Brevet FR3152056A1 — publié le 20250214

L’invention concerne un système de contrôle de dépôt de couches minces par croissance en phase gazeuse dans un réacteur (10) de dépôt, la phase gazeuse correspondant à un état gazeux ou un état plasma, le système de contrôle comportant : - une lampe à cathode creuse (2) ; - une cavité optique (3) comportant au moins deux miroirs (31), et configurée de sorte qu’une lumière émise par la source de lumière (2) se trouve piégée dans la cavité optique (3) et interagisse avec la phase gazeuse donnant lieu au dépôt de couches minces ; et - un système d’analyse de lumière (4) configuré pour analyser une lumière émise par la lampe à cathode creuse (2) et traversant la cavité optique (3) en mesurant l’absorbance optique d’au moins une espèce de la phase gazeuse traversée par ladite lumière. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Système de contrôle de dépôt de couches minces comportant une cavité optique. L’invention se rapporte au dépôt de couches minces. Elle concerne plus particulièrement un système de contrôle d’un tel dépôt. Une couche mince est un élément dont une des dimensions, l'épaisseur, est nanométrique ou micrométrique, allant de quelques plans atomiques à quelques milliers de plans atomiques. Les couches minces sont obtenues par dépôt d'un matériau sur un substrat. Le dépôt de couches minces intervient dans de nombreux domaines industriels (optique, chimie, mécanique, micro-optoélectronique, énergies renouvelables). Les procédés de dépôt de couches minces utilisent des technologies connues, notamment : épitaxie par jets moléculaires (EJM), systèmes de type ablation laser, pulvérisation cathodique ou évaporation par faisceau électronique, systèmes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), etc. Les performances de nombreux composants/dispositifs et leurs coûts de fabrication dépendent directement du niveau de contrôle des procédés de dépôt de couches minces. Différents systèmes de contrôle de la croissance de couches minces existent. L’un des principes consiste à déterminer la composition de la phase gazeuse utilisée pour le dépôt de couche mince (directement liée à la composition et à la vitesse de croissance de la couche mince) en mesurant l’absorbance optique des espèces qui la composent. Autrement dit, il s’agit de mesurer le rapport de l’intensité d’un faisceau optique partiellement transmis par la phase gazeuse (notée I dans la suite) à celle du faisceau optique incident (notée I 0 dans la suite). Les espèces composant la phase gazeuse présentent un certain nombre de raies d’absorption dans des gammes spectrales spécifiques, comme illustré sur la . Cette figure donne les forces de raie de plusieurs espèces d’intérêt pour la fabrication de couches minces, notamment pour des applications en micro-optoélectronique. La force de raie caractérise la propension d’une espèce chimique à absorber un rayonnement optique à une longueur d’onde donnée : à concentration égale dans la phase gazeuse, l’absorption optique augmente linéairement avec la force de raie. Les capteurs OFM pour ‘’optical flux monitoring’’ reposent sur ce principe de mesure d’absorbance optique et comprennent pour ce faire une source lumineuse et un spectromètre d’absorption atomique. On connaît par exemple le document US20150284851 divulguant un tel capteur OFM. Les capteurs OFM utilisent comme source lumineuse des lampes à cathode creuse (HCL pour ‘’hollow cathode lamp’’). Ces lampes émettent un ensemble de raies caractéristiques d’un seul élément. Leur spectre d’émission est discret : les raies sont séparées les unes des autres par des régions spectrales où l’intensité émise est nulle. Un exemple de capteur OFM selon l’art antérieur est représenté à la . La lumière émise par la lampe HCL est séparée en deux voies : un faisceau de mesure et un faisceau de référence. Le faisceau de mesure (noté Meas) effectue un passage dans le gaz à analyser. Le faisceau de référence passe, par exemple, en dehors du réacteur. Les deux voies sont ensuite analysées dans un système d’analyse de lumière. L’intensité de la voie Meas correspond à I, celle de la voie Ref à I 0 . La montre deux voies. Ce nombre de voies dépend du nombre d’éléments à mesurer. Il y a autant de voies Meas et Ref qu’il y a d’éléments