JP2021530720A - 光の吸収により物質のフラックスを測定する装置及び対応する測定方法 - Google Patents

光の吸収により物質のフラックスを測定する装置及び対応する測定方法 Download PDF

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Abstract

物質のフラックスを測定する装置１００が提案され、上記装置は、上記物質のフラックスの対象の元素の吸収の波長に対応する波長を有する光のビームを放出するように構成された光源１０と、光コネクタ３０と、光コネクタを介して、上記物質のフラックスを通る第１の光のビームの透過からもたらされる減衰ビームと、上記物質のフラックスを通過しない第１の光のビームの透過からもたらされる非減衰ビームとを受光するように構成され光センサ２０とを備える。装置１００は、光センサが１次元光センサであり、光コネクタが、光コネクタの中心が１次元光センサの中心に位置合わせされるように、非減衰ビームがスペクトル的に１次元光センサの第１の部分に向けられるように、且つ減衰ビームがスペクトル的に１次元光センサの第２の部分に向けられるように、１次元光センサに対して位置決めされている。【選択図】図１

Description

本発明の分野は、例えば原子フラックス又は分子フラックス等、物質フラックス（flux、流れ）の測定及び制御の分野である。
より具体的には、本発明は、物質フラックスをこの物質フラックスによる光の吸収を通して測定する装置に関する。
本発明は、特に、ただし排他的にではなく、成膜率又は成膜速度を制御するために成膜室内で生成される物質フラックスの振幅を決定するように、分子線エピタキシ（すなわち、ＭＢＥ）の技法に適用される。
より包括的には、本発明は、物質フラックスによる光吸収によってスペクトル測定を実施することができる全ての場合において適用することができる。
以下本明細書では、より詳細には、分子線エピタキシの分野に存在するとともに本発明者が直面した問題及び課題を説明するよう努める。本発明は、当然ながら、この特定の応用分野に限定されるものではなく、近似した問題又は同様の問題に直面しなければならない物質フラックスの測定の任意の技法に対して対象となる。
分子線エピタキシ（ＭＢＥ）は、対象の１種以上の化学元素（通常、アルミニウム、ガリウム、ヒ素等）に基づく薄層のエピタキシャル成長を達成するために、例えばガリウムヒ素ウェハ等、事前選択された基板の方に向けられる１つ以上の物質フラックス（原子フラックス及び／又は分子フラックス）を生成することである技法である。この技法により、一組の薄層が、基板上に制御された方法で、通常は１秒あたり１原子層の速度で成長することができる。
分子線エピタキシフレーム（frame）は、一般的に、真空成膜室を備え、その中で、１つ以上の原子フラックス源（通常、エフュージョンセル（effusion cell））から原子フラックスが放出され、各フラックス源は基板の方に、放出される原子フラックスが基板の上で均一に凝縮するように向けられる。
基板上の薄膜の成長を制御するために、エフュージョンセルから蒸着させる原子フラックスを制御する必要がある。このために、エピタキシフレームは、各エフュージョンセルに対して、次の２つの位置を取ることができる機械式シャッタを有する。すなわち、エフュージョンセルから来る原子のフラックスを遮断する閉鎖位置と、エフュージョンセルから来る原子のフラックスを通過させる開放位置とである。
しかしながら、シャッタを一時的に且つ制御されずに開放することにより、未知の大きさの過剰の物質フラックスが生成される。この過渡的現象は、成膜中における物質フラックスの変動の原因である。
学術研究において、目下、分光法により、基板上に堆積した薄層の厚さを推定し、したがって、作成された薄層の積層体の成長を制御する、非破壊的測定且つリアルタイム測定を実施する可能性がわかっている。このような非破壊的測定は、成膜中に真空室内で蒸着する物質フラックスに存在する原子による光の吸収の分光分析に基づく。この分析は、物質フラックスを通過する既知の波長の光ビームの吸光度（rate of absorption）と、この物質フラックスの原子の濃度とともに横切った物質フラックスの厚さとの比例の関連を確立するランベルトベールの法則に基づく。この最後に挙げた量は経時的に比較的安定しているため、吸光度は、主に、フラックスに含まれる物質の密度に基づくものと考えられることが多い。
物質フラックスを測定する既知の解決法は、測定光ビームの生成と伝送アセンブリによる吸収分光法（分光光度計とも称する）による測定装置を使用することにあり、測定光ビームの波長は、対象の元素の吸収波長に対応する。一般に、測定ビームの波長は、物質による光の吸収が最大である波長に一致するように選択される。このために、装置は、測定すべき物質フラックスにおける対象の元素（例えば、ガリウム）に対して、上記元素に基づく中空陰極ランプを備える。測定装置は、所定スペクトル帯に対して高感度であるとともにスペクトル分析に好適な１次元すなわち１Ｄ光センサ（１つの測定次元を有するセンサ）を更に備える。中空陰極ランプ、エピタキシフレーム及び光センサは、観察すべき物質フラックスを通る光の透過による分析を可能にするように配置される。
