de sonder la surface de l’échantillon par la SHG et le Vis-RAS en un même point.
[0046] Un autre avantage est de pouvoir projeter le premier faisceau incident sur la surface de l’échantillon de manière à pouvoir effectuer la mesure du signal SHG à incidence rasante, permettant d’augmenter l’amplitude du signal SHG réfléchi.
[0047] Dans la présente divulgation, le dispositif de focalisation est constitué d’une lentille optique simple ou d’assemblage de lentilles, ayant une distance focale adaptée. La longueur focale de la lentille de focalisation est en pratique choisie en fonction de la résolution d’analyse souhaitée et de la source lumineuse utilisée. On peut par exemple définir un maillage pour les besoins de l’acquisition de données avec une résolution spatiale comprise entre 2 pm et 50 pm, répondant par exemple au besoin pour le contrôle des défauts de dimension micrométrique.
[0048] Il est maintenant fait référence à la figure 1 qui illustre un appareil optique d’analyse de surface d’un échantillon 13 selon un premier mode de réalisation. [0049] Le principe du fonctionnement de l’appareil optique 1 consiste à diriger un faisceau lumineux incident par un groupe de composants optiques vers une zone d’étude de l’échantillon de manière à venir exciter en un point de mesure de la zone d’étude du matériau. L’interaction du matériau par le faisceau lumineux permet de générer le phénomène SHG. Un groupe de composants optiques collecte le faisceau lumineux réfléchi. L’état du faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon est ensuite analysé pour extraire des informations caractéristiques du signal lumineux en un point de mesure de la surface de l’échantillon. En déplaçant l’échantillon par rapport au point de focalisation du faisceau lumineux, une représentation des données caractéristiques sur l’ensemble des points de mesure de la zone spatiale prédéterminées est générée.
[0050] L’appareil de mesure optique proposé peut avantageusement être utilisé avec différents types de matériaux, par exemple des métaux, des verres ou des matériaux diélectriques ou des matériaux semi-conducteurs. Les différents paramètres utilisés dans la mesure sont alors ajustés en fonction du matériau ciblé pour chaque analyse, notamment en sélectionnant la longueur d’onde de l’excitation du matériau analysé et la longueur d’onde de détection du signal réfléchi.
[0051] Pour reprendre en détail les différents éléments optique du dispositif 1 , l’appareil de mesure optique 1 comprend
- une première source 2 adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident d’excitation à une première longueur
- une seconde source 29 adaptée pour émettre un second faisceau lumineux incident d’excitation à une seconde longueur d’onde d’excitation (X2) différente de ladite première longueur d’onde d’excitation ;
- un support d’échantillon 30 apte à recevoir l’échantillon 13;
- un bras de projection apte à envoyer le premier faisceau lumineux et le second faisceau lumineux sur un point de mesure de la surface de l’échantillon 13 selon un chemin optique commun, ledit bras comprenant un premier miroir 7 agencé de manière à recevoir ledit premier faisceau lumineux incident et ledit second faisceau lumineux incident et à les réfléchir vers la surface de l’échantillon 13, un dispositif de focalisation 15 configuré pour générer un point de focalisation sur la surface de l’échantillon et un dispositif de polarisation 8 placé entre le premier miroir 7 et le dispositif de focalisation 15 pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau lumineux incident et un état de polarisation linéaire du second faisceau incident;
- un premier dispositif de détection configuré pour enregistrer un premier signal de génération de seconde harmonique (SHG) présentant une longueur d’onde de détection égale à la moitié de la longueur d’onde d’excitation associée au premier faisceau lumineux (X1 ) réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon 13 ;
- un second dispositif de détection configuré pour enregistrer un second signal linéaire d’absorption en réflectivité associé au second faisceau lumineux réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon 13 ;
- un bras de collecte apte à collecter le premier faisceau lumineux réfléchi et le second faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon et à les transmettre respectivement vers le premier dispositif de détection et ledit le second dispositif de détection ;
- un module de traitement de données 40 configuré pour déterminer des informations surfaciques à partir du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire transmis respectivement par le premier dispositif de détection et le second dispositif de détection pour un même point de mesure de la surface de l’échantillon 13.
[0052] Dans la suite de la description, le faisceau lumineux est appelée « faisceau incident » sur l’ensemble du trajet de la source lumineuse 2, 29 à l’échantillon 13, et « faisceau réfléchi » sur l’ensemble du trajet de l’échantillon 13 au premier dispositif de détection et au second dispositif de détection.
[0053] La première source lumineuse 2 est un laser adapté pour émettre un premier faisceau lumineux incident quasi monochromatique pulsé femtoseconde à une première longueur d’onde X1 . Dans l’exemple de la figure 1 , la longueur d’onde d’excitation peut être de 1025 nm. La puissance du premier faisceau lumineux est de 1 ,3W. Les impulsions peuvent être comprises entre 100 fs et 600 fs. Le laser 2 émet le faisceau laser dans une direction X.
[0054] Le temps des impulsions et la fréquence du faisceau laser sont sélectionnés de manière à maximiser les effets non linéaires désirés tout en réduisant les risques d’endommager l’échantillon, de 1 MHz à 100 MHz.
[0055] Selon une alternative, la première source 2 peut être une source accordable en longueur d’onde. La longueur d’onde peut être comprise entre 200 nm et 2000 nm.
[0056] A titre d’exemple, la première source lumineuse est configurée pour émettre un faisceau lumineux pulsé de 250 femtosecondes. L’utilisation d’une source pulsée et spécifiquement dans le domaine du femtoseconde (10-15 s) permet d’envoyer une puissance crête élevée tout en conservant une puissance moyenne faible, exaltant les effets non linéaires. Les impulsions sont suffisamment espacées dans le temps pour que la relaxation thermique du matériel soit totale, de façon à éviter une accumulation locale d’énergie qui pourrait endommager l’échantillon. En outre, de manière avantageuse, avec un temps d’impulsion par exemple de 250 fs, la réponse instantanée du matériel provient uniquement des électrons et convient parfaitement à la spectroscopie électronique en limitant des effets vibrationnels et en évitant la propagation d’ondes acoustiques présentes en régime picoseconde.
[0057] La seconde source lumineuse 29 est une source lumineuse stable configurée pour émettre un faisceau lumineux couvrant le visible. A titre d’exemple, la seconde source lumineuse est une lampe tungstène. La longueur d’onde peut être comprise entre 400 nm et 700 nm.
