Brevet FR2493508A1 — publié le 19820507

24935O8 Depuis longtemps on utilise des oscillateurs à cristal pour lé détermination d'épaisseur et la mesure de la vitesse de dépôt (masse déposée par unité de temps) lors du dépôt de couches minces par dépôt par évaporation sous vide. A cet effet, sur un cristal piézoélectrique d'un oscil- lateur commandé par cristal disposé dans l'installation de dépôt est déposée une couche dont la masse fait varier la fréquence du cristal de mesure. La variation de fréquence me- surée peut alors servir de mesure pour l'épaisseur de la cou- che déposée et la variation de fréquence par unité de temps peut servir de façon correspondante de mesure pour la vitesse de dépôt (voir par exemple la demande de brevet allemand pu- bliée sous le No 2 053 154, les brevets américains NO 3 382 842 et 3 541 894, et le brevet français NO 1 389 513). L'utilisation de cette méthode de mesure connue par cristal piézoélectrique suppose, notamment pour la fabrication de systèmes optiques à couches minces, un appareil de mesure sensible et fonctionnant sans parasites pour la fréquence du cristal. Dans les appareils antérieurs la fréquence de l'oscil- lateur de mesure dépendant de la masse déposée sur le cristal de mesure est comparée avec un oscillateur de référence très stable. Récemment, par contre, la fréquence du cristal est sou- vent également déterminée directement par un compteur de fré- quences numérique. La vitesse de dépôt peut être calculée à partir de la variation de fréquence par unité de temps. Une des principales causes de perturbation et des principales sources d'erreur lors du fonctionnement de tels appareils est par expérience la fixation du cristal. On s'en aperçoit souvent du fait qu'après avoir enlevé simplement le cristal de sa fixation et l'avoir remis en placesans que rien n'ait été modifié par ailleursil apparait une variation de fré quence. Pendant le fonctionnement il peut également apparaître des sauts de fréquence brusques qui vraisemblablement sont provoqués par des tensions mécaniques ou thermiques du cristal fixé. De telles perturabations apparaissent notamment dans le cas des fixations connues du cristal dans lesquelles le bord de la plaquette de cristal ronde est pressée par des ressorts contre une surface annulaire, d'appui inégales ou des particules de poussière, qui ont pénétré entre la surface d'appui et le cristal lors de la mise en place, donnant lieu à des perturbations. Pour éliminer ces difficultés. on a déià proposé de maintenir le cristal seulement en deux points de sa périphérie. A cet effet on utilise par exemple deux paires de mâchoires de fixation entre lesquelles est serrée la plaquette de cristal. L'inconvénient de cet agencement réside cependant dans le fait que l'échange souvent nécessaire de la plaquette de cristal est compliqué; pour cela on doit écarter les mâchoires de fi- xation pour enlever la plaquette de cristal et pouvoir en remet- tre une autre. Ceci nécessite une certaine pratique et n'est pas souhaité lors de la fabrication industrielle de couches minces en raison de la perte de temps qui y est liée. Pour obtenir une fixation parfaite du point de vue de la technique de mesure et permettre un échange facile du -ristal on a déjà proposé une solution qui est représentée sur la figure 1 du dessin annexé. Pour une meilleure compré- hension de la présente invention on va tout d'abord décrire brièvement cette solution connue: La figure 1 représente le boîtier en deux parties d'une tête de mesure à cristal piézoélectrique comprenant les deux parties de bottier 1 et 2.La partie2 comporte l'ouverture de diaphragme 3, grâce à quoi lors de l'utilisation dans l'ins- tallation de dépôt de couches (installation d'évaporation ou de pulvérisation cathodique) cette tête de mesure est disposée de manière que l'ouverture de diaphragme soit tournée vers le courant de particules à condenser. La plupart du temps ce cou- rant est dirigé de bas en haut, pour utiliser le cristal piézo- électrique de mesure dans la position représentée (avec son axe longitudinal vertical). La partie 2 comporte à la périphérie de l'ouverture de diaphragme 3 au moins deux surfaces