Brevet FR2038216A1 — publié le 19710108

L'invention concerne le développement de barres ou de cristaux, et; plus particulièrement, un procédé visant à empêcher la formation d'un rebord autour du périmètre d'un bloc de matière à partir duquel on tire une barre. 5 Les barres monocristallines de matières semi-conduc trices ont une grande importance dans l'industrie électronique, A mesure que l'utilisation de ces barres monocristallines se développe,. on recherche, des procédés moins coûteux permettant de les fabriquer et des procédés permettant de diminuer les 10 impuretés. intérieurement, on développait des barres monocristallines en fondant dans un creuset un bloc ou charge de la matière désirée, en plongeant dans la matière fondue un germe cristallin approprié et en retirant ce germe cristallin de la ma-15 tière fondue à une vitesse suffisante pour tirer ou développer un cristal. Ce procédé est largement connu pour le développement de cristaux sous le nom de procédé de Czochralski et on en connaît de nombreuses variantes. Toutefois, l'utilisation d'un creuset pour contenir 20 la matière fondue présente l'inconvénient que des impuretés telles que l'oxygène peuvent diffuser de la paroi chauffée du creuset dans la matière fondue. En outre, pour les matières qui fondent à des températures élevées comme le silicium et le germanium, il se produit des difficultés dues au fait que les 25 parois du creuset deviennent plastiquement déformables à ces tempérairures élevées. En conséquence, on a essayé ou mis au point divers procédés permettant de développer des cristaux en partant d'un bloc de matière auto-portant pour éviter la pollution causée 30 par le développement à.partir d'un creuset. Plus partiôulière-ment, le brevet des E.U.A. ïï° 2.858.199 décrit un procédé consistant à développer des cristaux en partant.d'une charge en forme de socle en matière appropriée qui constitue à la fois la source de matière à fondre et un creuset pour la matière 35 fondue. Succinctement, le procédé de ce brevet antérieur consiste à bombarder la portion centrale de la surface supérieure d'un bloc de matière appropriée au moyen d'un faisceau d'électrons jusqu'à ce qu'une réserve de matière fondue se forme au 40 centre de la surface supérieure et soit contenue dans le péri- 70 11919 2 2038216 mètre du bloc par la portion non fondue de cette surface supérieure. On plonge alors un germe cristallin approprié dans la réserve de matière fondue et on le tire de la réserve à une vitesse qui permet la solidification de la matière fondue sou-5 levée de la réserve sur le germe cristallin. Lorsque le germe cristallin a tiré depuis un certain temps de la matière fondue du centre de la charge en forme de socle, une part notable de la charge a été enlevée et il se forme un creux dans la portion centrale de la charge. D'un autre 10 point de vue, on peut dire qu'il s'est formé un rebord dans la charge en forme de socle. On a trouvé que le développement d'un tel rebord sur la charge en forme de socle est la source de plusieurs inconvénients dans le développement de cristaux par le procédé cité. 15 La portion de rebord non fondue de la charge en forme de socle ne peut pas être efficacement remoulée en une nouvelle charge pour être utilisée ensuite. Ainsi, cette matière première coûteuse est gaspillée. En outre, le diamètre et la longueur du cristal que l'on peut tirer à partir d'un tel socle sont néces-20 sairement limités par la largeur que doit avoir le rebord non fondu de la charge pour confiner la portion fondue de la charge sans fondre lui-même. De plus, on comprend que pour une charge donnée en forme de socle d'une grandeur quelconque, à mesure que la totalité de cette charge fond et augmente la réserve de 25 matière fondue, la grandeur du cristal que l'on peut étirer de cette réserve augmente aussi. L'élimination du développement d'un rebord non fondu sur la charge augmenterait la quantité de matière qui s'ajoute à la réserve. Ainsi, si l'on veut développer le plus grand cristal 30 possible en partant d'une charge- donnée en forme de socle et faire l'usage le plus efficace des matières premières, de l'appareil d'étirage du cristal, de l'énergie nécessaire pour porter la charge à son point de fusion