Brevet FR2671630A1 — publié le 19920717

DISPOSITIF DE MESURE ET DE CONTROLE DE FLUX DE PARTICUIES L'invention concerne un dispositif de mesure et de contrôle de flux de particules. Ce dispositif permet de mesurer le nombre d'atomes qui le traversent. S'il équipe un bâti de dépôt, il offre la possibilité d'asservir le système source de façon à contrôler ce flux. Il peut être employé soit sur une source unique soit pour un système multisource. Dans ce dernier cas, il mesure et contrôle les flux, qu'ils soient séquentiels ou en parallèle. Ce dispositif est basé sur l'absorption atomique. En excitant un élément E. avec une longueur d'onde correspondant à un niveau d'excitation X E. de cet élément, la lumière est absorbée suivant les paramètres des niveaux énergétiques concernés. La source lumineuse peut être par exemple une lampe à cathode creuse où E. est un composant de la cathode. L'article "Measurement of Ga and A1 in a molecular-beam epitaxy chamber by atomic absorption spectrometry (AAS)" de T. Y. KOMETANI et al publié dans J. Vac. Sci. Technol. Vol 12, nO 4, July/August 1975, pages 933-936 décrit un appareillage permettant de mesurer l'intensité du flux d'un faisceau moléculaire par mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux qui interfère avec le faisceau moléculaire. Cependant, dans un tel dispositif, le faisceau moléculaire est divergent et la mesure est sensible à la divergence du faisceau. De plus, le faisceau lumineux est l'objet d'une diffusion dans l'ensemble du dispositif ce qui fausse la mesure. Enfin, ce dispositif ne permet pas une émission sélective de différents faisceaux moléculaires. L'invention permet de pallier ces inconvénients en prévoyant - de rendre la mesure insensible à l'ange de divergence d'un faisceau de particules, - en limitant les phénomènes de diffusion du faisceau lumineux qui interfère avec le ou les faisceaux moléculaires, - en permettant une émission sélective de plusieurs faisceaux de particules tout en permettant leur commande individuelle. De plus, l'invention prévoit des dispositions pour obtenir un flux total déterminé sans avoir à agir sur l'intensité du flux de particules. Enfin, applicable dans des réacteurs d'épitaxie, le dispositif de l'invention est applicabIe dans tout réacteur d'évaporation ou de dépôt. L'invention concerne donc un dispositif de mesure et de contrôle de flux de particules comprenant un réacteur dans lequel est dirigé au moins un flux de particules ainsi qu'au moins un faisceau lumineux lequel comporte au moins une longueur d'onde pouvant être absorbée par le flux de particules, des dispositifs de mesure étant placés sur la direction du faisceau lumineux pour mesurer son intensité, caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif de diaphragme du faisceau de particules et un dispositif de collimation ou de focalisation du faisceau lumineux de telle sorte que le faisceau lumineux traverse une section de dimensions constantes du faisceau de particules. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - la figure 1, un exemple de réalisation simplifié du système de l'invention; - la figure 2, un autre exemple de réalisation du système de l'invention; - la figure 3, une variante de réalisation plus détaillée du système de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va donc décrire un exemple de réalisation du système de l'invention. Cette figure 1 représente de façon schématique une installation d'épitaxie telle qu'une installation d'épitaxie par jets moléculaire. Elle comporte donc une enceinte MBE qui contient une source E permettant d'émettre un faisceau de particules J (jet moléculaire) provenant du matériau E de la cible, ainsi qu'un substrat S qui doit faire l'objet d'un dépôt, et qui est porté par un porte-substrat P. Un dispositif tel qu'un cache C permet d'interrompre à volonté la transmission du faisceau de particules J. L'objet du système de l'invention est de contrôler le flux de particules (atomes) transmises des sources vers le substrat S et de contrôler le nombre de particules de la ou des couches de matériaux déposées sur le substrat S. Pour cela, un faisceau lumineux B est dirigé vers le faisceau de particules J. La longueur d'onde du faisceau lumineux B est telle que les photons sont absorbés par le faisceau de particules. Un détecteur DEC placé sur le trajet du faisceau lumineux B permet de mesurer l'intensité du faisceau lumineux B. La mesure de cette intensité lumineuse permet de mesurer l'absorption à laquelle a été soumis le faisceau lumineux et donc l'intensité du flux de particules (le nombre de particules transmis au substrat). Un dispositif Dl permet d'assurer une interférence correcte entre le faisceau de particules J et le faisceau lumineux B. Ce dispositif D1 comporte un diaphragme D10 dont I'ouverture D11 permet de calibrer la section du faisceau de particules. Ainsi, quel que soit l'angle de divergence du faisceau J, le faisceau transmis au substrat a une section constante et la longueur du trajet selon lequel le faisceau lumineux B interfère avec le faisceau de particules est toujours la même. Le dispositif D1 comporte au moins un dispositif de focalisation ou de collimation D12 permettant de transmettre un faisceau lumineux qui interfère correctement avec le faisceau de particules. Le dispositif D1 est tout entier contenu dans l'enceinte d'épitaxie MBE. La source lumineuse S et le détecteur DEC sont placés à l'extérieur de l'enceinte