[0058] L’appareil comprend un premier dispositif optique agencé entre la première source 2 et le premier miroir 7 et configuré pour projeter le premier faisceau laser incident sur le premier miroir 7.
[0059] Le premier dispositif optique comprend un deuxième miroir 3, un obturateur 36 commutable entre une position passante permettant de laisser passer le premier faisceau incident et une position bloquante permettant de bloquer le premier faisceau incident, un filtre densité 4 mobile apte à faire varier la puissance du premier faisceau lumineux incident entre 0,01% et 100% de la puissance totale, un contrôleur d’état de polarisation 5 qui sont placés successivement sur le chemin optique du premier faisceau incident entre la première source 2 le premier miroir 7.
[0060] Le deuxième miroir 3 est un miroir plan parfaitement réfléchissant par exemple pour la longueur d’onde d’excitation X = 1025 nm. Il permet de dévier le premier faisceau laser qui traverse successivement l’obturateur 36, le filtre de densité 4 et le contrôleur d’état de polarisation 5 vers le premier miroir 7.
[0061] Le premier miroir 7 et le deuxième miroir 3 sont agencés de sorte que l’angle d’incidence du faisceau laser sur chacun d’eux soit environ de 90° dans le plan de la figure
1 (XY), afin que le premier faisceau réfléchi par le premier miroir soit dans la même direction que le premier faisceau incident, à savoir sur la figure 1 , dans la direction X. Ces deux miroirs permettent d’agencer les éléments optiques du premier dispositif optique et le laser
2 en un endroit choisi selon des contraintes d’encombrement mécanique, tout en permettant l’acheminement du premier faisceau selon la direction X choisie. [0062] L’appareil 1 comprend un second dispositif optique agencé entre ladite seconde source 29 et le premier miroir 7 et configuré pour projeter le second faisceau laser incident sur le premier miroir d’orientation 7.
[0063] Le second dispositif optique comprend une première fibre optique 28 ayant une première extrémité couplée à la sortie de la seconde source 29 et une seconde extrémité couplée à un collimateur mobile 6. Le second faisceau lumineux incident émis par la seconde source 28 est donc injecté dans la première fibre optique 28 qui transporte le faisceau incident vers le collimateur 6 qui est apte à collimater le second faisceau lumineux en sortie de la fibre optique 28 sur le premier miroir 7. Le second faisceau réfléchi par le premier miroir 7 est réfléchi dans la même direction que le premier faisceau incident, à savoir sur la figure 1 , dans la direction X.
[0064] Selon un exemple de réalisation, le collimateur 6 est adapté pour fibre optique achromatique jusqu’à 780 nm. Il présente une distance focale et une ouverture numérique ajustées pour permettre au spectre visible de rester collimaté jusqu’à la surface de l’échantillon pour que la tâche focalisée sur la surface soit uniforme.
[0065] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le premier miroir 7 est agencé de manière à orienter le premier faisceau incident et le second faisceau incident selon un angle d’incidence comprise entre 65° et 80° par rapport au plan d’incidence. Cette configuration est particulièrement intéressante pour augmenter l’amplitude du signal non linéaire de SHG réfléchi. Un exemple de cette configuration est illustré sur la figure 3. Le bras d’injection 70 du premier faisceau lumineux incident et du second faisceau lumineux incident est orienté selon un angle rasant de 70° par rapport au plan d’incidence, le plan normal à la surface de l’échantillon 13.
[0066] L’ interaction du premier faisceau laser proche infrarouge avec la surface de l’échantillon génère des effets optiques linéaires et non linéaires qui sont collectés à fréquence doublée après réflexion par rapport au plan d’incidence. La réflexion à incidence rasante est exaltée, car les coefficients de réflexion augmentent avec l’angle d’incidence au-delà de l’angle de Brewster. Ce principe est notamment exploité par les techniques de mesure d’absorption en réflectivité, mais n’a encore jamais été appliqué pour la détection du signal non linéaire à ce jour.
[0067] Le bras de collecte 71 qui est placé sur le chemin optique pour collecter le faisceau lumineux réfléchi est agencé de manière symétrique et complémentaire au bras d’injection 70 par rapport au plan d’incidence. Sur la figure 3, le bras de collecte 71 est orienté à -70° par rapport au plan d’incidence.
[0068] Le dispositif de polarisation 8 comprend :
- un premier module de polarisation mobile 10 pour être placé sur le trajet optique du premier faisceau incident entre le premier miroir 7 et le dispositif de focalisation 15 et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau incident, et
- un second module de polarisation mobile 9 pour être placé sur le trajet optique du second faisceau incident entre le premier miroir 7 et le dispositif de focalisation 15 et configuré pour générer un état de polarisation linéaire du second faisceau lumineux incident.
[0069] Le premier module de polarisation 10 comprend une lame demi-onde rotative 11 autour d’un axe optique de propagation pour générer une polarisation linéaire selon un angle désiré et une lame quart d’onde fixe 12 ayant un axe rapide perpendiculaire à l’axe optique de propagation de la demi-onde, selon l’axe Y.
[0070] Le deuxième miroir 7 oriente le premier faisceau incident à un angle de 70° par rapport au plan d’incidence YZ qui traverse ensuite la lame demi-onde 11 d’ordre zéro centrée à X1 . La rotation de la lame demi-onde 11 dont l’angle est noté permet de tourner le plan de polarisation de 2 autour de l’axe optique de propagation pour générer toute polarisation linéaire selon l’angle désiré. La lame quart d’onde fixe 12 est d’ordre zéro centrée à X1 dont l’angle est noté . Son axe rapide se situe à l’horizontal selon Y. Les deux composants optiques 11 , 12 combinés ensemble permettent de générer l’ensemble des états de polarisation : linéaire horizontal = 0°), linéaire vertical = 45°), elliptique, circulaire droit et gauche = ± 22.5°).
[0071] Selon un mode de réalisation, le premier module de polarisation peut comprendre un filtre passe-haut 14 dont la fréquence de coupure est par exemple de 950 nm, permettant de filtrer spectralement le premier faisceau incident en ne laissant passer que l’infrarouge afin qu’aucune lumière visible n’atteigne la surface de l’échantillon 13.