et du temps nécessaire pour mettre en route et achever chaque développement de cristal, il 35 ne faut pas permettre la croissance d'un rebord sur la charge en forme de socle. Un autre problème a trait au fait que le champ thermique existant dans la charge en forme de socle et la réserve de matière fondue influe directement sur la croissance d'un cris-40 tal et doit être réglé soigneusement. On a trouvé que le déve- 70 11919 2038216 1 loppement d'un rebord sur la charge en forme de socle fait varier notablement le champ thermique pendant la croissance du cristal. On a trouvé que cette variation était très difficile à maîtriser et que, fréquemment, elle eœpeche la croissance du cristal. ■-5-, Enfin, pour suivre et régler les variables mises en - jeu dans la croissance d'un cristal, il est nécessaire de pouvoir surveiller optiquement presque à tout moment l'interface ■cristal-réserve. Cette surveillance est nécessaire au dévelop- - pement tant manuel qu'automatique de cristaux. Toutefois, quand 10 on-laisse se former un rebord sur la charge en forme de socle, la visibilité de l'interface cristal-réserve est d'abord diminuée, puis supprimée à mesure que cette interface s'enfonce graduellement dans la charge en forme de socle. Le but principal de l'invention est donc de fournir un 15 procédé perfectionné permettant de développer des barres semi-conductrices monocristallines ou polycristallines à partir d'un - sodé qui ne présente pas les-inconvénients ci-dessus ni d'autres inconvénients des procédés antérieurs de ce type. Plus particulièrement, l'un des buts de l'invention 20 est de fournir un procédé permettant de développer des barres semi-conductrices à partir d'un bloc de matière, qui soit efficace et économique et qui permette de développer une barre plus grande par l'utilisation de pratiquement tout le bloc de matière. 25 Un autre but est de fournir un procédé permettant de développer des barres semi-ccr.ductriceF à partir d'une charge en forme de socle, qui permette à tout moment une surveillance - - optique de l'interface barre-réserve et qui assure un champ thermique à peu près constarn dans la charge en forme de socle 30 et la réserve de matière fondue. En fonction de ces outs et d'autres buts, l'invention prévoit un procédé pour développer des barres semi-conductrices monocristallines ou polycristal"1.:nés à partir d'une charge en forme de socle et à empêcher simultaniment la-formation drun 35 rebord de matière non fondus autv.ir iu périmeure de char- . ge. Selon l'invention, on c-jr.:. par faire tourner -iz- façon .continue la charge en forne C? socle autour de son ax° vertical. ; Puis on dirige un faisceau am-i'-ire d'électron-; sur la surface supérieure de la charge en forme de socle Ce façon que le cen-40 tre de l'anneau défini par l'intersection du faisceau annulaire BÂD ORIGINAL 70 1191S 2038216 et de la surface supérieure de la charge en forme de socle soit décalé relativement au centre de cette surface supérieure. En outre, une portion de l'anneau s-'étend jusqu'au périmètre de la surface supérieure et est pratiquement juxtaposée à une 5 portion de ce périmètre et une autre portion de l'anneau s'étend aussi au delà du centre de la surface supérieure, du côté diamétralement opposé à celui où est situé le centre de l'anneau. Ainsi, chaque portion de toute la surface supérieure de la charge en forme de socle est exposée périodiquement à 10 l'effet de.chauffage du faisceau annulaire d'électrons et incorporée à la réserve de matière fondue que porte la surface. Un germe cristallin est alors plongé dans la réserve au voisinage de la portion la plus froide de celle-ci qui se trouve généralement au voisinage du centre de l'anneau d'électrons, 15 puis tiré de celle-ci. On poursuit alors ce processus jusqu'à ce que la charge en forme de socle soit pratiquement consommée et qu'il en résulte le développement d'une barre semi-conductrice . D'autres buts et avantages apparaîtront à l'homme de 20 l'art à la lecture de la description détaillée ci-après qui se réfère aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 est une vue en élévation verticale, partiellement en coupe, d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en perspective d'un bloc cy-25 