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FR2849504A1 - Optical characterization method for chemical analysis of materials, involves determining error using initial wavelength, initial refractive index, and interpolation law until desired precision is obtained on spectrum - Google Patents

Optical characterization method for chemical analysis of materials, involves determining error using initial wavelength, initial refractive index, and interpolation law until desired precision is obtained on spectrum Download PDF

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FR2849504A1
FR2849504A1 FR0216847A FR0216847A FR2849504A1 FR 2849504 A1 FR2849504 A1 FR 2849504A1 FR 0216847 A FR0216847 A FR 0216847A FR 0216847 A FR0216847 A FR 0216847A FR 2849504 A1 FR2849504 A1 FR 2849504A1
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FR
France
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initial
spectrum
wavelengths
interpolation
refractive index
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Jerome Hazart
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Abstract

The method involves selecting initial wavelengths, an interpolation law for refractive index of material, and an initial index for each initial wavelength. A theoretical spectrum and the error between measured spectrum and theoretical spectrum are determined using initial wavelength, initial refractive index, and the interpolation law. Selecting and determining steps are repeated for other initial wavelengths until obtaining desired precision on each obtained spectrum. The theoretical spectrum is determined according to selected reflectometry and ellipsometry calculation methods, and refractive index deducted by interpolation of index value in the initial wavelength. The error is determined between measured spectrum and theoretical spectrum, by varying the position of unknown indices values and/or depth of layer and/or values of refraction index to the initial value and then the spectrum is obtained.

Description

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PROCEDE DE CARACTERISATION OPTIQUE DE MATERIAUX SANS
UTILISATION DE MODELE PHYSIQUE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de caractérisation optique de matériaux.
PROCESS FOR OPTICAL CHARACTERIZATION OF MATERIALS WITHOUT
USE OF PHYSICAL MODEL
DESCRIPTION TECHNICAL FIELD
The present invention relates to a method for optical characterization of materials.

Ce procédé permet de caractériser des couches minces ou épaisses de ces matériaux, qui sont formées sur des substrats. Les grandeurs physiques, que ce procédé permet de déterminer, sont: - l'épaisseur d'une couche d'un matériau, - l'indice de réfraction de ce matériau, et - le coefficient d'absorption de ce matériau.  This method makes it possible to characterize thin or thick layers of these materials, which are formed on substrates. The physical quantities, which this method makes it possible to determine, are: the thickness of a layer of a material, the refractive index of this material, and the absorption coefficient of this material.

La caractérisation optique des matériaux est utile pour l'analyse chimique de ces matériaux (notamment étude des bandes d'absorption, des propriétés de densification et des propriétés d'oxydation), dans les domaines de la micro- électronique, des capteurs, de la biologie, de la médecine), ou bien pour l'analyse des épaisseurs de dépôts de ces matériaux.  The optical characterization of materials is useful for the chemical analysis of these materials (in particular the study of absorption bands, densification properties and oxidation properties), in the fields of microelectronics, sensors, biology, medicine), or for the analysis of the deposit thicknesses of these materials.

Pour des exemples d'application, on se reportera au document [1] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description.  For examples of application, reference is made to document [1] which, like the other documents cited later, is mentioned at the end of the present description.

La caractérisation des propriétés optiques d'un matériau est également utile lorsque le matériau est par la suite structuré ( pour y former par exemple des gravures ou des rugosités) et que les propriétés de  Characterization of the optical properties of a material is also useful when the material is subsequently structured (to form, for example, etchings or roughnesses) and the properties of

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diffraction optique de la structure obtenue doivent être calculées (voir le document [2]).  Optical diffraction of the obtained structure should be calculated (see document [2]).

Indiquons dès à présent que l'invention est particulièrement utile lorsque la loi physique suivie par l'indice de réfraction complexe du matériau que l'on veut caractériser n'est, a priori, pas connue.  Let us indicate from now on that the invention is particularly useful when the physical law followed by the complex refractive index of the material that one wants to characterize is, a priori, not known.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On rappelle que les mesures optiques peuvent être de diverses natures :
Il peut s'agir de mesures réflectométriques. Dans ce cas, le coefficient de réflexion en intensité d'une structure est mesuré sur un spectre (c'est-à-dire un intervalle) de longueurs

Figure img00020001

d'ondes [i,"" iM] . STATE OF THE PRIOR ART
It is recalled that the optical measurements can be of various types:
These may be reflectometric measurements. In this case, the intensity reflection coefficient of a structure is measured over a spectrum (i.e., range) of lengths.
Figure img00020001

of waves [i, "" iM].

L'angle d'incidence de la lumière d'éclairement peut être non nul. Le coefficient de réflexion peut être mesuré pour plusieurs angles d'incidence #. Nous noterons R (#, #, p) le spectre réflectométrique, où p est la polarisation du faisceau incident et # la longueur d'onde de ce dernier.  The angle of incidence of the illumination light may be non-zero. The reflection coefficient can be measured for several angles of incidence #. We will denote R (#, #, p) the reflectance spectrum, where p is the polarization of the incident beam and # the wavelength of the latter.

Généralement, l'angle # est nul et la polarisation p indéterminée. Dans le cas où # n'est pas nul, il faut connaître cette polarisation p. En général, cette dernière est de type (S) où (P).  Generally, the angle # is zero and the polarization p indeterminate. In the case where # is not zero, it is necessary to know this polarization p. In general, the latter is of type (S) where (P).

Il peut s'agir aussi de mesures ellipsométriques. Les grandeurs mesurées sont alors les parties réelle et imaginaire du rapport du coefficient de réflexion en polarisation (P) au coefficient de réflexion en polarisation (S).  It can also be ellipsometric measurements. The magnitudes measured are then the real and imaginary parts of the ratio of the polarization reflection coefficient (P) to the polarization reflection coefficient (S).

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Figure img00030001

On note généralement p=pexp(j) ce rapport complexe (avec j2=-1). Les grandeurs
Figure img00030002

généralement traitées sont 1 p que l'on note tan(yI), et cos(), ou des combinaisons des deux. Par souci de généralité, nous noterons Si et 82 ces grandeurs.
Figure img00030001

We generally note p = pexp (j) this complex ratio (with j2 = -1). The sizes
Figure img00030002

usually treated are 1 p that we denote tan (yI), and cos (), or combinations of both. For the sake of generality, we will note Si and 82 these quantities.

Les spectres Si, i # [1,2], sont mesurés sur

Figure img00030003

une plage de longueurs d'ondes [7,I", iM] . L'angle d'incidence peut être quelconque. Plusieurs spectres peuvent être mesurés à différents angles d'incidence afin d'obtenir un spectre plus riche. Nous noterons
Figure img00030004

s (6, î) =S1 (9, ,) , ,S2(S,À)} } le spectre ellipsométrique. The spectra Si, i # [1,2], are measured on
Figure img00030003

a range of wavelengths [7, I ", iM] The angle of incidence can be arbitrary, and several spectra can be measured at different angles of incidence in order to obtain a richer spectrum.
Figure img00030004

s (6, 1) = S1 (9,),, S2 (S, to)}} the ellipsometric spectrum.

De façon complémentaire, des mesures goniométriques (coefficient de réflexion en fonction de l'angle d'incidence) peuvent être ajoutées aux mesures servant à la caractérisation, afin de déterminer l'épaisseur des diverses couches, pour une ou plusieurs longueurs d'ondes. Ces mesures ne sont pas suffisantes en elles-mêmes puisque l'on veut déterminer l'indice de réfraction complexe sur une gamme spectrale allant de #m à ÀM.  In a complementary manner, goniometric measurements (reflection coefficient as a function of the angle of incidence) may be added to the measurements used for the characterization, in order to determine the thickness of the various layers, for one or more wavelengths. These measurements are not sufficient in themselves since it is desired to determine the complex refractive index over a spectral range from #m to λM.

Afin de simplifier l'exposé, nous noterons # un ensemble de spectres réflectométrique ou/et ellipsométrique(s) (et éventuellement goniométriques pour quelques longueurs d'ondes).  To simplify the presentation, we will note # a set of spectrophotometric and / or ellipsometric spectra (s) (and possibly goniometric for some wavelengths).

Sans perdre aucune généralité, nous n'exposerons, dans la présente description, le mode d'utilisation des procédés de l'art antérieur et de la présente invention que dans le cas d'une seule couche mince d'un matériau, formée sur un substrat connu.  Without losing any generality, we will disclose, in the present description, the mode of use of the processes of the prior art and the present invention only in the case of a single thin layer of a material, formed on a known substrate.

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L'épaisseur de cette couche est notée e et l'indice de réfraction complexe du matériau à la

Figure img00040001

longueur d' onde est noté n* (,) . The thickness of this layer is denoted e and the complex refractive index of the material at the
Figure img00040001

wavelength is denoted n * (,).

