Brevet FR2598721A1 — publié le 19871120

Cellule 2ouy Eitaxie __riets_ -moLéculaires et procédé associé L'épitaxie par jets moLécuLaires est une technique de formation de couches minces de nombreux matériaux sur un substrat en ultra-vide. Un jet moLécuLaire est obtenu en produisant une 5 pression de vapeur du matériau en question dans une enceinte ou creuset isotherme, comportant une ouverture. On connaît, selon L'art antérieur, les creusets Longs dont les caractéristiques peuvent être bien déterminées. Une cellule de ce type est relativement satisfaisante Lorsque sa 10 température de fonctionnement est suffisamment éLevée et Lorsque le matériau source est à L'état Liquide. Par contre, Lorsqu'on utilise des matériaux fournissant le flux nécessaire par sublimation à basse température (Te, As, P, Zn, Cd, S, etc.) ces cellules présentent les inconvénients suivants: Tout d'abord, le matériau peut se condenser à La gueule de la cellule, étant donné que cette dernière est environnée de panneaux refroidis à l'azote Liquide. Cette condensation peut aller jusqu'au bouchage de l'orifice de La cellule. Les pertes thermiques de la cellute, qui proviennent 20 essentieLLement du rayonnement en miLieu ultra-vide, sont très faibles en raison de la faible température de fonctionnement. Par la suite, si l'on souhaite abaisser La température de la cellule, une baisse ne se produira que Lentement après que l'on a coupé les moyens de chauffage. IL en résulte donc des difficultés de 25 régulation thermique. D'autre part, ces ceLLules sont difficiLes, voire impossibles à étuver. L'étuvage est une opération consistant à chauffer l'ensemble de l'appareillage à épitaxie (enceinte à ultra-vide et cellule) à une température suffisante pour Les 30 dégazer. Cette opération s'effectue généralement à une température de l'ordre de 200 à 250 C qui peut être suffisante pour vider la cellule chargée d'un corps volatil. En outre, ces celtlules ne permettent pas d'obtenir des flux stables à partir de corps solides à cause de L'instabilité propre d'émission d'un solide. Ceci est dû à ce que La température du matériau n'est pas homogène en température. Le matériau se déplace, se déforme et s'évapore par bouffées. A cela s'ajoute L'inconvénient d'avoir des projections de particules solides. De plus, le flux n'est pas reproductible au cours du temps en raison de La diminution de La charge. Par ailleurs, Le diamètre des orifices de sortie utilisés pour de telles cellules est suffisamment grand pour 10 permettre L'entrée de molécules provenant d'autres cellules qui ont été réfléchies par Le four, par le substrat ou qui n'ont pas été piégées par Les panneaux refroidis environnants. L'interaction de ces molécules avec La charge de La cellule peut modifier le taux d'évaporation à une température donnée soit en 15 dopant La source, soit en formant à la surface de La charge un nouveau composé, ce qui fait varier la surface d'émission, et constitue une nouvelle cause d'instabilité. Enfin, le dégazage inévitable de L'éLément chauffant est une source non négligeable de pollution de L'enceinte à 20 ultra-vide, des substrats à revêtir et par voie de conséquence, des produits déposés. L'invention a précisément pour objet une cellule pour épitaxie par jets moléculaires qui remédie à ces inconvénients. Conformément à L'invention, une cellule pour épitaxie 25 par jet moléculaire est caractérisée en ce qu'elle comprend - une chambre de vaporisation contenant le matériau à vaporiser, munie d'au moins une ouverture de section déterminée pour maintenir le matériau à vaporiser à L'état Liquide à L'intérieur de Ladite chambre et pour émettre des jets 30 moléculaires à flux contr8lé, - un manchon solidaire de La chambre de vaporisation, entourant La (ou Les) ouverture(s) à section déterminée, des moyens de chauffage pour maintenir La chambre de vaporisation isotherme et obtenir une température suffisante 35 dans Le manchon afin d'éviter ta condensation du matériau vaporisé dans ledit manchon et dans la (ou les) ouverture(s) à section déterminée. La formule générale qui lie le flux sortant d'une celLule contenant un gaz à La