lindrique de' matière à partir duquel on étire une barre selon le procédé de l'invention, et la figure 3 est une vue en coupe verticale d'une charge en forme de socle de la technique antérieure, montrant la formation d'un rebord sur cexle-ci. 30 On considérera maintenant les dc-c-sins sur lesquels les mêmes références désignent des partiee semblables ou correspondantes sur toutes les figures; la figure 1 montre un. four de développement de barres cemi-conductricos comprenant urt récipient vide d'air 10 qui est h4naéti«raenerit assujetti à 35 une base 13. Le récipient 10 peut Ct-'e formé de quarts o i d'acier inoxydable et peut être muni d'un tube de raccordement permettant de faire le ^rlds dans le ré-îipient et d'une fenêtre en verre 12 à travers laquelle on peut observer le déroulement du procédé de l'invention quand on le pratique à l'inté-40 rieur du récipient 10. 70 11919 2038216 5 A l'intérieur du récipient 10, sur un support 15 de préférence maintenu au potentiel électrique de la terre et fixé à l'extrémité d'un arbre 16 monté de manière à pouvoir aller et venir et tourner comme indiqué par les flèches cor-5 respondantes, est monté un "bloc de matière autoportant ou charge en forme de socle 17 à partir duquel il s'agit de développer -une barre semi-conductrice. En particulier, le bloc de matière 17 peut être un bloc de silicium, de germanium ou d'alumine. 10 La surface supérieure du bloc de matière 17 supporte une réserve de matière fondue 19 qui est formée en bombardant la surface supérieure du bloc de matière 17 avec un faisceau annulaire d'électrons 21 émis par un canons à électrons 23. Le faisceau d'électrons 21 est convenablement concentré sur la 15 surface supérieure du bloc de matière 17 par une bobine électromagnétique ou magnétique de concentration. Des bobines de ce genre sont bien connues à cet effet. Le canon 23 et la bobine 27 sont montés à l'intérieur du récipient 10 par des moyens de montage usuels. Evidemment, on peut utiliser plus 20 d'une de ces bobines de concentration si cela est désirable ou avantageux. La figure 1 montre un canon annulaire à électrons émettant un faisceau annulaire qui est concentré par une bobine annulaire de concentration, mais il va de soi que l'on peut 25 mettre en oeuvre le procédé de l'invention en utilisant plusieurs canons à électrons et plusieurs bobines magnétiques ou électromagnétiques de concentration convenablement espacés pour former un faisceau annulaire. De même, on peut obtenir tin faisceau annulaire approprié d'électrons en déplaçant le fais-30 ceau émis par un canon à électrons sur la surface supérieure du bloc de matière 17 selon une trajectoire annulaireAux fins de la description, l'expression "faisceau annulaire" comprend aussi bien un faisceau qui est annulaire de façon continue qu'un faisceau qui est annulaire de façon pratiquement 35 continue. Si l'on modifie la structure porteuse pour y prévoir une ouverture centrale, un canon à électrons particulier qui convient à la pratique du procédé de l'invention est le canon à électrons auto-accéléré décrit par H.R. Smith Jr. dans le 40 livre "Introduction to Electron Beam Technology", publie sous 70 11919 2038216 6 la direction de Robert Bakish par John Wiley and wons Inc., New York., chapitre 7» page 176, figure 7-5, 1962. On revient maintenant à la figure 1; à travers le centre du canon 23 et de la bobine 27 est insérée une monture 5 supérieure 33 qui est fixée à l'extrémité d'un arbre 35 monté de manière à pouvoir aller et venir et tourner comme indiqué par les flèches correspondantes. Cet arbre 35 constitue le moyen permettant de tirer un germe cristallin et la barre en développement 31 de la réserve de matière fondue 19• 10 Les arbres 16 et 35? la monture 33 et le support 15 peuvent être en c.cier inoxydable. En outre, les arbres 16 et 35 sont montés de façon étanche à l'air ou au vide sur le récipient 10 au moyen de joints, garnitures, joints toriques etc.., référencés respectivement 41 et 4-3. Des'moyens appropriés 15 permettant de faire tourner et/ou de faire aller et venir les arbres 16 et 35 et, donc, le support 15 et la monture supérieure 33 sont bien connus des spécialistes du développement de cristaux et sont décrits en détail dans