Brevet FR2027422A1 — publié le 19700925

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux procédés et appareils pour chauffer un article à une température moyenne uniforme sur toute sa surface et pour penmettre celle-ci à un courant de fluide ayant une composition moyenne uniforme,et 5 elle concerne plus particulièrement, mats non exclusivement , le dépôt de couches très uniformes sur une pastille semi-conductrice par décomposition thermique de certains gaz réactifs . Les réacteurs utilisés jusqu'à présent pour déposer chimiquement des pellicules épitaxiales, des pellicules polycristallines, 10 des pellicules diélectriques et similaires au cours de la fabrication de dispositifs semi-conducteurs se sont révélas incapables de déposer des pellicules d'une épaisseur uniforme avec une précision plus grande que + 5# sur une pastille de 32 mm de diamètre . Les pellicules épitaxiales déposées par les réacteurs de 15 la technique antérieure présentant des gradients de résistivité encore plus importants par suite des variations de la température du substrat , ce qui se traduit par des variations du niveau de dopagë de la pellicule sur l'étendue de la pastille . Les réacteurs les plus perfectionnés servant à la mise en oeuvre de tels 20 procédés utilisent une technique consistant à placer les pastilles semi-conductrices sur la surface horizontale d'une susceptance que l'on soumet ensuite à un mouvement de translation par rapport aussi bien au champ haute-fréquence qu'au courant du réactif . L'invention concerne vin réacteur perfectionné dans lequel 25 on chauffe les pastilles ou substrats semi-conducteurs à un» température moyenne très uniforme sur toute l'étendue de la pastille et ôn soumet cette pastille , sue toute son étendue, à un courant de réactifs d'une composition moyenne très uniforme. .On aboutit à ce résultat en soumettant la pastille à un mouvement de trans-30 lation sur la surface de la susceptance ou du support utilisé pour chauffer cette pastille, et tout en lui faisant subir un mouvement de translation dans le courant de réactifs .Plus précisément, on soumet la pastille, à la fois, à un mouvement de translation suivant un trajet circulaire et à un mouvement de 35 rotation autour de son propre axe, par rapport à la fois au courant de réactifs et à la susceptance .On fait également tourner la susceptance autour de son axe et on la soumet à une translation par rapport à un champ haute-fréquence, de sorte qu'on obtient un chauffage uniforme de la susceptance . 40 L'invention offre l'avantage d'un placement des pastillés 69 43664 2 2027422 suivant un angle d'inclinaison .Cette caractéristique réduit la contamination par des particules solides qui viennent sur la pastille, réduit la nécessité d'une grande uniformité de la composition du courant de réactifs dans la zone de réaction et permet 5 l'utilisation d'une chambre sous vide d'une dimension notablement plus faible que ce n'était le cas dans les appareils connus à utiliser pour traiter le même nombre de pastilles de même format. La possibilité de réduire la dimension de la chambre sous e vide permet de diminuer le volume de gaz réactifs , et par con-10 séquént, d'abréger les durées des cycles de purge . En outre, l'appareil décrit réduit la chaleur latente emmagasinée dans l'installation pendant un cycle de traitement et, par voie de conséquence, les temps de mise en route du procédé et de refroidissement .Ainsi, outre qu'on obtient des pellicules d'une qua-15 lité supérieure, le réacteur permet une production plus rapide, son fonctionnement est moins coûteux, il peut recevoir un plus grand nombre de pastilles pour un volume donné de gaz réactifs, son fonctionnement est par conséquent plus sûr et plus efficace et son prix initial est lui aussi plus faible . 20 D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va en être faite ci-appès en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la Fig.l est une vue en perspective d'un réacteur selon l'invention ; 25 la Fig.2.est une coupe verticale partielle du réacteur représenté sur la Fig.l ; la-Pig.3 est une coupe à plus grande échelle d'une partie du réacteur de la Fig.l, et la Fig.4 est une vue en plan quelque peu schématique d'un 30 autre réacteur selon l'invention -, Un réacteur suivant l'invention est désigné par la référence d'ensemble 10réacteur 10 comprend une cloche transparente 12 qui repose sur la surface supérieure 14 d'un socle 16 de façon à définir une chambre .Le socle 16 comporte un certain nombre de 35 composants usuels, qui ne sont pas