à mesurer. La largeur spectrale des raies d’absorption à mesurer, allant de quelques dixièmes de pm à quelques pm, est difficile à résoudre avec des monochromateurs classiques. L’intérêt des lampes HCL est qu’elles émettent des raies aux caractéristiques spectrales très proches de celles des raies d’absorption à mesurer, levant ainsi la contrainte sur la résolution nécessaire. Par contre, les lampes HCL émettent un faible flux de photons par unité de surface, et produisent un faisceau étendu et relativement divergent, dont une grande partie est perdue dans les éléments de faible ouverture numérique du trajet optique (fibres, spectromètre, notamment). Par conséquent, le nombre de photons arrivant sur le détecteur est limité, ce qui limite le rapport signal sur bruit de la mesure (SNR) avec un impact sur la précision et la sensibilité du capteur. Les performances des capteurs OFM classiques sont également intrinsèquement limitées par le principe même de la mesure : la longueur d’interaction entre le faisceau lumineux et la phase gazeuse à analyser, limitée à quelques dizaines de centimètres, conduit à des absorbances relativement faibles, et donc à des incertitudes de mesure relativement élevées. Les meilleures incertitudes relatives sur le contrôle de la composition et des vitesses de croissance rapportées pour des capteurs OFM sont de l’ordre de la dizaine de % et au mieux de quelques % (cf. [Y. Du et al. 2014]), pour des vitesses de croissance de l’ordre de quelques monocouches par minute. Cela est bien en deçà des précisions requises pour les procédés de dépôt de couches minces (incertitude sur l’épaisseur et la composition inférieure au %). L’invention vise à fournir un système de contrôle de dépôt de couches minces plus performant et plus précis dans le contrôle de la croissance des couches minces. L’invention propose à cet effet un système de contrôle de dépôt de couches minces par croissance en phase gazeuse, la phase gazeuse correspondant à un état gazeux ou un état plasma. Le système de contrôle comporte : une lampe à cathode creuse ; une cavité optique comportant au moins deux miroirs, et configurée de sorte qu’une lumière émise par la source de lumière se trouve piégée dans la cavité optique et interagisse avec la phase gazeuse donnant lieu au dépôt de couches minces ; et un système d’analyse de lumière configuré pour analyser une lumière émise par la lampe à cathode creuse et traversant la cavité optique en mesurant l’absorbance optique d’au moins une espèce de la phase gazeuse traversée par ladite lumière. Grâce à sa configuration et notamment à celle de la cavité optique, l’invention permet d’atteindre des sensibilités considérables, notamment pour des faibles vitesses de croissance, et donc une très grande précision dans le contrôle des procédés de la croissance. La phase gazeuse à analyser se situant dans la cavité optique, la lumière est réfléchie par les miroirs. Ainsi, au lieu d’interagir une seule fois avec le gaz comme dans les systèmes OFM existants, la lumière effectue un grand nombre d’aller-retours (jusqu’à 1000 passages). Cela augmente considérablement la longueur d’interaction lumière/gaz, et par conséquent l’absorbance et donc le rapport signal sur bruit de la mesure (SNR), conduisant ainsi à une forte réduction de l’incertitude de mesure. Une précision sur la mesure de la vitesse de croissance meilleure que le % est ainsi facilement atteinte, même à faible vitesse de croissance. Des caractéristiques préférées particulièrement commodes du système de contrôle de dépôt de couches minces selon l’invention sont présentées ci-dessous. La cavité optique entoure la phase gazeuse. La cavité optique est confocale. Les miroirs sont assemblés sur des accès optiques du réacteur. Les miroirs sont disposés à l’intérieur ou à l’extérieur du réacteur. La longueur de la cavité optique est choisie de sorte que la largeur spectrale des raies d’absorption mesurées par le système d’analyse de lumière recouvre un nombre minimum de modes de résonnance, ledit nombre minimum étant de préférence égal à 10. Le système d’analyse de lumière peut être un spectromètre. Le spectromètre comprend un monochromateur de moyenne résolution de l’ordre du nanomètre. Le spectromètre est muni d’une caméra, de préférence une caméra CCD ou