plusieurs brevets antérieurs. Il est bien connu dans la technique du développement 20 de cristaux que l'on peut diminuer fortement la proportion d'impuretés dans le cristal en développant le cristal sous vide. ^ outre, le fonctionnement d'un faisceau d'électrons nécessite _2l un vide d'environ 10 torr à l'intérieur du récipient 10. Ainsi, la charge en forme de socle ou le bloc de matière 17 25 doit être d'une matière au moins légèrement conductrice de l'électricité et ne doit pas être d'une matière qui, à l'état -4 fondu sous une pression d'au moins 10 - torr, se vaporise au point ^ue la pression dans le récipient 10 s'élève au-dessus _7| de 10 torr par suite de cette vaporisation. Le silicium, 30 le germanium et l'alumine peuvent répondre à cette condition et constituent donc des matières appropriées pour le développement de cristaux par le procédé de l'invention. Quand il y a lieu de développer une barre semi-conductrice monocristalline ou polycristalline, on place le 35 bloc de matière 17 dans le récipient 10 et o-n l'ajuste à un niveau désiré en élevant ou en abaissant le support 15. On fait alors le vide dans le récipient 10 au moyen d'une pompe à vide appropriée, par le tube de raccordement 11. On fait alors tourner de façon continue le bloc de matière 17 dans le sens des ■!û aiguilles d'une montre ou en sens inverse, en faisant tourner 70 11919 7 2038216 d'une manièroéimilaire le support 15- On peut préchauffer le "bloc de matière 17 par exemple au moyen de chaleur rayonnée. Mais, de préférence, on utilise le canon à électrons 23 ou un autre canon à électrons monté à 5 l'intérieur du récipient 10 pour chauffer jusqu'à son point de fusion la surface supérieure du "bloc 17. Une fois que la surface supérieure du "bloc 17 commence à fondre, on dirige les électrons émis par le canon 23 sur la surface supérieure du bloc 17 sous la forme d'un faisceau an-10 nulaire. Comme le "bloc de matière 17 tourne de façon continue autour d'un axe vertical qui coupe en C sa surface supérieure, chaque portion de sa surface supérieure est soumise à l'effet de chauffage du faisceau annulaire d'électrons 21 et fond de manière à former la réserve de matière fondue 19 comme l'illus-15 tre la figure 2. La matière fondue forme une réserve excentrique 19 à l'intérieur du périmètre de la surface supérieure du bloc 17 et couvre presque toute cette surface supérieure. Comme on l'a décrit plus haut, les procédés antérieurement connus visant à développer un cristal en partant d'un 20 socle exigent le développement d'un rebord 51 à la périphérie de la charge en forme de socle 53 comme l'illustre la figure 3, pour contenir la réserve de matière fondue. Pour éliminer complètement les inconvénients précités qui sont causés par le développement du rebord 51, sans mentionner les inconvénients 25 lui se produisent quand le rebord se perce, le faisceau annulaire d'électrons 21 est dirigé sur la surface supérieure du bloc de matière 17 de façon telle que le centre B de l'anneau 61 défini par l'intersection du faisceau annulaire d'électrons 21 et de la surface supérieure du bloc de matière 17 soit 30 décalé par rapport au centre 0 de cette surface supérieure, comme l'illustre la figure 2. En outre, l'anneau 61 possède une portion qui est pratiquement juxtaposée à une portion du périmètre du bloc de matière 17. Autrement dit, quand le bloc 17 est cylindrique 35 ainsi qu'il doit l'être de préférence, le périmètre du bloc 17 et l'anneau 61 sont des cercles excentriques pratiquement tangents. Ainsi, chaque portion du périmètre de la surface supérieure du bloc de matière 17 est amenée périodiquement à fondre et à s'incorporer à la réserve de matière fondue 19 40 lorsqu'elle passe sous le point de tangence ou coïncide avec 70 11919 8 2038216 le point de tangence du périmètre et du faisceau 21, ce qui empêche la formation d'un rebord à la périphérie du "bloc de matière 17. Pour fondre continuellement le périmètre du bloc 17 5 sans renverser par dessus la périphérie la réserve de matière fondue 19, on a découvert que le volume du périmètre ou bord extérieur du bloc de matière 17 qui est fondu à un moment donné quelconque ne doit pas être si grand que les forces d'inertie et de gravitation qui s'exercent sur lui puissent sur-10 monter les forées de cohésion intermoléculaire, ou tension superficielle, qu'exerce sur lui la réserve de matière fondue 19. De plus, la tension superficielle agit alors de manière à attirer la matière fondue à la périphérie dans la réserve de matière fondue 19. 