représentés mais qui comprennent une installation d'établissement du vide ou au contraire d'établissement de pression dans lè clocheil24alnsiiquiun système permettant d'introduire sélectivement un ou plusieurs courants gazeux dans le réacteur et un circuit permettant de faire circuler 40 un fluide de refroidissement à travers le socle .L'appareil com- 69 43664 3 2027422 prend également un mécanisme usuel pour faire tourner un arbre tubulaire 24 qui débouche dans la chambre , pendant qu'un courant de gaz réactif pénètre par cet arbre dans la chambre sous vide . Toutes les parties de l'installation qui ont été décrites jusqu'à 5 , présent sont di*une construction classique . Selon l'invention, un cylindre en quartz 18 définit ion rail circulaire 20 à son extrémité supérieure . Un mécanisme d'entraînement portant la référence d'ensemble 22;comprend l'arbre tubulaire 24 qui est évasé à son extrémité supérieure de manière à 10 définir une coupole sphérique 26, l'arbre et la coupole étant construits sous! forme d'un corps unitaire en quartz. La mise en rotation de l'arbre 24 est assurée par un moteur convenable logé dans le socle 16 et accouplé à l'arbre par une transmission mécanique appropriée d'un modèle classique .Un tel mécanisme d'en-15 traînement peut utiliser un accouplement direct ou un accouplement magnétique . l'autre part, l'extrémité inférieure de l'arbre tubulaire 24 est*.en communication de fluide avec une source d'un gaz réactif disposée à 1'extérieur de la chambre (chambre définie par la cloche 12 et le socle 16) par l'entremise d'un raccord 20 rotatif usuel qui est également unstallé dans le socle 16. Une série de tiges-poussoirs 30 en quartz sont dirigées vers le bas et vers l'extérieur à partir de la bordure 28 de la coupole 26. Six susceptances ou supports en graphite, ayant la forme de 25 disques et indiqués par les références globales 32 à 37, roulent sur le pourtour du rail circulaire 20 sous l'impulsion du mécanisme d'entraînement 22 . Chaque support est construit sensiblement de la façon représentée sur la Fig.3 qui montre un.support particulier 33. Ce support 33, qui a été choisi au hasard , pré-30 sente oan corps principal en forme de disque 40 ayant un prolongement cylindrique 42 se terminant par vin rebord annulaire 44 de manière à définir une gorge annulaire orientée vers l'extérieur 46. Cette gorge annulaire 46 roule sur le rail 20 défihi par le bord supérieur du cylindre 18, tandis que la face postérieure 48 35 du corps 40 coulisse sur la face externe du bord 28 du dôme sphérique 26 du mécanisme d'entraînement 22. Les extrémités des tiges 30 débouchent dans la gorge 46 de manière à venir en contact avec le prolongement cylindrique 42 et faire par conséquent rouler le support 33 sur le rail circulaire 20 lors de la rotation de l'ar-40 k**e 24 . 69 43664 4 2027422 La face avant 50 du support 33 présente trois renfoncements ayant chacun une face plate en creux 52 «t une paroi latérale cylindrique définissant une bordure 54 sur laquelle roule le bord d'une pastille semi-conductrice 56 lors de son coulissem®nt sur 5 la face 52.L«s diamètres des bordures 54 sont plus grands que ceux des pastilles semcL-conductrices 56 et on les choisit, de préférence, de manière que chaque point donné d'une pastille 56 ne décrive pas le même trajet sur la surface 52 lors des révolutions successives du support 33- Les supports peuvent présenter un seul évi-10 dement de grande dimension, comme on l'a représenté sur la face du support 34, polir lui permettre de recevoir une pastille semi-conductrice plus grande 58 ou recevoir une pastille 56. Les supports en graphite 32 à 37x sont chauffés par un enroulement 62 à haute fréquence refroidiaL'eau dont la forme est tron-15 conique et dont la position est étudiée de manière à recouvrir l'espace annulaire entre le rail circulaire 20 et le bord inférieur du dôme sphérique 26 du mécanisme d'entraînement . L'enroulement à haute fréquence 62 est sous forme d'un tube métallique dans lequel circule l'eau de refroidissement .On remarquera que 20 le champ haute-fréquence ne provoque des courants que dans les supports en graphite car tous les autres composants situés dans le champ haute-fréquence, y compris le cylindre l8 et le mécanisme d'entraînement en quartz 22, ne sont pas conducteurs . Dans le cadre général de l'invention, les supports pourraient être chauf-25 fés électriquement, (soit directement ou par rayonnement à partir d'une résistance . On a déjà dit qu'on peut établir le vide ou la pression dans la chambre définie par