しかしながら、中空陰極ランプによって放出される光強度は、経時的に著しく変動し（エピタキシによる成膜は数時間持続する可能性がある）、スペクトル測定を不正確にする。この現象は、成膜中の測定の不安定性の別の原因である。
中空陰極ランプの光強度のこの不安定性を考慮するために、１つの解決法は、２次元すなわち２Ｄセンサ（２つの測定次元を有するセンサ）を有することであり得る。この解決法は、以下の二重ビームの生成を含む。すなわち、成膜室内に含まれる物質フラックスを通過する、測定ビームと称される第１のビームと、物質フラックスを通過せず、光センサに直接到達する、参照ビームと称される第２のビームとである。そして、測定ビーム及び参照ビームのそれぞれは、各ビームの光強度を独立して測定し、分析される物質フラックスに対応する透過スペクトルを生成するように、２次元センサを用いて検出される。
この解決法は、測定装置（分光光度計）における２次元センサの使用、したがって、はるかによりコストのかかる分光光度計の使用を必要とするため、実装するのに比較的コストがかかる。
コストのかかる２次元センサを排除する１つの方法は、測定装置に２つの１次元光センサを備え付け、第１のセンサは測定ビームの光強度を測定するのに専用であり、第２のセンサは参照ビームの光強度を測定するのに専用であるようにすることにあり得る。そして、物質フラックスは、中空陰極ランプの強度の変動とは無関係に測定することができ、受光された測定ビーム及び参照ビームは、第１のセンサ及び第２のセンサによりそれぞれ考慮される。２つのセンサの温度変化に関連するあらゆる測定ドリフトを考慮するためには、２つの光センサの感度レベルを連続的に正規化するために追加の参照光源が必要である。
ここでもまた、２つの光センサ（例えば、２つの分光光度計）の使用が必要であるため、実装するのに特にコストがかかる。
したがって、測定信号及び参照信号の測定を可能にしながら、単一の１次元センサを組み込んだ、物質フラックスを測定することができる技法があり得ることが特に有利であることが明白である。
本発明の特定の実施の形態は、物質フラックスを測定する装置であって、
上記物質フラックスの対象の元素の吸収波長に対応する測定波長を有する第１の光ビームを放出するように構成された少なくとも１つの第１の光源と、
光コネクタと、
上記光コネクタを介して、上記物質フラックスを通る第１の光ビームの透過からもたらされる減衰ビームと、上記物質フラックスを通過しない第１の光ビームの透過からもたらされる非減衰ビームとを受光するように構成された光センサと
を備えてなる装置を提供する。
この装置において、光センサが１次元光センサであり、光コネクタが、光コネクタの中心が１次元光センサの中心に位置合わせされるように、非減衰ビームがスペクトル的に１次元光センサの第１の部分に向けられるように、且つ減衰ビームがスペクトル的に１次元光センサの第２の部分に向けられるように、１次元光センサに対して位置決めされている、というものである。
したがって、本発明のこの特定の実施の形態は、単一の測定次元でこれらの光ビームの同時測定を可能にするように、１次元光センサの入力に対して、減衰光ビーム及び非減衰光ビームを受光する光コネクタの位置ずれを故意にもたらすことである、単純且つ革新的な解決法を提供する。
したがって、この解決法は、光源の不安定性に影響を受けない物質フラックスの測定を実施するように低コストの１次元センサを使用する可能性を提供する。
本発明の１つの特定の態様によれば、１次元光センサと光コネクタとはそれぞれ、長手方向軸及び位置合わせ軸に沿って、センサの長手方向軸とコネクタの位置合わせ軸とが厳密に０度よりも大きく且つ厳密に１８０度よりも小さい角度を形成するように、画定されている。
より正確には、位置合わせ軸とセンサの長手方向軸との間に形成される角度は、８５度〜９５度の範囲である。したがって、この角度は、減衰ビーム及び非減衰ビームからもたらされるスペクトル表現の十分なスペクトルシフトを確保するために９０度に十分近いままである。
したがって、こうした構成を有することにより、本発明者は、１つの測定次元で得られるスペクトル信号が、それぞれ測定波長の両側でスペクトル的にシフトする、（減衰ビームからもたらされる）減衰信号と（非減衰ビームからもたらされる）参照信号との組合せに対応することを観察した。これはさらに独創的であり、その理由は、当業者としては、センサに対して光コネクタの位置をずらすということは、検出される光強度を低下させ、したがって、測定信号を劣化させるはずであり、そのため、こうした手法が当業者によって採用されてこなかったためである。実際に、光信号の劣化にもかかわらず、光源の変動に影響を受けにくいままでありながら、適切な条件で物質フラックスを測定することができることが観察された。