15 II s'ensuit donc que le volume du bord extérieur qui est fondu à un moment donné quelconque est directement lié aux longueurs relatives des diamètres du bloc de matière 17 et de l'anneau 61., Autrement dit, à mesure que ces diamètres se rapprochent, les périmètres deviennent de plus en plus rapprochés 20 sur toute leur longueur et, bien entendu, une plus grande partie de la matière de la surface supérieure est fondue de façon continue. Ainsi, on a déterminé que le diamètre de l'anneau 61 ne peut pas être supérieur à 97,5% Comme l'illustre la figure 2, la matière fondue forme 30 aussi une réserve excentrique 19 à l'intérieur du périmètre de la surface supérieure du bloc de matière 17 et recouvre presque entièrement cette surface supérieure. Partiellement à cause du grand diamètre de la réserve 19 et partiellement à cause des limites de la vitesse de rotation du bloc 17, on a découvert 35 que la portion de la réserve 19 qui est diamétralement opposée au centre B de l'anneau se solidifie si au moins une portion de l'anneau 61 ne.s'étend pas au delà du centre C de la surface supérieure du bloc de matière 17. Ainsi, le rayon de l'anneau 61 doit dépasser 25% du diamètre de la surface supérieure 40 du bloc 17 et le centre B de l'anneau'61 doit être décalé, re 70 11919 9 2038216 lativement au centre G de la surface supérieure du "bloc 17, d'une distance inférieure à 25% du diamètre de la surface supérieure du "bloc- de matière 17 et, de préférence» inférieure à 20% de ce diamètre, étant donné qu'une portion de 1'anneau 61 5 doit être substantiellement juxtaposée à une portion du périmètre de la surface supérieure et aussi s'étendre au delà du centre C. Plusieurs facteurs déterminent la position et l'écoulement de la réserve de matière fondue 19 pendant la rotation du 10 bloc 17» par exemple les forces centrifuges, la tension superficielle, la conductivitê électrique- et thermique, la viscosité et la température de fusion de la matière du bloc 17- On a trouvé que, lorsque le bloc 17 est un bloc de silicium, quel que soit son diamètre, pour éviter de répandre la matière fon-15 due 19 par dessus le bord du bloc 17 et pour éviter un chauffage trop fréquent du périmètre, il ne faut pas que la vitesse de rotation du bloc de matière 17 dépasse 100 tours par minute et, de préférence, elle ne doit pas dépasser 55 tours par minute. D'un autre côté, pour empêcher la réserve 19 de se solidi-20 fier pendant qu'elle est en dehors de l'anneau 61, il faut que le bloc de matière 17 fasse au moins deux et, de préférence, au moins cinq tours par minute. Bien entendu, il est connu dans la technique antérieure d'utiliser divers moyens de chauffage pour appliquer de la 25 chaleur à un côté de l'axe vertical d'une charge en forme de socle tout en faisant tourner la charge de façon que l'effet de chauffage soit appliqué à toute la surface supérieure de la charge. Toutefois, dans ces procédés de la technique antérieure, on laisse volontairement non chauffée une partie marginale prédéter-30 minée de la surface supérieure pour permettre le développement d'un rebord afin d'éviter que de la matière fondue ne coule de la surface supérieure de la charge en forme de socle. En outre» dans ces procédés antérieurement connus à chauffage excentrique , une préoccupation fondamentale est de chauffer la surface 35 supérieure de la charge en utilisant le moins d'énergie possible . Ainsi, la configuration de ces dispositifs de chauffage délimite généralement la zone minimale nécessaire pour chauffer la charge dans la zone désirée et toute cette zone est portée au moins à la température de fusion de la matière à partir de 40 laquelle on développe un cristal. En conséquence> quand on 70 11919 '10 2038216 désire ajouter davantage -ils matière o'.