Nouvel interféromètre différentiel à balayage angulaire : A la hauteur de l'avenir de l'industrie des semi-conducteurs

Souvent, les mesures ultrasensibles ne sont pas effectuées dans des conditions de laboratoire idéales, mais dans un environnement industriel, elles sont exposées à des influences environnementales perturbatrices qui faussent rapidement les résultats. C'est pourquoi le fabricant allemand SIOS Messtechnik GmbH développe des interféromètres différentiels de haute précision dotés de propriétés thermiques et physiques ultra-stables pour des applications telles que celles-ci : Les variations de paramètres tels que la température, la pression et l'humidité de l'air n'affectent pas la très grande précision de mesure, même sur de longues périodes. Le nouvel interféromètre différentiel à déplacement et angle, unique en son genre jusqu'à présent, allie ainsi les avantages des interféromètres différentiels à ceux des interféromètres à trois faisceaux, qui ont fait leurs preuves, et permet pour la première fois de saisir plusieurs degrés de liberté de manière à la fois stable à long terme et synchrone.

Tolérances de l'ordre du nanomètre au picomètre

"La technologie d'affichage high-tech, dans laquelle un écran dispose de plusieurs millions de pixels, illustre de manière exemplaire les défis actuels de la métrologie industrielle et de l'industrie des semi-conducteurs", explique le Dr Denis Dontsov, directeur de SIOS Messtechnik. "L'exigence en matière de précision de positionnement lors de ce que l'on appelle le stitching, c'est-à-dire la juxtaposition des différentes structures au cours du processus de fabrication, est d'environ 45 nm par mètre. Cet ordre de grandeur est comparable à l'alignement parfait des noyaux de cerises sur la surface totale de la Thuringe (un peu plus de 16 200 km2, ndlr)". La fabrication de semi-conducteurs doit faire face à la même problématique : Plus les puces deviennent compactes et performantes, plus les exigences de précision de la photolithographie, étape centrale de la fabrication, augmentent. Mais les mesures de l'indice de réfraction dans l'industrie optique et les mesures de dilatation des matériaux exigent également des résultats de plus en plus précis et n'autorisent plus que des tolérances de l'ordre du nanomètre, voire du picomètre.

Parallèlement, la complexité des différentes tâches de mesure augmente, comme par exemple les régulations de position des tables x-y, la saisie des dilatations thermiques des matériaux, les études du comportement de fluage et de dérive des objets, les mesures d'indice de réfraction ainsi que les mesures de longueurs et d'angles de haute précision. Le problème est que toutes ces mesures sont effectuées dans des environnements de production qui ne peuvent pas offrir des conditions de laboratoire optimales. La technique utilisée doit donc pouvoir compenser les influences environnementales fluctuantes telles que la température, la pression et l'humidité de l'air, sans fausser ses résultats, afin de permettre également une répétabilité stable des mesures multiples. À cette fin, SIOS utilise des interféromètres différentiels de haute précision qui atteignent une stabilité 25 fois supérieure à celle des systèmes de mesure comparables.

Exigences de positionnement x-y maîtrisées

La demande croissante de solutions adaptées, en particulier pour le positionnement x-y, a toutefois mis au défi le savoir-faire des spécialistes en technique de mesure de SIOS. Ainsi, des mesures stables à long terme de plusieurs degrés de liberté devaient être possibles simultanément sur de grandes distances. Pour y parvenir, ils ont combiné leur interféromètre à trois faisceaux de haute précision SP 5000 TR, conçu pour des mesures simultanées de déplacement et d'angle, avec l'interféromètre différentiel SP 5000 DI afin de profiter de sa stabilité à long terme. Avec l'interféromètre différentiel SP 5000 TR-DI, SIOS a ainsi développé le seul système au monde qui mesure le déplacement et l'angle de manière hautement synchrone à l'aide de deux fois trois faisceaux laser et - grâce à la compensation des facteurs environnementaux - de manière ultra-stable. "Le nouveau SP 5000 TR-DI est désormais capable de détecter non seulement les mouvements les plus infimes, mais aussi les inclinaisons les plus petites sur des zones plus étendues, sans que les résultats soient soumis aux influences thermiques et physiques de l'environnement", explique le Dr Dontsov.

Les interféromètres différentiels de déplacement et d'angle, à la fois ultra-stables et rapides, disposent en outre d'un faisceau de référence pour chacun des trois faisceaux de mesure. "Les six faisceaux laser au total sortent en parallèle de la tête du capteur et rencontrent un réflecteur flexible et un réflecteur statique. De cette manière, une grande partie de la distance entre l'interféromètre et le lieu de mesure peut être compensée optiquement. La mesure proprement dite se concentre sur la différence de longueur entre les faisceaux de mesure et de référence, de sorte que les influences environnementales susceptibles d'affecter le résultat ne peuvent agir que sur cette petite zone de mesure. Grâce à la construction hautement symétrique de la tête du capteur, il est donc possible de placer le capteur à une plus grande distance de l'objet à mesurer sans devoir s'accommoder de distorsions du résultat. De plus, tous les interféromètres différentiels sont équipés de capteurs stables à long terme qui disposent d'une sensibilité à la température de <20 nm/K. La mesure de la température de l'air et de l'humidité de l'air est ainsi plus facile à réaliser.

Des interféromètres différentiels parfaitement adaptés à de multiples tâches de mesure

Pour les structures de mesure plus complexes et multiaxiales, il est possible de combiner plusieurs interféromètres différentiels et de les utiliser avec une seule unité de commande. Grâce aux aides optiques intégrées, l'alignement correct du dispositif de mesure s'effectue rapidement et facilement, même sur plusieurs mètres et axes. Grâce au principe modulaire, dans lequel les différents composants et modèles sont compatibles entre eux, SIOS peut généralement réagir de manière flexible aux tâches de mesure individuelles et adapter en peu de temps les optiques, le matériel ou les interfaces à l'application spécifique. "Il ne s'agit pas toujours de solutions isolées : Comme le nouvel interféromètre de déplacement angulaire SP 5000 TR-DI, une grande partie de notre gamme de produits a été créée sur la base de demandes individuelles de clients", résume le Dr Dontsov. n