pression P et émettant dans le 5 vide, à la section S de L'ouverture à travers laqueLle il se produit, en supposant que cette ouverture est percée en paroi mince, est approximativement la suivante: - 1/2 (1) J = (21'MkT) PS (en négLigeant Les corrections de détente adiabatique) et avec 10 J = fLux, M = masse moLécuLaire de L'espèce évaporée, k = constante de Boltzmann, T = température absolue dans la cellule, P = pression dans La celLuLe reliée à La température de celLe-ci 15 par une Loi de la forme: A Log P = - + B T A et B étant des constantes caractéristiques du matériau 20 évaporé. Si l'on veut obtenir un flux incident F sur un substrat situé à une distance L de l'ouverture, il faut que: J = ML F (approximation de la loi de Lambert), d'o: 3 1/2 2 (21T MkT) L F S =P L'ensemble constituant la cellule (chambre de vaporisation, manchon et moyens de chauffage) est fixé sur une bride de fixation assurant le positionnement désiré de chaque 30 éLément. Selon un mode de réalisation préférentiel, la chambre de vaporisation et le manr:?; t rte par une double enveloppe. Dans une première variante de ce mode de réalisation, seuLe La paroi interne de La double enveloppe est tenue par La bride de fixation. Cette disposition permet de diminuer les risques de pollution de l'enceinte à uLtra-vide en faisant écran 5 aux produits de dégazage de l'élément chauffant qui n'est pas en vue directe du substrat sur lequel on fait l'épitaxie. Dans une seconde variante de ce mode de réalisation, seule la paroi externe de la double enveloppe est assujettie sur la bride de fixation. Cet arrangement délimite une enceinte dans 10 Laquelle l'éLément chauffant est parfaitement isolé de l'enceinte à ultra-vide et peut etre mis, de manière indépendante, à L'atmosphère ou sous atmosphère controlée, ou sous vide. De préférence, les moyens de chauffage sont constitués par un résistor lamellaire, placé à l'intérieur de la double 15 enveloppe, formant à ses deux extrémités une résistance plus importante que dans sa pprtie médiane. Les avantages de l'invention sont les suivants. Etant donné que Le matériau est porté à L'état Liquide dans la chambre de vaporisation, il est brassé par des courants 20 de convection qui homogénéisent sa température de manière bien meilleure que la simple conduction dans un solide qui se sublime. En conséquence, en raison de cette bonne homogénéité de température, la stabilité du flux est bien meilleure. L'intensité du flux est limitée, et donc contrôlée par la section de l'ouverture de la chambre de vaporisation, et par La pression qui règne à l'intérieur de La ceLLuLe. ElLe est Indépendante du niveau du Liquide et reste donc constante pendant L'opération d'épitaxie aLors que, au contraire, dans Le cas d'un creuset Long de L'art antérieur, L'intensité du flux dépend de La 30 position du niveau de la surface d'évaporation du matériau solide ou Liquide par rapport à L'orifice de sortie et, par conséquent varie sans cesse. De plus, La pression à L'intérieur de la chambre de vaporisation étant très grande par rapport à ceLLe4de L'enceinte à ultra-vide (dans un rapport voisin de 10), 35 L'intensité du flux est donc indépendante de La pression dans ladite enceinte à ultra-vide. Le manchon surchauffé qui entoure la (ou les) ouverture(s) de la chambre de vaporisation élimine les risques de bouchage de cet(s) orifice(s). Par ailleurs, les projections de particules solides et ta pollution en retour sont supprimées, étant donné que la section de l'ouverture de la chambre de vaporisation est 10000 fois plus petite que celle des cellules standard. Il a été aussi vérifié expérimentalement qu'une cellule conforme à 10 l'invention possède une émission angulaire semblable à celles des cellules de Knudsen dans la zone utite. Enfin, la double enveloppe de la cellule fait écran aux produits de dégazage de l'élément chauffant qui n'est plus en vue directe du substrat sur lequel on fait l'épitaxie. Les produits de dégazage évacués vers l'arrière sont pompés ou piégés par les panneaux refroidis voisins, limitant ainsi la pollution ou/et le dopage de la couche que l'on dépose. Dans une autre variante, la