On rappelle à ce propos que la partie réelle (respectivement imaginaire) de cet indice de réfraction complexe est notée n(#) (respectivement k(#)) et appelée "indice de réfraction" (respectivement "coefficient d'extinction").

Figure img00040002
It is recalled in this connection that the real (respectively imaginary) part of this complex refractive index is denoted n (#) (respectively k (#)) and called "refractive index" (respectively "extinction coefficient").
Figure img00040002

En outre on note Er ((1), vii/(2> ) une fonction d'erreur (par exemple l'écart quadratique moyen) entre

Figure img00040003

deux spectres (1) et tp (2) . Moreover, Er ((1), vii / (2>) denotes an error function (for example the mean squared difference) between
Figure img00040003

two spectra (1) and tp (2).

Par exemple, on pourra prendre, lorsque l'on dispose de spectres ellipsométriques sur plusieurs

Figure img00040004

angles 6;,, le {l..n}, et d'un spectre réflectométrique : E.(T',')=## J 1!= L \ l l e'' I ll !vi m Àm 1=1 + [Rm(Â)-Ri2)(Â)f\i (1)
Figure img00040005

avec (1) (A.) ={S{1) (Oi E 11.. nl, 1) , ,S2(1) (6El..n,,) R (1) (,) et pl2)(1)=ISJ(2)(0,.etl..nl,X),S2 (2) (eE{1..n},À.) ,R(2J (À.)}
Des facteurs de pondération peuvent être apportés à l'intégrale de façon à ce que la fonction d'erreur puisse tenir compte de variations sur la présicion de mesure des spectres. For example, we can take, when we have ellipsometric spectra on several
Figure img00040004

angles 6, ,, the {l..n}, and a reflectance spectrum: E. (T ',') = ## J 1! = L \ ll e '' I ll! vi mAm 1 = 1 + [Rm (Â) -Ri2) (Â) f \ i (1)
Figure img00040005

with (1) (A) = {S {1) (Oi E 11 .. nl, 1),, S2 (1) (6E1..n1) R (1) (,) and p12) (1) ) = ISJ (2) (0, .etl..nl, X), S2 (2) (eE {1..n}, to.), R (2J (To)}
Weighting factors can be applied to the integral so that the error function can take into account variations in the measurement presiction of the spectra.

La caractérisation optique de couches de matériaux s'articule généralement autour de deux applications :
La première application est le contrôle dimensionnel du dépôt de couches minces utilisées en microélectronique.
The optical characterization of layers of materials generally revolves around two applications:
The first application is the dimensional control of the deposition of thin layers used in microelectronics.

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Généralement on connaît bien le matériau déposé, c'est-à-dire que l'on connaît bien l'indice de réfraction complexe de ce matériau aux longueurs d'ondes de la lumière utilisée pour la caractérisation.  Generally, the deposited material is well known, that is to say that the complex refractive index of this material is well known at the wavelengths of the light used for the characterization.

Les lois suivies par l'indice de réfraction complexe sont soit tabulées, soit approchées par des lois physiques connues telles que, par exemple, le modèle de Cauchy, le modèle de Sellmeier (voir le document [3]), les lois de Forouhi (voir le document [4]), et les lois lois d'oscillateurs harmoniques (voir le document [5]). Ces lois sont définies par un nombre fini de paramètres.  The laws followed by the complex refractive index are either tabulated or approximated by known physical laws such as, for example, the Cauchy model, the Sellmeier model (see document [3]), the Forouhi laws ( see the document [4]), and the laws laws of harmonic oscillators (see the document [5]). These laws are defined by a finite number of parameters.

Par exemple, une loi de type Cauchy sans absorption à deux paramètres est définie de la manière suivante :

Figure img00050001

Lorsque l'on est sûr de la valeur des
Figure img00050002

coefficients ai de {1,2}) mais que l'on ne connaît pas l'épaisseur, un algorithme de recherche est utilisé afin de trouver l'épaisseur qui minimise l'erreur entre
Figure img00050003

la mesure *P et la réponse théorique Y compte tenu de l'indice modélisé. For example, a Cauchy type law without two-parameter absorption is defined as follows:
Figure img00050001

When one is sure of the value of
Figure img00050002

coefficients ai of {1,2}) but that we do not know the thickness, a search algorithm is used to find the thickness which minimizes the error between
Figure img00050003

the measure * P and the theoretical response Y taking into account the modeled index.

L'algorithme de recherche peut être, par exemple, la méthode du Simplex, la recherche Tabou, la méthode de Levendt-Marquart ou la méthode du recuit simulé (voir le chapitre 10 du document [6]).  The search algorithm may be, for example, the Simplex method, the Tabou search, the Levendt-Marquart method or the simulated annealing method (see Chapter 10 of document [6]).

Lorsque l'indice de réfraction est approximatif, les coefficients ai sont intégrés dans la procédure d'ajustement de # et #. La recherche des  When the refractive index is approximate, the coefficients ai are integrated in the adjustment procedure of # and #. The search for

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coefficients ai constitue un procédé de caractérisation de l'indice de réfraction.  coefficients ai constitutes a method of characterization of the refractive index.

Cependant, lorsque la loi suivie par cet indice de réfraction est inconnue (il arrive que le matériau soit inconnu ou bien ne soit pas bien décrit par une loi physique connue), ce procédé reste approximatif et l'épaisseur risque d'être fausse.  However, when the law followed by this index of refraction is unknown (it happens that the material is unknown or is not well described by a known physical law), this method remains approximate and the thickness may be wrong.

La deuxième application est la caractérisation des matériaux.  The second application is the characterization of materials.

Le procédé utilisé reste le même, mis à part que le matériau n'est pas bien connu. C'est précisément la fonction d'indice de réfraction complexe la plus proche de la réalité qui est visée.  The process used remains the same, except that the material is not well known. It is precisely the complex refractive index function closest to reality that is targeted.

Le type de loi peut être choisi par analogie avec d'autres matériaux. Cependant, la loi suivie par l'indice de réfraction complexe peut être compliquée, ce qui est par exemple le cas d'une loi d'oscillateurs harmoniques :

Figure img00060001

Dans l'expression ci-dessus, j2=-1 et l'indice de réfraction et le coefficient d'extinction sont exprimés non pas en fonction de # mais de E, avec E= 1240/À en nm) . The type of law can be chosen by analogy with other materials. However, the law followed by the complex refractive index can be complicated, which is for example the case of a law of harmonic oscillators:
Figure img00060001

In the above expression, j2 = -1 and the refractive index and the extinction coefficient are expressed not in terms of # but of E, with E = 1240 / λ in nm).

Dans ce cas, les coefficients des oscillateurs sont difficiles à trouver si l'on n'a pas leur ordre de grandeur. La recherche est difficilement automatisable, les algorithmes de recherche pouvant donner des réponses erronées et le temps perdu peut être considérable.  In this case, the coefficients of the oscillators are difficult to find if we do not have their order of magnitude. Research is difficult to automate, search algorithms can give wrong answers and the time lost can be considerable.

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Il existe une alternative à la recherche des coefficients : la méthode point-à-point (PAP).  There is an alternative to finding coefficients: the point-to-point method (PAP).

Cette méthode PAP propose de ne pas choisir de loi physique et de rechercher l'indice de réfraction complexe du matériau pour chaque longueur d'onde #i, iE

Figure img00070001

[1...n], avec ,1=7,a, et 2=Xm. This PAP method proposes not to choose a physical law and to look for the complex refractive index of the material for each wavelength #i, iE
Figure img00070001

[1 ... n], with, 1 = 7, a, and 2 = Xm.

Pour chaque #i, un algorithme de recherche tente de trouver l'épaisseur, l'indice n(#i) et le coefficient d'extinction k(#i) qui minimisent l'erreur

Figure img00070002

entre la mesure IF (li) et la réponse théorique Y ( %1,i , n ( %l,i ) . k ( %li ) F-) Un tel procédé pose un problème parce que les divers points (,i, , n (,;,) , k (,;,) ) ne sont pas forcément physiquement compatibles entre eux : par exemple, l'épaisseur trouvée peut varier en fonction de la longueur d'onde et la loi suivie par l'indice de réfraction complexe, plus simplement appelée loi d'indice, peut présenter des discontinuités. For each #i, a search algorithm tries to find the thickness, the index n (#i) and the extinction coefficient k (#i) that minimize the error
Figure img00070002

between the measurement IF (li) and the theoretical response Y (% 1, i, n (% l, i). k (% li) F-) Such a method is problematic because the various points (, i,, n (,;,), k (,;,)) are not necessarily physically compatible with each other: for example, the thickness found may vary according to the wavelength and the law followed by the refractive index complex, more simply called index law, may have discontinuities.