[0072] Selon un mode de réalisation, l’obturateur 36, le filtre de densité neutre 4, la lame demi-onde rotative 11 , la lame quart d’onde fixe 12 sont disposés sur un support motorisé de manière à les placer sur le trajet optique du premier faisceau lumineux incident pour réaliser la mesure du signal SHG. Lorsque le mode de mesure du signal linéaire d’absorption en réflectivité est utilisé, le filtre passe haut 14 est manuellement retiré, la lame demi-onde rotative 11 et la lame quart d’onde fixe 12 sont retirées par les moteurs. La mobilité de l’obturateur 36, du filtre de densité neutre 4, du polariseur linéaire 9 et de la lame quart d’onde fixe 12 est représentée respectivement par une flèche 34, 31 , 32, 33. La lame demi-onde 11 est munie d’une mobilité rotative 37.
[0073] Le second module de polarisation mobile 9 comprend un polariseur linéaire horizontal apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation horizontale “s” et un polariseur linéaire vertical apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation vertical “p”.
[0074] Le polariseur linéaire est apte à couvrir une plage spectrale de 400 nm à 700 nm qui permet de polariser le second faisceau lumineux en sortie de la première fibre optique 28.
[0075] En sortie du dispositif de polarisation, le premier faisceau incident et le second faisceau incident sont focalisés par le dispositif de focalisation 15 sur la surface de l’échantillon.
[0076] L’ échantillon 13 est associé à un repère orthonormé (X, Y, Z). Sur l’exemple de la figure 1 , l’axe Z est un axe perpendiculaire à la surface d’analyse de l’échantillon, et le plan (X, Y) est parallèle à la surface de l’échantillon.
[0077] L’échantillon 13 est disposé sur un support d’échantillon 30 qui dispose de deux translations (X, Y), une translation (Z), ainsi que de deux rotations (0, cp) pour assurer la compensation fine de la planéité de l’échantillon dans le plan XY.
[0078] Dans le cas de l’utilisation de l’appareil pour réaliser une cartographie de la surface de l’échantillon, l’appareil comprend en outre un dispositif de déplacement 39 motorisé couplé au support d’échantillon 30 qui peut être déplacé suivant les deux directions motorisées X et Y et dans la direction Z. La direction Z sert à ajuster la focalisation parfaitement à l’interface.
[0079] L'échantillon 13 peut être par exemple un composant semi-conducteur dont on doit analyser la surface pour déterminer si elle comporte des défauts structuraux ou des impuretés.
[0080] En cas de présence de tels défauts à l'endroit du point de focalisation, un signal SHG altéré est émis.
[0081] Dans le cas où le faisceau incident est un premier faisceau incident X1 , le signal de longueur d’onde de détection sera observé à z.1/2 et est un signal SHG. [0082] Dans le cas où le faisceau incident est un second faisceau incident X2, le signal de longueur d’onde de détection sera observé à /.2 et est un signal linéaire d’absorption en réflectivité.
[0083] Dans les deux cas, une majorité du faisceau incident est réfléchie par la surface spéculaire de l’échantillon ou par l’interface entre l’échantillon et le support si le faisceau incident a traversé entièrement l’épaisseur de l’échantillon. De manière avantageuse, la surface du support d’échantillon 30 peut être éventuellement traitée par un dépôt dichroïque permettant d’augmenter la réflectivité de sa surface. Le faisceau réfléchi est collecté par le bras de collecte 71.
[0084] Le bras de collecte est donc placé sur le chemin optique du faisceau lumineux réfléchi.
[0085] Selon un mode de réalisation, le bras de collecte en figure 3 comprend un deuxième dispositif de focalisation 16, une fenêtre de silicium 17, un filtre passe-bas 18, un analyseur d’état de polarisation rotatif 19 et un miroir basculant 20 agencés successivement sur le trajet optique du premier faisceau lumineux et du second faisceau lumineux réfléchis au point de mesure de la surface de l’échantillon. Le miroir basculant 20 est apte à être placé dans une première position laissant passer le premier faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon en direction du premier système de détection et dans une seconde position pour dévier le second faisceau réfléchi par la surface de l’échantillon vers le second système de détection.
[0086] Le deuxième dispositif de focalisation 16 comprend une deuxième lentille de focale qui permet de rendre le faisceau lumineux réfléchi parallèle à l’axe de propagation. La fenêtre de silicium 17 est apte à laisser passer le signal fondamental X1 et réfléchir le signal de génération de seconde harmonique (SHG) vers l’analyseur 19. L’analyseur 19 est un polariseur couvrant le visible monté sur une platine de rotation contrôlée, permettant de filtrer les états de polarisation linéaire en fonction de sa rotation. Le miroir basculant motorisé permet de laisser passer le faisceau vers le premier système de détection et ou dévier le faisceau vers le second système de détection.
[0087] Le premier dispositif de détection comprend un photomultiplicateur 24, un dépolariseur 22, un filtre passe bande 23 centré par exemple à z.1/2 (515 nm) d’une largeur à mi-hauteur de 40 nm et une troisième lentille de focalisation 21 .
[0088] Le photomultiplicateur 24 est apte à amplifier le signal SHG réfléchi afin de le détecter à partir d’une puissance optique seuil inférieure à quelques pW. Cette puissance reçue dépend de la puissance crête du laser et de l’amplification de la détection. Chaque réponse positive du photomultiplicateur 24 permet de déterminer de façon optimale que le point de focalisation du premier faisceau incident a interagi avec la surface de l’échantillon 13.
[0089] A titre d’exemple, le dépolariseur 22 et le filtre passe bande 23 sont ajoutés pour sélectionner le signal non linéaire à 515 nm et redistribuer uniformément une lumière dépolarisée sur le photomultiplicateur 24. L’intensité de la lumière est ensuite mesurée par le photomultiplicateur qui permet de convertir en signal électrique les photons qu’il reçoit du faisceau réfléchi. Le photomultiplicateur 24 comprend en outre un convertisseur analogique-numérique adapté pour convertir les signaux en valeurs numériques. La troisième lentille de focalisation 21 permet de focaliser le faisceau lumineux réfléchi vers le photomultiplicateur 24.
[0090] Le second dispositif de détection comprend une lentille de collimation 25, une deuxième fibre optique 26 et un spectromètre visible 27. Le second faisceau lumineux réfléchi est dévié par le miroir basculant 20 en direction de la lentille de collimation 25 qui est raccordée au spectromètre 27 grâce à la deuxième fibre optique 26. Le spectromètre 27 enregistre le signal réfléchi dans la gamme du visible.