d'appui 4 pour la pla- quette 6 de cristal piézoélectrique, qui sont constituées par des segments annulaires. La partie supérieure (sur la figure 1) de la tête de mesure porte les deux goujons de contact 11 et 12. A cet effet elle comporte une plaque de fixation 13, avec des douilles de guidage isolantes 14 et 15 pour les goujons de contact. Un ressort 16 appuie les goujons 11 et 12 contre les surfaces d'appui, ce qui maintient la plaquette 6 de cristal piézoélectrique dans sa position. Le ressort 16 de son côté est porté par la colonne 17 montée, de façon isolée, sur la plaque de fixation 13, et comportant une barrette de raccorde- ment 18 pour un conducteur électrique 19 qui est guidé vers l'extérieur par la douille de traversée isolante 20 qui tra- verse la plaque de fermeture 21 de la partie 1 de la tête de mesure. Cependant, il est souvent avantageux de loger également les autres parties de l'oscillateur de mesure dans le même boîtier que le cristal piézoélectrique. Le boîtier sert alors simultanément de blindage électrique. Dans ce cas (en plus de la dérivation du signal de mesure) la tension d'alimentation pour l'oscillateur peut également se faire par l'intermédiaire de la douille de traversée 20. L'établissement du contact électrique au niveau des deux revêtements métalliques de la plaquette de cristal piézo- électrique se fait sur la face inférieure par l'intermédiaire des deux surfaces d'appui métalliques 4 qui sont couplées élec- triquement avec la masse du boîtier mise à la terre, et sur la face supérieure par contre par l'intermédiaire des deux goujon! de contact 13 et 14. Habituellement, seule la partie centrale des deux côtés de la plaquette de cristal piézoélectrique est respectivement munie d'un revêtement métallique, et des bandes conductrices métalliques conduisent à des surfaces de contact (par exemple semi-annulaires) se trouvant à la périphérie. Poui assurer la position correcte des parties de boîtier supérieure et inférieure lors de l'assemblage, on peut prévoir sur le bol tier un dispositif de fixation ou d'enclenchement, par exemple la broche 22, qui ne permet la fermeture du boîtier que lors- que ses deux parties se trouvent dans une position déterminée. L'agencement décrit permet d'enlever la plaquette de cristal piézoélectrique de la fixation et de la remettre, sans qu'il apparaisse de variation de fréquence notable. On n'a pas non plus observé de perturbations dues à une mauvaise mise en place, à des grains de poussière, à une déformation ou à des phénomènes semblables. Cependant il existe toujours l'inconvé- nient qu'il n'est pas possible d'obtenir un temps de fonction- nement sans interruption plus long, et donc que le cristal piézoélectrique doit être changé fréquemment. La présente invention se propose par conséquent de fournir une fixation de cristal piézoélectrique assurant un fonctionnement aussi sûr que celle décrite ci-dessus, mais se présentant simultanément sous la forme d'un dispositif à cris- taux interchangeables. De ce fait il apparaît le problème que la réglage précis de la position du cristal individuel, devant 4 2493508 être placé exactement dans la position de mesure est dif- ficile. En effet, pour chaque mesure exactement le même secteur de la surface d'un cristal doit toujours pouvoir être recouvert lorsqu'on souhaite obtenir des résultats de mesure reproductibles. Si par suite d'un positionnement imprécis par rapport au diaphragme, la section recouverte sur la surface du cristal est déplacée lors de mesures suc- cessives, on obtient aussitôt une fréquence propre, légère- ment différente pour un revêtement massique identique par, ailleurs. Des exigences de précision très sévères sont donc posées pour le dispositif destiné à fixer la position angu- laire d'un dispositif tournant servant à changer le cristal piézoélectrique. Un autre problème que souhaite résoudre l'invention est le problème d'une stabilisation suffisante de la tempéra- ture d'un grand nombre de cristaux individuels logés dans une tête de mesure à cristal piézoélectrique. Dans le cas d'un dispositif à cristaux interchangeables, il est difficile de garantir une dissipation de chaleur restant