本発明の別の特定の態様によれば、１次元光センサは水平に位置決めされ、第１の部分は、１次元光センサの左側部分であり、第２の部分は、１次元光センサの右側部分である。
センサの右側部分及び左側部分は、センサの第１のフォトサイト及び第２のフォトサイト、又はフォトサイトの第１群及び第２群になぞらえることができる。
第１のフォトサイト及び第２のフォトサイト又はフォトサイトの第１群及び第２群は、隣接している場合もあればしていない場合もある。
本発明の１つの特定の態様によれば、装置は、５０〜７０であるａ及び５０〜３０であるｂによりａ／ｂとして定義される光強度分割比に基づいて、第１の光ビームを分割するように構成されたビームスプリッタ素子を備える。
本発明の１つの特定の態様によれば、上記少なくとも１つの第１の光源は中空陰極ランプであり、上記装置は、第２のスペクトル的に安定した光ビームを放出するように構成され且つ上記吸収波長とは異なる波長を有する第２の光源を備え、上記第２のビームは、減衰ビームが取る光路を取ることにより、１次元光センサに向かって放出される。
例えば第２の光源としての発光ダイオードの使用により、光学測定経路の変化に関連する測定ドリフトを考慮することが可能になる。
本発明の１つの特定の態様によれば、１次元光センサによって受光される減衰ビーム及び非減衰ビームは、受光される減衰ビームに対応する測定スペクトル信号と受光される非減衰ビームに対応する参照スペクトル信号との組合せを表す結合スペクトル信号の形態を取る。
本発明の１つの特定の態様によれば、上記物質フラックスに向かって減衰ビームを反射させて、上記物質フラックスを通る第１の光ビームの２回の透過からもたらされる二重減衰ビームを生成するように構成された光学反射手段を備え、１次元光センサは、上記二重減衰ビームを受光し１次元光センサの第２の部分に向けるように構成されている。
こうした構成により、物質フラックス測定の精度を向上させることが可能になる。
本発明の別の実施の形態では、上述した測定装置により（その異なる実施の形態のうちの任意の１つに従って）物質フラックスを測定する方法が提供され、本方法は、１次元光センサの第１の部分によって受光される減衰ビームと、１次元光センサの第２の部分によって受光される非減衰ビームとの関数として、物質フラックスを測定するステップを含む。
本発明の別の実施の形態は、コンピュータプログラム製品を提案し、このコンピュータプログラム製品は、上記プログラムがコンピュータで実行されるときに上述した方法を（その異なる実施の形態のうちの任意の１つにおいて）実施するプログラムコード命令を含む。
本発明の別の実施の形態は、上述した方法を（その異なる実施の形態のうちの任意の１つにおいて）実施するようにコンピュータが実行可能な命令のセットを含むコンピュータプログラムを記憶する、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を提案する。
本発明の他の特徴及び利点は、示唆的且つ非限定的な例として与えられる以下の説明から、そして添付図面から明らかとなるであろう。
本発明の第１の特定の実施形態による測定装置のブロック図である。 ２次元光センサの使用に基づく物質フラックスの吸収による測定の原理を概略的に表す図である。 ２次元光センサの使用に基づく物質フラックスの吸収による測定の原理を概略的に表す図である。 ２次元光センサの使用に基づく物質フラックスの吸収による測定の原理を概略的に表す図である。 １次元光センサの使用に依存する物質フラックスの吸収による測定の原理を概略的に表す図である。 １次元光センサの使用に依存する物質フラックスの吸収による測定の原理を概略的に表す図である。 本発明の第２の特定の実施形態による測定装置のブロック図である。 本発明の１つの特定の実施形態による測定装置に含めることができる処理ユニットの簡易構造を示す図である。
本明細書の全ての図において、同一の要素は同じ参照数字によって示す。
本発明の原理は、１次元の測定のみを用いるセンサにおいて測定信号及び参照信号の同時測定を可能にするために、１次元光センサの入力に対して、減衰光ビーム及び非減衰光ビームを受光する光コネクタの位置ずれを人為的にもたらす独創的な手法に基づく。
図１を参照すると、本発明の第１の特定の実施形態による測定装置１００の簡易図が提示されている。この特定の実施形態では、測定装置１００は、分子線エピタキシの技法により基板Ｓの方向に噴霧される物質フラックスのスペクトル表現を、原子吸収分光光度法によってリアルタイムで提供できるようにする。ここで例として挙げる対象の化学元素は、ガリウム（Ｇａ）である。当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、対象の他の化学元素又は対象の化学元素の組合せを使用することができる。