[0091] Les valeurs numériques acquises par le spectromètre 27 et le photomultiplicateur 24 sont ensuite transmises à un dispositif de traitement de données 40.
[0092] Selon un mode de réalisation, le dispositif de traitement de données 40 comprend une mémoire 41 configurée pour stocker les coordonnées spatiales du support d’échantillon ou du point de focalisation correspondant à chaque acquisition de mesure, par le premier dispositif de détection du premier signal non linaire SHG et le second dispositif de détection du second signal linéaire d’absorption en réflectivité.
[0093] Le module de traitement de données 40 comprend en outre une unité de commande 42 configurée pour commander le dispositif de déplacement 39 et les différents composants électromécaniques de l’appareil optique. L’unité de commande 42, la mémoire 41 et le dispositif de déplacement 39 sont synchronisés ensemble de manière à détecter et enregistre automatiquement les positions exactes du moteur du dispositif de déplacement, en réponse à la détection du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire d’absorption en réflectivité.
[0094] Le module de traitement de données 40 comprend une unité de calcul et de construction d’images 43 configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par les deux dispositifs de détection pour chaque point de mesure. En compilant les informations de détection et de coordonnées associées de chaque point de mesure, l’unité de calcul et de construction d’images 43 est apte à générer une cartographie dont chaque pixel est représentatif d’une information d’un point de mesure de l’échantillon.
[0095] L’ unité de construction 43 reçoit les informations pour chaque point mesuré dont la position est connue dans le repère orthonormé (XYZ) associé à l’échantillon. Chaque pixel sur l’image qui représente un point de mesure de l’échantillon est associé à au moins une information associée aux signaux détectés.
[0096] L’ unité de construction 43 comprend en outre des moyens de soustraction de bruits additifs afin d’augmenter le rapport signal sur bruit.
[0097] De manière avantageuse, l’appareil de mesure de la figure 1 permet, de manière séquentielle, de réaliser des mesures du signal non linéaire SHG et du signal d’absorption en réflectivité d’un même endroit d’un échantillon, sans augmenter l’encombrement de l’appareil et la complexité du procédé de mesure.
[0098] En couplant les informations issues du signal non linéaire et les informations issues du signal linéaire au même endroit de mesure de l’échantillon, il est possible d’offrir une analyse plus précise et plus complète de la surface de l’échantillon analysée que les techniques d’analyse connues qui permettent de détecter un seul type de signal, soit non linéaire soit linéaire.
[0099] A titre d’exemple, le signal non linéaire SHG permet d’extraire des informations portant sur l’intensité et la réponse non linéaire de molécules absorbantes greffées sur une surface (monocouche moléculaire). Le signal linéaire d’absorption en réflectivité, à la fois en p et en s permet d’estimer la concentration surfacique des molécules sous condition de connaître son coefficient d’extinction molaire. En couplant ces informations, l’angle d’orientation statistique des molécules absorbantes greffées sur une surface de l’échantillon est estimé.
[0100] En référence à la figure 2, le dispositif optique de détection comprend en outre un système d’imagerie 50 qui permet à l’utilisateur de visualiser la zone de sondage en champ clair.
[0101] Dans ce mode de réalisation, l’appareil optique comporte tous les éléments précédemment décrits, représentés par les mêmes références numériques que sur la figure 1 . Les éléments optiques du système d’imagerie en champ clair sont placés au-dessus du porte-échantillon. [0102] Le système d’imagerie 50 comprend une source de lumière incohérente 51 de type diode apte à émettre une lumière blanche, c’est-à-dire de spectre large couvrant tout le domaine spectral visible, permettant l’imagerie en mode microscopie champ clair. Le système comporte également une caméra 56 apte à enregistrer des images.
[0103] Le système d’imagerie 50 comprend en outre une troisième fibre optique 57, un miroir de collimation 52, un séparateur de faisceau 53 et un objectif 54, placés entre la source 51 et le support d’échantillon 30. La fibre optique, le miroir et l’objectif sont placés sur le chemin optique du faisceau incident.
[0104] Le miroir 52 et l’objectif 54 sont agencés par rapport à la surface de l’échantillon 13 de sorte que la lumière blanche soit dirigée vers la surface de l’échantillon à l’incidence normale. Cet agencement permet la visualisation de la zone de sondage sur un champ de 1.5 x 1 mm2 tout en prenant en compte l’encombrement des éléments optiques et mécaniques du dispositif et de la caméra.
[0105] A titre d’exemple, l’objectif 54 est un objectif x10. Le séparateur de faisceau fonctionne dans le domaine spectral allant de 350 nm à 1100 nm. Le séparateur de faisceau 53 est configuré de sorte à laisser passer la lumière blanche émise par la source dans la direction Z, et à réfléchir une partie de la lumière blanche de retour dans la direction X, vers la caméra 56 afin de former des images, comme l’illustre la figure 3.
[0106] La lumière blanche est dirigée par la fibre optique 57 vers le miroir de collimation 52 pour créer un large faisceau uniforme de diamètre 1 cm.
[0107] La lumière blanche amenée par la fibre optique 57 est ensuite réfléchie par le miroir de collimation 52 dans la direction Z vers l’objectif 54 après avoir traversé le séparateur de faisceau 53. L’objectif 54 permet de focaliser la lumière blanche sur la surface de l’échantillon, à incidence normale.
[0108] Une partie de la lumière est ensuite réfléchie par la surface, dans la direction Z, vers le séparateur 53, après avoir traversé l’objectif 54. Ainsi, la lumière réfléchie parcourt le même chemin optique que la lumière incidente en sens inverse. La lumière réfléchie est redirigée à l’aide du séparateur de faisceau 53 vers une lentille de focalisation 55. La lumière réfléchie est focalisée sur la caméra pour former des images.
[0109] La caméra 56 est connectée à l’unité de contrôle 40 pour afficher les images prises par la caméra. Ainsi, l’utilisateur peut observer en temps réel la surface de l’échantillon. En particulier, le système d’imagerie en champ clair 50 permet à l’utilisateur d’identifier des zones d’intérêts pour procéder ensuite dans un second temps à des techniques d’analyses plus sensibles avec une résolution spatiale plus importante : mesurer le signal non linéaire de génération de seconde harmonique en fonction de la puissance, de la polarisation incidente, et de la polarisation de sortie, mesurer le signal d’absorption en réflectivité en polarisation s ou p.
