Brevet FR2534933A1 — publié le 19840427

B 4752 F 2534933 EC/jl OCT 83 Cellule d'évaporation par effusion pour des installations de métallisation sous vide. L'invention concerne une cellule d'évaporation par effusion pour des installations de métallisation sous vide se présentant sous la forme d'un récipient sensiblement fermé pour la substance devant être évaporée, qui peut être chauffé et qui comporte une partie de paroi comprenant au moins une ouverture pour la sortie des vapeurs. On connait des sources d'évaporation comportant des obturateurs dit totaux, c'est-à-dire des diaphragmes mobiles disposés au-dessus de l'ouverture de la source d'évaporation, à l'aide desquels la source d'évaporation peut être ouverte ou fermée assez brusquement Jusqu'ici comme sources d'évapo- ration on utilisait presque exclusivement des creusets dits d'évaporation Dans le cas de tels creusets d'évaporation, on attache de l'importance à une surface importante pour obtenir des débits d'éva- poration élevés Cependant la plupart des substances ont tendance à faire des'projections lors de la fusion dans le creuset d'évaporation Ces projections peuvent être interceptées par un ou plusieurs couvercles disposés au-dessus du creuset d'évaporation et munis- d'ouvertures de façon appropriée (brevet FR 1 451 345). On connait également des sources d'évaporation se présentant sous la forme de récipients fermés, avec des ajutages dont la largeur peut être réglée (brevet DE 742 257). On utilise de plus en plus des sources d'évapo- ration dont la constitution et le mode de fonctionnement sont décrits de façon fondamentale dans l'article "The thermal décomposition of sodium carbonate by the effusion method" de K Motzfeldt dans "J Phys Chem " Vol 59 ( 1955), p 139 à 147, et l'article "A high B 752 F 234973 s C/jl OCT 83 2 - temperature high purity source for metal beam epitaxy" de R F D Farrow et G M Williams dans "Thin Solid Films" Vol 55 ( 1978), p 303 à 315. Cette évaporation à partir de cellules d'effusion se caractérise par une faible surface d'évaporation effective et un profil de température homogène de la substance devant être évaporée Les creusets de cellules d'effusion peuvent être munis, sur le bord supérieur, de chapeaux qui disposent d'un trou central plus ou moins grand De ce fait, on peut effectuer une présélection pour la valeur du débit de vapeurs De telles sources d'évaporation modifiées sont connues d'après la fiche technique no 10 005 278 de la firme Vacuum Generators En chauffant le chapeau muni d'un trou central, on peut en outre agir sur l'état moléculaire dans lequel la substance est évaporée Un tel effet est connu d'après "The effect of arsenic vapour species on electrical and optical properties of Ga As grown by molecular beam epitaxy" de H Kunzel, J Knecht, H Jung, K W Unstel et K Ploog dans "Appl Phys A", Vol 28 ( 1982), p 167 à 173. Il est en outre connu, d'après "Angular distribution of molecular beams from modified Kundsen cells for molecular beam epitaxy" de L Y L Shen dans "Journal of Vacuum Science and Technology", Vol 15 ( 1978), p 10 à 12, qu'on peut agir sur la répartition géométrique des lobes de vapeur à l'aide de chapeaux de creuset comportant plusieurs perçages s'étendant parallèlement. Par cellules d'effusion dans le sens de cette description, on doit entendre des cellules d'évaporation se présentant sous la forme de récipients fermés qui comportent une ouverture de sortie de vapeur dont la grosseur n'a pratiquement aucune influence sur l'équilibre thermique de la B 4752 F 2534933 EC/jl OCT 83 -3 cellule. Pour des applications de cellules d'effusion pour l'épitaxie à rayon moléculaire (MBE), se sont en outre révélées avantageuses, des géométries spéciales de cellules d'effusion qui sont décrites dans "On the use of "downwardlooking" sources in MBE systems" de D M Collins dans "Journal of Vacuum Science and Technology", Vol 20 ( 1982), p 250 à 251, et "A simple source cell design for MBE" de R A Kubiak, P. Driscoll et E H C Parker dans "Journal of Vacuum Science and Technology", Vol 20 ( 1982), p 252 à 253. Dans le cas de sources de vapeurs de la technique d'évaporation sous vide, le débit de vapeurs doit pouvoir être réglé et maintenu constant de manière qu'il corresponde aux conditions préalables du processus de dép 6 t-de couches devant justement être effectué Cependant, le réglage du débit d'éva poration au moyen de la puissance de chauffage appliquée au dispositif d'évaporation conduit à des constantes de temps de 10 à 60 s. En raison de cette grande inertie thermique