測定装置１００は、光源１０、ビームスプリッタキューブ４０、分子線エピタキシフレーム５０、１次元光センサ２０、光コネクタ３０及び処理ユニット（図には示さず）を備える。図に示すように、装置１００の要素は、分析すべき物質フラックスを通る光の透過により分析を可能にするように配置されている。
エピタキシフレーム５０は、以下の２つの原子フラックス源が備え付けられた真空成膜室を備える。すなわち、基板Ｓの方に向けられたガリウム原子のビーム（Ｊ１）の放出のために使用される、エフュージョンセルタイプの第１の原子フラックス源Ｌ１と、基板Ｓの方に向けられたヒ素原子のビーム（Ｊ２）の放出のために使用される、エフュージョンセルタイプの第２の原子フラックス源Ｌ２とである。フラックス源Ｌ１には機械式シャッタＣ１が関連し、フラックス源Ｌ２には機械式シャッタＣ２が関連する。図を複雑にするのを回避するために、単に例示的な例として図には２つの原子フラックス源のみを表す。フラックス源の数及び配置は、本例に限定されず、特に作成される堆積物の性質及びタイプに応じて、個別的に適合させることができることに留意するべきである。本明細書の残りの部分では、本発明の理解をより容易にするために、スペクトル測定中、ガリウム原子のフラックス源（Ｌ１）のみがアクティベートされると想定する。当然ながら、本発明の全体的な原理は、複数フラックス源成膜室と同様に単一フラックス源成膜室にも等しく適用される。
装置１００によって実施される測定の原理は、以下の二重ビームの生成に基づく。すなわち、物質フラックスＪ１を通過する第１の測定ビーム（すなわち、減衰ビーム）と、物質フラックスＪ１を通過せず、１次元光センサ２０に直接到達する第２の参照ビーム（すなわち、非減衰ビーム）とである。
光源１０は、測定すべき原子のフラックスに適合された波長を放出するように、すなわち、原子のフラックスＪ１によるこの波長での光子の吸収を生じさせるように、選択される。本例では、したがって、光源は、ガリウムベースの中空陰極ランプである。このランプには、ガリウム原子の吸収波長（Ｇａ＝４１７ｎｍ）に対応する特徴的な波長を有する光ビームを放出するという利点がある。
本発明による光センサ２０は、ＵＶ波長範囲（通常、３８０ｎｍ〜４５７ｎｍ）に高感度である、例えばＣＣＤアレイタイプの分光計等、１次元光センサである。光センサ２０はＵＶ光の強度を検出するように構成されており、光センサ２０は、光コネクタ３０を介してＵＶ光を受光し、処理ユニットに対して意図された電気信号に変換する。処理ユニットは、一方では光センサ２０に、他方では光源１０に、且つフラックス源Ｌ１及びＬ２を駆動するために成膜室に電気的に接続されている。
一般に、本発明の文脈における「１次元センサ」という用語は、１つの測定次元（measurement dimension）を有するセンサ、又は１つの測定次元のみを用いる２次元センサを意味するように理解される。
測定装置１００の目的は、基板Ｓ上のガリウム原子の成膜の速度を制御するために、フラックス源Ｌ１によって放出される物質フラックスＪ１の振幅を測定することである。このために、光源１０は、ビームスプリッタキューブ４０に向かって、波長λＧａの入射光ビームＢ０を放出する。ビームスプリッタキューブ４０は、ここでは、７０／３０の光強度分割比に基づいて入射光ビームを分割するために使用される。したがって、スプリッタキューブ４０は、入射光ビームＢ０を波長λＧａの第１の透過ビームＢ１と、同じ波長λＧａの第２の反射ビームＢ３とを、上記分割比（ビームＢ１の７０％及びビームＢ３の３０％）で分割するように配置されている。透過ビームＢ１は、成膜室の入口窓に搬送されるために、マルチモード光ファイバＦ１等の光導波路によってエピタキシフレーム５０の成膜室に送られる。光フォーカシング及び／又はコリメーションシステム７０ａが、一方では光ファイバＦ１に、他方では成膜室の壁に結合されており、それにより、透過ビームＢ１を、可能な限り有効に原子フラックスＪ１によって吸収されるように、成膜室内に正確に注入することができる。次いで、光ビームＢ１は、原子フラックスＪ１を通過して、成膜室の出口窓まで進む。そこでは、光ビームからの光の一部分は、上述した原子吸収の現象に従って吸収され、他の部分は通過する。光デフォーカシング又はデコリメーションシステム７０ｂも同様に、一方では出口窓に、他方では光ファイバＦ２に結合されており、それにより、成膜室から出る光ビームＢ２を、１次元光センサ２０に到達する前に光ファイバＦ２内に正確に注入することができる。スプリッタキューブ４０から出る反射ビームＢ３の方は、エピタキシフレーム５０を通過することなく、別のマルチモード光ファイバＦ３内に直接注入される。
エピタキシフレーム５０から来る光ビームＢ２は、入射光ビームＢ０の原子フラックスＪ１を通る伝達からもたらされるため、以降「減衰ビーム」又は「測定ビーム」と称する。