la cloche 12 et le socle 16 par des moyens usuels . On peut introduire les gaz^réactifs à travers 30 l'arbre tubulaire 24.De plus, une série de diffuseurs 60 sont montés relativement près des faces des pastilles semi-conductrices montées sur les supports, de préférence légèrement au-dessus de «es pastilles, si bien que les gaz introduits à travers^les diffuseurs sontbrassés avec les gaz admis à travers l'arbre 24 inuné-35 diatement avant le passage à travers la zone de réaction dans laquelle circulent les supports . Bien entendu, les gaz réactifs sont soutirés de la chambre à travers un orifice d'évacuation usuel qui n'est pas représenté . On peut utiliser le réacteur 10 pour déposer des pellicules 40 très variées et, en particulier, pour déposer pratpqu ement tou- 69 43664 5 2027422 tes les couches servant à la fabrication d'un dispositif semiconducteur . Par exemple, on peut déposer des pellicules de silice en introduisant du silane par l'arbre d'entraînement 24 et en admettant de l'oxygène par les diffuseurs 60 tout en maintenant 5 les pastilles semi-conductrices à une température comppise entre environ 200 et 500°C .Une couche de passivation en nitrure de silicium peut etre déposée à une température comprise entre 550° et 1200°C environ, en utilisant du silane et de l'ammoniac .On peut exécuter divers dépôts épitaxiaux de silicium à des tempé-10 ratures allant de 900° à 1250°C et en utilisant des gaz réactifs variés . On peut exécuter ces procédés à une pression inférieure à la pression atmosphérique mais cela n'est pas obligatoire .On peut également utiliser le réacteur selon l'invention pour effectuer vin décapage à la vapeur sur la surface du substrat .Lors 15 du fonctionnement du réacteur 10, le placement des pastilles semi-conductrices sur les supports 32 à 37 peut se faire à l'intérieur ou à l'extérieur du réacteur . On place les supports sur le rail 20 dp cylindre 18 de manière que le bord supérieur de chaque support repose en coulissant sur le bord de la partie 20 sphérique fi6 du mécanisme d'entraînement .On peut alors mettre la cloche 12 sur le socle 16 et on peut établir alors le vide dans la chambre ou la purger, selon les besoins . On met en mouvement l'arbre 24 de sorte que les tiges 30 qui descendent à partir de la coupole 26 propulsent les supports 32 à 37 en vue 25 d'un mouvement sur tout le pourtour du rail circulaire 20 . Les xupports roulent sur le rail 20 dans une position dans laquelle la face postérieure 48 glisse sur le bord de la coupole 26 . Lors de la rotation des supports, les bords des pastilles semi-conductrices 56 et 58 roulent sur les bordures 54 des renfonce-30 ments .Etant donné que les diamètres des bordures 54 sont supérieurs à ceux des pastilles semi-conductrices, les pastilles coulissent également sur les faces évidées 52 . Les circonférences des bordures 54 sont plus grandes que celles des pastilles 56, par exemple, et on détermine les diamètres des bordures 54 de 35 manière qu'ils ne représentent pas, de préférence, un multiple entier de la circonférence de la pastille .De ce fait, chaque pastille est entraînée continuellement en rotation autour de son propre axe tout en étant soumise à un mouvement de translation sur un trajet circulaire sur la face du support, pendant que ce 40 dernier roule sur le rail 20, et chaque point de la pastille pas 69 43664 6 2027422 se continuellement sur une portion différente du support, ce qui permet de compenser les anomalies thermiques éventuelles des supports, anomalies qui peuvent provenir d'un manque d1uniformité de la résistance des supports en graphite ou encore des effets 5 d'hystérésis dus à l'espacement , etc .. On peut déterminer les diamètre^ respectifs des pastilles et de l'évidement de manière à assurer la fréquence relative désirée de rotation de la pastille et aussi du support autour de leurs propres axes . La circonférence de la gorge 46 dans iës supports, par rap-10 port à la circonférence décrite par le rail 20, est calculée de manière que chaque point du support décrive un trajet sinusoïdal qui se déplace continuellement en position par rapport au champ haute-fréquence, ce qui permet de compenser les anomalies de ce champ haute-fréquence par l'établissement de moyennes . 