MBE. Le faisceau lumineux B, émis par la source S et transmis au détecteur DEC, traverse les parois de l'enceinte à l'aide de guides optiques Fl, F2 (fibres optiques) . Le dispositif de l'invention permet donc de contrôler le nombre d'atomes évaporés. Appliqué à l'épitaxie par jets moléculaires par exemple, ce dispositif permet de maîtriser le dépôt de couches d'éléments E, dont le nombre d'atomes de chaque couche est contrôlé par l'intégrale du signal absorbé par l'élément correspondant. Couplé à un système d'asservissement, il est en effet possible de contrôler lrouverture et la fermeture du cache C (ou le déplacement d'une cible, ou tout autre dispositif de masquage, dans le cas d'autres techniques de dépôt) dès lors que cette intégrale correspond à une valeur préalablement fixée. Elle correspond à une valeur consignée du nombre de particules (d'atomes). La figure 2 représente un exemple de réalisation plus détaillé du dispositif de l'invention. Notamment, il comporte dans l'enceinte d'épitaxie MBE plusieurs sources El, E2, ..., Ei. A chaque source est associé un cache individuel C1, C2, .., C. permettant de commander individuellement l'émission des faisceaux de particules issus de ces sources. Les sources El, E2, ..., E. sont chargées de matériaux différents de façon à émettre des faisceaux de particules différentes. Des sources lumineuses L1, L2, ..., Li émettent chacune au moins un faisceau B1, B2, .., Bi dont la longueur d'onde correspond à une longueur d'onde d'absorption d'un faisceau de particules émis par une source El à E.. Les faisceaux Bl à Bi sont regroupés en un seul trajet optique par un coupleur optique B10. Le coupleur optique B10 transmet la lumière sur le guide optique F1. On retrouve dans l'enceinte MBE, le dispositif D1 situé entre les sources El à E. et le plan du substrat S. Ce dispositif peut être situé à ltécart du trajet direct source substrat pourvu qutil soit dans une zone d'homogénéité des flux. Sur le trajet du faisceau lumineux B, en sortie de l'enceinte d'épitaxie MBE, un coupleur optique B11, couplé au guide optique F2, réparti le faisceau B vers différents monochromateurs M1, M2, ..., M.. Chaque monochromateur est prévu pour sélectionner une longueur d'onde émise par une source lumineuse L1 à L.. A chaque monochromateur est associé un photomultiplicateur P1, P2, ..., Pi détectant un signal optique et traduisant l'intensité du signal optique en un signal électrique d'intensité correspondante. Un échantillonneur ou scrutateur transmet à chaque instant le signal reçu d'un photomultiplicateur à un comparateur COMPO qui compare le niveau du signal à un signal de référence. Un intégrateur reçoit le signal de comparaison et I'intègre pendant un temps de fonctionnement. Pour obtenir une épaisseur de dépôt déterminée sur le substrat il faut faire correspondre à cette épaisseur une valeur d'intégration désignée seuil d'intégration "Si" sur la figure 2. Lorsque la valeur d'intégration a atteint ce seuil d'intégration, un comparateur COMP2 commande l'arrêt de l'épitaxie par fermeture du cache C correspondant. Le signal de référence correspondant à un faisceau de particules fournit au comparateur COMPO est déterminé lorsque le faisceau de particules correspondant n'est pas transmis (cache r( ferm). Le fermé) Le dispositif de la figure 2 permet un fonctionnement indépendant des sources d'épitaxie El à Ei pour la réalisation de plusieurs couches différentes superposées. Il permet également un fonctionnement simultané de plusieurs sources et un co-dépôt de plusieurs matériaux. Chaque faisceau lumineux BI à B. étant absorbé par un flux de particules particulier, il est possible en mesurant l'absorption de chaque flux de particules de mesurer l'intensité des flux de particules émis simultanément. Un échantillonneur (ou scrutateur) permet d'avoir un seul ensemble de circuits comparateur COMPl/intégrateur/comparateur COMP2. Pour cela l'échantillonneur fournit un fonctionnement en multiplexage. A chaque échantillonnage, le signal mesuré est comparé à un signal de référence correspondant au flux de particules sur lequel porte la mesure. Les sources El à E. sont équipées de caches C1 à C individuels qui permettent à l'aide du fonctionnement précédent d'interrompre à volonté l'épitaxie de l'un ou autre des matériaux pour continuer l'épitaxie d'autres matériaux. De cette façon, il est possible de déposer simultanément plusieurs matériaux tout en modulant le nombre total d'atomes (de particules) de chaque matériau. La figure 3 représente une variante de réalisation du système de l'invention correspondant à une réalisation plus complète. Par rapport au système de la figure 2, ce système comporte une source lumineuse Lr dont la longueur d'onde est telle que le rayonnement émis n'est absorbé par aucun des flux de particules issus des sources El à E.. Un monochromateur M r et un photomultiplicateur P permettent de mesurer ce r rayonnement et le résultat de mesure sert de signal de référence pour la mesure des intensités lumineuses des rayonnements aux autres longueurs d'ondes. Cette disposition permet de s'affranchir de toute dérive du système en comparant chaque signal de mesure fourni par les photomultiplicateurs P1 à Pi au signal de référence fourni par Pr les différents signaux étant affectés de la même dérive. Un ou plusieurs circuits de gain G. sont placés dans les circuits des photomultiplicateurs pour amener les signaux sensiblement à un même niveau. Sur