[0110] Le champ de vue formé par la caméra 56 est centré sur le point de focalisation du premier faisceau lumineux et le point de focalisation du second faisceau lumineux incident qui sont représentés par des taches respectivement notées 71 , 72, comme l’illustre la figure 4. Ces taches 71 , 72 représentent respectivement le pixel de l’image formée par le signal SHG réfléchi et le pixel de l’image formée par le signal réfléchi linéaire d’absorption par réflexion. Leur diamètre est lié directement à la résolution spatiale de la technique d’imagerie mise en oeuvre. Le diamètre de la zone d’image 70 qui est d’environ 1.5 x 1 mm2 est supérieur au point de focalisation du premier faisceau lumineux et au point de focalisation du second faisceau lumineux incident. La caméra 56 permet donc d’observer la zone de sondage et d’enregistrer des images de cette même zone
[0111] Grâce au système d’imagerie qui permet de visualiser la surface de l’échantillon en champ clair, il est possible de superposer les pixels pour sonder au même point de mesure de l’échantillon.
[0112] Les positions des points de focalisation dans le plan X, Y étant connues et déterminées par le porte-échantillon 30, il est donc possible de corréler les informations extraites de l’observation en champ clair, du signal SHG et celui de l’absorption par réflexion.
[0113] La technique de détection du signal non linéaire SHG est décrite ci-dessous en référence à la figure 5 qui représente uniquement les éléments de l’appareil optique employés pour détecter le signal non linéaire SHG et le trajet optique du premier faisceau incident et le premier faisceau réfléchi. L’appareil optique est utilisé en configuration de détection du signal SHG en réflexion (R-SHG).
[0114] La première source 2 qui est ici un laser infrarouge pulsé (1025 nm, 250 fs, 54 MHz) émet un premier faisceau laser incident qui présente une longueur d’onde 1025 nm, une impulsion de 250 fs et une fréquence d’impulsion de 51 MHz.
[0115] Le second miroir 3 dévie le premier faisceau incident en direction du premier miroir 7 en traversant successivement l’obturateur 36, le filtre de densité neutre 4 et le polariseur de type Glan-Taylor 5. L’obturateur 36 permet de laisser passer ou de couper le faisceau sur commande. La puissance du premier faisceau incident est variable à l’aide du filtre de densité neutre 31. Un polariseur de type Glan-Taylor (PGT) filtre la polarisation incidente pour obtenir une polarisation en sortie linéaire à 99%.
[0116] Le premier miroir 7 oriente le faisceau à un angle de 70° par rapport au plan d’incidence YZ qui traverse ensuite la lame demi-onde 11 rotative d’ordre zéro centrée à 1030 nm, la lame quart d’onde fixe 12 d’ordre zéro centrée à 1030 nm. La rotation de la LDO (angle noté ^P) permet de tourner le plan de polarisation de 2'4J autour de l’axe optique de propagation pour générer toute polarisation linéaire selon l’angle désiré. La combinaison des deux composants optiques 11 , 12 permet de générer tous les états de polarisation ; linéaire horizontal = 0°), linéaire vertical = 45°), elliptique, circulaire droit et gauche ('+’ = ± 22.5°).
[0117] En sortant de la lame quart d’onde fixe 12, le premier faisceau incident traverse le filtre passe-haut 14 dont la fréquence de coupure est de 950 nm. Ainsi le premier faisceau est filtré spectralement afin de ne laisser passer que l’infrarouge.
[0118] Le premier faisceau incident est ensuite focalisé à la surface de l’échantillon à l’aide de la lentille de focalisation 15.
[0119] L’ interaction du premier faisceau laser proche infrarouge avec la surface de l’échantillon génère des effets optiques linéaires et non linéaires qui sont collectés à fréquence doublée après réflexion, toujours à 70° par rapport au plan d’incidence. La réflexion à incidence rasante est exaltée, car les coefficients de réflexion augmentent avec l’angle d’incidence au-delà de l’angle de Brewster pour les diélectriques et le couplage photon-plasmon de surface pour les métaux et semiconducteurs devient très efficace (au- delà de 60-80°).
[0120] Les coefficients de réflexion augmentent drastiquement après l’angle de Brewster d’où l’intérêt principal à réaliser des analyses à angle rasant. Cependant ce concept n’a toutefois jamais encore été appliqué en réflexion de génération de seconde harmonique (R- SHG en raison de la difficulté de collecter la faible intensité du signal réfléchi.
[0121] Le point de focalisation à la surface d’un échantillon où apparaîtront les effets non linéaires est très sensible au positionnement. La présente divulgation propose un système de détection parfaitement aligné à l’aide de pièces optiques spécifiquement choisies et placées dans une conception réfléchie, permettant ainsi d’optimiser la détection.
[0122] Le premier faisceau réfléchi est collecté par le bras de collecte 71 placé dans le chemin optique de la lumière réfléchie où une deuxième lentille de focalisation 16 rend la lumière parallèle à l’axe de propagation. Le premier faisceau réfléchi traverse successivement la fenêtre de silicium 17 qui réfléchit le signal de SHG en direction du photomultiplicateur 24, le polariseur motorisé 19 couvrant le visible qui permet de filtrer les états de polarisation linéaire en fonction de sa rotation. Une dernière lentille 21 est placée devant le détecteur pour restreindre la taille du faisceau du signal SHG avant d’atteindre le dépolariseur 22, puis le tube photomultiplicateur 24.
[0123] Dans la configuration où l’appareil optique est utilisé pour détecter le signal de SHG, le miroir 20 et le contrôleur de polarisation 11 sont déplacés pour ne pas être positionné sur trajet optique du premier faisceau.
[0124] De manière avantageuse, l’appareil optique de la figure 1 et de la figure 2 peut être employé pour fonctionner selon deux modes de fonctionnement distincts, en mode point ou en mode cartographie pour la détection et l’analyse du signal de SHG.
[0125] En mode point, l’échantillon 13 demeure fixe pendant la mesure en un point de mesure. L’intensité du signal de SHG (l2“) est mesurée en faisant varier la puissance incidente (l“) à l’aide du filtre de densité neutre 4, l’angle de polarisation incidente à l’aide de la lame de demi-onde rotative 11 et l’angle d’analyse à l’aide de la lame quart d’onde fixe 12.
