Team : Instrumentation extrême pour la métrologie des faibles flux

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SPARSE

SPARSE - SPAtially Resolved Scatterometry Equipment

L’instrument SPARSE que nous avons développé est inédit et répond à un problème récurrent qui consiste à séparer, dans les valeurs mesurées de rugosités, la contribution de la rugosité intrinsèque (topographie continue et dérivable) de celle liées aux défauts isolés (piqûres, rayures, poussières). Cette séparation est majeure pour qualifier les procédés de polissage, comprendre les phénomènes d’absorption et d’endommagement sous flux, et améliorer les technologies de dépôt (propagation des défauts du substrat dans le multicouche…). D’un point de vue quantitatif, il s’agit d’analyser avec discrimination le poids d’une rugosité intrinsèque dont l‘écart-type est inférieur au nm, et celui d’une densité de défauts isolés distribués de façon aléatoire avec une densité inférieure à 1 défaut tous les 100x100m2 et des diamètres inférieurs au m. Il faut ici préciser que les méthodes non optiques, et celles basées sur la microscopie optique, si elles sont d’une extrême efficacité, ne répondent que partiellement à ce problème (eu égard aux techniques de diffusion) pour plusieurs raisons. En effet il est tout d’abord fondamental que les valeurs d’hétérogénéité correspondent à une intégrale sur la fenêtre fréquentielle (spatiale) optique du point du fonctionnement (l’application), contrainte qui est naturellement satisfaite par les techniques de diffusion lumineuse. Par ailleurs on ne peut pas faire l’impasse des problèmes de stationnarité inhérents à tout processus d’échantillonnage ou à toute surface de dimension bien inférieure au spot d’éclairement utilisé pour l’application. Enfin, on doit garder en mémoire que la cible concerne la lumière parasite (issue de la rugosité) et non la valeur de la rugosité en elle-même. Ces éléments confirment le caractère stratégique des techniques de diffusion lumineuse pour l’étude des hétérogénéités en lien avec la lumière parasite.
La technique précédemment développée consistait à extraire le spectre de rugosité (TF de la fonction d’autocorrélation de la topographie) de la surface d’un substrat à partir de la mesure de son indicatrice de diffusion (obtenue en déplaçant un détecteur autour de l’échantillon). Cette extraction se fait en appui sur une théorie électromagnétique (au premier ordre compte tenu du très faible rapport rugosité/longueur d’onde) largement validée par ailleurs. Le spectre ainsi mesuré caractérise l’échantillon sur toute la surface du spot d’éclairement (ajustable du mm2 au cm2) ; sa forme spectrale indique la nature statistique de la rugosité, avec une décroissance liée à l’inverse de la longueur de corrélation et d’éventuels maxima indiquant de pseudo-périodes ; le cas échéant, des fonctions de corrélation angulaire permettent d’identifier les directions privilégiées sur l’échantillon (anisotropie de rugosité). Quant à la rugosité elle-même, elle est obtenue par intégration du spectre de rugosité.

La nouvelle technique développée dans le cas de SPARSE a consisté à mesurer, non pas une indicatrice de diffusion pour un échantillon, mais 106 indicatrices correspondant à chaque pixel d’une matrice CCD en bijection avec un élément de surface grâce à un système télé-centrique adapté. Il faut noter que la qualité de cette bijection interdit toute rotation du détecteur autour de l’échantillon (cas précédent classique), de sorte qu’il a fallu remplacer cette rotation du détecteur par une rotation du faisceau d’éclairage, en appui sur le théorème de réciprocité. Dans ces conditions, on extrait le spectre de rugosité de chaque « pixel de surface » et on en analyse la forme spectrale. Une décroissance monotone est caractéristique d’une rugosité intrinsèque, tandis que la présence d’oscillations révèle l’existence d’un défaut isolé (diffraction par une particule) dont les dimensions imposent la forme des oscillations. Cette analyse pixel à pixel permet de trier les pixels « intrinsèques » et « extrinsèques », et en conséquence d’extraire 2 valeurs de rugosités indiquant respectivement le poids des défauts isolés et celui de la topographie. Chacune de ces valeurs est donnée avec une précision relative (valeur normée à la valeur de la rugosité) de l’ordre du %, pour des rugosités détectées jusqu’à un millième de nm. Ces performances sont liées à la détectivité optique du système SPARCE qui est de l’ordre de 10-8 pour l’indicatrice de diffusion (limitation imposée par la diffraction Rayleigh des particules d’air) dans tout le domaine angulaire. L’instrument SAPRCE est en cours d’extension spectrale.