double enveloppe est solidaire de la bride de fixation maintenant la cellule sur 20 l'enceinte à ultra-vide, l'élément chauffant est alors entièrement isolé de l'enceinte à ultra-vide et Les risques de pollution sont évités. Cette bride peut être équipée d'une ouverture permettant de mettre L'élément chauffant sous vide ou sous atmosphère contrôlée. La présente invention a aussi pour objet un procédé de formation par épitaxie par jets moléculaires d'une couche mince sur un substrat, caractérisé en ce qu'on porte à l'état liquide le matériau à vaporiser dans une chambre à vaporisation comportant au moins une ouverture de diamètre déterminé, entourée 30 d'un manchon, la température de la chambre de vaporisation étant maintenue isotherme et celle du manchon suffisante pour éviter la condensation du matériau dans ce dernier et dans l'ouverture de la chambre de vaporisation. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention 35 apparaîtront encore à La lecture de La description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et non Limitatif, en référence aux figures annexées, sur Lesquelles: - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une enceinte à ultra-vide renfermant un substrat et comportant une cellule pour épitaxie conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue à échelle agrandie de la cellule pour épitaxie représentée sur la figure 1, - la figure 3 est une vue développée d'un moyen de chauffage préféré de la cellule représentée sur la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique de La cellule conforme à l'invention, équipée d'une double enveloppe solidaire de la bride de fixation. L'épitaxie par jets moléculaires est une méthode qui permet La préparation de files minces de nombreux matériaux. Dans Les techniques de dépôt sous vide d'un produit par épitaxie par jets moléculaires sur un substrat à recouvrir, on emploie, comme représenté sur La figure 1, une enceinte à ultra-vide 1 maintenue par exemple à une pression de l'ordre de 1,333x1011.pa et refroidie par un écran thermique constitué par une couche 20 périphérique d'un gaz liquéfié à basse température, par exemple de L'azote. L'enceinte I comporte au moins une ouverture circulaire associée à une enveloppe 33 à l'intérieur de laquelle est introduite une cellule pour épitaxie par jets moléculaires désignée dans son ensemble par la référence générale 9. Comme on le verra, cette cellule contient tout ou partie des produits à déposer maintenus à la température nécessaire, supérieure au point de fusion, par des moyens de chauffage qui entourent la cellule. Une bride de fixation 10 assure L'étanchéité de la cellule 9 et le maintient de tous les 30 autres éléments de ladite cellule à l'intérieur de l'enveloppe 33. ELle est munie-de passages étanches 22, 24, 26 pour les amenées de courant et le thermocouple. Un écran éclipsable 11 peut être mO en rotation par une commande externe 13 constituée par exemple par un moteur électrique. Lorsque L'écran 11 est écLipsé, le jet 15 produit par la cellule atteint le substrat 17 à revêtir situé dans l'enceinte 1. Sur La figure 1, on a représenté une enceinte à ultravide avec une seule cellule à épitaxie par jets moléculaires; toutefois, il est bien évident qu'une pluralité de cellules à épitaxie par jets moléculaires peut équiper Ladite enceinte. On a représenté sur la figure 2 une vue à échelle agrandie d'une cellule pour épitaxie moléculaire conforme à l'invention faisant partie de l'ensemble représenté sur la figure 1. Le corps de cellule 19 est constitué d'une enveloppe en quartz 10 délimitant une chambre de vaporisation 21 qui contient le produit 23 dont on veut obtenir un jet moléculaire. La chambre 21 est fermée par un bouchon 25 percé d'une ouverture 27 c diamètre, calculée comme indiqué précédemment, de maintenir liquide le matériau à vaporiser et à obtenir moléculaires à flux contrôlé (valeur typique 10 molécules par cm et par seconde sur le substrat). A sa partie inférieure, le corps de celli pourvu d'un cone 29 engagé dans un rodage cori prolongeant un support en quartz 31, Lui-même solid de faible façon à des jets