15 Les anomalies éventuelles dans le champ gazeux du réacteur sont également, compensées car les pastilles subissent à la fois une rotation autour de leurs propres axes et une translation suivant un trajet circulaire à travers le champ de réaction.VEn outrer lorsque la bordure sur laquelle roulent les pastilles semi-20 conductrices est excentrée par rapport à l'axe des supports correspondants, comme c'est le cas de la bordure 54 sur le support 33* la pastille semi-cônductrice subit une translation suivant un trajet sinusoïdal ou cycloïdal ascendant .Bien entendu, les bordures qui définissent les renfoncements peuvent avoir toute 25 forme désirée pour obliger ainsi les pastilles semi-cendùctrices à remonter et à redescendre pendant qu'elles suivent un trajet circulaire . Par ailleurs l'arbre 24 peut ë'tre légèrement excentré par rapport au cylindre 18 de sorte que l'angle des supports par rapport à la verticale peut, en alternance, augmenter et diminuer 30 à mesure que les supports effectuent leur trajet circulaire .En variante,le rail 20 peut ë'tre irrégulier afin d'assurer le mouve- ■ ment désiré des supports . Grâce à l'utilisation du réacteur 10, on peut déposer des pellicules dont les épaisseurs sont uniformes à + 0,5# , ce qui 35 représente une amélioration évidente sur les techniques connues où le réglage des épaisseurs ne pouvait se faire qu'avec une précision de + 5# • On obtient une amélioration du même ordre de 1'uniformité de la résistivité et des autres caractéristiques électriques . 40 On aboutit à d'autres avantages importants si l'on place les 69 43664 7 2027422 supports suivant un angle par rapport à l'horizontale . Cet asngle d'inclinaison des supports réduit notablement la tendance des particules solides éventuellement présentes dans le courant gazeux à venir se poser sur la surface des pastilles semi-conductrices. 5 cette tendance est encore plus réduite du fait que les pastilles sont en mouvement continu et sont sujettes à une légère vibration. En variante, on peut incorporer ion mécanisme vibratoire dans l'installation pour effectuer la vibration désirée . D'autre part, si l'on place les supports sur la tranche, on est en mesure d'in-10 troduire un plus grand nombre de supports dans une cloche de même diamètre et, par conséquent, de même volume . Par exemple , le volume gazeux nécessaire pour le réacteur 10 ne représente qu'environ 25# de celui qu'il fallait envisager dans les réacteurs connus pour traiter le même nombre de pastilles de même format 15 Ce plus petit volume permet également de raccourcir lescdurées de purge et de dégazéification au début et à l'achèvement du procédé, ce qui raccourcit la durée devant s'écouler entre les cycles successifs .Etant donné que les pastilles sont continuellement en mouvement, des couches épaisses, par exemple des couches 20 épitaxiales , ne provoquent pas de collage entre les pastilles et les supports, comme c'est le cas lorsque les pastilles reposent dans la même position sur le support pendant toute la durée du cycle de dépôt . Une autre technique pour aboutir à un mouvement relatif entre les pastilles et les supports consiste 25 à faire tourner un support incliné autour de son centre de sorte que les pastilles sont amenées à tourner dans les évidements . A la Fig.4 on a représenté un autre réacteur selon l'invention qui edt désigné par la référence d'ensemble 70.A l'examen du dispositif 70 on se rend compte que les concepts fondamentaux 30 du réacteur 10 conviennent particulièrement bien pour la mise en oeuvre d'un procédé continu. Dans le réacteur 70, les supports 72 sont amenés dans la chambre 74 du réacteur le long d'un rail 76, puis ils roulent le long du rail 78 sous l'effet d'un mécanisme d'entraînement 84 et sont finalement soutirés de la chambre 35 le long d'un rail 80 .Un mécanisme (non représenté) peut assurer le chargement et le déchargement des supports sur le rail circulaire 78 à partir des rails 76 et 80. Les gaz réactifs peuvent être introduits à travers l'arbre vertical creux 82 du mécanisme d'entraînement 84 et des diffuseurs 86. Le procédé continu est-40 spécialement recommandé quand on effectue le dépôt dans un en 69 43664 8 2027422 vironnement réglé sous pression atmosphérique, auquel cas les gaz réactifs sont maintenus sous une pression légèrement plus élevée que la pression atmosphérique en vue d'empêcher l'entrée des gaz de l'atmosphère dans la chambre à travers les passages ser-^ vant à introduire les supports dans la chambre et à les retirer de cette chambre. Le trajet des supports peut également être rectiligne à travers ion tunnel,en passant par exemple à contre-courant par rapport aux gaz réactifs . On remarquera que l'un des avantages de l'invention réside 20 en ce que la couche déposée sur une pastille ne lie pas cette pastille au support en raison du mouvement relatif entre la pastille et le support . On peut utiliser une autre technique avec l'invention pour chauffer le substrat de manière à porter initialement sa température au-dessus de son point de Curie, 15 ce qui a pour effet de rendre le substrat conducteur, dette opération pouvant se faire par exemple au moyen d'un chauffage par résistance ou à l'arc et, après que le substrat est conducteur, on peut utiliser le chauffage par induction à haute-fréquence . Avec cette technique, on peut utiliser des supports non -conduc-20 teurs et les supports ne sont alors pas chauffés car seuls les substrats le sont . 