du dispositif d'évaporation, des fluctuations thermiques, dues à des variations de la puissance de chauffage et à des variations des conditions environnantes (par exemple débit d'agent de refroidissement), ne peuvent pas être compensées suffisamment rapidement et par conséquent les débits de vapeurs ne peuvent être maintenus de façon suffisamment précise. L'inconvénient de l'inertie thermique se rend perceptible de façon particulièrement gênante lors du dépôt de couches à partir de mélanges de substances, lorsque les composants individuels sont évaporés à partir de deux cellules d'évaporation ou plus. Lorsqu'en plus, la composition de la couche doit varier perpendiculairement par rapport à la surface de la B 4752 F EC/jl OCT 83 -i 4- coche suivant un programme prédéterminé, par exemple pls Sfabriquer des profils dit de dopage ou des jonctions hétérogènes dans la technologie des semi- conducteurs, le rapport du mélange ne peut donc pas, par conséquent, être modifié suffisamment rapidement. A vrai dire, comme mentionné ci-dessus, on connait déjà des dispositifs dans lesquels la grandeur de l'ouverture de sortie et par conséquent la délivrance de vapeurs à partir d'un ajutage peuvent être réglées mécaniquement au moyen d'un tiroir. Malheureusement, il s'est cependant avéré en pratique que des tiroirs simples peuvent facilement être collés et par conséquent bloqués par suite de la condensation du matériau évaporé En outre, notamment dans le cas de petites ouvertures de sortie de vapeurs, il existe le problème que l'ouverture varie d'une façon qui ne peut pas être calculée à l'avance par suite du dép 8 t de condensat sur les bords du tiroir et que de ce fait la caractéristique de réglage souhaitée est fortement perturbée. La présente invention se propose de fournir une nouvelle source d'évaporation avec un débit de vapeurs réglable pour des installations de métallisation sous vide, qui présente une constante de temps plus faible et une meilleure caractéristique de réglage et qui convient par conséquent également pour une commande plus rapide ou pour l'utilisation en liaison avec des dispositifs pour l'évaporation commandée par calcu- lateur dans des installations d'évaporation automatiques L'invention se propose en outre d'indiquer des matériaux de construction pour une cellule d'évaporation par effusion qui se sont révélés particulièrement appropriés Ce problème est résolu suivant l'invention, dans une cellule d'évaporation par effusion du type indiqué en tête du présent mémoire, B 4752 F EC/jl OCT 83 _ 5 grâce au fait qu'à ladite partie de paroi est associé un tiroir, pouvant être chauffé pour le réglage du débit de vapeurs. L'invention part des considérations suivantes dans le cas d'une cellule d'évaporation par effusion, le flux de particules F à une distance r du centre de l'ouverture de la cellule est donné par F P(T)-A |Particules cmrV 2 S mk T Lm 2 s P(T) étant la pression de-vapeur de saturation au- dessus de -la substance devant être évaporée, A la surface de l'ouverture de sortie, m la masse des particules et T la température de la substance devant être évaporée P(T) peut être déterminée avec une bonne approximation d'après l'équation de Clausius- Clapeyron P(T) = P e R-T Po étant une constante, t H l'enthalpie d'évaporation et R la constante des gaz. Dans le cas de la méthode thermique habituelle pour la commande du débit de vapeurs, A est constant et le flux de particules F est commandé au moyen de la température comme suit a T F =C e avec P -A P Ob A et EH C = a- r 2 r mk R B 752 F 253493 EC/jl OCT 83 -6- Grâce au maintien de la température T sur une valeur fixe et à la variation de la surface de sortie, on obtient une relation nettement plus simple F = D A avec D= P(T) rr 2 \ 2 m Irk T Grâce au choix approprié de la forme de la surface de sortie A, on peut obtenir des carac- téristiques de réglage arbitraires, par exemple une relation linéaire entre F et A dans le cas o la surface de sortie présente la géométrie d'une fente, de sorte que F est proportionnel au déplacement linéaire L'inertie de la caractéristique de réglage n'est plus déterminée que par la constante de temps du mouvement du tiroir (typiquement de vapeurs est possible au moyen d'un tiroir mobile. Même dans le cas des températures d'évaporation élevées de souvent plus de 10000 C, on est assuré d'un réglage reproductible de ce débit. Ce qui était à craindre était une déformation non contrôlée, qui ne peut pas être commandée, du système de diaphragmes, ce qui pouvait conduire à des variations imprévues de