Ce procédé est généralement valable seulement lorsque l'épaisseur est très bien connue et que les mesures sont de très bonne qualité.  This method is generally valid only when the thickness is very well known and that the measurements are of very good quality.

EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
STATEMENT OF THE INVENTION
The present invention aims to overcome the above disadvantages.

Le procédé objet de l'invention permet de caractériser un matériau sans utiliser un modèle physique, c'est-à-dire sans utiliser une loi physique suivie par l'indice de réfraction complexe du matériau  The method which is the subject of the invention makes it possible to characterize a material without using a physical model, that is to say without using a physical law followed by the complex refractive index of the material.

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étudié. Il est donc tout particulièrement utile lorsqu'une telle loi n'est pas connue.  studied. It is therefore particularly useful when such a law is not known.

Ce procédé constitue une alternative aux procédés de caractérisation connus, mentionnés plus haut. Il peut être appelé "méthode des n#uds" car il utilise des "n#uds" c'est-à-dire des points de

Figure img00080001

coordonnées (Ài n; ) , où nl est la valeur prise par l'indice de réfraction complexe à la longueur d'onde #i et i prend un nombre limité de valeurs (entières). This process constitutes an alternative to the known characterization methods mentioned above. It can be called the "node method" because it uses "nodes", that is, points of
Figure img00080001

coordinates (Ài n;), where nl is the value taken by the complex refractive index at the wavelength #i and i takes a limited number of (integer) values.

De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de caractérisation optique d'au moins une couche d'un matériau dans un intervalle de longueurs d'ondes [# min, , max], cette couche étant formée sur un substrat, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on effectue un ensemble de mesures de réflectométrie et/ou d'ellipsométrie, cet ensemble de mesures conduisant à un spectre mesuré, noté #, - on choisit m longueurs d'ondes initiales #1 ...#m appartenant à cet intervalle, m étant un nombre entier au moins égal à 1, on associe, à chaque longueur d'onde, un indice de réfraction, - on choisit une loi d'interpolation au moins pour l'indice de réfraction du matériau, pour les longueurs d'ondes comprises entre les longueurs d'ondes initiales #1...#m, - on choisit M paramètres initiaux, M étant au moins égal à m, à savoir un indice de réfraction initial ni pour chaque longueur d'onde initiale #i, 1 # i m, les longueurs d'ondes initiales étant choisies de  Specifically, the subject of the present invention is a process for the optical characterization of at least one layer of a material in a wavelength range [# min,, max], this layer being formed on a substrate, this method being characterized in that: - a set of measurements of reflectometry and / or ellipsometry, this set of measurements leading to a measured spectrum, denoted #, - m wavelengths initial # 1 are selected ... #m belonging to this interval, m being an integer at least equal to 1, at each wavelength is associated with a refractive index, - at least one interpolating law is chosen for the refractive index of the material, for the wavelengths between the initial wavelengths # 1 ... # m, - M is chosen initial parameters, M being at least equal to m, namely an initial refractive index and for each length of initial wave #i, 1 # im, the initial wavelengths were chosen from

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manière à pouvoir déterminer par interpolation au moins l'indice de réfraction pour toute longueur d'onde de l'intervalle [# min, , max] , les couples (#i, ni) étant appelés n#uds, - on choisit des méthodes de calcul de réflectométrie et d'ellipsométrie, - on choisit aussi une fonction d'erreur Er, représentative de l'écart entre deux spectres #1 et #2, les spectres #1 et 2 étant calculés ou mesurés sur un nombre de points supérieur au nombre m de n#uds, - à l'aide des m longueurs d'ondes initiales, des M paramètres initiaux et de la loi d'interpolation, on met en #uvre le processus d'optimisation suivant : - on détermine un spectre théorique, noté #, en fonction des méthodes de calcul choisies, et de l'indice déduit par interpolation de sa valeur en #i,

Figure img00090001

i allant de 1 à m, sur le spectre [À,min, À,max] , - on détermine l'erreur Er (\fi, \fi), entre le spectre mesuré et le spectre théorique, - on minimise cette erreur en faisant varier la position des valeurs des indices inconnus et/ou l'épaisseur de la couche et/ou les valeurs des indices de réfraction aux longueurs d'ondes initiales, et l'on obtient un spectre, - on ajoute des longueurs d'ondes aux longueurs d'ondes initiales #1 ... #m, les longueurs d'ondes ajoutées constituant de nouveaux n#uds, - on répète le procédé en choisissant un nombre m' de longueurs d'ondes initiales, m' étant supérieur à m, so that at least the refractive index can be determined by interpolation for any wavelength of the interval [# min,, max], the pairs (#i, ni) being called n # uds, - methods are chosen for calculating reflectometry and ellipsometry, an error function Er, representative of the difference between two spectra # 1 and # 2, is also chosen, the spectra # 1 and 2 being calculated or measured on a higher number of points. to the number m of nodes, - using the initial m wavelengths, M initial parameters and the interpolation law, the following optimization process is implemented: - a spectrum is determined theoretical, denoted #, according to the chosen calculation methods, and of the index deduced by interpolation of its value in #i,
Figure img00090001

i ranging from 1 to m, on the spectrum [À, min, À, max], the error Er (\ fi, \ fi), between the measured spectrum and the theoretical spectrum is determined, - this error is minimized by varying the position of the unknown index values and / or the thickness of the layer and / or the values of the refractive indices at the initial wavelengths, and a spectrum is obtained, - wavelengths are added at the initial wavelengths # 1 ... #m, the added wavelengths constituting new nodes, - the process is repeated by choosing a number m 'of initial wavelengths, m' being greater than m,

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et M' paramètres initiaux, M' étant supérieur à M, jusqu'à ce que la précision sur chaque spectre ainsi représenté au mieux soit égale à une précision prédéfinie.  and M 'initial parameters, M' being greater than M, until the accuracy on each spectrum thus represented at best is equal to a predefined precision.

Il est question, ci-dessus, d'effectuer la caractérisation optique sur un intervalle de longueurs

Figure img00100001

d'ondes X, en l'occurrence l'intervalle [Xmin, kax] , mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en effectuant cette caractérisation optique - sur un intervalle de longueurs d'ondes inverses 1/#, en l'occurrence sur un intervalle
Figure img00100002

[ ( 1/,) min, (1/1)max], où ( 1/,) min est égal à 1/ (Xmax) et (1/À.)max à 1/ (,min) , - ou sur un intervalle d'énergies E (avec E = hv = hc/# où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière dans le vide et v la fréquence correspondant à #), en l'occurrence sur un intervalle [Emin, Emax] , où Emin est égal à hc/(#max) et Emax à hc/ (#min), ou, plus généralement, sur un intervalle [amin, amax] de valeurs d'une variable a fonction de #. It is a question, above, to perform optical characterization over a range of lengths
Figure img00100001

X-wave, in this case the interval [Xmin, kax], but it would not be outside the scope of the invention to carry out this optical characterization - over a range of inverse wavelengths 1 / #, in occurrence on an interval
Figure img00100002

[(1 /,) min, (1/1) max], where (1 /,) min is equal to 1 / (Xmax) and (1 / to.) Max to 1 / (, min), - or an interval of energies E (with E = hv = hc / # where h is the Planck constant, c the speed of light in vacuum and v the frequency corresponding to #), in this case over an interval [Emin , Emax], where Emin is equal to hc / (# max) and Emax to hc / (#min), or, more generally, to an interval [amin, amax] of values of a variable with function of #.

L'homme du métier adaptera aisément la définition du procédé objet de l'invention que l'on vient de donner en fonction de la variable ,, ainsi que les modes de réalisation particuliers et les exemples qui en sont donnés par la suite, à l'une ou l'autre des variables 1/# et E et, plus généralement, à la variable [alpha] dépendant de #.  Those skilled in the art will readily adapt the definition of the process which is the subject of the invention which has just been given as a function of the variable, as well as the particular embodiments and the examples which are given thereafter, at the same time. one or other of the variables 1 / # and E and, more generally, to the variable [alpha] dependent on #.

Par exemple, si l'on effectue la caractérisation optique sur l'intervalle [(1/#)min,  For example, if one carries out the optical characterization on the interval [(1 / #) min,

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(1/#)max] (respectivement sur l'intervalle [Emin, Emax]), on remplacera l'étape où l'on choisit les longueurs d'ondes initiales #1...#m par une étape où l'on choisit des longueurs d'ondes inverses initiales

Figure img00110001

(1/,)1...(1/,)m (respectivement des énergies initiales Ei...Em) et, plus généralement, par une étape où l'on choisit des valeurs initiales [alpha]1...[alpha]m de [alpha]. (1 / #) max] (respectively on the interval [Emin, Emax]), we will replace the step where we choose the initial wavelengths # 1 ... # m by a step where we chooses initial inverse wavelengths
Figure img00110001

(1 /,) 1 ... (1 /,) m (respectively initial energies Ei ... Em) and, more generally, by a step where initial values [alpha] 1 are chosen ... [ alpha] m of [alpha].