以降、スプリッタキューブ４０から来る光ビームＢ３は、原子フラックスＪ１を通過しない入射光ビームＢ０の伝送からもたらされるため、「非減衰ビーム」又は「参照ビーム」と称する。
光ファイバＦ２及びＦ３は、マルチコア光導波路Ｆ４においてひとまとめにされる。したがって、この光導波路Ｆ４は、減衰ビームＢ２及び非減衰ビームＢ３を光コネクタ３０に移送する。
光コネクタ３０（例えば、ＳＭＡ型コネクタ）は、光導波路Ｆ４の自由先端に配置された光ファイバエンドコネクタである。その機能は、光ファイバＦ２及びＦ３からの光を光センサ２０の入口スリットを通して光センサ２０に透過させることができるように、光ファイバを光センサ２０に位置合わせ（align：アライメント）するとともに機械的に結合することである。こうしたコネクタは、フェルールチップ又は光カプラとも称される場合がある。
ここで、図２ａを参照して、光コネクタ３０と従来技術において存在したような２次元光センサＯＳとの間の構成の一例を提示する。ここでは、断面で見える光コネクタ３０は、（Ｏ；Ｘ；Ｙ）基準系で示されている。光コネクタ３０は、円形断面を有する本体Ｃと、横方向軸Ｘ及びＹに沿って延在する中心Ｏとを備える。本体Ｃは、典型的には２ｍｍ〜１０ｍｍの直径を有し、光導波路Ｆ４の各ファイバに対して、その先端に上記ファイバを収納する開口部を備える。
この構成では、（測定ビームを搬送する）光ファイバＦ２は、本体Ｃの横方向軸Ｙに沿って（参照ビームを搬送する）光ファイバＦ３の上に重ねられている（そのため、これは、垂直位置合わせ（alignment：アライメント）と称する）。言い換えれば、光ファイバＦ２及びＦ３は、光センサＯＳの入力において、「ファイバ位置合わせ軸」と称する本体Ｃの横方向軸Ｙに沿って位置合わせされる。したがって、「光ファイバを位置合わせする」という用語は、光コネクタの中心Ｏが光センサＯＳの中心Ｏ’と位置合わせされるように、且つ光ファイバＦ２及びＦ３の横方向軸Ｙが光センサの長手方向軸Ｙ’（実際には、この軸Ｙ’は、センサの入口スリットの長手方向軸に対応する）と一致するように、光コネクタを配置することを意味するように理解される。ここで、スペクトル測定信号（図２ｂ）及び参照スペクトル信号（信号２ｃ）を同時に視覚化するために、２次元光センサＯＳ、すなわち、２つの測定次元を有するセンサを使用する必要がある。これは、図２ａにおいて、２次元（Ｏ’；Ｘ’；Ｙ’）基準系で示されている。実際には、光ファイバＦ２及びＦ３が、光センサＯＳの入力において垂直に位置合わせされる（それにより、コネクタの位置合わせ軸Ｙはセンサの軸Ｙ’と一致する）と、２次元センサＯＳによって得られる結果としての画像は、図２ｂ及び図２ｃに示すように、空間的に分解され、２つの別個のスペクトル表現を示す。記号「Ｉ」は、第１の測定次元で検出された測定ビームの光強度を表し（センサＯＳの軸Ｙ’に対応して、「Ｉｙ’」は上記軸Ｙ’に沿って検出された光強度を表す）、記号「Ｉｒｅｆ」は、第２の測定次元で検出された参照ビームの光強度を表す（センサＯＳの軸Ｘ’に対応して、「Ｉｘ’」は上記軸Ｘ’に沿って検出された光強度を表す）。見られるように、測定ビームＢ２及び参照ビームＢ３のスペクトル表現を得るために、センサＯＳは、同時に且つ独立して、軸ＯＸ’（第１の測定次元）において参照ビームの光強度を検出し、軸ＯＹ’（第２の測定次元）において測定ビームの光強度を更に検出する。従来技術に関して上述したように、この解決法には、実施するのにコストがかかるという欠点があり、１次元センサの使用は、特に学術研究において、特に有利な解決法を提示することができる。
図３ａは、本発明による光コネクタ３０及び１次元センサ２０の構成の一例を概略的に表す。
ここでは、１次元光センサ２０は、１次元（Ｏ’；Ｘ’）基準系で示されている。この構成では、センサは、水平に位置決めされていると言える。
概念は、光コネクタ３０の中心Ｏが１次元センサ２０の中心Ｏ’に位置合わせされるように、ファイバＦ２の測定ビームＢ２がスペクトル的に１次元センサ２０の第１の部分２１（「左側部分」と称する）に向けられるように、且つ、ファイバＦ３の参照ビームＢ３がスペクトル的に１次元センサ２０の第２の部分２２（「右側部分」と称する）に向けられるように、１次元光センサ２０に対して光コネクタ３０を位置決めする、ということである。
より正確には、この特定の例では、１次元光センサ２０及び光コネクタ３０は、１次元センサ２０の長手方向軸Ｘ’と光コネクタ３０の横方向軸Ｙとが実質的に９０度に等しい角度αを形成するように、互いに対して配置される。このように、位置合わせ軸Ｙ（すなわち、光ファイバＦ２及びＦ３を通る軸）は、受光側において両ビームの波長シフトを故意に発生させるために、１次元センサ２０の長手方向軸Ｘ’と一致しない。この波長シフトは、図３ｂに示す透過スペクトルにおいてΔによって示されている。したがって、光ファイバＦ２及びＦ３が、１次元光センサ２０の入力において水平に位置合わせされる（それにより、位置合わせ軸Ｙがセンサの軸Ｘ’と一致する）場合、センサによって得られる結果としての画像は、単一の別個のスペクトル表現（ＣＳ）を提示する。
