Brevet FR2602520A1 — publié le 19880212

La présente invention concerne un ensemble formant source de vapeur chaufféepar un faisceau d'électrons et destiné à être utilisé dans le domaine de la vaporisation de matériaux sous vide poussé et notamment dans le domaine du dé5 pôt de revêtements formés de couches multiples sur des substrats. Les sources de vapeur chauffées par des faisceaux d'électrons sont fréquemment utilisées dans les systèmes d'enduction sous vide. Une telle source de vapeur est décrite 10 dans le brevet US N 3 710 072 délivré à Robert L. Schrader et à Kazumi N. Tsujimoto. Cette source de vapeur comprenait un seul creuset, un seul canon à électrons et des moyens magnétiques servant à faire dévier le faisceau d'électrons sur une trajectoire courbe depuis le canon à électrons jusqu'au 15 creuset. Les moyens de déviation magnétique comportaient deux plaques parallèles étendues réalisées en un matériau magnétique et qui étaient disposées sur des côtés opposés du canon à électrons et s'étendaient sur des côtés opposés du creuset. Les plaques étaient polarisées moyennant leur interconnexion 20 à un seul aimant permanent au voisinage de leurs extrémités qui étaient les plus éloignées du canon à électrons. Le faisceau d'électrons était dévié par le champ magnétique produit entre les pièces polaires. Trois bobines électromagnétiques étaient disposées de manière à former une structure en forme 25 générale de U afin de permettre un balayage du faisceau en travers du creuset. Cette source de vapeur antérieure comportait également une paire de petites plaques, dontl'une était boulonnée au côté supérieur de chaque grande plaque polaire. La petite plaque s'étendait dans l'espace situé entre les grandes plaques 30 polaires et permettait la production d'un faisceau possédant une section transversale étroite, lorsque le faisceau pénétrait dans le creuset. La description de ce brevet US 3 710 072 est incorporée ici en référence. Le brevet US N 3 483 417 décrit une autre sour35 ce de dépôt en phase vapeur, chauffée par un faisceau d'élec- trons et dans lequel le faisceau est dévié par deux grandes plaques parallèles. Ce brevet décrit des tiges polaires interchangeables, qui sont vissées dans des trous ménagés dans les grandes plaques. Les filetages permettent un réglage de la dis5 tance, sur laquelle les tiges polaires pénètrent dans l'espace situé entre les plaques polaires. On connaît également des sources de vapeur chauffées par un faisceau d'électrons et possédant une pluralité de creusets permettant de vaporiser différents matériaux. Une 10 telle source est la source à quatre foyers modèle STIH-2701, vendue par la filiale dite Temescal de la société déposant la présente demande. Cette source comporte un ensemble de foyers, qui incluent quatre compartiments séparés pour le matériau devant être évaporé et des moyens pour faire tourner l'en15 semble autour d'un axe de sorte que chaque compartiment peut être placé dans la trajectoire du faisceau d'électrons. La présente invention concerne une source de vapeut destinée à fonctionner sous vide. Cette source comporte un canon à électrons et un foyer ou creuset con20 tenant un matériau devant être vaporisé par évaporation, sublimation ou un autre processus. La source de vapeur comporte un aimant et une paire de plaques polaires parallèles servant à faire dévier le faisceau délivré par le canon et dirigé sur le creuset. La présente invention concerne notamment une sour25 ce de vapeur, dans laquelle le faisceau est dévié sur un angle se situant dans la gamme comprise entre environ 240 et environ 300 entre le canon et le creuset. Une tige polaire s'étend à partir de chacune des plaques polaires, dans l'espace enserré par ces pièces polaires. Des moyens sont prévus de manière à permettre le réglage pré30 cis de la distance séparant les tiges polaires, tandis que la source de vapeur est placée sous vide. Ce réglage permet d'optimiser la surface d'impact du faisceau et ainsi la vitesse de dépôt ou autre paramètre associé à la surface d'impact lorsque la source de vapeur est en service. De préférence, les moyens de réglage comprennent 35 une crémaillère solidaire de la tige et un pignon qui peut être entraîné par des moyens de commande situés à l'extérieur de 260Z5tO la chambre à vide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure l est une vue en plan d'un ensemble formant source de vapeur conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'ensemble formant source de vapeur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan d'un ensemble 10 