CMOS. Le système d’analyse de lumière peut comprendre un photodétecteur et un démultiplexeur, le photodétecteur comprenant un dispositif de multiplexage temporel ou fréquentiel de signaux de lumière reçus depuis la lampe à cathode creuse, le démultiplexeur étant configuré pour séparer lesdits signaux de lumière reçus par le photodétecteur. D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront encore dans la description ci-après en référence aux dessins annexés, donnés à titre d’exemple non limitatifs : la représente des intensités de transition de certains éléments dans la gamme UV-visible ; la représente un capteur OFM de l’art antérieur ; la représente un système de contrôle de dépôt de couches minces selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et la représente le système de contrôle de dépôt de couches minces selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. L’invention a pour but de déterminer la composition d’une phase gazeuse utilisée pour le dépôt de couches minces en mesurant l’absorbance optique d’espèces composant la phase gazeuse. On entend par phase gazeuse un état gazeux ou un état plasma. Le gaz peut être en particulier en régime moléculaire. La phase gazeuse correspond à l’ambiance contenant les précurseurs dans laquelle est placé un substrat pour la croissance. Cela peut en effet être un gaz ou un plasma dont la pression est comprise entre 10 -5 Torr et la pression atmosphérique, pour les procédés de croissance de type évaporation, pulvérisation, CVD ou ablation laser, mais aussi un ensemble de jets moléculaires dont la pression peut descendre jusqu’à 10 -10 Torr ou moins, pour les procédés de croissance de type épitaxie par jets moléculaires. L’invention utilise pour la détermination de la composition de la phase gazeuse, un système de contrôle 1 de dépôt de couches minces. Le système de contrôle 1 est utilisé dans un réacteur 10 de dépôt en phase gazeuse. Le système de contrôle 1 de dépôt de couches comporte au moins une source de lumière 2. La source de lumière 2 est une lampe à cathode creuse ou lampe HCL. Les lampes HCL 2 émettent un ensemble de raies caractéristiques d’un seul élément chimique constituant la cathode. Il faut donc généralement une lampe HCL 2 par élément à mesurer. Dans les exemples de réalisation des figures 3 et 4, le système de contrôle 1 comporte deux lampes HCL 2. Deux éléments sont donc mesurés dans ces exemples non limitatifs. Le spectre d’émission de la lampe HCL 2 est discret. Autrement dit, les raies sont séparées les unes des autres par des régions spectrales où l’intensité émise est nulle. Les caractéristiques spectrales de ces raies, et notamment leur largeur spectrale, sont très proches de celles des raies d’absorption. Cela permet de lever la contrainte sur la résolution. La sélectivité spectrale du système de contrôle 1 doit simplement permettre de séparer les raies des différents éléments à mesurer. La lumière émise par chaque lampe HCL 2 est séparée en une voie de mesure Meas et une voie de référence Ref. La voie de référence sert à corriger les variations d’intensité de la lampe HCL 2. Selon un autre exemple de réalisation, la source de lumière peut être une lampe HCL à cathode multi-éléments. Le système de contrôle 1 de dépôt de couches comporte en outre une cavité optique 3 et un système d’analyse de lumière 4. La cavité optique 3 entoure la phase gazeuse donnant lieu au dépôt de couches minces. A cet effet, la cavité optique 3 est configurée de sorte qu’une lumière émise par la source de lumière 2 se trouve piégée dans la cavité optique et interagisse avec la phase gazeuse. La cavité optique 3 comprend au moins deux miroirs 31. La phase gazeuse à analyser se situant dans la cavité optique, la lumière est réfléchie par les miroirs. Ainsi, au lieu d’interagir une seule fois avec le gaz comme dans les systèmes OFM existants, la lumière effectue un grand nombre d’aller-retours (jusqu’à 1000 passages). Cela augmente considérablement la longueur d’interaction lumière/gaz, et par conséquent l’absorbance et donc le rapport signal sur bruit de la mesure (SNR), conduisant ainsi à une forte réduction de l’incertitude de mesure. Une précision sur la mesure de la vitesse de croissance meilleure que le % est ainsi facilement atteinte, même à faible