69 43664 9 2027422 REVENDICATIONS 1-Procédé de dépôt d'une couche uniforme d'une matière sur ion substrat, en particulier sur des pastilles semi-conductrices, selon lequel on chauffe les pastilles semi-conductrices à l'aide 5 d'au moins une source de chaleur, on expose les pastilles à un courant gazeux et on dépose la matière désirée sur la surface des pastilles à partir dé ce courant gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer les pastilles par rapport à la ou aux sources de chaleur et aussi par rapport à cé courant de gaz réactifs , 10 de sorte qu'on chauffe les pastilles à me température de réaction moyenne uniforme sur toute leur surface et on soumet la surface chauffée dans des conditions uniformes à ce courant gazeux:.. 2-Procédé selon la revendication 1,caractérise en ce qu'on chauffe les pastilles par transmission de la chaleur à partir 15d'un support et on déplace les pastilles par rapport à ce support. 3-Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on dispose les surfaces plates des pastilles semi-conductrices sèu revêtir suivant un angle d'inclinaison notable par rapport à 1'horizontale . 20 4-Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications là 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un support pour les pastilles, des moyens pour chauffer les pastilles sur le support et des mécanismes pour déplacer les pastilles par rapport à ce support . 25 5-Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un mécanisme est prévu pour déplacer le support 6-Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de chauffage chauffent le support et celui-ci chauffe à son tour les pastilles . 30 7-Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pastilles se déplacent suivant un trajet circulaire sur la surface dudit support . 8-Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pastilles tournent autour de leurs axes pendant qu'elles se •55 meuvent sur la surface des supports . 9-Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un arbre tubulaire et des diffuseurs pour introduire les gaz réactifs . 10-Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 9„ 40 caractérisé en ce que chaque support présente au moins un évide- 69 43664 10 2027422 ment dans l'une de ses faces, l'une des pastilles étant logée dans ledit évidement, cet évidement comportant une bordure le long de laquelle roule la pastille . 11-Apparell selon la revendication 10, caractérisé en ce 5 que les supports sont inclinés et peuvent tourner autour d'un axe qui fait un angla avec l'horizontale . 12-Appareil selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les pastilles se déplacent suivant un trajet cycloldal 13-Appareil selon la revendication 10 ou 11, caractérisé 10 en ce que le diamètre du ou des évidemenfes est plus grand que celui des pastilles . 14-Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisé en cè que lesdits supports font un angle avec un axe vertical, les supports peuvent tourner autour de cet axe 15 vertical et aussi autour de leur propre axe central . 15-Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que les supports présentent une gorge dans leur périphérie, cette gorge venant s'emboîter sur un rail pour que les supports puissent rouler le long de ce rail . 20 16-Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit rail est circulaire et les supports sont déplacés sur ce rail à l'aide de tiges-poussoirs en tournant autour de l*axe de l'arbre précité. 17-Appareil selon la revendication 4 , caractérisé en ce 25 que les supports sont conducteurs d'électricité,les moyens de chauffage étant constitués d'un enroulement à haute-fréquence qui produit un champ de haute-fréquence dans une zone parcourue par les supports afin de chauffer lesdits supports et les pastil les semi-conductrices . 30 l8-Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 17, caractérisé en ce que les gaz réactifs s'écoulent de haut en bas sur les pastilles .