de tige polaire réglable conforme à la présente invention; - la figure 4 est une vue en élévation latérale de l'ensemble de tige polaire de la figure 3; - la figure 5 est un schéma d'un système de commande servant à faire fonctionner l'ensemble formant source 15 de vapeur conforme à la présente invention; et - la figure 6 est un graphique représentant la variation de la vitesse de dépôt en fonction du déplacement des tiges polaires pour une forme de réalisation de l'invention. Une forme de réalisation de la présente invention est illustrée sur les figures 1-5. Cette source de vapeur 10 comporte un ensemble à foyers 30, un canon à électrons 50 et des moyens magnétiques servant à faire dévier le faisceau d'électrons dirigé du canon vers le foyer.Les moyensde dévia25 tion magnétique comprennent des moyens primaires de déviation , un ensemble électromagnétique de balayage 70, une paire d'ensembles de tiges polaires réglable 80 et des moyens pour régler l'extension des tiges polaires. La structure de support prévue pour la source 30 de vapeur 10 comporte une plaque de base 11, une plaque supérieure 20 et une paire de pièces polaires 61, 62. La plaque inférieure 11 est une plaque rectangulaire réalisée en un matériau amagnétique, de préférence de l'acier inoxydable, qui s'étend entre les deux plaques polaires. La plaque inférieure 35 est supportée par une plaque de base 12 qui peut être la paroi de la chambre à vide. La plaque inférieure 11 et la plaque de base 12 sont séparées par des entretoises 13 maintenues en place par des boulons 14. La plaque supérieure 20 est également une pla5 que rectangulaire réalisée en un matériau amagnétique, de préférence du cuivre, qui s'étend entre les bords supérieurs des plaques polaires parallèles 61,62. La plaque supérieure possède une ouverture de forme générale rectangulaire 21 permettant au faisceau d'électrons de traverser cette plaque à partir du 10 canon d'électrons situé au-dessous de la plaque supérieure. La plaque supérieure possède une ouverture circulaire 22, par laquelle passe le faisceau qui traverse la plaque supérieure en direction du foyer situé au-dessous de cette dernière. Les ouvertures 21 et 22 sont séparées par un pont 23 qui recouvre le canon d'électrons et le protège vis-à-vis de débris retombants. Afin de rendre maximale l'étendue du pont de protection, l'ouverture rectangulaire 21 comporte une section de paroi oblique 24 et l'ouverture circulaire 22 possède une sec20 tion de paroi tronconique 26. Etant donné que la forme de réalisation préférée est conçue pour fonctionner avec des puissances élevées du faisceau d'électrons, la plaque supérieure 20 est munie de raccords 28 d'entrée et de sortie de l'eau, et d'un passage (non représenté) situé à l'intérieur de la pla25 que 20 pour la circulation de l'eau de refroidissement. On place le matériau devant être vaporisé par évaporation ou sublimation surun foyer situé sur la trajectoire du faisceau d'électrons. Le foyer peut comporter un seul creuset, mais la forme de réalisation préférée comporte quatre 30 creuset 31-34, dont chacun peut être aligné avec l'ouverture supérieure 22 ménagée dans la plaque supérieure. De préférence chaque creuset possède un fond plat circulaire 36 et une section de paroi tronconique 38. Si on le désire, on peut utiliser des dispositifs automatiques d'amenée de fils ou d'autres 35 moyens pour compléter le remplissage de l'alimentation en ma- tériau vaporisable de manière à maintenir le niveau désiré 37 du matériau dans le creuset. Les creusets multiples peuvent être formés à partir d'un bloc de matériau, mais dans la forme de réalisation préférée, on utilise quatre creusets séparés. 5 Ceci permet de sélectionner la composition et les dimensions de chaque creuset conformément à la quantité et aux propriétés physiques et chimiques des matériaux devant être vaporisés. Les quatre creusets sont montés sur un carousel 40, qui comporte une plaque de support 41 montée sur un arbre 10 42 de manière à tourner autour d'un axe 43. De préférence on utilise un élément de traversée ferrofluidique en rotation 45 de manière à permettre au creuset de tourner sous l'action de moyens d'entraînement situés à l'extérieur du système à vide. De préférence l'arbre rotatif 42 est creux et entoure une ca15 nalisation intérieure coaxiale 44 qui permet à l'eau délivrée par un raccord d'entrée 46 de traverser l'intérieur 47 de la canalisation de manière à pénétrer dans des passages intérieurs ménagés dans la plaque de support 41 et dans les creusets 3134 et de revenir par l'intermédiaire d'un