En outre, l'invention s'applique pour caractériser un spectre ou une partie de spectre.  In addition, the invention applies to characterize a spectrum or part of the spectrum.

Selon un premier mode de mise en #uvre particulier du procédé objet de l'invention, m est au moins égal à 2.  According to a first particular embodiment of the method which is the subject of the invention, m is at least equal to 2.

Selon un deuxième mode de mise en #uvre particulier du procédé objet de l'invention, m est égal à 1 et l'on choisit des indices de réfraction initiaux égaux.  According to a second particular embodiment of the method which is the subject of the invention, m is equal to 1 and initial initial refractive indexes are chosen.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le matériau est non absorbant et le nombre M est égal à m, le coefficient d'extinction du matériau étant pris égal à 0.  According to a particular embodiment of the invention, the material is non-absorbent and the number M is equal to m, the extinction coefficient of the material being taken equal to 0.

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, - M est au moins égal à 2 m, - on choisit en outre une loi d'interpolation pour le coefficient d'extinction du matériau, - pour chaque longueur d'onde initiale #i, 1 # i m, on choisit en outre un coefficient d'extinction initial ki, les longueurs d'ondes initiales étant en outre choisies de manière à pouvoir déterminer par  According to another particular embodiment of the invention, - M is at least equal to 2 m, - one further chooses an interpolation law for the extinction coefficient of the material, - for each initial wavelength # i, 1 # im, an initial extinction coefficient ki is also chosen, the initial wavelengths being furthermore chosen so as to be able to determine by

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interpolation le coefficient d'extinction pour toute longueur d'onde de l'intervalle [# min, À max], - dans le processus d'optimisation, on minimise l'erreur en faisant varier en outre les valeurs des coefficients d'extinction aux longueurs d'ondes initiales et les longueurs d'ondes ajoutées sont en outre placées de façon à représenter au mieux le spectre du coefficient d'extinction du matériau.  interpolation the extinction coefficient for any wavelength of the interval [# min, λ max], - in the optimization process, the error is minimized by additionally varying the values of the extinction coefficients at Initial wavelengths and added wavelengths are further placed to best represent the spectrum of the extinction coefficient of the material.

Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, m est égal à 1 et l'on choisit des indices de réfraction initiaux égaux et des coefficients d'extinction initiaux égaux.  In this case, according to a particular embodiment of the invention, m is equal to 1 and initial equal refractive indices and initial initial extinction coefficients are chosen.

Selon un mode de mise en #uvre particulier du procédé objet de l'invention, la couche de matériau est mince, c'est-à-dire a une épaisseur inférieure à la longueur de cohérence de la lumière utilisée pour les mesures, on choisit un paramètre initial supplémentaire, à savoir une épaisseur initiale de couche, et dans le processus d'optimisation on minimise l'erreur en faisant en outre varier la valeur de l'épaisseur de couche.  According to a particular embodiment of the method that is the subject of the invention, the layer of material is thin, that is to say has a thickness less than the coherence length of the light used for the measurements. an additional initial parameter, namely an initial layer thickness, and in the optimization process the error is minimized by further varying the value of the layer thickness.

Selon un autre mode de mise en #uvre particulier du procédé objet de l'invention, la couche de matériau est épaisse, c'est-à-dire n'est pas mince, et M est au plus égal à 2 m.  According to another particular embodiment of the method which is the subject of the invention, the layer of material is thick, that is to say is not thin, and M is at most equal to 2 m.

Selon un autre mode de mise en #uvre particulier, l'épaisseur de la couche de matériau est connue avec une précision suffisante et M est au plus égal à 2 m.  According to another particular embodiment, the thickness of the layer of material is known with sufficient accuracy and M is at most equal to 2 m.

Chaque loi d'interpolation peut être choisie parmi les lois d'interpolation linéaires, les  Each interpolation law can be chosen from linear interpolation laws,

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lois d'interpolation cubiques, les lois d'interpolation polynômiales et les lois d'interpolation de type fonction spline .  cubic interpolation laws, polynomial interpolation laws, and spline function interpolation laws.

Dans l'invention, la répartition des n#uds peut être homogène.  In the invention, the distribution of nodes can be homogeneous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, on faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de dispositifs permettant de caractériser une couche conformément à l'invention, - la figure 2 montre les variations de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde, pour un matériau suivant une loi de Cauchy (courbe I) et pour un matériau caractérisé conformément à l'invention (courbe II), et - la figure 3A (respectivement 3B) montre les variations de l'indice de réfraction (respectivement du coefficient d'extinction) en fonction de la longueur d'onde, pour un matériau suivant une loi à deux oscillateurs (courbe I) et pour un matériau caractérisé conformément à l'invention.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments given below, purely by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic view of devices for characterizing a layer according to the invention, - Figure 2 shows the variations of the refractive index as a function of the wavelength, for a material according to a Cauchy law (curve I) and for a material characterized according to the invention (curve II), and - FIG. 3A (respectively 3B) shows the variations of the refractive index (respectively of the extinction coefficient) as a function of the wavelength, for a material following a two oscillator law (curve I) and for a material characterized according to the invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention propose une alternative aux procédés classiques, mentionnés plus haut. Elle permet d'allier la cohérence d'un modèle de couche (correspondant à une loi d'indice continue et à des
DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
The invention provides an alternative to the conventional methods mentioned above. It makes it possible to combine the coherence of a layer model (corresponding to a continuous index law and to

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épaisseurs physiques constantes), à la généralité concernant la loi d'indice à trouver (comme dans la méthode PAP). En outre, la résolution n'est limitée que par la résolution du spectre mesuré.  constant physical thickness), the generality concerning the index law to be found (as in the PAP method). In addition, the resolution is limited only by the resolution of the measured spectrum.

Dans le procédé objet de l'invention, le spectre d'indice n* (#) est caractérisé par : - un nombre réduit de "n#uds", qui sont des points de

Figure img00140001

coordonnées (Xi, ni,ki) , avec ni = n (li) et ki = k (li) et - une loi d'interpolation entre les n#uds, qui peut être, par exemple, linéaire, cubique, de type spline ou polynômiale (de degré quelconque). In the method which is the subject of the invention, the spectrum of index n * (#) is characterized by: a reduced number of "nodes", which are points of
Figure img00140001

coordinates (Xi, ni, ki), with ni = n (li) and ki = k (li) and - a law of interpolation between the nodes, which can be, for example, linear, cubic, of spline type or polynomial (of any degree).

Cette loi d'interpolation permet de calculer, à partir des n#uds, les indices de réfraction et les coefficients d'extinction pour les longueurs d'ondes situées entre les n#uds.  This interpolation law makes it possible to calculate, from the nodes, the refractive indices and the extinction coefficients for the wavelengths located between the nodes.

Par exemple, lorsque l'indice de réfraction est caractérisé par un ensemble de valeurs pour des longueurs d'ondes #1 ... #m, on peut utiliser une interpolation linéaire entre deux longueurs d'ondes #i et #i+1 pour calculer l'indice n à la longueur d'onde (voir le document [6] chapitre 3) :

Figure img00140002

na)~(4+1-A) (4) + (A-W4+1) #l+1 - #t avec #i<#<#i+1
On peut faire de même pour le coefficient d'extinction. For example, when the refractive index is characterized by a set of values for wavelengths # 1 ... #m, we can use a linear interpolation between two wavelengths #i and # i + 1 for calculate the index n at the wavelength (see document [6] chapter 3):
Figure img00140002

na) ~ (4 + 1-A) (4) + (A-W4 + 1) # 1 + 1 - #t with #i <# <# i + 1
The same can be done for the extinction coefficient.

Lorsque le nombre de n#uds le permet, des formules d'interpolation plus complexes, faisant intervenir les n#uds voisins, peuvent être utilisées (voir le document [6] chapitre 3) .  When the number of nodes allows it, more complex interpolation formulas, involving neighboring nodes, can be used (see document [6] chapter 3).

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Un modèle de couche est donc caractérisé par une épaisseur e et une famille de n#uds.  A layer model is therefore characterized by a thickness e and a family of nodes.