この構成は、測定ビームＢ２及び参照ビームＢ３の同時測定を可能にしながら、１つの測定次元を有する光センサを使用する可能性を提供し、これには２次元光センサよりコストが低いという利点があるため、特に有利である。
これは、ビームの波長シフトが最大である１つの特定の実施形態である。しかしながら、以下の全体的な原理を満たす他の構成を想定することが事実上可能である。すなわち、光センサ２０は、センサ２０の長手方向軸Ｘ’とコネクタ３０の位置合わせ軸Ｙとが厳密に０度〜１８０度の位置ずれ角度αを形成するように、光コネクタ３０に対して配置される。言い換えれば、本発明の全体的な原理によれば、光コネクタ３０の位置合わせ軸Ｙは、光センサ２０の入力と位置合わせされなくなる。このように、参照ビームＢ３及び測定ビームＢ２が、１次元光センサ２０の第１の別個のゾーン及び第２の別個のゾーンの方にそれぞれ、スペクトル的に向けられるとすれば、１つの測定次元のみで、参照ビームＢ３と測定ビームＢ２との同時測定を実施することが可能である。
光センサの「ゾーン」又は「部分」という用語は、センサのフォトサイト又はフォトサイト群を意味することが理解される。１つの特定の実施形態では、光コネクタ３０及び１次元光センサ２０は、１次元光センサの上記第１のゾーン及び第２のゾーンが、それぞれ、第１のフォトサイト及び第２のフォトサイト又はフォトサイトの第１群及び第２群に対応するように構成される。
しかしながら、この構成が波長の最大シフトを確実にする限り９０度の角度に近づくことは興味深く、これにより原子フラックスＪ１のより正確な測定が可能である。より正確には、センサの位置合わせ軸と長手方向軸との間に形成される角度は、８５度〜９５度であり得る。したがって、この角度は、９０度に十分に近いままであり、減衰ビーム及び非減衰ビームからもたらされる信号の十分なスペクトルのシフトを確実にする。
図３ｂにおいてＣＳと参照する曲線は、１次元光センサ２０によって生成されるスペクトル信号を表す。実際には、それは、受光される測定ビームＢ２に対応する測定スペクトル信号（ＭＳと参照する線）と受光される参照ビームＢ３に対応する参照スペクトル信号（ＲＳと参照する線）との組合せを表す結合されたスペクトル信号である。光センサ２０の入力に対して角度αだけの２つの光ファイバの位置ずれにより、ガリウムの吸収波長の両側に波長シフト（Δ）が引き起こされることがわかる。そして、この結合されたスペクトル信号ＣＳから、処理ユニットは、中空陰極ランプＬ１の光強度の不安定性に関連する測定ドリフトを考慮しながら、成膜室５０内で蒸着時に原子フラックスＪ１の振幅を推測することができる。ここに示す例では、処理ユニットは、（黒色点によって表される）曲線ＣＳの５つの測定点に基づいて作用して、各ビームの光強度を測定する。したがって、この構成により、中空陰極ランプＬ１の光強度の不安定性に関連するいかなる測定ドリフトも克服することが可能になる。当然ながら、測定の所望の精度に応じて、より多いか又は少ない測定点を考慮することができる。
焦点距離がより長い（すなわち、１０１ｍｍより長い）分光計の使用により、測定信号と参照信号とを更により明確に分離することが可能になり、したがって、測定ドリフトを考慮することがより容易になることに留意しなければならない。代替形態として、測定信号と参照信号とを信頼性高く且つロバストな方法で識別するために、測定の前に較正段階を実施することも可能である。このために、測定信号及び参照信号は、ファイバＦ２及びＦ３に関連する光路を順次閉鎖することにより連続的に得られる。この較正段階により、処理ユニットは、上記２つの線の形状を測定し、したがって、少なくとも２つの異なる波長での曲線ＣＳの測定を通して２つの信号の相対的な部分を求めることができる。より多数の点での測定により、見つけられる解の妥当性を検証することが可能になる。
この構成がフィードバック制御システム（図示せず）に結合された場合、処理ユニットによって得られる測定結果に応じて、フラックス源Ｌ１から蒸着する原子のフラックスの振幅を変調するように、フラックス源Ｌ１に関連するシャッタＣ１の開放及び閉鎖を制御することが事実上可能である。
スプリッタキューブ４０の光強度比７０／３０は、単に例示的な例として与えられていることもまた留意すべきである。スプリッタキューブ４０は、入射ビームＢ０を透過ビームＢ１と反射ビームＢ３とにそれぞれ５０／５０〜７０／３０の光強度比で分割するような形状とすることも大いにあり得る。
ここで図４を参照して、本発明の第２の特定の実施形態による測定装置２００を提示する。