à 10 ule 19 est respondant aire d'une bride de fixation non représentée sur la figure 2, mais que L'on peut voir en 10 sur la figure 1. Cette bride de fixation comporte des passages étanches 22, 24, 26 pour les amenées de courant électrique 28, 30 et pour le thermocouple 40. La paroi du corps de cellule se prolonge au-delà du 25 bouchon 25 par un manchon 35 dont le diamètre intérieur est égal au diamètre intérieur de la chambre 21, bien que cette disposition ne soit pas obligatoire. Une double enveloppe 55 est réalisée, par exemple, par retournement à 180 de la paroi du manchon 35 à L'intérieur duquel sont logés des moyens de 30 chauffage constitués de préférence par une résistance électrique 37 alimentée par deux conducteurs électriques 28, 30. Ceci permet à la résistance électrique 37 de s'autosupporter et évite que les produits de dégazage de la résistance ne soient en vue directe du substrat dans l'enceinte 1, substrat sur lequel on fait 35 l'épitaxie, limitant ainsi la pollution ou/et le dopage de la couche que L'on dépose. Les produits de dégazage sont évacués par L'arrière de La cetlule 19 pour être pompés ou piégés par Les panneaux refroidis voisins. Un mode de réalisation préféré de la résistance électrique 37 sera décrit en référence b la figure 3. Une feuiltte métaltique 42, par exemple de tantate, enrouLée autour du corps de cellttule 19, constitue une isolation thermique qui Limite Les échanges de chateur entre te corps de ceLLute porté b une température relativement élevée et La couche de gaz Liquéfié qui entoure l'enceinte 1. On remarquera que La feuilltte de tantale 42 repose sur l'enveloppe 19 seulement par queLques tétons repoussés 41 situés à chacune de ses extrémités, de manière à délimiter un espace Libre entre cette feuilltte et -'envetoppe afin d'améliorer L'isolation thermique de La celttule. Le corps de ta cellule 19 est ainsi composé de trois 15 zones, respectivement une zone supérieure 43 dans taqueltte est situé te manchon 35, une zone intermédiaire 45 correspondant b La chambre 21 contenant 'lte produit à vaporiser, et une zone Inférieure 47 constituée par La partie du corps de cettllule qui va de ta paroi inférieure 44 de La chambre 21 jusqu'au début du cône 20 de fixation 29. Les moyens de chauffage 37 disposés entre La paroi externe du corps de cellule et le revers 36 apportent des quantités de chateur différentes à chacune de ces trois zones, comme on te verra en référence à La figure 3. On a représenté sur la figure 3 un mode de réalisation 25 préféré des moyens de chauffage qui permettent d'échauffer te produit b déposer. Ces moyens de chauffage 37 sont constitués par un conducteur électrique obtenu en découpant, par exemple une feuilte mince de tantale par électroérosion. Elle est composée 30 de trois zones, à savoir une zone supérieure 49 selon la figure 3, une zone intermédiaire 51 et une zone inférieure 53. Ces trois zones correspondent aux zones 43, 45, 47 respectivement, de La cellttule 19. On remarque que ta section du conducteur est La plus faibLe dans La zone supérieure 49, puis dans la zone inférieure 35 53. Le conducteur présente une section relativement plus importante dans La zone intermédiaire 39. La résistance électrique du conducteur augmentant Lorsque sa section diminue, Le chauffage obtenu par effet Joule est plus important dans La zone supérieure 49 et dans La zone inférieure 53, de manière à 5 éviter le refroidissement des extrémités du corps de cellule. La cellule est ainsi chauffée de manière isotherme. La partie supérieure 49 constitue La résistance de chauffage du manchon surchauffé qui-permet d'éviter les problèmes de condensation en sortie de ceLLute. Les puissances de chauffe des parties 49, 51 10 et 53 peuvent être choisies dans de Larges Limites à la construction. La figure 4 présente une autre variante de l'invention. Une double enveLoppe 55 est obtenue par exemple par retournement à 180 de La paroi du manchon 35 prolongée par une partie 57 de 15 manière à être rendue solidaire de la bride de fixation 10 par tout moyen assurant une étanchéité à L'ultra-vide. Sur La figure 4, La référence 61 représente