DE BREVET EUROPEEN. mt ci.3: G 01 B 11/06

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J E u r o p â i s c h e s

Patentamt

European Patent Office © Numéro de publication: 0 1 0 1 9 9 7

Office européen des brevets A 1

DE BREVET E U R O P E E N

©mt ci.3: G 01 B 11/06

12, rue de la Baume

D-8000 Munchen 80<DE)

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© Dispositif pour la mesure de l'épaisseur d'une couche (4A) déposée sur un substrat transparent (4B), le matériau de la couche ayant une loi d'absorption lumineuse du type exponentiel, caractérisé en ce qu'il comprend

une source (1) de lumière monochromatique, Tf un séparateur (2) de lumière partageant le faisceau émis I par la source en deux parties, une première partie envoyée j sur un premier convertisseur opto-électronique (4) fournis- j+- j -*

sant en sortie un premier signal électrique envoyé sur un 2^ - ' premier amplificateur logarithmique, une seconde partie t«---»

envoyée normalement à l'échantillon, le faisceau transmis | étant reçu sur un second convertisseur opto-électronique (5) j fournissant en sortie un second signal électrique envoyé sur ! un second amplificateur logarithmique, les sorties des deux | amplificateurs étant reliées à l'entrée d'un circuit soustrac- y Y \ teur fournissant en sortie un signal proportionnel à la

différence entre le signal de sortie du second amplificateur | logarithmique et le signal de sortie du premier amplificateur

logarithmique, cette différence étant représentative de ^ ^

l'épaisseur de l'échantillon. )

F I G . 1

Io

a . LU

Croydon Printmg Company Ltd Dispositif pour la mesure de l'épaisseur d'une couche

(4A) déposée sur un substrat transparent (48), le matériau de la couche ayant une loi d'absorption lumineuse du type exponentiel, caractérisé en ce qu'il comprend

- une source (1) de lumière monochromatique, - un séparateur (2) de lumière partageant le faisceau émis par la source en deux parties, une première partie envoyée sur un premier convertisseur opto-électronique (4) fournissant en sortie un premier signal électrique envoyé sur un premier amplificateur logarithmique, une seconde partie envoyée normalement à l'échantillon, le faisceau transmis étant reçu sur un second convertisseur opto-électronique (5) fournissant en sortie un second signal électrique envoyé sur un second amplificateur logarithmique, les sorties des deux amplificateurs étant reliées à l'entrée d'un circuit soustrac- teur fournissant en sortie un signal proportionnel à la différence entre le signal de sortie du second amplificateur logarithmique et le signal de sortie du premier amplificateur logarithmique, cette différence étant représentative de l'épaisseur de l'échantillon.

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La p r é s e n t e i n v e n t i o n concerne un d i s p o s i t i f o p t o - é l e c t r o n i q u e de mesure de l ' é p a i s s e u r d'une couche mince d'un m a t é r i a u déposé sur un

s u b s t r a t t r a n s p a r e n t .

Le d i s p o s i t i f est fondé sur l ' a b s o r p t i o n , par le matériau d ' u n rayonnement lumineux et s ' a p p l i q u e aux matériaux pour l e s q u e l s il e x i s t e une loi d ' a b s o r p t i o n lumineuse du t y p e

It = Ito exp ( - a e) (Loi de B e e r - L a m b e r t ) o ù :

Ito = est l ' i n t e n s i t é lumineuse envoyée normalement sur l ' é c h a n t i l l o n It = est l ' i n t e n s i t é lumineuse t r a n s m i s e

e = l ' é p a i s s e u r de l ' é c h a n t i l l o n

a = le c o e f f i c i e n t d ' a b s o p t i o n de l ' é c h a n t i l l o n . L ' é p a i s s e u r e est alors égale à 1/a Log (Ito / I t ) .

Un but de l ' i n v e n t i o n est de r é a l i s e r un d i s p o s i t i f optique de mesure de l ' é p a i s s e u r d'un é c h a n t i l l o n qui f o u r n i s s e directement une valeur de l ' é p a i s s e u r .

Un autre but de l ' i n v e n t i o n est de r é a l i s e r un d i s p o s i t i f o p t i q u e de mesure dont le r é s u l t a t soit i n s e n s i b l e aux f l u c t u a t i o n s é v e n t u e l l e s de l ' i n t e n s i t é de la source lumineuse u t i l i s é e .