toujours identique en provenance du cristal se trouvant dans la position de mesure et par conséquent de veiller à ce que tous les cristaux aient la même température lors de la mesure; d'autre part des tem- pératures différentes se traduisent par des différences de la fréquence propre des cristaux et par conséquent des erreurs de mesure. Dans une tête de mesure à cristal piézoélectrique pour des installations de dépôt sous vide, destinée à déter- miner la masse de la-couche déposée sur un cristal piézoélec- trique lors du dépôt de couches minces et modifiant sa fréquen- ce, et comportant un bottier, un support, disposé-dans ce boî- tier, pour au moins un cristal piézoélectrique et comportant des conducteurs électriques d'amenée de courant du dispositif de fixation du cristal piézoélectrique, ainsi qu'un diaphra- gme couplé rigidement au boîtier et comprenant une ouverture pour pouvoir exposer pendant la mesure un côté de la plaquette de cristal piézoélectriqueau courant de vapeur à mesurer, ces problèmes sont résolus suivant l'invention grâce au fait que le support peut tourner et est muni de dispositifs de fixation pour plusieurs cristaux piésoélectriques, et qu'aux cristaux individuels sont associés d'autres diaphragmes, pouvant être entraînés en même temps, qui déterminent le secteur de sur- face de chaque cristal devant être recouvert et qu'au moins le diaphragme du cristal piézoélectrique se trouvant respec- tivement dans la position de mesure peut être appuyé de façon conductrice du point de vue thermique, contre le diaphragme couplé au boîtier. Grâce à la possibilité ainsi créée d'échanger le cristal participant à la mesure,d'une Part sans que l'instal- lation de dépôt soit ouverte et que le processus de fabrica- tion doive être interrompu et à la garantie simultanée dé l'évacuation de la chaleur provenant des cristaux au niveau du boîtier d'autre part, on obtient un temps de mesure sans interruption nettement plus long. En pratique celui-ci, qui est déterminé par la somme des masses des couches pouvant être déposées sur les cristaux individuels, est donc plusieurs fois plus important. Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, les ouvertures de diaphragme associées aux cris- taux individuels sont prévues dans une plaque tournante com- mune servant de diaphragme multiple, qui peut être déplacée suivant la direction axiale et qui est agencée de manière à pouvoir être appuyée contre le diaphragme solidaire du boîtier par exemple au moyen d'un ressort. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation particulie donné à titre d'exemple et représenté au dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente une tête de mesure connue pour un cristal piézoélectrique individuel comportant simple- ment un diaphragme (solidaire du boîtier); et la figure 2 représente une tête de mesure suivant l'invention se présentant sous la forme d'un dispositif à plusieurs cristaux interchangeables, comportant une plaque de diaphragme supplémentaire entraînée en même temps que le sup- port des cristaux et comprenant des ouvertures de diaphragme pour chaque cristal individuel. Sur la figure 2 on n'a représenté que la partie in- férieure d'une tête de mesure à cristal piézoélectrique et les éléments ayant une fonction analogue à celle des éléments de la figure 1 sont désignés par la même référence. Le mode de réalisation del'invention représenté sur la figure 2 se diffé- *6 2493508 rencie cependant de celui de la figure l par les points suivants: Dans le boîtier 2 de la tête de mesure est dis- posé un arbre 31 dont l'extrémité inférieure est couplée ri- gidement avec la plaque de fixation 13 pour plusieurs cris- taux 6, de sorte que lors de la rotation de l'arbre 31, la plaque se fixation est entraînée en rotation en même temps. Pour l'établissement du contact entre les cristaux 6 et les conduczeurs d'amenée de tension électriques nécessaires, comme dans le Cas connu de la figure 1, on prévoit des broches de contact il et 12 qui sont guidées dans des douilles de guida- ge isolantes 14, les broches de contact du cristal se trouvant respectivement exactement dans la position de mesure étant ap- puyées contre