第１の実施形態と比較すると、測定装置２００は、成膜室内で測定ビームを前後に移動させることを可能にする光学構成を提案している。このために、測定装置２００は、光反射器８０を備え、光反射器８０は、成膜室から出ている減衰ビームＢ２を反射し、再度原子フラックスＪ１を通して戻るように送って、原子フラックスＪ１を通る光ビームの２回の通過からもたらされる二重減衰ビームＢ２’を生成するように適合される。この二重減衰ビームＢ２’は、光ファイバＦ２’により、フレーム５０の入力から光コネクタ３０まで誘導される。
光ファイバＦ２’及びＦ３はマルチコア光導波路Ｆ４においてひとまとめにされる。したがって、この光導波路Ｆ４は、二重減衰ビームＢ２’（測定ビーム）及び非減衰ビームＢ３（参照ビーム）を、光コネクタ３０を介して１次元光センサ２０に移送する。
１次元光センサ２０に対する光コネクタ３０の位置決めは、第１の実施形態に示すものと同一である。したがって、非減衰ビームＢ２は、スペクトル的にセンサの第１の部分２１に向けられ、二重減衰ビームＢ２’は、スペクトル的にセンサの第２の部分２２に向けられる。
減衰ビームＢ２の関数として物質フラックスの測定を実施する代わりに、処理ユニットは、ここでは、１次元光センサにより、二重減衰ビームＢ２’の関数として物質フラックスの測定を実施する。したがって、この特定の構成で得られるスペクトル測定値はより正確である。
当然ながら、光反射器の使用は１つの特定の例であり、例えば、光学ミラー等、光反射の同じ機能を果たす他の手段を用いることができる。
１つの特定の態様によれば、測定装置２００は、較正光源と称する光源９０を更に備え、その波長は、放出される放射線が、フラックス源から来る原子フラックスのいずれによっても吸収されないといったものである。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用を、そのスペクトル安定性という特性により想定することができ、その波長λＤＥＬは、中空陰極セル１０によって放出される光ビームの波長とは異なるが、光センサ２０によって検出可能である。典型的には、波長λＤＥＬ＝４５０ｎｍの発光ダイオードを使用することができる。このダイオード９０は、較正光ビームが、（光源１０から光センサ２０への）減衰信号を測定する役割を果たす二重減衰ビームＢ２’と同じ光路を取るように、測定装置２００内に配置される。ここで、ダイオード９０は、光源１０と共通の入力光ファイバＦ０に結合される。この較正ビームの連続測定により、ダイオード９０からの較正ビームが光ファイバＦ３内に進むのを防止する（較正ビームは、実際には、測定アームのみを通り、参照アームを通ってはならない）ように構成されている光学フィルタ（図には示さず）又はビームスプリッタ（ビームスプリッタ４０等）により、二重減衰ビームＢ２’の光強度の測定のための較正信号を得ることが可能になる。この較正ビームの光強度の連続監視により処理ユニットは、連続的に光路の位置合わせを制御し、原子フラックス測定信号をこの参照信号と比較することにより、例えばエピタキシフレーム５０の膨張に関するいかなるドリフトも考慮することができる。実際に、高温に晒されたとき、エピタキシフレームは膨張することが一般的であり、したがってこれにより光学測定経路が不安定になる。
実施形態のうちの任意の１つに従って上述した測定装置は、分子線エピタキシの技法に適している。この測定装置は、光吸収による測定が可能な物質堆積又は蒸着の他の任意の技法に適用することができる。
この測定装置により、異なる重ね合わされた薄層の積層体の製造のためにフラックス源Ｌ１及びＬ２の独立した動作が可能になる。この測定装置により、いくつかのフラックス源の同時動作といくつかの原料の同時堆積ともまた可能になる。したがって、各測定光ビームが特定の原子フラックスによって吸収されると、同時に放出される原子フラックスの振幅を測定することが可能である。
原子フラックス源Ｌ１及びＬ２に、個々のシャッタＣ１及びＣ２が備え付けられるため、各原子フラックス源Ｌ１及びＬ２からの原子フラックスＪ１及びＪ２の振幅を変調しながら、いくつかの原料を連続的に又は同時に堆積させることができる。
図５は、本発明の１つの特定の実施形態による測定方法を実装する処理ユニットの簡易構造を示す。方法を初期化すると、処理ユニットは、１次元光センサの第１の部分によって受光された減衰ビームと１次元光センサの第２の部分によって受光された非減衰ビームとの関数として、物質フラックスを測定するステップを実施する。
この処理ユニットは、ランダムアクセスメモリ６３（例えば、ＲＡＭ）と、例えばプロセッサが備えられ、且つリードオンリメモリ６２（例えば、ＲＯＭ又はハードディスクドライブ）に記憶されたコンピュータプログラムによって駆動される、処理モジュール６１とを備える。初期化時、コンピュータプログラムのコード命令は、例えば、ランダムアクセスメモリ６３にロードされ、そして、処理モジュール６１のプロセッサによって実行される。処理モジュール６１は、１次元光センサ２０によってその２つの別個のゾーンにおいて検出された減衰ビーム及び非減衰ビームから得られる結合されたスペクトル信号６０を入力する。処理モジュール６１のプロセッサは、プログラム６２の命令に従って、結合されたスペクトル信号６０を処理して、時点ｔにおいて測定された物質フラックスの振幅に関するリアルタイム情報６４を出力する。