la figure 3, on a prévu qu'un seul circuit de gain G. en série avec le photomultiplicateur Pr Ce circuit G. est commandé par le circuit scrutateur de façon à adapter à chaque instant le signal de référence au signal mesuré. On peut également prévoir une source lumineuse de référence associée à chaque source lumineuse L1 à L.. Le système de la figure 3 comprend en outre les filtres associés aux sources Lr > L1, L2, ... L. qui sont indispensables quand il y a recouvrement de raies entre plusieurs lampes. Dans le cas où on désire analyser plusieurs éléments, il est également possible de disposer d'une lampe à plusieurs constituants E.. De plus, le circuit de détection peut comporter également un circuit d'asservissement de sources qui à chaque instant reçoit un résultat de mesure et permet de commander en conséquence l'intensité du flux d'émission de particules en agissant sur la commande de la source El à E. correspondante. Ce circuit d'asservissement permet ainsi de réaliser, par exemple, une couche contenant un mélange des éléments El à E. selon une composition déterminée. D'un point de vue pratique on peut noter que ce dispositif peut fonctionner à n'importe quelle pression de gaz dès lors que ce gaz ne présente pas d'absorption dans une fenêtre de longueur d'onde (définie par la résolution du monochromateur utilisé et l'élargissement Doppler) incluant X E.. Le dispositif D1 où interfèrent les faisceaux de particules et les faisceaux lumineux est placé dans une zone d'homogénéité des faisceaux de particules. La mesure ne doit pas en effet être affectée par le taux de remplissage des sources El à E. ni par les positions exactes des caches en positions ouvertes. On peut ainsi obtenir un dépôt avec mieux que 1% d'une monocouche atomique, c 'est-à-dire une monocouche avec un recouvrement éventuel de 1%. Le dispositif D1 peut être sur le trajet source/substrat mais il peut également être à l'écart de ce trajet du moment qu'il est placé dans une zone d'homogénéité des faisceaux de particules. Un autre avantage du dispositif de l'invention est que les lentilles D13, D15 sont à l'intérieur de l'enceinte. Le système est donc adaptable à toutes les installations et on obtient des faisceaux lumineux convenablement focalisés ou collimatés dans la zone d'interférence avec les faisceaux de particules. De plus, le dispositif D1 dans lequel sont situées les lentilles D13, D15 protège ces lentilles des flux de particules et empêche le dépôt de particules sur ces lentilles. Les atomes émis par les sources El à E. peuvent être affectés par des réactions chimiques dans l'enceinte et se présenter sous forme de particules différentes devant le faisceau lumineux B. La ou les largeurs d'ondes des faisceaux lumineux doivent donc être choisies en conséquence. 1l est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. L'agencement des circuits de détection notamment peut prendre une forme différente. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure et de contrôle de flux de particules comprenant un réacteur dans lequel est dirigé au moins un flux de particules ainsi qu'au moins un faisceau lumineux lequel comporte au moins une longueur d'onde pouvant être absorbée par le flux de particules, des dispositifs de mesure étant placés sur la direction du faisceau lumineux pour mesurer son intensité, caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif de diaphragme du faisceau de particules et un dispositif de collimation ou de focalisation du faisceau lumineux de telle sorte que le faisceau lumineux traverse une section de dimensions constantes du faisceau de particules. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de diaphragme et le dispositif de collimation sont tous deux placés à l'intérieur du réacteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de diaphragme et le dispositif de collimation comportent un tube creux possédant un axe disposé selon l'axe du faisceau lumineux, une première extrémité et une deuxième extrémité du tube servant respectivement d'entrée et de sortie au faisceau lumineux et au moins la première extrémité possédant une lentille d'entrée ; le tube étant en outre au moins localement interrompu selon la direction de l'axe du tube, cette interruption étant située à l'emplacement du faisceau de particules de façon à diaphragmer ce faisceau de particules. 4. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel sont émis des flux de particules de matériaux différents, et dans lequel plusieurs faisceaux lumineux interfèrent avec ces flux de particules, la longueur d'onde de chaque faisceau lumineux correspondant à une longueur d'onde d'absorption d'un flux de particules d'un matériau déterminé. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs de mesure comportent un circuit d'intégration permettant d'intégrer au moins un signal de mesure et un circuit à seuil permettant de comparer ce signal intégré à une valeur de seuil. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs de mesure comportent un circuit d'asservissement permettant de commander l'intensité du flux de particules. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu?il comporte au moins une source L émettant un r rayonnement lumineux de référence d'une longueur d'onde telle qu'il n'y a pas absorption par le flux de particules, ce rayonnement lumineux de référence servant de base pour la mesure de l'absorption des autres faisceaux lumineux interférant avec le flux de particules.