passage 48 situé à 20 l'extérieur de la canalisation jusqu'à un raccord 49 de sortie de l'eau. Le canon à électrons classique 50 est monté sur un prolongement de la plaque de base 11. Le canon comporte un filament 51, un dispositif 52 de formation du faisceau et une 25 anode 53 qui est normalement raccordée à la masse. Des extrémités opposées du filament 51 sont raccordées à des bornes électriques 54 et 55, qui peuvent être raccordées aux bornes négatives d'une source classique d'alimentation en énergie pourle faisceau d'électrons. Les moyens primaires 60 de déviation du champ magnétique comprennent une paire de plaques parallèles 61,62 réalisées en un matériau magnétique. Ces plaques sont en contact intime avec des extrémités opposées d'un aimant permanent 63 qui est monté sur la plaque de base 11. Si une intensité 35 de champ magnétique supérieure est requise, on peut installer un second aimant permanent 64. Afin d'accroître l'intensité de champ dans la région du faisceau, on réduit la séparation entre les plaques polaires en prévoyant dans chacune de ces plaques une ouverture 66 à travers laquelle l'ensemble formant foyer 30 peut faire saillie. Il est prévu une paire de plaques de revêtement 68 servant à protéger les creusets saillants de débris retombants. Le trajet du faisceau d'électrons est indiqué par des lignes formées de tirets 58 et 59 sur la figure 2. A 10 partir du canon à électrons, le faisceau est dirigé initialement d'une manière générale horizontalement dans une direction s'écartant du creuset. Le champ magnétique dévie tout d'abord le faisceau sur un angle d'environ 90 de sorte que le faisceau s'étend vers le haut en traversant la plaque supérieure 15 20 au niveau de l'ouverture rectangulaire 21. Le faisceau est ensuite dévié de manière à devenir parallèle à la plaque supérieure, puis est dévié vers le bas de manière à traverser une ouverture circulaire 22 en direction d'une zone 57, au niveau désiré 37 du matériau dans le creuset, aligné au-dessous de 20 cette ouverture. Dans certaines applications, il est souhaitable d'utiliser un faisceau large et diffus, qui possède une surface d'impact qui est plus petite, mais possède approximativement les mêmes dimensions que la surface en coupe transversale 25 du creuset. Dans la forme de réalisation préférée, l'intensité du champ magnétique entre les plaques parallèles 61,62 est choisie de manière à obtenir un faisceau diffus. Dans d'autres applications, il est souhaitable d'utiliser un faisceau plus étroit possédant une surface d'impact plus petite lorsqu'il 30 pénètre dans le creuset. Un tel faisceau plus étroit peut être obtenu au moyen d'un accroissement du champ magnétique dans la région s'étendant le long du trajet du faisceau, de.manière à réaliser une focalisation du faisceau. Afin d'obtenir une telle focalisation, il est 35 prévu, dans la forme de réalisation préférée, deux ensembles de tiges polaires 80 comportant des tiges polaires 81,82.chaque tige traverse un trou de dégagent 85 ménagé dans l'une des plaques polaires et s'étend dans la zone située entre les plaques polaires au voisinage de l'endroit o le faisceau d'électrons passe. 5 Chaque ensemble comporte un corps 83 qui est fixé à une plaque polaire à l'aide de vis 84. Les tiges polaires sont réalisées en un matériau magnétique tel que l'acier. Dans la forme de réalisation préférée, les tiges sont des cylindres circulaires, mais elles pourraient être rectangulaires ou bien peuvent pos10 séder des extrémités coniques ou de forme évasée, qui s'étendent au voisinage du faisceau. Le trou de dégagement 85, que traverse une tige polaire, possède un diamètre seulement légèrement supérieur à celui de la tige afin de fournir un trajet magnétique de faible reluctance depuis la plaque polaire jusqu'à la tige 15 polaire. Pour une tige possédant un diamètre de 0,792 cm, il est préférable d'avoir un trou de dégagemnt dont le diamètre est égal à 0, 820 cm avec un jeu de 0,013 cm. Un trou de dégagement plus grand entraine des déviations erratiques en raison de variations de la surface de contact entre la plaque polaire et la tige polaire. On 20 a observé des déviations erratiques similaires et une tendance au grippage lorsque l'on utilisait une tige filetée et un trou. De préférence les tiges polaires 81 et 82 s'étendent le long d'un axe commun 87. Etant donné que le champ magnétique des plaques polaires parallèles est hétérogène le long du trajet 25 du faisceau d'électrons, c'est l'expérience qui permet de déterminer au mieux la position optimale des tiges polaires. Pour un faisceau