L ' i n v e n t i o n a pour objet un d i s p o s i t i f pour la mesure de l ' é p a i s - seur d'une couche déposée sur un s u b s t r a t t r a n s p a r e n t , le matériau de l a ' couche ayant une loi d'absorption lumineuse du type exponentiel, c a r a c -

t é r i s é en ce q u ' i l comprend

- une source de lumière monochromatique,

- un s é p a r a t e u r de lumière partageant le f a i s c e a u émis par la source en deux p a r t i e s , une première partie envoyée sur un premier c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o n i q u e f o u r n i s s a n t en s o r t i e un premier signal é l e c t r i q u e envoyé sur un premier a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h m i q u e , une seconde p a r t i e envoyée normalement à l ' é c h a n t i l l o n , le f a i s c e a u transmis étant reçu s u r un second c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o n i q u e f o u r n i s s a n t en s o r t i e un second signal é l e c t r i q u e envoyé sur un second a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h - mique, les s o r t i e s des deux a m p l i f i c a t e u r s étant r e l i é e s à l ' e n t r é e d ' u n c i r c u i t s o u s t r a c t e u r f o u r n i s s a n t en s o r t i e un signal proportionnel à l a

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d i f f é r e n c e entre le signal de s o r t i e du second a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h - mique et le s i g n a l de s o r t i e du premier a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h m i q u e , c e t t e d i f f é r e n c e é t a n t r e p r é s e n t a t i v e de l ' é p a i s s e u r de l ' é c h a n t i l l o n .

L ' i n v e n t i o n sera bien comprise par la d e s c r i p t i o n donnée c i - a p r è s d'un mode p r é f é r é de r é a l i s a t i o n de l ' i n v e n t i o n en référence au d e s s i n annexé dans l e q u e l :

- la f i g u r e 1 est un schéma de la p a r t i e optique du d i s p o s i t i f de mesure de l ' i n v e n t i o n ,

- la figure 2 est un schéma de la p a r t i e é l e c t r o n i q u e du d i s p o s i t i f de mesure de l ' i n v e n t i o n ,

- la f i g u r e 3 est un schéma d'une i n s t a l l a t i o n f a i s a n t a p p l i c a t i o n du d i s p o s i t i f de l ' i n v e n t i o n pour le c o n t r ô l e de l ' é p a i s s e u r d'une couche déposée sur un f i l m ,

- la f i g u r e 4 est un schéma d é t a i l l é d'un mode préféré de r é a l i s a t i o n de la p a r t i e é l e c t r o n i q u e de l ' i n s t a l l a t i o n de la figure 3.

Dans la f i g u r e 1, la r é f é r e n c e 1 désigne une source de l u m i è r e monochromatique t e l l e qu'un l a s e r hélium-néon. La largeur du f a i s c e a u lumineux est a j u s t é e au moyen d'un expanseur 2. Un s é p a r a t e u r 3, p a r exemple une mince lame de verre s e m i - r é f l é c h i s s a n t e , sépare le f a i s c e a u lumineux en deux p a r t i e s . Une première p a r t i e du faisceau lumineux, d ' i n t e n s i t é Io, est envoyée sur un premier c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o - nique l i n é a i r e 4 qui peut être une p h o t o d i o d e .

Ce c o n v e r t i s s e u r f o u r n i t en s o r t i e un s i g n a l é l e c t r i q u e io = S2 Io, ou S2 est un c o e f f i c i e n t de p r o p o r t i o n n a l i t é .

Une seconde p a r t i e du faisceau lumineux d ' i n t e n s i t é I2 t r a v e r s e l ' é c h a n t i l l o n comprenant, sur un s u b s t r a t t r a n s p a r e n t 4B, une couche 4A dont on veut mesurer l ' é p a i s s e u r ; le faisceau lumineux issu de l ' é c h a n - t i l l o n , d ' i n t e n s i t é It, est envoyé sur un second c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o n i q u e l i n é a i r e 5 du même type que le c o n v e r t i s s e u r 4. Il f o u r n i t en s o r t i e un signal é l e c t r i q u e it = S1 It, où S1 est un c o e f f i c i e n t de p r o p o r t i o n n a l i t é .

La figure 2 r e p r é s e n t e un schéma par blocs du c i r c u i t é l e c t r o n i q u e f a i s a n t p a r t i e du d i s p o s i t i f de mesure de l ' i n v e n t i o n .