une soudure quartz-métal assujettissant Le manchon 35, la double enveloppe 55 et La partie 57 qui sont ici en quartz à La bride de fixation 10 qui est ici 20 métallique. L'élément chauffant 37 est ainsi isolé de l'enceinte à ultra-vide 1 qui est à l'abri de toute pollution provenant du dégazage de l'élément chauffant 37. La bride de fermeture 58 qui détermine avec la bride de fixation 10 une enceinte 63, porte les passages étanches 22, 24, 26 nécessaires aux amenées de courant 25 électrique 28, 30 et au thermocouple 40. Au moins une vanne 59 permet de mettre de manière indépendante l'élément chauffant 37 sous vide ou sous atmosphère contr8lée. Les matériaux utilisés pour La réalisation de la cellule ainsi que la géométrie de cette dernière peuvent être quelconques. On donne, ci-après, deux exemples de mise en oeuvre de la celLuLe selon L'invention. 1XEMPLE Corps à déposer: tellure (évaporation sous forme de Te), M=255,2. La température de fusion du tellure étant de 722,5 K, - \ L a V:: ': : % :0:: v : / -: 0 -: r * n. -: : f: -: -: } ", 0 : . . :. : 0. V * s :^ f:: 10::: 0. f, r.. : :: , ", -: : 0 T::. > *:0;S - D - ': - L *: :,;; :E f f::: f :: \, V R V:: f :, i \ -:, :. 0 f 0: - X 0:. *;:: g. 0 i Q. : :: f.,: 0 S ^ : V:: : \ 7 S f X: 0, f :: 0 d-:,. X::: 0: on choisit, par exemple, une température T de fonctionnement de la cellule de 773 K. A cette température T, la pression de Te2 est d'environ P = 106,64 Pa. Si le substrat est placé à une distance L = 10 cm de la cellule et si on désire utiliser un flux F=1014 molécules par cm2 et par seconde (valeur typique utilisée en épitaxie par jets moléculaires): S=4,99x10-4 cm2 =499x104m2. Pour un trou cylindrique, le diamètre doit être égal à 252/qm. EXEMPLE IIX Corps à déposer: cadmium (Cd), M = 112,4, T = 623 K, P = 38,66 Pa, F = 104 molécules par cm2 et par seconde, l = 10 cm: S=8,20x10-4 cm2 S=820x104 m2. m. Pour un trou cylindrique, le diamètre doit être égal à 323pm environ. REVENDICATIONS 1. Cellule pour épitaxie par jets molécuLaires, caractérisée en ce qu'elle comporte: - une chambre de vaporisation (21) contenant le matériau (23) à 5 vaporiser, munie d'au moins une ouverture de section déterminée pour maintenir le matériau à vaporiser (23) à L'état Liquide à L'intérieur de ladite chambre (21) et pour émettre des jets moléculaires à flux contr8Lé, - un manchon (35), solidaire de la chambre de vaporisation (21), 10 entourant la (ou les) ouvertures) (27) à section déterminée, - des moyens de chauffage (37) pour maintenir La chambre de vaporisation (1) isotherme et obtenir une température suffisante dans le manchon (35) afin d'éviter la condensation du matériau vaporisé dans ledit manchon et dans La (ou Les) 15 ouverture(s) à section déterminée. 2. CetLlule selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de vaporisation (21) et le manchon (35) sont constitués, en tout ou partie, par une double enveloppe. 3. CelluLe selon la revendication 2, caractérisée en ce 20 que la paroi interne de La double enveloppe (55) est tenue par une bride de fixation (10). 4. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi externe de la double enveloppe (55) est assujettie sur une bride de fixation (10). 5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une enceinte (63) pourvue d'une vanne (59) est assujettie à la bride de fixation. 6. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens de chauffage sont 30 constitués par une résistance LameLLaire (37), placee à L'intérieur de La double enveloppe (55), formant à ses deux extrémités une résistance plus importante que dans sa partie médiane, 7. Procédé de formation par épitaxie par jets moLéculaires d'une couche mince sur un substrat, caractérisé en i ce qu'on porte à l'état liquide le matériau à vaporiser (23) dans une chambre de vaporisation (21) comportant au moins une ouverture (27) de diamètre déterminé, entourée d'un manchon (35), la température de la chambre de vaporisation (21) étant maintenue 5 isotherme et celte du manchon (35) suffisante pour éviter La condensation du matériau (23) dans ce dernier et dans L'ouverture (27) de La chambre de vaporisation.