[0126] Trois méthodes d’acquisition découlent de ces paramètres afin de qualifier des contrastes différents :
- un premier mode d’acquisition consiste à mesurer et analyser l2“ en fonction de la puissance (PWR-Scan) lorsque les polarisations incidente et d’analyse sont fixes (angles ^P et constants) et que la puissance incidente est graduellement augmentée. Le résultat obtenu est une courbe d’intensité R-SHG qui varie de façon quadratique par rapport à la puissance incidente. Celle-ci renseigne sur l’intensité de la réponse non linéaire du matériau à l’étude. On établit ainsi une hiérarchie de réponse quantitative avec un échantillon de référence ;
- un deuxième mode d’acquisition consiste à faire varier la polarisation incidente (angle ^P) lorsque la puissance incidente (l“) et la polarisation d’analyse (<P) sont constantes. Ce opscan est sensible à la symétrie (ou à un défaut, une brisure de symétrie) et à la nature du matériau à analyser qui peut être du métal, un semi-conducteur, un diélectrique, organisé (cristal) ou amorphe (verre), etc., en sondant les composantes de susceptibilité impliquée dans le scan. En outre, l’exploitation de ces informations à un niveau plus complexe permet de déterminer des paramètres d’ordre structuraux. Par exemple le degré d’isotropie ou d’anisotropie de la surface et l’orientation statistique de molécules en surface pour des monocouches moléculaires. - un troisième mode d’acquisition consiste à faire varier la polarisation d’analyse (angle ) lorsque la puissance incidente (l“) et la polarisation incidente (^P) sont constantes. Ce <b- Scan permet de caractériser parfaitement les états de polarisations de la réponse R-SHG par la détermination des paramètres de Stokes, notamment. En complément au ^P-Scan, le -Scan peut générer des contrastes uniques et permettre de caractériser totalement la réponse ellipsométrique du faisceau réfléchi. Seule la nature absolue gauche ou droite de la polarisation elliptique (ou circulaire) demeure indéfini dans ce cas-ci. Une description plus détaillée de la théorie associée à l’analyse ellipsométrique généralisée d’un signal SHG réfléchi sur un milieu optique linéaire et/ou non linéaire est décrite dans le document de V. Rodriguez and C. Sourisseau, J. Opt. Soc. Am. B 19, 2650 (2002), le document de V. Rodriguez, J. Chem. Phys. 128, 064707 (2008) et le document de V. Rodriguez, D. Verreault, F. Adamietz, and A. Kalafatis, ACS Photonics 9, 2510 (2022).
[0127] En mode cartographie R-SHG, l’échantillon est déplacé spatialement tandis que la puissance incidente l“, l’angle incident ^P et l’angle d’analyse sont constants. La position absolue en temps réel est déterminée par les coordonnées (X,Y) du porte-échantillon (Z étant constant pour la mise au point sur la surface) qui est stocké dans la mémoire 41 . Le signal SHG l2“ est mesuré point par point selon des dimensions et des pas définis par l’utilisateur. La cartographie permet d’illustrer le degré d’homogénéité de surface selon la réponse non linéaire de l’échantillon.
[0128] La technique de détection du signal linéaire d’absorption en réflectivité est décrite ci-dessous en référence à la figure 6 qui représente uniquement les éléments de l’appareil optique employés pour détecter le signal linéaire et le trajet optique du second faisceau incident et le second faisceau réfléchi. L’appareil optique est utilisé en configuration réflexion-absorption (Vis-RAS).
[0129] En configuration Vis-RAS, la seconde source lumineuse 29 émet un second faisceau lumineux dans le visible qui est injecté dans la fibre optique 28. Le collimateur pour fibre optique achromatique 6 collimate le second sur le premier miroir 7. Le second faisceau travers ensuite le polariseur linéaire 9 couvrant de 400 nm à 700 nm pour être polarisé dans un état de polarisation visé. Ici, ce sont des polarisations horizontale « s » et verticale « p » qui sont considérées.
[0130] Comme dans la configuration de la détection de signal SHG, la lumière réfléchie est déviée par la fenêtre de silicium 17 vers l’analyseur 19 qui permet de filtrer la composante linéaire de l’état de polarisation incident. Le miroir 20 est placé sur le trajet optique afin d’envoyer le faisceau réfléchi vers la lentille de focalisation 25 qui se raccorde au spectromètre UV-Vis-NIR 27 à l’aide d’une fibre optique 26. Le signal réfléchi est collecté dans la gamme du visible.
[0131] De manière avantageuse, l’appareil optique de la figure 1 et de la figure 2 peut également être employé pour fonctionner selon deux modes de fonctionnement distincts, en mode point ou en mode cartographie pour la détection et l’analyse du signal linéaire en configuration Vis-RAS.
[0132] En mode point Vis-RAS, l’échantillon demeure fixe en tout temps pendant que l’absorption en réflexion (A) est mesurée. L’analyse du spectre visible d’absorbance- réflectance de la surface est possible lorsque les polarisations d’entrée sont fixes, en l’occurrence en polarisation « s » (As) et en polarisation « p » (Ap). Les anisotropies d’absorption selon ces deux polarisations sont mesurées à l’aide de cette méthode d’acquisition à toute longueur d’onde dans le visible (À).
[0133] En mode cartographie Vis-RAS, l’échantillon est déplacé spatialement tandis que les états de polarisations incident et d’analyse sont constants et identiques, soit en polarisation « s » ou en « p ». La position absolue en temps réel est déterminée par les coordonnées (X, Y) du porte-échantillon. Les spectres de réflectance sont mesurés sur toute la gamme du visible (À) point par point selon des dimensions et des pas définis par l’utilisateur. La cartographie permet d’illustrer l’homogénéité de surface selon l’absorption de l’échantillon et en fonction de la longueur d’onde (À).
[0134] Grâce à l’architecture spécifique de l’appareil optique de la présente divulgation, il est possible de mettre en oeuvre deux méthodes d’analyses corrélées puisqu’il est possible de sonder la même région de la surface en combinant les analyses R-SHG et Vis-RAS. Ces mesures bimodales séquentielles permettent de corréler l’information obtenues par l’une ou l’autre des méthodes d’acquisition. Pour rappel, en mode point, l’analyse R-SHG recueille le signal l2“ selon les paramètres l“, et l’analyse Vis-RAS recueille l’absorbance de la surface selon une polarisation fixe, Ap et As, selon la longueur d’onde À. En mode cartographie, l’analyse d’l2“, d’Ap et d’As est réalisée spatialement.