délivré par un filament linéaire et dévié sur un angle de 270 dans un plan perpendiculaire au filament, les expériences ont révélé que les tiges polaires doivent être pa30 rallèles au filament, et ce approximativement dans le plan 37 d ' impact du faisceau sur le matériau situé dans le creuset, et à proximité de l'intersection de ce plan avec le plan perpendiculaire passant par le filament. Cette intersection est repérée par une croix 86 sur la figure 2. On a trouvé que cet 35 emplacement était préférable pour que l'axe des tiges polaires s'étende le long du bord supérieur des plaques polaires. La distance entre cette intersection de plans et le centre de la tige polaire est de préférence inférieure approximativement au double du diamètre de la tige polaire. Une distance infé5 rieure environ à un diamètre de la tige est même plus préférable. Si la section transversale de la tige est carrée ou possède une autre forme non circulaire, il faut utiliser une dimension moyenne pour le "diamètre" de la tige. Etant donné que les tiges polaires constituent une lentille magnétique cylin10 drique, leur effet est réduit si leur axe est plus écarté du trajet du faisceau. Les tiges sont soumises à un échauffement, avec un risque éventuel dans le cas o leur axe est trop proche du faisceau. Il est prévu des moyens de réglage pour modi15 fier la distance sur laquelle chaque tige polaire s'étend. Chaque tige est munie d'une crémaillère 88 formée par usinage dans cette tige, et la crémaillère engrène avec un pignon 91. Le pignon est entraîné en rotation par un bout d'arbre 92 qui est monté de manière à tourner dans uncollier 93 dans le corps 83 20 de l'ensemble. Des accouplements classiques d'arbres 94, l'arbre de prolongement 95 et un dispositif ferrofluidique de traversée en rotation 96 monté dans la paroi 97 de la chambre à vide permettent d'actionner la crémaillère et le pignon à partir de l'extérieur du système à vide, soit manuellement, soit 25 à l'aide d'un moteur raccordé aux arbres extérieurs 98 et 99. De préférence, comme cela est représenté sur la figure 5, les deux tiges polaires sont entraînées par des ensembles de pignons 100 et 101 et par un seul moteur électrique 102 raccordé à un boîtier de commande 103, qui entraîne en syn30 chronisme les tiges de commande dans des directions opposées. Sinon les deux tiges polaires peuvent être entraînées par des moteurs électriques individuels branchés électriquement en parallèle. Dans n'importe quelle application de vaporisa35 tion, le diamètre optimal du faisceau dépend d'un certain nom- bre de facteurs et principalement des propriétés physiques du matériau devant être vaporisé, mais également des dimensions et de la composition du creuset contenant le matériau. On détermine aisément expérimentalement l'extension optimale des 5 tiges polaires. Une fois que l'optimum est déterminé, on peut programmer le circuit de commande 103 de manière à régler l'extension appropriée des tiges polaires pour chaque cas. Lorsque l'on doit réaliser l'évaporation de différents matériaux à partir de creusets différents, on peut raccorder un capteur classique 104 de la position en rotation au circuit de commande de manière à obtenir un réglage automatique des tiges polaires lorsque l'on change de creuset. Sinon, si l'on désire obtenir une vitesse de dépôt maximale ou une autre vitesse de dépôt optimale,on peut raccorder un dispositif 106 de contrôle 15 de la vitesse de dépôt au circuit de commande de manière à obtenir une boucle de commande par réaction. Dans certaines applications de vaporisation, il est souhaitable d'utiliser un faisceau d'électrons étroit,possédant une faible surface en coupe transversale lorsqu'il pé20 nètre dans le creuset, et de balayer de façon répétée la surface d'impact sur la zone plus étendue du creuset. La forme de réalisation préférée comporte un dispositif classique 70 de balayage du faisceau comportant trois bobines électromagnétiques 71-73, qui sont réunies de manière à former un ensemble 25 en forme générale de U et sont raccordées à quatre bornes électriques 74, qui peuvent être raccordées à des circuits classiques de balayage X-Y du faisceau. Un écran pare-vapeur 76 protège ces bornes vis-à-vis de débris retombants. La zone d'impact d'un faisceau d'électrons dé30 vié sur 240 à 300 est nettement mieux définie que celle d'un faisceau dévié sur 90 ou 180 . En outre on sait que la vitesse de dépôt de certains matériaux dépend des dimensions de la zone d'impact et que ces dimensions peuvent être modifiées à l'aide des extensions des pièces polaires. Le