la carac- téristique de réglage En outre, comme on l'a dit, un collage de la partie mobile du système de diaphragmes avec la partie fixe était probable De plus, ce qui était à craindre était que le tiroir ne puisse plus fermer de façon suffisamment étanche la source de vapeurs. B 4752 F 2534923 EC/jil OCT 83 7 - La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés-à titre d'exemple et représentés a V'dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe verticale du dispositif; la figure 2 est une vue en plan sans le boîtier 24 pouvant être refroidi; la figure 3 représente un mode de réalisation en plusieurs parties du tiro ir et de-la partie de paroi pouvant être chauffée; et la figure 4 représente un tiroir tournant comportant des fentes radiales. Sur les figures, la référence 1 désigne un creuset d'évaporation, par exemple constitué par un oxyde ou un nitrure la référence 2, le matériau devant être évaporé qui se trouve dans le creuset;, la référence 3, les diaphragmes fermant l'ouverture du creuset de manière à former un récipient d'évaporation sensiblement fermé, en coopération avec le creuset la référence 4, un second diaphragme pouvant être déplacé, se trouvant entre les deux, avec des ouvertures correspondantes pour le passage des vapeurs la référence 5, un fil hélicoïdal de chauffage électrique pour chauffer le creuset 1; la référence 6, les bornes de raccordement pour l'amenée du courant de chauffage au fil hélicoïdal 5; - les références 7 et 8, les amenées du courant de chauffage au fil hélicoïdal de chauffage 5; les références 9 et 10, les supports pour les amenées 7 et 8; B 4752 F 2534933 EC/jl OCT 83 -8- "a référence 11, un bottier extérieur pouvant être refroidi au moyen d'un agent qui circule; la référence 12, les supports des diaphragmes fixes 3,qui servent simultanément de conducteurs d'amenée de courant aux deux extrémités de ceux-ci; la référence 13, un isolateur, constitué par exemple par le matériau du creuset, sur lequel se trouvent les diaphragmes 3 la référence 14, la fixation du diaphragme 4 pouvant être déplacé; la référence 15, un palier à glissement pour le montage mobile du diaphragme 4; la référence 16, un ressort de pression qui évite des imprécisions lors du réglage du tiroir la référence 17, des écrans vis-à- vis du rayonnement et de forme cylindrique, par exemple en molybdène ou en tantale la référence 18, un écran vis-à-vis du rayonnement qui se présente sous la forme d'un disque; la référence 19, des isolateurs entre la fixation 14 et le diaphragme mobile 4 la référence 20, des isolateurs entre les supports 9 et 10 et le boîtier 11; la référence 21, un isolateur comportant un perçage axial pour l'introduction d'un thermocouple 23; la référence 22, le support du thermocouple 23 la référence 23, le thermocouple mentionné; et la référence 24 un bottier pouvant être refroidi au moyen d'un agent qui circule et muni d'une pièce d'insertion en forme d'entonnoir. Lors du fonctionnement, le creuset est chauffé par le fil hélicoïdal de chauffage 5 et se trouve à une température suffisante pour l'évaporation ( 12000 C B 4752 F 2534973 EC/jl OCT 83 -9 _ pour l'évaporation d'aluminium) La substance 2 devant tre évaporée se trouvant dans le creuset 1 produit dans le récipient sensiblement fermé, formé par le creuset et le système de paroi en plusieurs parties, ulne pression de vapeur en correspondance avec la température de la masse fondue Les vapeurs traversent les ouvertures des deux diaphragmes fixes 3 et celles du diaphragme mobile 4 qui se trouve entre les deux et sortent en-proportion de la grandeur des ouvertures de sortie de vapeurs qui résulte de la position mutuelle des diaphragmes Par déplacement correspondant du diaphragme central 4, représentant le tiroir dans le sens de la revendication, les ouvertures de sortie peuvent d'une part être complètement fermées, d'autre part ouvertes au maximum, et on peut régler n'importe quelle valeur intermédiaire L'agencement mutuel de la partie de paroi pouvant être chauffée (diaphragme 3) et du tiroir (diaphragme 4) est représenté en détail sur la figure 3 L'entraînement du tiroir mobile peut avoir lieu, au moyen d'une traversée étanche au vide correspondante, soit manuellement, soit à l'aide d'un dispositif de déplacement mécanique automatisé (servo-moteur, moteur pas-à-pas, etc) Le réglage du débit de vapeurs peut se dérouler en correspondance avec un programme d'évaporation prédéterminé; le dispositif décrit peut être inséré dans un circuit de régulation. Sur la figure 2 on peut encore voir en détail