Les signaux io et it sont reçus sur des a m p l i f i c a t e u r s o p é r a t i o n n e l s ( r e s p e c t i v e m e n t 11 et 12) e f f e c t u a n t le logarithme des

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signaux d ' e n t r é e , à une c o n s t a n t e a d d i t i v e près. Les signaux de s o r t i e V1 et V2 des a m p l i f i c a t e u r s 11 et 12 sont l i é s par l e s r e l a t i o n s :

V1 = K1 Log (S1 I t / i r ) + A1 V2 = K2 Log (S2 I o / i r ) + A2

où K1, K2 sont des c o e f f i c i e n t s de p r o p o r t i o n n a l i t é égaux à une même valeur K si les a m p l i f i c a t e u r s 11 et 12 sont i d e n t i q u e s ,

ir est le courant commun de r é f é r e n c e appliqué aux a m p l i f i c a t e u r s 11 et 12,

A1 et A2 sont les valeurs d ' o f f set des deux a m p l i f i c a t e u r s 11 et 12.

Les a m p l i f i c a t e u r s l o g a r i t h m i q u e s sont attaqués en courant, ce q u i leur permet d ' ê t r e l i n é a i r e sur six décades à 0,1% près, par exemple de 1 mA à 1nA.

Les s o r t i e s des a m p l i f i c a t e u r s l o g a r i t h m i q u e s 11 et 12 s o n t envoyés à un c i r c u i t s o u s t r a c t e u r 13 qui fournit en s o r t i e un s i g n a l

VS = V1 - V2 = K Log (S2 Io/S1 It) + A1 - A2

= K Log Io It + A

où A est une autre c o n s t a n t e .

Un potentiomètre de s o r t i e 15 permet d ' a l i m e n t e r un organe d ' a f f i - chage 16 directement gradué en unité de longueur. Le tarage est f a i t de manière connue avec un é c h a n t i l l o n é t a l o n .

Lorsque le d i s p o s i t i f est u t i l i s é dans une i n s t a l l a t i o n de g r a v u r e de c i r c u i t s é l e c t r o n i q u e s par attaque de plasma, un c i r c u i t à seuil 17, recevant une valeur de consigne, fournit un signal de fin d ' a t t a q u e , lorsque l ' é p a i s s e u r recherchée est o b t e n u e .

Le d i s p o s i t i f de l ' i n v e n t i o n présente divers a v a n t a g e s :

- le r é s u l t a t de la mesure est indépendant des f l u c t u a t i o n s de la s o u r c e l u m i n e u s e ,

- le choix d ' a m p l i f i c a t e u r s logarithmiques permet d ' o b t e n i r une l i n é a r i t é de la réponse au signaux d ' e n t r é e s sur une vaste é c h e l l e s ' é t e n d a n t sur 6 décades,

- le temps de réponse est très f a i b l e , de l ' o r d r e de la m i l l i s e c o n d e , - l'emploi d'un laser associé à un expanseur permet de f o c a l i s e r l e

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f a i s c e a u à la surface de l ' é c h a n t i l l o n avec une grande s o u p l e s s e a s s o c i é e à une grande p r é c i s i o n .

L ' i n v e n t i o n s ' a p p l i q u e avantageusement au contrôle de l ' é p a i s s e u r d'une couche déposée sur un f i l m .

A t i t r e d'exemple, le m a t é r i a u de la couche est du t i t a n e déposé sur un film de p o l y t é r é p h t a l a t e d ' é t h y l è n e - g l y c o l .

La couche doit avoir par exemple une épaisseur de 400 a n g s t r ö m s . La figure 3 montre, très schématiquement, l ' i n s t a l l a t i o n .

On r e c o n n a î t le l a s e r 1, l ' e x p a n s e u r de faisceau 2, l e s é p a r a t e u r 3, le premier c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o n i q u e 4.

Le film 20 est tendue entre une bobine r é c e p t r i c e 21 e n t r a î n é e p a r un moteur 22 et une bobine d é b i t r i c e 2 3 .

L'ensemble est placée dans une enceinte étanche sous vide 25, comprenant deux hublots 26 et 27 se f a i s a n t face. Le f a i s c e a u lumineux i n c i d e n t t r a v e r s e le hublot 26, le film 20, le hublot 27 et est reçu p a r le c o n v e r t i s s e u r 5 .

Un d i s p o s i t i f 30 de dépôt sous vide de type connu pulvérise une couche de t i t a n e sur le f i l m .

La constance de l ' é p a i s s e u r est assurée par exemple par un r é g l a g e permanent de la v i t e s s e de déroulement du film, tous les autres paramè- tres étant maintenus c o n s t a n t s .

Un mode d é t a i l l é de r é a l i s a t i o n du c i r c u i t électonique c o r r e s - pondant est donné dans la f i g u r e 4. Les r é f é r e n c e s communes aux f i g u r e s 1 à 4 ont reçu le même numéro de r é f é r e n c e .