On donne ci-après un exemple du procédé objet de l'invention. Dans cet exemple, les mesures sont constituées d'une mesure réflectométrique R(#) et d'une mesure ellipsométrique SI,2 (#,#) où # est l'angle d'incidence du faisceau lumineux que l'on envoie sur la couche à étudier lors de la mesure d'ellipsométrie.  An example of the process which is the subject of the invention is given below. In this example, the measurements consist of a reflectometric measurement R (#) and an ellipsometric measurement SI, 2 (#, #) where # is the angle of incidence of the light beam that is sent on the layer to be studied when measuring ellipsometry.

Cette couche est une couche mince de sorte que l'épaisseur de cette couche est aussi une variable du problème. En outre, on suppose qu'une seule couche est inconnue, cette couche étant formée sur un substrat connu.  This layer is a thin layer so that the thickness of this layer is also a variable of the problem. In addition, it is assumed that only one layer is unknown, this layer being formed on a known substrate.

Expliquons d'abord brièvement cet exemple, qui utilise un algorithme.  Let's first briefly explain this example, which uses an algorithm.

A partir d'informations supposées sur l'épaisseur # de la couche étudiée, sur l'indice de réfraction n(#) et sur le coefficient d'extinction k(X), du matériau de cette couche, on construit des n#uds de départ (en faible nombre) et une épaisseur de départ #.  From information supposed on the thickness # of the studied layer, on the refractive index n (#) and on the extinction coefficient k (X), of the material of this layer, one builds nodes starting point (in low numbers) and starting thickness #.

On dispose ainsi de m n#uds et, par interpolation, on peut connaître n(#) et k(#) en dehors des valeurs des longueurs d'ondes associées aux n#uds.  We thus have m nodes and, by interpolation, we can know n (#) and k (#) outside the values of the wavelengths associated with the nodes.

A partir de l'épaisseur de départ et de ces valeurs de départ n(#) et k(#), on détermine le spectre théorique # en utilisant des calculs ellipsométriques et réflectrométriques.  From the starting thickness and these starting values n (#) and k (#), the theoretical spectrum # is determined using ellipsometric and reflectrometric calculations.

Par ailleurs, au moyen de dispositifs d'ellipsométrie et de réflectrométrie et d'un  In addition, by means of ellipsometry and reflectometry devices and a

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spectromètre, on obtient SI,2 (#,#) et R(#) et l'on en déduit les mesures notées #.  spectrometer, we obtain SI, 2 (#, #) and R (#) and we deduce the measures noted #.

On compare ensuite # et * en utilisant une fonction d'erreur Er et l'on optimise la valeur de l'indice de réfraction et la valeur du coefficient d'extinction aux différents n#uds, ainsi que la valeur de l'épaisseur, en cherchant à minimiser Er (#,#).  Then compare # and * using an error function Er and optimize the value of the refractive index and the value of the extinction coefficient at the different nodes, as well as the value of the thickness, by trying to minimize Er (#, #).

Lorsque ces valeurs sont optimisées et si la précision sur le spectre n(#), le spectre k(#) et l'épaisseur # n'est pas suffisante, on ajoute de nouveaux n#uds, on fait varier l'épaisseur #, et l'on recommence la détermination de #, la comparaison de # et et l'optimisation mentionnées plus haut, etc.  When these values are optimized and if the precision on the spectrum n (#), the spectrum k (#) and the thickness # are not sufficient, we add new nodes, we vary the thickness #, and we repeat the determination of #, the comparison of # and and the optimization mentioned above, and so on.

On arrête la boucle ainsi définie lorsque la précision sur chacun des spectres n(#) et k(#) et sur l'épaisseur e est jugée suffisante.  The loop thus defined is stopped when the precision on each of the spectra n (#) and k (#) and on the thickness e is considered sufficient.

Les spectres n(A,), k(#) et l'épaisseur # sont ainsi caractérisés.  The spectra n (A,), k (#) and the thickness # are thus characterized.

La figure 1 montre de façon schématique la couche étudiée 2, formée sur un substrat 4. On voit le dispositif d'ellipsométrie 5,6, le dispositif de réflectrométrie 8 et le spectromètre 10. On voit en outre des moyens électroniques de traitement 12

Figure img00160001

permettant de caractériser n (,) , k(À) et E en fonction des informations fournies par le spectromètre 10 et conformément au procédé de l'invention. Ces moyens 12 sont munis de moyens d'affichage 14. FIG. 1 schematically shows the studied layer 2 formed on a substrate 4. The ellipsometry device 5.6, the reflectrometry device 8 and the spectrometer 10 are seen. In addition, electronic processing means 12 are seen.
Figure img00160001

to characterize n (,), k (A) and E according to the information provided by the spectrometer 10 and in accordance with the method of the invention. These means 12 are provided with display means 14.

Revenons de façon plus détaillée sur l'exemple donné.  Let's go back in more detail to the example given.

Phase 1  Phase 1

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Le procédé de cet exemple comporte d'abord une étape d'initialisation. The method of this example comprises first an initialization step.

L'algorithme débute avec un nombre réduit de n#uds (2 ou plus de 2). Cependant, on peut débuter par un seul n#ud en imposant un indice de réfraction et un coefficient d'extinction qui restent constants lorsque la longueur d'onde varie.  The algorithm starts with a reduced number of nodes (2 or more than 2). However, one can start with a single node by imposing a refractive index and an extinction coefficient that remain constant when the wavelength changes.

On choisit des positions de n#uds de façon à pouvoir, à partir de cette famille de n#uds, déduire tout le spectre par interpolation. Le modèle de couche est donc à 3 paramètres ou plus, puisque l'épaisseur est aussi une variable à déterminer. La table d'indice sur tout le spectre est donc déduite des n#uds par interpolation.  Node positions are chosen so that, from this family of nodes, the whole spectrum can be deduced by interpolation. The layer model is therefore 3 or more parameters, since the thickness is also a variable to be determined. The index table over the entire spectrum is therefore deduced from the nodes by interpolation.

C'est le cas lorsque l'épaisseur des couches est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde (couches minces). Mais lorsque l'épaisseur de la couche est très importante, l'épaisseur n'intervient quasiment plus dans le calcul de la réponse de la couche, et n'est donc plus une variable du problème.  This is the case when the thickness of the layers is of the order of magnitude of the wavelength (thin layers). But when the thickness of the layer is very important, the thickness intervenes almost no longer in the calculation of the response of the layer, and is no longer a variable of the problem.

Par exemple, dans le cas de disques optiques, sur lesquels une couche très importante est déposée (son épaisseur est de l'ordre de 1 millimètre), le coefficient de réflexion d'une telle couche n'est plus fonction de l'épaisseur de la couche, mais seulement de l'indice de réfraction de celle-ci.  For example, in the case of optical disks, on which a very large layer is deposited (its thickness is of the order of 1 millimeter), the reflection coefficient of such a layer is no longer a function of the thickness of the film. the layer, but only the refractive index thereof.

Par exemple, on choisit de placer les deux premiers n#uds aux extrémités 1 min et 1 max du spectre. Les valeurs de l'indice complexe en ces extrémités sont choisies en fonction du type du matériau étudié. Par exemple, sur un spectre  For example, we choose to place the first two nodes at the 1 min and 1 max ends of the spectrum. The values of the complex index at these ends are chosen according to the type of material studied. For example, on a spectrum

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ellipsométrique entre 300nm et 800nm d'une couche mince de résine photosensible, on prend n(300nm)=n(800nm)=1,5 et k(300nm)=k(800nm)=0.  ellipsometric between 300nm and 800nm of a thin layer of photoresist, n (300nm) = n (800nm) = 1.5 and k (300nm) = k (800nm) = 0.

Lorsque le spectre n'est caractérisé que par deux n#uds, l'indice entre les extrêmes est déterminé par interpolation linéaire. Dans le cas

Figure img00180001

considéré, on a donc n (,) =1, 5 et k (,) =0 pour appartenant à [300nm, 800nm] . When the spectrum is characterized by only two nodes, the index between the extremes is determined by linear interpolation. In the case
Figure img00180001

considered, we therefore have n (,) = 1, 5 and k (,) = 0 for belonging to [300 nm, 800 nm].

A partir de trois n#uds, on choisit plutôt une interpolation cubique afin d'obtenir des formes de loi d'indice plus douces que celles obtenues par interpolation linéaire.  From three nodes, a cubic interpolation is chosen instead to obtain softer index forms than those obtained by linear interpolation.

L'épaisseur de départ est, quant à elle, choisie aussi proche que possible de l'épaisseur réelle.  The starting thickness is, for its part, chosen as close as possible to the actual thickness.

Phase 2
On procède ensuite à une détermination optimale des valeurs de l'indice de réfraction et du coefficient d'extinction sur les n#uds et de la valeur de l'épaisseur.
Phase 2
The values of the refractive index and the extinction coefficient on the nodes and the value of the thickness are then optimally determined.