vitesse de croissance. Les miroirs 31 peuvent être disposés à l’intérieur du réacteur 10 (comme sur les figures 3, 4) ou à l’extérieur du réacteur 10. Les miroirs 31 sont assemblés sur des accès optiques (non schématisés) du réacteur 10. Par exemple, les miroirs 31 peuvent être assemblés au réacteur 10 au moyen de brides de montage. Les brides de montage sont de préférence protégées de dépôts parasites pouvant se former sur les miroirs 31 et qui altéreraient les propriétés optiques de la cavité optique 3. Les brides de montage sont par exemple placées en retrait de la phase gazeuse. Alternativement ou en complément, des systèmes de pompage différentiel à proximité des miroirs 31 peuvent être installés pour éviter les dépôts parasites. Alternativement ou en complément, les brides de montage peuvent être chauffantes pour éviter les dépôts parasites. Les réflectivités R des miroirs 31 peuvent être différentes. De préférence, les miroirs 31 ont la même valeur de réflectivité R. La réflectivité des miroirs 31 optimale dépend de l’ordre de grandeur de l’absorbance à mesurer. Si plusieurs raies présentant des absorbances très différentes sont à mesurer simultanément, un compromis doit être fait sur la réflectivité R. Les rayons de courbure R C des miroirs 31 peuvent être différents. De préférence, les miroirs 31 ont la même valeur de rayon de courbure R C. Le rayon de courbure R C est choisi de sorte que la cavité optique 3 soit stable optiquement. La cavité optique 3 présente une longueur L. La longueur L de la cavité optique 3 est comprise entre quelques dizaines de cm et 3 m. La cavité optique 3 présente un intervalle spectral libre ISL cav dépendant de la longueur L de la cavité. L’intervalle spectral libre ISL cav diminue lorsque la longueur L augmente. La longueur L de la cavité optique 3 et donc l’intervalle spectral libre ISL cav sont configurés de sorte que la largeur spectrale des raies d’absorption mesurées par le système d’analyse de lumière 4 recouvre un nombre minimum de modes de résonance. De préférence, l’intervalle spectral libre ISL cav doit être suffisamment petit afin que la largeur spectrale de la raie d’absorption à mesurer contienne au moins 10 modes de résonance de la cavité. Cela permet de moyenner le bruit lié à la discrétisation de la raie d’absorption. La largeur spectrale des raies à mesurer est comprise entre 2 et 10 GHz. Selon un exemple avantageux, la cavité optique 3 est confocale. Le rayon de courbure R C est égal à la longueur L de la cavité optique 3. Pour une cavité confocale, l’intervalle spectral libre ISL cav est donné par l’expression c/2L, où c est la vitesse de la lumière. Une cavité optique 3 de longueur L supérieure à 30 cm permet minimiser l’intervalle spectral libre ISL cav et ainsi de respecter la condition susmentionnée d’au moins 10 modes de résonnance de la cavité. Une répartition spectrale optimale des modes de résonance de la cavité optique 3 est notamment obtenue. Comme visible sur la figure, les signaux Meas1, Meas2 sont envoyés dans le réacteur 10. Les signaux Meas1, Meas2 traversent la phase gazeuse à analyser. Les signaux Ref1, Ref2 passent à l’extérieur du réacteur 10 sans traverser la phase gazeuse à analyser. Le système d’analyse de lumière 4 est configuré pour analyser une lumière émise par la lampe à cathode creuse 2 et traversant la cavité optique 3 en mesurant l’absorbance optique d’au moins une espèce de la phase gazeuse traversée par la lumière. Le système d’analyse de lumière 4 peut être un spectromètre, comme cela est le cas dans l’exemple de la . Le spectromètre comprend un monochromateur 40 de moyenne résolution. Le monochromateur comprend typiquement deux miroirs et un réseau de diffraction. La focale du monochromateur est généralement comprise entre 5 cm et 40 cm, ce qui permet d’obtenir des résolutions entre 0,5 nm et 5 nm. La plage de longueur d’onde accessible par le monochromateur, liée à la l'efficacité du réseau de diffraction, est de l’ordre de plusieurs centaines de nm. Les signaux Meas et Ref sont séparés spectralement par le monochromateur 40. Le spectromètre est muni d’une caméra 41. Les voies Meas et Ref sont séparées spatialement sur la caméra 41 pour chaque voie. La caméra 41 reproduit la géométrie selon laquelle les voies Meas et Ref ont été