la façon dont peut être chauffé le tiroir, à savoir dans le cas le plus simple grâce au fait que le courant de chauffage est appliqué aux deux côtés opposés des deux diaphragmes fixes La température du système de diaphragmes peut être réglée sur une valeur appropriée pendant l'évaporation par l'intermédiaire de l'intensité du courant de chauffage Par ailleurs, on peut également agir sur la répartition spatiale des -'752 F Z 5349 W 3 EC/jl OCT 83 - urs qui sortent, à l'aide de la température du v soir par rapport à la température du creuset d'évaporation chauffé. L'homme de l'art se rendra compte que non seulement les exemples de réalisation indiqués de parties de paroi munies d'ouvertures et des tiroirs permettent un réglage du débit, mais également que de nombreuses variantes sont envisageables, par exemple la partie de paroi présentant les ouvertures peut également être mobile, c'est-à-dire se présenter sous la forme de tiroirs A la place du tiroir décrit dans les exemples, dont le mouvement est un mouvement de translation pur, on pourrait également utiliser un tiroir tournant dont les ouvertures se présentent par exemple sous la forme de fentes radiales, en correspondance avec la figure 4 On obtient un débit de vapeurs plus ou moins important suivant la mesure dans laquelle les ouvertures de la partie de paroi du récipient correspondant aux fentes radiales sont fermées ou ouvertes. Le réglage du débit suivant l'invention au moyen d'un tiroir mécanique offre des avantages particuliers en liaison avec des dispositifs de régulation, étant donné que sans autres mesures on peut obtenir des constantes de temps égales à des fractions de seconde, alors que lors du réglage du débit à l'aide de la température du dispositif d'évaporation, en raison de son inertie thermique, il faut prendre en compte une constante de temps de 10 S ou plus En liaison avec des dispositifs de mesure pour mesurer le débit, par exemple un spectromètre de masse, on peut obtenir une source de vapeurs chauffée thermiquement qui présente une constance élevée du débit de vapeurs qui n'a pas été atteinte jusqu' ici. Suivant un développement de l'invention, il est B 4752 F 25349 3 EC/jl OCT 83 il - proposé que lesdites parties de paroi et le tiroir soient constitués par du nitrure de bore ou du graphite Il s'est avéré à vrai dire que ces deux matériaux présentent, par rapport à d'autres, une- formation superficielle de germes étonnamment faible pour une condensation ultérieure du matériau évaporé de sorte qu'aucune condensation n'apparaît plus déjà pour une température nettement plus faible que la température d'évaporation Ceci offre l'avantage qu'on peut souvent renoncer à un chauffage supplé- mentaire particulier des parties de paroi et du tiroir, étant donné que l'amenée de chaleur à partir du - creuset suffit. B_ 4 '752 F -2534933 EC/jl OCT 83 _ 12 - REVENDICATIONS 1 Cellule d'évaporation par effusion pour des installations de métallisation sous vide se présentant sous le forme d'un récipient sensiblement fermé pour la substance devant être évaporée, qui peut être chauffé et qui comporte une partie de paroi comprenant au moins une ouverture pour la sortie des vapeurs, caractérisée en ce qu'à ladite paroi ( 3) est associé un tiroir ( 4) pouvant être chauffé pour le réglage du débit de vapeurs. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tiroir ( 4) comporte des ouvertures correspondant aux ouvertures dans ladite partie de paroi ( 3). 3 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tiroir ( 4) se présente sous la forme de l'organe de réglage d'un dispositif pour la commande du débit de vapeurs. 4 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique de réglage du débit est déterminée par la forme des ouvertures. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de paroi comportant les ouvertures peut être chauffée. 6 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de paroi comportant les ouvertures se présente en plusieurs parties. 7 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le tiroir ( 4) est guidé par des parois partielles ( 3) s'appuyant sur lui des deux côtés. 8 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs tiroirs sont associés à la partie de paroi constituée par plusieurs parties. B 4752 F EC/jl 2534933 OCT 83 13 - 9 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tiroir et/ou les parties de :paroi sont constitués par du nitrure de bore. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tiroir et/ou les parties de paroi sont constitués par du graphite.