Pour ce faire, les spectres #(#) sont calculés à l'aide du modèle de couche utilisé, résultant du choix des n#uds, de la loi d'interpolation et de l'épaisseur de la couche.  To do this, the # (#) spectra are calculated using the layer model used, resulting from the choice of nodes, the interpolation law and the thickness of the layer.

Le modèle physique utilisé pour le calcul de # est bien sûr fonction de la méthode de mesure utilisée, c'est-à-dire notamment de l'angle d'incidence de la lumière, du spectre utilisé et du modèle de couches minces ou de couches épaisses le cas échéant (voir par exemple les modèles de couches empilées dans le document [3]).  The physical model used for the calculation of # is of course a function of the measurement method used, that is to say in particular the angle of incidence of the light, the spectrum used and the model of thin layers or thick layers where appropriate (see for example stacked layer models in document [3]).

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Les spectres étant constitués par un ensemble de mesures de natures diverses (par exemple des mesures ellipsométriques et réflectométriques), on utilise pour les mesures de réflectométrie (respectivement d'ellipsométrie) une méthode de calcul de réflectométrie (respectivement d'ellipsométrie).  The spectra being constituted by a set of measurements of various natures (for example ellipsometric and reflectometric measurements), a reflectometry (ellipsometry) calculation method is used for the reflectometry (respectively ellipsometry) measurements.

Les mesures réflectométriques et ellipsométriques sont combinées par l'intermédiaire d'une fonction d'erreur Er(#,#) qui est par exemple du genre de celle qui est définie par l'équation (1).  Reflectometric and ellipsometric measurements are combined via an error function Er (#, #) which is for example of the kind defined by equation (1).

Grâce à une fonction de recherche telle que Simplex par exemple, on minimise l'écart entre #(#) et #(#), en faisant varier la valeur de l'indice de réfraction et la valeur du coefficient d'extinction à la position de chacun des n#uds ainsi que l'épaisseur de couche (si cette épaisseur est un facteur important dans le calcul de #). Lorsque l'écart est minimum c'est-à-dire lorsque Er(#,#) est minimum, cela signifie que les mesures réflectométriques et ellipsométriques coïncident au mieux (pour un nombre de n#uds donné).  Thanks to a search function such as Simplex for example, the difference between # (#) and # (#) is minimized, by varying the value of the refractive index and the value of the extinction coefficient at the position of each of the nodes as well as the layer thickness (if this thickness is an important factor in the calculation of #). When the deviation is minimum, ie when Er (#, #) is minimum, it means that the reflectometry and ellipsometric measurements coincide at best (for a given number of nodes).

A ce stade, on obtient, pour un nombre connu de n#uds et une position spectrale connue pour chacun de ces des n#uds, le modèle de couche (indice de réfraction, coefficient d'extinction et épaisseur) qui correspond au mieux à la couche réelle.  At this stage, for a known number of nodes and a known spectral position for each of these nodes, we obtain the layer model (refractive index, extinction coefficient and thickness) which best corresponds to the actual layer.

La validité du modèle trouvé est d'autant plus assurée que le nombre de mesures est grand. Pour avoir un grand nombre de mesures, on peut par exemple utiliser plusieurs angles d'incidence de la lumière #i,  The validity of the model found is even more assured that the number of measurements is large. To have a large number of measurements, it is possible for example to use several angles of incidence of the light #i,

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1 i # , pour les spectres ellipsométriques, faire une mesure réflectométrique et faire des mesures goniométriques complémentaires.  1 i #, for ellipsometric spectra, make a reflectometric measurement and make complementary goniometric measurements.

Phase 3
Ensuite, on ajoute un nombre fini de n#uds.
Phase 3
Then we add a finite number of nodes.

Dans un premier mode de réalisation, les n#uds rajoutés sont positionnés de façon à représenter au mieux les

Figure img00200001

spectres n (,) et k (,) . A titre d'exemple, on place ces n#uds supplémentaires aux endroits où l'écart entre et # est maximum ou aux endroits en lesquels les n#uds sont les plus espacés. Et l'on retourne à la phase 2 tant que la précision sur chacun des spectres n(#) et k(#) et sur l'épaisseur e n'est pas suffisante, c'est-à-dire n'est pas égale à une précision prédéfinie. In a first embodiment, the added nodes are positioned in such a way as to best represent the
Figure img00200001

spectra n (,) and k (,). As an example, these additional nodes are placed where the distance between and # is maximum or at the places in which the nodes are the most spaced apart. And we go back to phase 2 as long as the precision on each of the spectra n (#) and k (#) and on the thickness e is not sufficient, that is to say is not equal to a predefined precision.

Dans un deuxième mode de réalisation, on intercalle de nouveaux n#uds entre deux n#uds de l'ensemble de n#uds préalablement choisis et qui se répartiront de façon homogène sur le spectre.  In a second embodiment, new nodes are inserted between two nodes of the set of previously selected nodes that will be homogeneously distributed over the spectrum.

Dans ce qui suit, nous donnons deux exemples courants d'application de l'invention. Ces exemples mettent en jeu deux types de matériaux qui suivent des lois différentes.  In what follows, we give two common examples of application of the invention. These examples involve two types of materials that follow different laws.

A partir de mesures ellipsométriques et réflectométriques, nous proposons de retrouver les lois physiques suivies par ces matériaux. Nous procédons de la façon suivante :
Un matériau fictif est créé, ce matériau suivant une loi théorique connue (une loi de Cauchy ou une loi d'oscillateurs harmoniques), avec des paramètres que nous fixons arbitrairement. Les
From ellipsometric and reflectometric measurements, we propose to find the physical laws followed by these materials. We proceed as follows:
A fictitious material is created, this material following a known theoretical law (a Cauchy law or a law of harmonic oscillators), with parameters that we arbitrarily set. The

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variations de l'indice de réfraction complexe en fonction de la longueur d'onde sont ainsi parfaitement connues.  variations of the complex refractive index as a function of the wavelength are thus perfectly known.

Nous imposons en outre au matériau une épaisseur de 200,00nm, sur un substrat de silicium, ce dernier étant très bien connu.  We also impose the material a thickness of 200.00nm, on a silicon substrate, the latter being very well known.

Des mesures fictives (mesures ellipsométriques, mesures réflectométriques) sont calculées, puis bruitées de façon à introduire un défaut d'appareillage.  Fictitious measurements (ellipsometric measurements, reflectometry measurements) are calculated and then noised so as to introduce a defective apparatus.

Tout se passe comme si nous avions des mesures réelles, effectuées sur le matériau. Mais, contrairement à la réalité, nous connaissons parfaitement l'indice de réfraction complexe puisque nous l'avons fixé, de même que nous avons fixé l'épaisseur de la couche de matériau.  Everything happens as if we had real measurements made on the material. But, contrary to reality, we know perfectly the complex refractive index since we fixed it, just as we fixed the thickness of the layer of material.

Nous testons ici la méthode "en aveugle", c'est-à-dire que nous partons d'une épaisseur fausse (220nm) et d'indices de réfraction complexes faux, puisqu'ils sont sensés être inconnus.  We test here the method "blind", that is to say that we start from a false thickness (220nm) and false complex refractive indices, since they are supposed to be unknown.

Nous appliquons le procédé objet de l'invention puis nous comparons l'indice de réfraction complexe trouvé à l'indice de réfraction complexe théorique. Nous retrouvons bien les mêmes lois, très précisément, ainsi que la même épaisseur de couche.  We apply the method that is the subject of the invention and then compare the complex refractive index found with the theoretical complex refractive index. We find the same laws, very precisely, as well as the same layer thickness.

Prenons comme premier exemple un matériau dont l'indice de réfraction complexe suit une loi de Cauchy telle que :

Figure img00210001
Take as a first example a material whose complex refractive index follows a Cauchy law such that:
Figure img00210001

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Cette loi d'indice est typique des résines photosensibles (dans la plage spectrale 300-800nm). This index law is typical of photosensitive resins (in the 300-800 nm spectral range).

Afin de retrouver à l'aide de la méthode des n#uds (c'est-à-dire du procédé objet de l'invention) la loi d'indice mentionnée ci-dessus, nous effectuons deux mesures, à savoir une mesure ellipsométrique à un angle de 70 et une mesure réflectométrique.  In order to find, by means of the node method (that is to say of the method which is the subject of the invention) the index law mentioned above, we carry out two measurements, namely an ellipsometric measurement. at an angle of 70 and a reflectometric measurement.