図５は、物質フラックスを測定するいくつかのあり得る方法のうちの１つの特定な方法のみを示すものである。実際には、本発明の技法は、
−命令のシーケンスを含むプログラムを実行する再プログラム可能な計算機（ＰＣコンピュータ、ＤＳＰプロセッサ又はマイクロコントローラ）において、又は、
−専用の計算機（例えば、ＦＰＧＡ若しくはＡＳＩＣ等の一組の論理ゲート、又は他の任意のハードウェアモジュール）において、同様に十分に実施される。
本発明が、再プログラム可能な計算機で実装される場合、対応するプログラム（すなわち、命令のシーケンス）は、取外し可能又は非取外し可能な記憶媒体（例えば、フロッピディスク、ＣＤ−ＲＯＭ又はＤＶＤ−ＲＯＭ等）に記憶することができ、この記憶媒体は、部分的に又は全体的にコンピュータ又はプロセッサによって可読である。

Claims (8)

  1. 物質フラックスを測定する装置（１００）であって、
    前記物質フラックスの対象の元素の吸収波長に対応する測定波長を有する第１の光ビームを放出するように構成された少なくとも１つの第１の光源（１０）と、
    光コネクタ（３０）と、
    前記光コネクタを介して、前記物質フラックスを通る前記第１の光ビームの透過からもたらされる減衰ビームと、前記物質フラックスを通過しない前記第１の光ビームの透過からもたらされる非減衰ビームとを受光するように構成された光センサ（２０）と
    を備えてなり、
    前記光センサが１次元光センサであり、
    前記光コネクタが、該光コネクタの中心が前記１次元光センサの中心に位置合わせされるように、前記非減衰ビームがスペクトル的に前記１次元光センサの第１の部分に向けられるように、且つ前記減衰ビームがスペクトル的に前記１次元光センサの第２の部分に向けられるように、前記１次元光センサに対して位置決めされていることを特徴とする装置。
  2. 前記１次元光センサと前記光コネクタとはそれぞれ、長手方向軸（Ｘ’）及び位置合わせ軸（Ｙ）に沿って、前記１次元光センサの前記長手方向軸（Ｘ’）と前記コネクタの前記位置合わせ軸とが厳密に０度よりも大きく且つ厳密に１８０度よりも小さい角度（α）を形成するように画定されている、請求項１に記載の装置。
  3. 前記１次元光センサは水平に（Ｘ’）位置決めされ、前記第１の部分は、前記１次元光センサの左側部分（２１）であり、前記第２の部分は、前記１次元光センサの右側部分（２２）である、請求項１に記載の装置。
  4. ５０〜７０の範囲のａ及び５０〜３０の範囲のｂによりａ／ｂとして定義される光強度分割比に基づいて、前記第１の光ビームを分割するように構成されたビームスプリッタ素子（４０）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記少なくとも１つの第１の光源は中空陰極ランプであり、前記装置は、スペクトル的に安定した第２の光ビームを放出するように構成され且つ前記吸収波長とは異なる波長を有する第２の光源（６０）を備え、前記第２の光ビームは、前記減衰ビームが取る光路を取ることにより、前記１次元光センサに向かって放出される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記１次元光センサによって受光される前記減衰ビーム及び前記非減衰ビームは、受光される前記減衰ビームに対応する測定スペクトル信号（ＭＳ）と受光される前記非減衰ビームに対応する参照スペクトル信号（ＲＳ）との組合せを表す結合スペクトル信号（ＣＳ）の形態を取る、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記物質フラックスに向かって前記減衰ビームを反射させて、前記物質フラックスを通る前記第１の光ビームの２回の通過からもたらされる二重減衰ビームを生成するように構成された光学反射手段（８０）を備え、前記１次元光センサは、前記二重減衰ビームを受光し前記１次元光センサの前記第２の部分に向けるように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の測定装置によって物質フラックスを測定する方法であって、前記１次元光センサの前記第１の部分によって受光される前記減衰ビームと、前記１次元光センサの前記第２の部分によって受光される前記非減衰ビームとの関数として、前記物質フラックスを測定するステップを含むことを特徴とする、方法。
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