le cristal concerné par un ressort 16. L'amenée de tension aux broches de contact 11 et 12 se fait par l'in- termédiaire du conducteur d'amenée 19 qui est fixé sur la pla- que 34 fixée sur le boîtier au moyen d'une douille isolante 33. Lorsque la plaque de fixation 13 tourne, les goujons de contact l1 et 12 du cristal suivant 6 viennent se placer sous le ressort 16. Le second contact nécessaire pour la mesu- re est établi par les surfaces d'appui 4 du cristal, c'est-à- dire par l'intermédiaire de la masse du boîtier conducteur du point de vue électrique. Ces surfaces d'appui se trouvent du côté des diaphragmes 35 qui est tourné vers les cristaux ces diaphragmes se présentant dans le cas le plus simple, com- me représenté sur la figure 2, sous la forme d'une plaque de diaphragme unique comportant un nombre correspondant d'ouver- tures de diaphragme. Avec la plaque de diaphragme 35 coopère la plaque de diaphragme 3 solidaire du boîtier qui comporte une seule ouverture de diaphragme pour le cristal qui se trou- ve juste dans la position de mesure. Pour pouvoir appuyer la plaque de diaphragme 35 contre ce dernier de façon conductrice du point de vue thermique-, dans le cas le plus simple on pré- voit un ressort 36. Dans le cas d'une position d'utilisation verticale de la tête de mesure, le poids de la plaque de fixa- tion et des diaphragmes qui sont entraînés avec peut déjà d'autre part suffirepour obtenir une force d'appui correspon- dante. Pour une meilleure dissipation de la chaleur, le boî- tier 2 ou la plaque de diaphragme peut en outre encore être muni de dispositifs de refroidissement. Pour pouvoir actionner l'arbre 31, qui de son côté peut être fixé dans le boîtier 2 par l'intermédiaire de la douille 37, il peut être sorti à l'extérieur et un moteur d'entraînement pour l'arbre 31 peut être respectivement dis- posé à l'intérieur ou à l'extérieur du bottier de la tête de mesure, et pour fixer l'arbre dans les positions de mesure individuelles on peut prévoir un dispositif d'indexage connu en soi. L'échange du cristal est particulièrement simple dans le dispositif de la figure 2. Il suffit simplement de défaire la plaque de diaphragme 3 du boîtier et d'enlever alors la plaque de fixation 13 en même temps que la plaque de diaphra- gme 35 et les cristaux 6, d'y replacer des cristaux encore nor recouverts d'une couche de dépôt, puis de la remettre en pla- ce dans le bottier avec la plaque de diaphragme 35, à l'encon- tre de la force du ressort 36, et de fixer de nouveau la plaqu de diaphragme 3 sur le boîtier. REVENDICATIONS 1. Tête de mesure (2) à cristal piézoélectrique pour des installations de dépôt sous vide, destinée à dé- terminer la masse de -la couche déposée sur un cristal pié- zoélectrique lors du dépôt de couches minces et modifiant sa fréquence, et comportant un boîtier, un support (13), disposé dans ce boîtier, pour au moins un cristal piézoé- lectrique (6) et comportant des conducteurs électriques d'amenée de courant au dispositif de fixation du cristal piézoélectrique, ainsi qu'un diaphragme (3) couplé rigide- ment au boîtier et comprenant une ouverture pour pouvoir exposer pendant la mesure un côté de la plaquette de cristal piézoélectrique au courant de vapeur à mesurer, caractérisée en ce que le support (13) peut tourner et est muni de dis- positifs de fixation pour plusieurs cristaux piézoélectriques, et qu'aux cristaux individuels (6) sont associés d'autres diaphragmes (35) pouvant être entraînés en même temps, qui déterminent le secteur de surface de chaque cristal devant être recouvert et qu'au moins le diaphragme de vue thermique, contre le diaphragme couplé au boîtier. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les ouvertures de diaphragme associées aux cristaux individuels sont formées dans une plaque de diaphra- gme tournante commune. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que la plaque tournante peut être déplacée suivant la direction axiale et est agencée de façon à pouvoir être appuyée par un ressort contre le diaphragme fixé sur le bol- tier. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le boîtier est couplé avec un dispositif de refroidissement.