Les conditions de traitement sont les suivantes : - le spectre traité est compris entre 300nm et 800nm, - au départ, les n#uds sont aux positions (300nm, 1,6) et (800nm, 1,6), c'est-à-dire que l'indice est considéré comme variant linéairement entre 300nm et
800nm, et que sa valeur est constante (égale à 1,6), - le nombre de n#uds est augmenté itérativement en rajoutant au moins un n#ud à chaque itération (par exemple, on ajoute 2 n#uds), - la loi d'interpolation est une loi cubique, lorsque le nombre de n#uds est supérieur à 2, sinon elle est linéaire, et - l'algorithme de minimisation utilisé est un algorithme de type Simplex.
The treatment conditions are as follows: the spectrum treated is between 300 nm and 800 nm, the nodes are initially at positions (300 nm, 1.6) and (800 nm, 1.6), that is, to say that the index is considered to vary linearly between 300nm and
800nm, and that its value is constant (equal to 1.6), - the number of nodes is increased iteratively by adding at least one node to each iteration (for example, we add 2 nodes), - the interpolation law is a cubic law, when the number of nodes is greater than 2, otherwise it is linear, and the minimization algorithm used is a Simplex type algorithm.

La figure 2 permet de comparer l'indice de réfraction correspondant au matériau fictif qui suit parfaitement une loi de Cauchy (courbe I) à l'indice de réfraction que nous trouvons par la méthode des n#uds (courbe II), à l'aide de 6 n#uds (représentés par des cercles sur la figure 2). Nous avons utilisé un *?

Figure img00220001

composé d'une mesure ellipsométrique S1 (,) , S2 (,) à 70 et d'une mesure réflectométrique R(#). FIG. 2 makes it possible to compare the refractive index corresponding to the fictitious material which perfectly follows a Cauchy law (curve I) to the refractive index which we find by the node method (curve II), to the using 6 nodes (represented by circles in Figure 2). We used a *?
Figure img00220001

composed of an ellipsometric measurement S1 (,), S2 (,) at 70 and a reflectometric measurement R (#).

<Desc/Clms Page number 23> <Desc / Clms Page number 23>

Prenons comme deuxième exemple un matériau dont l'indice de réfraction complexe suit une loi à deux oscillateurs, telle que :

Figure img00230001
Take as a second example a material whose complex refractive index follows a two-oscillator law, such that:
Figure img00230001

La méthode des n#uds est appliquée à un ensemble de mesures ellipsométriques effectuées entre 250nm et 800nm, à 75 , 70 , 60 , et 45 , avec en plus une mesure réflectométrique. L'épaisseur réelle du matériau étant de 200nm, on trouve une épaisseur de 200,25 nm avec la méthode des n#uds. L'ajustement sur la loi d'indice est très bon. The node method is applied to a set of ellipsometric measurements made between 250nm and 800nm at 75, 70, 60, and 45, plus a reflectometric measurement. The actual thickness of the material being 200 nm, we find a thickness of 200.25 nm with the node method. The fit on the index law is very good.

Les figures 3A et 3B montrent respectivement les reconstructions des courbes n(#) et k(#) du matériau à l'aide de la méthode des n#uds. La reconstruction est effectuée à l'aide de quatre spectres ellipsométriques et d'un spectre réflectométrique. Les pics d'absorption réels sont très bien représentés par la courbe obtenue par interpolation cubique entre les n#uds (représentés par des cercles sur les figures 3A et 3B).  Figures 3A and 3B respectively show the reconstructions of the curves n (#) and k (#) of the material using the node method. The reconstruction is performed using four ellipsometric spectra and a reflectometric spectrum. The actual absorption peaks are very well represented by the curve obtained by cubic interpolation between the nodes (represented by circles in FIGS. 3A and 3B).

Sur la figure 3A, la courbe I (respectivement II) correspond à n suivant parfaitement la loi choisie (respectivement à n trouvé par la méthode des n#uds) .  In FIG. 3A, the curve I (respectively II) corresponds to n perfectly following the chosen law (respectively to n found by the node method).

<Desc/Clms Page number 24> <Desc / Clms Page number 24>

Sur la figure 3B, la courbe I (respectivement II) correspond à k suivant parfaitement la loi choisie (respectivement à k trouvé par la méthode des n#uds) .  In FIG. 3B, the curve I (respectively II) corresponds to k perfectly following the chosen law (respectively at k found by the node method).

On vient de décrire des exemples de l'invention. On remarquera d'une manière plus générale que, dans cette dernière, on considère un ensemble X de

Figure img00240001

valeurs, avec X= {nx, n2 , ... , n , ...nm , kl7 k2,..., ki, ..., km,e}, où ni est la valeur de l'indice de réfraction au n#ud #i, i#{l...m}, m étant le nombre de noeuds ki est la valeur du coefficient d'absorption
Figure img00240002

au n#ud ,i, i e {l...m} , e est l'épaisseur de la couche étudiée. Examples of the invention have been described. It will be noticed in a more general way that, in the latter, we consider a set X of
Figure img00240001

values, with X = {nx, n2, ..., n, ... nm, kl7 k2, ..., ki, ..., km, e}, where ni is the value of the refractive index at n # ud #i, i # {l ... m}, where m is the number of nodes ki is the value of the absorption coefficient
Figure img00240002

at n # ud, i, ie {l ... m}, e is the thickness of the studied layer.

L'opération de minimisation d'erreur Er (#, #) revient à trouver l'ensemble X tel que Er soit minimum.  The error minimization operation Er (#, #) amounts to finding the set X such that Er is minimum.

Lorsque l'on n'impose pas de contrainte particulière, la minimisation est une minimisation à 2xm+l paramètres. On peut bien sûr ajouter des contraintes afin de diminuer le nombre de variables.  When no particular constraint is imposed, minimization is minimization to 2xm + l parameters. We can of course add constraints to reduce the number of variables.

En particulier, si l'on sait que le matériau est non absorbant, on impose ki=0 pour tout i

Figure img00240003

de {l...m} et X devient : X={nl,n2...,ni,...nm, E . In particular, if we know that the material is non-absorbent, we impose ki = 0 for all i
Figure img00240003

from {l ... m} and X becomes: X = {nl, n2 ..., ni, ... nm, E.

Si, par une mesure complémentaire (par exemple une mesure de goniométrie ou une mesure directe non optique), on connaît l'épaisseur de la couche considérée avec une précision suffisante, l'épaisseur e n'est plus une variable et l'on a : X={nl, n2...., ni, ...nm, ki,k2,..., ki,..., km} .  If, by a complementary measurement (for example a goniometry measurement or a non-optical direct measurement), the thickness of the layer considered is known with a sufficient precision, the thickness e is no longer a variable and : X = {nl, n2 ...., ni, ... nm, ki, k2, ..., ki, ..., km}.

<Desc/Clms Page number 25> <Desc / Clms Page number 25>

Les deux options précédentes peuvent être bien sûr combinées.  The two previous options can of course be combined.

De plus, la présente invention n'est pas limitée à la caractérisation de couches minces. Elle s'applique aussi à la caractérisation de couches épaisses.  In addition, the present invention is not limited to the characterization of thin layers. It also applies to the characterization of thick layers.

En outre, la présente invention n'est pas limitée à la caractérisation d'une seule couche, formée sur un substrat. Elle s'applique aussi à la caractérisation de deux, ou plus de deux, couches formées sur un substrat.  In addition, the present invention is not limited to the characterization of a single layer formed on a substrate. It also applies to the characterization of two or more layers formed on a substrate.

Les documents cités dans la présente description sont les suivants : [1] R. M.A. Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland Physics Publishing, 1997, chapitre 6.  The documents cited in this specification are: [1] R. M.A.Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North Holland Physics Publishing, 1997, Chapter 6.

[2] B. K. Minhas, S.A. Coulombe, S. Sohail, H. Naqvi and J.R. McNeil, Ellipsometric scatterometry

Figure img00250001

for the metrology of sub-0.1-.m-linewidth structures, Applied Optics, 37(22) : 5112-5115,1998. [2] BK Minhas, Coulombe SA, S. Sohail, H. Naqvi and JR McNeil, Ellipsometric scatterometry
Figure img00250001

for the metrology of sub-0.1-.m-linewidth structures, Applied Optics, 37 (22): 5112-5115,1998.

[3] M. Born and E. Wolf, Principle of Optics, Cambridge University Press edition.  [3] Born and E. Wolf, Principle of Optics, Cambridge University Press.

[4] A. R. Forouhi and I. Bloomer, Optical dispersion relations for amorphous semiconductors and amorphous dielectrics, Physical Review B, 34 (10) 7018-7026, November 1986.  [4] R. Forouhi and I. Bloomer, Optical Dispersal Relationships for amorphous semiconductors and amorphous dielectrics, Physical Review B, 34 (10) 7018-7026, November 1986.