= ajouter- des agsats de . dopage à la matière fondus f on introduit simplement sjne basre de ces isatièras dans - la suasse fondue à travers le çeriôrs du dispositif ds chauffage cù elle fend faisilemeat.» Ainsi» si l'on 5 introduisait de façon similaire dam la /nasse fondue vis gesoie cristallin, il fondrait aussi » Au contraire5 dans le procédé de 1'invention; 1^6entre du champ thermique, ou portion la plus froide de la réserve 19$ ae trouve à l'intérieur de l'anneau 61. Ainsi, on plonge le 10 germe cristallin dans la réserve 19 au voisinage du centre'de l'anneau 61 et on retire de la réserve de matière fondue 19, à oe mSme endroit- 5 le ger-ms oristalli.n et la "barre en dévelop-pâment 31» On tire le germe cristallin à une vitesse gui permet- la solidification de la matière fondue soulevée de la réser-15 ve 19 sur le germe cristallin., Du fait que l'on retire de façon continue le germe cristallin, une "barre semi-conductrice est-tirée à partir du bloc 1?. Pour assurer le développement continu d'une T»arre semi-conduetrice à partir du bloc de matière 17, on peut déplacer 20 le support 15 vers le haut pendant que l'on tire vers le haut» depuis la réserve de matière fondue 19? le germe cristallin et la "barre en développement 31» Par suite, la surface supérieure du bloc 17 est toujours au même niveau» ce qui permet de maintenir le faisceau annulaire d'électrons pendant que le 25 bloc 17 se consomme. Evidemment, si on le désirait, en pourrait reconcentrer le faisceau 21 à mesure que la surface supérieure du bloc 17 recule graduellement. Bien qu'on puisse utiliser d'autres rapports, on a trouvé qu'il est préférable de déplacer le bloc 17 vers le haut de la façon indiquée par l'équation ; 30 V;& , Tc ( )2f dans laquelle Y-^ et Ik, sont respectivement la vitess-- et le diamètre du bloc 17 tandis yue st D3 sont rsspsetivemen-c la vitesse et le diamètre du cristal en développement. Ces mouvements relatifs sont réalisés, bien entendu, par les moyens usuels de rotation et de translation reliés aux arbres 15 et 35, comme mentionné plus haut. 35 70 119-19 2038216 n SSFEHDICl'SlOaB 1. Procédé de développement d'une barre semi-conductrice selon lequel on dispose dans un récipient vide d'air un bloc anto-portant d'une matière à partir de laquelle il s'agit 5 de développer la "barre; on fond une portion du bloc en dirigeant un faisceau d'électrons sur la surface supérieure du bloc de manière à former une réserve de matière fondue à l'intérieur du périmètre de la surface supérieure du bloc; on utilise la portion non fondue du bloc comme creuset pour la portion fondue; 10 on plonge dans la réserve une portion d'un germe cristallin de ladite matière et on tire ce germe cristallin de la réserve, procédé caractérisé en ce qu'on fait tourner de façon continue le bloc de matière autour de son axe vertical; on dirige un faisceau annulaire d'électrons sur.la surface supérieure de 15 façon que le centre de l'anneau défini par l'intersection du faisceau annulaire et du bloc de matière soit décalé par rapport au centre de la surface supérieure, une première portion de l'anneau étant substantiellement en juxtaposition avec le périmètre de la surface supérieure et une deuxième portion dS de l'anneau étant située du côté diamétralement opposé au centre de l'anneau relativement au centre de la surface supérieure, de sorte que chaque portion de la surface supérieure soit exposée périodiquement à l'effet du faisceau d'électrons et incorporée à la réserve de matière fondue; et on tire le germe cristallin de la réserve, à partir de l'intérieur de l'anneau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc autoportant de matière est un bloc pratiquement cylindrique et la première portion mentionnée de l'anneau est pratiquement tangente au périmètre de la surface supérieure. 30 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bloc de matière est un bloc de silicium que l'on fait tourner de façon continue à 2-10C tours par minute. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bloc de matière est un bloc de silicium que l'on fait ^5 tourner de façon continue à 5-30 tours par minute. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le centre de l'anneau est décalé par rapport au centre de la surface supérieure d'une distance qui représente au moins 2,5% et moins de 25% du diamètre de la surface supérieure. 40 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en