[0135] La tâche de lumière 71 , 72 qui atteint la surface de l’échantillon représente le pixel de l’analyse considérée et est liée à la résolution spatiale de la technique, que ce soit R- SHG ou Vis-RAS. Il est possible de superposer les pixels R-SHG et Vis-RAS pour sonder au même endroit. À l’aide du système d’imagerie 50, il est en outre possible de visualiser l’échantillon en champ clair. Les positions X, Y étant connues et déterminées par le porte- échantillon 30, il est possible de corréler les informations de cartographie entre ce qui est observé en champ clair, puis ce qui est mesuré par R-SHG et Vis-RAS.
[0136] Le procédé de cette spectroscopie corrélative comprend les étapes suivantes :
- générer une image en lumière blanche à incidence normale d’un échantillon;
- générer une image à incidence rasante de signal de seconde harmonique ;
- générer une image à incidence rasante de signal d’absorption en réflectivité ;
- superposer les trois images ainsi obtenues.
[0137] Les trois techniques d’imagerie permettent d’analyser la surface de l’échantillon de manière détaillée et d’obtenir des informations complémentaires.
Application industrielle
[0138] L’appareil de la présente divulgation peut être appliqué notamment dans le domaine de caractérisation de la surface d’un échantillon tel qu’un composant semi- conducteur. Les informations obtenues par l’appareil de la présente invention permettent de déterminer des informations sur la structure et la texturation de la surface observée.
[0139] Les informations obtenues à partir du signal de génération de seconde harmonique (SHG) en fonction de la polarisation incidente permettent de caractériser le degré d’isotropie et d’anisotropie (et texturation et/ou contraste) de la surface de l’échantillon.
[0140] Les informations obtenues à partir du signal SHG en fonction de la polarisation de sortie de l’analyseur permettent de caractériser par exemple le déphasage potentiel de la mesure, à savoir la caractère achiral ou chiral.
[0141] Les informations obtenues à partir du signal d’absorption en réflectivité en polarisation p ou en s permettent de détecter des contaminants sur la surface de l’échantillon et d’estimer potentiellement la concentration d’une molécule donnée en surface.
[0142] La cartographie du signal SHG et la cartographie du signal d’absorption en réflectivité permettent d’illustrer l’homogénéité de surface selon la réponse non linéaire de l’échantillon, et notamment la présence des défauts à la surface de l’échantillon.
[0143] Un même dispositif est utilisé pour sonder une zone d’intérêt d’un composant pour générer des images de signal de second harmonique et des images d’absorption par réflexion qui constituent des informations complémentaires sur la structure de l’échantillon, fournissant ainsi une analyse plus précise et plus complète.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Appareil de mesure optique (1 ) pour caractériser la surface d’un échantillon (13), comprenant
- une première source (2) adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident d’excitation à une première longueur d’onde d’excitation (X1 ) ;
- une seconde source (29) adaptée pour émettre un second faisceau lumineux incident d’excitation à une seconde longueur d’onde d’excitation (X2) différente de ladite première longueur d’onde d’excitation ;
- un support d’échantillon (30) apte à recevoir l’échantillon (13);
- un bras de projection apte à envoyer le premier faisceau lumineux et le second faisceau lumineux sur un point de mesure de la surface de l’échantillon (13) selon un chemin optique commun, ledit bras comprenant un premier miroir (7) agencé de manière à recevoir ledit premier faisceau lumineux incident et ledit second faisceau lumineux incident et à les réfléchir vers la surface de l’échantillon (13), un dispositif de focalisation (15) configuré pour générer un point de focalisation sur la surface de l’échantillon et un dispositif de polarisation (8) placé entre le premier miroir (7) et le dispositif de focalisation (15) pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau lumineux incident et un état de polarisation linéaire du second faisceau incident;
- un premier dispositif de détection configuré pour enregistrer un premier signal de génération de seconde harmonique (SHG) présentant une longueur d’onde de détection égale à la moitié de la longueur d’onde d’excitation associée au premier faisceau lumineux réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon (13);
- un second dispositif de détection configuré pour enregistrer un second signal linéaire d’absorption en réflectivité associé au second faisceau lumineux réfléchi par un point de mesure de la surface de l’échantillon (13);
- un bras de collecte apte à collecter le premier faisceau lumineux réfléchi et le second faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon et à les transmettre respectivement vers le premier dispositif de détection et ledit le second dispositif de détection ;
- un module de traitement de données (40) configuré pour déterminer des informations structurales à partir du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire transmis respectivement par le premier dispositif de détection et le second dispositif de détection pour un même point de mesure de la surface de l’échantillon (13),
- le premier miroir (7) étant agencé de sorte que le premier faisceau incident et le second faisceau soient incidents sur la surface de l’échantillon avec un ange d’incidence oblique compris entre 65° et 80° par rapport au plan d’incidence.
[Revendication 2] Appareil selon la revendication 1 , comprenant en outre :
- un premier dispositif optique agencé entre ladite première source (2) et le premier miroir (7) et configuré pour projeter le premier faisceau lumineux sur le premier miroir (7) ;
- un second dispositif optique agencé entre ladite seconde source (29) et le premier miroir (7) et configuré pour projeter le second faisceau lumineux sur le premier miroir d’orientation (7).
[Revendication 3] Appareil selon la revendication 2, dans lequel le premier dispositif optique comprend un deuxième miroir (3), un obturateur (36) commutable entre une position passante permettant de laisser passer le premier faisceau incident et une position bloquante permettant de bloquer le premier faisceau incident, un filtre densité (4) mobile apte à faire varier la puissance du premier faisceau lumineux incident entre 0,01% et 100% de la puissance totale, et un contrôleur d’état de polarisation (5) placés successivement sur le chemin optique du premier faisceau incident entre la première source (2) le premier miroir (7).
[Revendication 4] Appareil selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le second dispositif optique comprend une fibre optique (28) ayant une première extrémité couplée à la sortie de la seconde source (29) et une seconde extrémité couplée à un collimateur mobile (6), ledit collimateur étant apte à collimater le second faisceau lumineux en sortie de la fibre optique sur le premier miroir (7).