[5] F. L. Terry, Jr., A modified harmonic oscillator approximation scheme for the dielectric constants of AlxG1-xAs, Journal of Applied Physics, 70(1), 1991, pages 409-417.  [5] F. L. Terry, Jr., A modified harmonic oscillator approximation scheme for the dielectric constants of AlxG1-xAs, Journal of Applied Physics, 70 (1), 1991, pp. 409-417.

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[6] W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T.  [6] W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T.

Vetterling and B. P. Flannery, Numerical Recipes in C, Cambridge University Press, 1992, chapitres 3 et 10.Vetterling and B. P. Flannery, Numerical Recipes in C, Cambridge University Press, 1992, Chapters 3 and 10.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Procédé de caractérisation optique d'au moins une couche d'un matériau dans un intervalle de longueurs d'ondes [# min, max], cette couche étant formée sur un substrat, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on effectue un ensemble de mesures de réflectométrie et/ou d'ellipsométrie, cet ensemble de mesures conduisant à un spectre mesuré, noté #, - on choisit m longueurs d'ondes initiales #1 ...#m appartenant à cet intervalle, m étant un nombre entier au moins égal à 1, on associe, à chaque longueur d'onde, un indice de réfraction, - on choisit une loi d'interpolation au moins pour l'indice de réfraction du matériau, pour les longueurs d'ondes comprises entre les longueurs d'ondes initiales #1...#m, - on choisit M paramètres initiaux, M étant au moins égal à m, à savoir un indice de réfraction initial ni pour chaque longueur d'onde initiale #i, 1 # i m, les longueurs d'ondes initiales étant choisies de manière à pouvoir déterminer par interpolation au moins l'indice de réfraction pour toute longueur d'onde de l'intervalle [# min, , max], les couples (#i,ni) étant appelés n#uds, - on choisit des méthodes de calcul de réflectométrie et d'ellipsométrie, - on choisit aussi une fonction d'erreur Er, représentative de l'écart entre deux spectres #1 et #2, les spectres #1 et #2 étant calculés ou mesurés A method for the optical characterization of at least one layer of a material in a wavelength range [# min, max], said layer being formed on a substrate, said method being characterized in that: - a set of measurements of reflectometry and / or ellipsometry, this set of measurements leading to a measured spectrum, denoted #, - m wavelengths # 1 ... # m belonging to this interval are chosen m, m being a an integer at least equal to 1, a refractive index is associated with each wavelength, - at least one interpolation law is chosen for the refractive index of the material, for the wavelengths between the initial wavelengths # 1 ... # m, - we choose M initial parameters, M being at least equal to m, namely an initial index of refraction nor for each initial wavelength #i, 1 # im , the initial wavelengths being chosen so as to be able to determine by interpol at least the refractive index for any wavelength of the interval [# min,, max], the pairs (# i, ni) being called nodes, - methods for calculating reflectometry and of ellipsometry, - we also choose an error function Er, representative of the difference between two spectra # 1 and # 2, the spectra # 1 and # 2 being calculated or measured <Desc/Clms Page number 28><Desc / Clms Page number 28> allant de 1 à m, sur le spectre [,min, tanax] , - on détermine l'erreur Er (#, #), entre le spectre mesuré et le spectre théorique - on minimise cette erreur en faisant varier la position des valeurs des indices inconnus et/ou l'épaisseur de la couche et/ou les valeurs des indices de réfraction aux longueurs d'ondes initiales, et l'on obtient un spectre, - on ajoute des longueurs d'ondes aux longueurs d'ondes initiales #1 ... #m, les longueurs d'ondes ajoutées constituant de nouveaux n#uds, - on répète le procédé en choisissant un nombre m' de longueurs d'ondes initiales, m' étant supérieur à m, et M' paramètres initiaux, M' étant supérieur à M, jusqu'à ce que la précision sur chaque spectre ainsi représenté au mieux soit égale à une précision prédéfinie.  ranging from 1 to m, on the spectrum [, min, tanax], the error Er (#, #), between the measured spectrum and the theoretical spectrum is determined - this error is minimized by varying the position of the values of the unknown indices and / or layer thickness and / or refractive index values at initial wavelengths, and a spectrum is obtained - wavelengths are added at initial wavelengths 1 ... #m, the added wavelengths constituting new nodes, - the process is repeated by choosing a number m 'of initial wavelengths, m' being greater than m, and M 'initial parameters , M 'being greater than M, until the accuracy on each spectrum thus represented at best is equal to a predefined precision.
Figure img00280001
Figure img00280001
sur un nombre de points supérieur au nombre m de n#uds, - à l'aide des m longueurs d'ondes initiales, des M paramètres initiaux et de la loi d'interpolation, on met en #uvre le processus d'optimisation suivant : - on détermine un spectre théorique, noté #, en fonction des méthodes de calcul choisies, et de l'indice déduit par interpolation de sa valeur en #i, i  on a number of points greater than the number m of nodes, - using the initial m wavelengths, M initial parameters and the interpolation law, the following optimization process is implemented. : - a theoretical spectrum, denoted #, is determined according to the chosen calculation methods, and the index deduced by interpolation of its value in #i, i
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel m est au moins égal à 2.  2. The method of claim 1, wherein m is at least 2. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel m est égal à 1 et l'on choisit des indices de réfraction initiaux égaux.  The method of claim 1, wherein m is 1 and initial initial refractive indices are selected. <Desc/Clms Page number 29> <Desc / Clms Page number 29> 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau est non absorbant et le nombre M est égal à m, le coefficient d'extinction du matériau étant pris égal à 0.  4. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the material is non-absorbent and the number M is equal to m, the extinction coefficient of the material being taken equal to 0. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel : - M est au moins égal à 2 m, - on choisit en outre une loi d'interpolation pour le coefficient d'extinction du matériau, - pour chaque longueur d'onde initiale #i, 1 # i m, on choisit en outre un coefficient d'extinction initial ki, les longueurs d'ondes initiales étant en outre choisies de manière à pouvoir déterminer par interpolation le coefficient d'extinction pour toute longueur d'onde de l'intervalle [À. min, max], - dans le processus d'optimisation, on minimise l'erreur en faisant varier en outre les valeurs des coefficients d'extinction aux longueurs d'ondes initiales et les longueurs d'ondes ajoutées sont en outre placées de façon à représenter au mieux le spectre du coefficient d'extinction du matériau.  5. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein: - M is at least equal to 2 m, - one further chooses an interpolation law for the extinction coefficient of the material, - for each length initial wavelength # i, 1 # im, an initial extinction coefficient ki is also chosen, the initial wavelengths being furthermore chosen so as to be able to determine by interpolation the extinction coefficient for any length of wavelength. interval wave [A. min, max], - in the optimization process, the error is minimized by additionally varying the values of the extinction coefficients at the initial wavelengths and the added wavelengths are furthermore placed so as to best represent the spectrum of the extinction coefficient of the material. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel m est égal à 1 et l'on choisit des indices de réfraction initiaux égaux et des coefficients d'extinction initiaux égaux.  The method of claim 5, wherein m is 1 and initial initial refractive indices and initial initial extinction coefficients are selected. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de matériau est mince, c'est-à-dire a une épaisseur inférieure à la longueur de cohérence de la lumière utilisée pour les mesures, on choisit un paramètre initial supplémentaire, à savoir une épaisseur initiale de  The method of any one of claims 1 to 6, wherein the material layer is thin, i.e., less than the coherence length of the light used for the measurements, a additional initial parameter, namely an initial thickness of <Desc/Clms Page number 30><Desc / Clms Page number 30> couche, et dans le processus d'optimisation on minimise l'erreur en faisant en outre varier la valeur de l'épaisseur de couche.  layer, and in the optimization process the error is minimized by further varying the value of the layer thickness. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de matériau est épaisse, c' est-à-dire n'est pas mince, et M est au plus égal à 2 m.  The method of any one of claims 1 to 6, wherein the material layer is thick, i.e. is not thin, and M is at most 2 m. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'épaisseur de la couche de matériau est connue avec une précision prédéfinie et M est au plus égal à 2 m.  9. Method according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of the material layer is known with a predefined precision and M is at most equal to 2 m. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque loi d'interpolation est choisie parmi les lois d'interpolation linéaires, les lois d'interpolation cubiques, les lois d'interpolation polynômiales et les lois d'interpolation de type fonction spline.  The method of any one of claims 1 to 9, wherein each interpolation law is selected from linear interpolation laws, cubic interpolation laws, polynomial interpolation laws, and interpolation laws. Spline function type. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 , dans lequel la répartition des n#uds est homogène. 11. The method of any one of claims 1 to 10, wherein the distribution of nodes is homogeneous.
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