injectées dans le monochromateur 40. Cela est par exemple réalisé au moyen d’un faisceau de deux fibres optiques dont les cœurs sont placés l’un au-dessus de l’autre. Une autre technique consiste à placer les cœurs de fibre l’un à côté de l’autre comme décrit dans le brevet US11226288. La caméra 41 peut être une caméra CCD ou une caméra CMOS. La caméra 41 présente préférentiellement un bruit de lecture inférieure à quelques e- RMS, et un courant d’obscurité faible ( Selon un autre exemple de réalisation représenté à la , le système d’analyse de lumière 4 comprend un photodétecteur 42. Le photodétecteur 42 comprend un dispositif de multiplexage temporel ou fréquentiel des signaux de lumière (ici Ref 1, Ref 2, Meas 1 et Meas 2 ) reçus depuis chaque lampe à cathode creuse 2. Une modulation est réalisée par exemple au moyen de choppers optiques. Un chopper optique est prévu par voie Meas et par voie Ref. Le système d’analyse de lumière 4 comprend en outre un démultiplexeur 43. Le démultiplexeur 43 est configuré pour séparer les signaux de lumière reçus par le photodétecteur 42. Ainsi, les voies Ref 1, Ref 2, Meas 1 et Meas 2 sont séparées par multiplexage temporel ou fréquentiel. Le système de contrôle selon l’invention permet, grâce à l’insertion d’une cavité optique autour de la phase gazeuse à mesurer, à la lumière d’effectuer de nombreux passages à travers la phase gazeuse. Le nombre de passage de la lumière dans la phase gazeuse dépend notamment de la réflectivité des miroirs. Le rapport signal sur bruit de la mesure et la précision de la mesure sont ainsi améliorés. Bibliographie [Y. Du et al. 2014] : Du, Yingge, et al. "Self-corrected sensors based on atomic absorption spectroscopy for atom flux measurements in molecular beam epitaxy." Applied Physics Letters 104.16 (2014): 163110. Système de contrôle de dépôt de couches minces par croissance en phase gazeuse dans un réacteur (10) de dépôt, la phase gazeuse correspondant à un état gazeux ou un état plasma, le système de contrôle comportant : une lampe à cathode creuse (2) ; une cavité optique (3) comportant au moins deux miroirs (31), et configurée de sorte qu’une lumière émise par la source de lumière (2) se trouve piégée dans la cavité optique (3) et interagisse avec la phase gazeuse donnant lieu au dépôt de couches minces ; et un système d’analyse de lumière (4) configuré pour analyser une lumière émise par la lampe à cathode creuse (2) et traversant la cavité optique (3) en mesurant l’absorbance optique d’au moins une espèce de la phase gazeuse traversée par ladite lumière. Système de contrôle selon la revendication 1, dans lequel la cavité optique (3) entoure la phase gazeuse. Système de contrôle selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la cavité optique (3) est confocale. Système de contrôle selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les miroirs (31) sont assemblés sur des accès optiques du réacteur (10), lesdits miroirs (31) étant disposés à l’intérieur ou à l’extérieur du réacteur (10). Système de contrôle selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la longueur (L) de la cavité optique (3) est choisie de sorte que la largeur spectrale des raies d’absorption mesurées par le système d’analyse de lumière (4) recouvre un nombre minimum de modes de résonnance, ledit nombre minimum étant de préférence égal à 10. Système de contrôle selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le système d’analyse de lumière (4) est un spectromètre. Système de contrôle selon la revendication 6, dans lequel le spectromètre comprend un monochromateur (40) de moyenne résolution de l’ordre du nanomètre. Système de contrôle selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel le spectromètre est muni d’une caméra (41), de préférence une caméra CCD ou CMOS. Système de contrôle selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le système d’analyse de lumière (4) comprend un photodétecteur (42) et un démultiplexeur (43), le photodétecteur (42) comprenant un dispositif de multiplexage temporel ou fréquentiel de signaux (Meas1, Meas2, Ref1, Ref2) de lumière reçus depuis la lampe à cathode creuse (2), le démultiplexeur (43) étant configuré pour séparer lesdits signaux (Meas1, Meas2, Ref1, Ref2) de lumière reçus par le photodétecteur (42).