On d i s t i n g u e dans la figure 4 les deux c o n v e r t i s s e u r s 4 et 5 r e c e - vant les flux lumineux Io et I t . Les a m p l i f i c a t e u r s logarithmiques 11 et 12 sont des c i r c u i t s LOG 100 BURR - BROWN. La référence courant e s t donné par le c i r c u i t Z1, C1, C2, P12, R6, R7, avec les s i g n i f i c a t i o n s s u i v a n t e s des l e t t r e s : C = condensateur, R = r é s i s t a n c e , Z = d i o d e . Zener, P p o t e n t i o m è t r e .

Ces symboles se r e t r o u v e n t dans la suite avec é g a l e m e n t : LD = Led (diode é l e c t r o l u m i n e s c e n t e )

RL = r e l a i s

V+, v- tensions continues de commande des c i r c u i t s .

Le c i r c u i t P1, R3 comprend un i n t e r r u p t e u r IG avec i n d i c a t i o n s

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v i s u e l l e s par les diodes LD7 (verte) et LD8 ( r o u g e ) .

Le c i r c u i t d ' a f f i c h a g e à diodes 7 segments est symbolisé par l e r e c t a n g l e 16.

Le c i r c u i t 27 est un comparateur à deux s e u i l s , l ' u n i n f é r i e u r (390 angstroms par exemple) commandant un r e l a i s 28 qui ferme un c i r c u i t d ' a c c é l é r a t i o n du moteur, l ' a u t r e s u p é r i e u r (410 a n g s t r ö m s ) commandant un r e l a i s 29 qui ferme un c i r c u i t de r a l e n t i s s e m e n t du m o t e u r .

Le c i r c u i t 31 est un c i r c u i t comparateur réglé avec un seuil t r è s élevé, d é t e c t a n t la fin du déroulement de la bande qui porte à cet e f f e t , à son extrémité, une portion rendue opaque.

Le c i r c u i t 31 commande un r e l a i s 32 dont le f o n c t i o n n e m e n t provoque un a r r ê t de l ' i n s t a l l a t i o n .

Le c i r c u i t 33 est un comparateur réglé à un seuil bas permettant de c o n t r ô l e r le fonctionnement du laser et recevant en entrée le signal du c o n v e r t i s s e u r 5. Il commande un r e l a i s de p r o t e c t i o n de l ' i n s t a l l a t i o n en cas de d é f a i l l a n c e du l a s e r .

L ' a p p l i c a t i o n qui vient d ' ê t r e d é c r i t e n ' e s t qu'un exemple.

L ' i n v e n t i o n s ' a p p l i q u e pour toutes sortes de contrôle d ' é p a i s s e u r s de couches, en dépôt comme en gravure, toutes les fois que la couche peut être t r a v e r s é e par un rayon lumineux.

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D i s p o s i t i f pour la mesure de l ' é p a i s s e u r d'une couche (4A) déposée s u r un s u b s t r a t t r a n s p a r e n t (4B), le matériau de la couche ayant une l o i d ' a b s o r p t i o n lumineuse du type e x p o n e n t i e l , c a r a c t é r i s é en ce q u ' i l comprend

- une source (1) de lumière monochromatique,

- un s é p a r a t e u r (2) de lumière p a r t a g e a n t le f a i s c e a u émis par la s o u r c e en deux p a r t i e s , une première p a r t i e envoyée sur un premier c o n v e r t i s - seur o p t o - é l e c t r o n i q u e (4) f o u r n i s s a n t en s o r t i e un premier signal é l e c - t r i q u e envoyé sur un premier a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h m i q u e , une seconde p a r t i e envoyée normalement à l ' é c h a n t i l l o n , le f a i s c e a u transmis é t a n t reçu sur un second c o n v e r t i s s e u r o p t o - é l e c t r o n i q u e (5) f o u r n i s s a n t en s o r t i e un second signal é l e c t r i q u e envoyé sur un second a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h m i q u e , les s o r t i e s des deux a m p l i f i c a t e u r s étant r e l i é e s à l ' e n t r é e d'un c i r c u i t s o u s t r a c t e u r f o u r n i s s a n t en sortie un s i g n a l p r o p o r t i o n n e l à la d i f f é r e n c e entre le signal de s o r t i e du second a m p l i - f i c a t e u r logarithmique et le signal de s o r t i e du premier a m p l i f i c a t e u r l o g a r i t h m i q u e , c e t t e d i f f é r e n c e étant r e p r é s e n t a t i v e de l ' é p a i s s e u r de l ' é c h a n t i l l o n .

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