déposant a dé35 couvert que la vitesse de dépôt d'alliages de l'aluminium avec un canon à électrons avec une déviation de 270 est, de façon surprenante, sensible à la position en extension des pièces polaires. Dans une forme de réalisation préférée d'une source de vapeur selon les figures i et 2, pour laquelle on a une dis5 tance de séparation de 13,208 cm entre les plaques polaires parallèles, on a constaté que le déplacement de chaque tige polaire sur seulement 0,635 cm augmente la vitesse de dépôt de 60 %. Ceci est visible sur la figure 6 qui représente la vitesse mesurée de dépôt d'un alliage d'aluminium avec une éner10 gie de 10 kW du faisceau d'électrons, en fonction de la position des tiges polaires. Sur la figure 6 l'axe horizontal indique la distance entre le point central et l'extrémité la plus proche de chaque tige polaire. Lorsque l'écartement des tiges polaires augmente, la vitesse de dépôt augmente jusqu'à un ma15 ximum, puis diminue. On n'a pas obtenu de données pour des écartements plus importants, étant donné que la zone d'impact du faisceau devenait plus étendue que la surface du creuset. il REVENDICATIONS 1. Ensemble formant source de vapeur destiné à fonctionner sous vide, caractérisé en ce qu'il comporte: - un creuset 31-34 destiné à supporter le maté5 riau devant être vaporisé, - un aimant (63), - une paire de plaques polaires magnétiques parallèles (61,62) en contact avec l'aimant et alignées de telle sorte que le faisceau délivré par le canon à électrons (50) 10 est dévié sur un angle situé dans la gamme compris entre 240 et 300 en direction du creuset, - des tiges polaires (81,82) s'étendant respectivement à partir des plaques polaires (61,62) dans l'espace compris entre ces plaques et disposées de manière à pouvoir 15 modifier la surface en coupe transversale du faisceau lorsque ce dernier frappe le matériau supporté par le creuset, et - des moyens (88,91-92) de réglage des tiges, permettant de régler de façon précise la distance séparant les tiges polaires lorsque la source de vapeur est placée sous vi20 de. 2. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canon à électrons (50), qui produit le faisceau d'électrons, possède un filament linéaire(51)perpendiculaire aux plaques polaires (61,62) et que 25 les tiges polaires (81,82) possèdent un axe commun (87) perpendiculaire aux plaques polaires et situé à une distance inférieure à environ deux fois le diamètre des tiges,par rapport à l'intersection du plan (37) situé au niveau du matériau dans le creuset et un plan perpendiculaire passant par le filament. 30 3. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque tige polaire (81, 82) s'étend à travers un trou de dégagement (85) ménagé dans une plaque polaire. 4. Ensemble formant source de vapeur selon la 35 revendication 3, caractérisé en ce que chaque tige comporte 26025-20 une crémaillère (88) et que les moyens de réglage des tiges comprennent un pignon (91). 5. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des 5 moyens (106,104) servant à mesurer la vitesse de dépôt et à régler l'écartement entre les tiges polaires en fonction de la vitesse de dépôt. 6. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre 10 - une pluralité de creusets (31-34), et - des moyens pour détecter celui des creusets qui se situe dans le trajet du faisceau d'électrons et pour régler l'écartement des tiges polaires, en réponse à cette détection. 7. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tige polaire (81, 82) s'étend à travers un trou de dégagement (85) ménagé dans une plaque polaire. 8. Ensemble formant source de vapeur selon la 20 revendication 6, caractérisé en ce que le canon à électrons (50) possède un filament linéaire(51)perpendiculaire aux plaques polaires (61,62) et que les tiges polaires (81,82) possèdent un axe commun (87) perpendiculaire aux plaques polaires et situé à une distance inférieure à environ deux fois le diamètre 25 des tiges, par rapport à l'intersection du plan (37) situé au niveau du matériau dans le creuset et un plan perpendiculaire passant par le filament. 9. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque tige comporte 30 une crémaillère (88) et que les moyens de réglage des tiges comprennent un pignon (91). 10. Ensemble formant source de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en outre en ce qu'il comporte - une pluralité de creusets (3134), et - des moyens pour détecter celui des creusets qui se situe dans le trajet du faisceau d'électrons et pour régler l'écartement des tiges polaires, en réponse à cette détection.