[Revendication 5] Appareil selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit dispositif de polarisation (8) comprend :
- un premier module de polarisation mobile (10) pour être placé sur le trajet optique du premier faisceau incident entre le premier miroir (7) et le dispositif de focalisation (15) et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du premier faisceau incident, et - un second module de polarisation mobile (9) pour être placé sur le trajet optique du second faisceau incident entre le premier miroir (7) et le dispositif de focalisation (15) et configuré pour générer un état de polarisation linéaire du second faisceau lumineux incident.
[Revendication 6] Appareil selon la revendication 5, dans lequel le premier module de polarisation (10) comprend une lame demi-onde rotative (11 ) autour d’un axe optique de propagation pour générer une polarisation linéaire selon un angle désiré et une lame quart d’onde fixe (12) ayant un axe rapide perpendiculaire à l’axe optique de propagation de la demi-onde pour générer des états de polarisation elliptique et circulaire en association avec la lame demi-onde (11 ).
[Revendication 7] Appareil selon la revendication 6, dans lequel le second module de polarisation mobile (9) comprend un polariseur linéaire horizontal apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation horizontale “s” et un polariseur linéaire vertical apte à polariser le second faisceau lumineux incident en un état de polarisation vertical “p”.
[Revendication 8] Appareil selon l’une des revendications 1 à78, dans lequel le bras de collecte est agencé de manière symétrique au bras de projection par rapport au plan d’incidence, ledit bras de collecte comprenant un deuxième dispositif de focalisation (16), une fenêtre de silicium (17), un filtre passe-bas (18), un analyseur d’état de polarisation rotatif (19) et un miroir basculant (20) agencés successivement sur le trajet optique du premier faisceau lumineux et du second faisceau lumineux réfléchis au point de mesure de la surface de l’échantillon, ledit miroir basculant (20) étant configuré pour laisser passer le premier faisceau lumineux réfléchi par la surface de l’échantillon en direction du premier dispositif de détection et à dévier le second faisceau réfléchi par la surface de l’échantillon vers le second dispositif de détection.
[Revendication 9] Appareil selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première source (2) est une source laser adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident d’excitation à une première longueur d’onde d’excitation entre 1000 nm et 1100 nm, avec une impulsion entre 100 fs et 600 fs, et une fréquence entre 1 MHz et 100 MHz.
[Revendication 10] Appareil l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la seconde source (29) est une lampe tungstène adaptée pour émettre un second faisceau lumineux incident d’excitation à une second longueur d’onde d’excitation comprise entre 400 nm et 700 nm.
[Revendication 11] Appareil selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le premier dispositif optique de focalisation comprend une lentille de focalisation (15) apte à focaliser le premier faisceau lumineux et le second faisceau lumineux en un point de focalisation de diamètre compris entre 2 pm et 50 pm sur la surface de l’échantillon.
[Revendication 12] Appareil selon l’une des revendications 1 à 11 , comprenant en outre un dispositif de déplacement (39) couplé au support d’échantillon (30), ledit dispositif de déplacement étant configuré pour déplacer le support d’échantillon (30) dans un plan horizontal selon une première direction horizontale selon l’axe X, une seconde direction horizontale selon l’axe Y, une troisième direction verticale selon l’axe Z, de manière à déplacer le support d’échantillon (30) relativement au point de focalisation pour former une pluralité de points de mesure sur la surface de l’échantillon cible.
[Revendication 13] Appareil selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un système d’imagerie (50) comprenant :
- une troisième source lumineuse (51 ) apte à émettre une lumière blanche ;
- une troisième fibre optique (57) ayant une extrémité couplée à la sortie de la troisième source lumineuse (51 );
- un miroir de collimation (52) apte à collimater la lumière blanche en sortie de la troisième fibre optique sur un séparateur de faisceau (53) ;
- un objectif de focalisation (54) apte à focaliser la lumière blanche sur le point de focalisation du premier faisceau lumineux incident et du second faisceau lumineux incident;
- une caméra (56);
- ledit séparateur de faisceau (53) étant agencé entre le miroir de collimation (52) et l’objectif de focalisation (54) de sorte à laisser passer la lumière blanche dans une direction d’incidence normale à la surface de l’échantillon (13) et à réfléchir une partie de la lumière blanche réfléchie par la surface de l’échantillon vers la caméra afin de former des images sur le point de focalisation.
[Revendication 14] Appareil selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le module de traitement de données (40) comprend une mémoire (41 ) configurée pour stocker les coordonnées spatiales du support d’échantillon ou du point de focalisation correspondant à chaque acquisition de mesure, par le premier dispositif de détection et le second dispositif de détection du premier signal non linéaire SHG et du second signal linéaire d’absorption en réflectivité.
[Revendication 15] Appareil selon l’une des revendications 1 à 14 et la revendication 12, dans lequel le module de traitement de données (40) comprend une unité de commande (42) configurée pour commander le dispositif de déplacement (39), une unité de calcul et de construction d’images (43) configurée pour générer des images dont chaque pixel est représentatif d’une information d’un point de mesure de l’échantillon (13).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200110029A1 (en) * 2018-05-15 2020-04-09 Femtometrix, Inc. Second harmonic generation (shg) optical inspection system designs

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200110029A1 (en) * 2018-05-15 2020-04-09 Femtometrix, Inc. Second harmonic generation (shg) optical inspection system designs

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DUBUIS SIMON ET AL: "Nonlinear Optical Responses of Photoswitchable Donor-Acceptor Stenhouse Adducts", 4 May 2023, pages: 10861 - 10871, XP093253350, 19, DOI: 10.1021/jacs.3c02778 *
TRUONG LO NHAT ET AL: "Isotropic octupolar second harmonic generation response in LaBGeO5glass-ceramic with spherulitic precipitation", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 106, no. 16, 20 April 2015 (2015-04-20), XP012196707, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 19010101], DOI: 10.1063/1.4918808 *
V. RODRIGUEZ, J. CHEM. PHYS., vol. 128, 2008, pages 064707
V. RODRIGUEZC. SOURISSEAU, J. OPT. SOC. AM. B, vol. 19, 2002, pages 2650
V. RODRIGUEZD. VERREAULTF. ADAMIETZA. KALAFATIS, ACS PHOTONICS, vol. 9, 2022, pages 2510

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