Brevet FR2128642A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne un dispositif pour fabriquer des plaquettes ou pastilles semiconductrices et elle concerne plus particulièrement un dispositif pour faire pousser épitaxialement une plaquette ou pastille multicouche semiconduc-5 trice sur un substrat. Plusieurs dispositifs pour fabriquer des plaquettes ou pastilles semiconductrices multicoucb.esont été envisagés, l'un de ces dispositifs étant décrit à la page 9 de "Applied Physics Letters", volume 17,M"0 3,1970. Ces dispositifs comportent 10 plusieurs bains renfermant des solutions contenant chacune des substances pour former une couche de la couche multiple et un support pour supporter un substrat et pour plonger successivement dans les bains ledit substrat de façon à déposer sur lui et faire pousser les substances sous forme multicouche. Etant donné que 15 le dispositif réalise la phase de pousse épitaxiale pour chacune des couches multiples sans exposer le substrat à l'atmosphère, on évite une pollution indésirable des couches. On rencontre cependant un problème qui réside dans le fait qu'une solution de l'un des bains risque de rester, de façon 20 indésirable, sur le substrat et d'être délivrée au bain suivant, ce qui a pour effet de polluer la solution du bain suivant. La présente invention a par conséquent pour but de prévoir un dispositif amélioré pour fabriquer une plaquette ou pastille multicouche. 25 L'invention a également pour but de prévoir un dispositif pour la pousse en phase liquide d'une plaquette ou pastille multicouche qui puisse éviter une pollution indésirable de la solution contaiant les substances que l'on doit faire pousser. L'invention a également pour but de prévoir un dispositif 30 pour une pouss épitaxiale en phase liquide d'une plaquette ou pastille multicouche dont la température puisse être commandée facilement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. 35 Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif classique ; 72 07642 2128642 - la figure 2 est une coupe transversale du dispositif de- la figure 1 selon la ligne 2-2'; - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisatioi/de la présente invention; 5 - les figures 4A et 4B sont des coupes selon la ligne 4-4' de la figure 3; - la figure 5 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 est une coupe longitudinale du dispositif 10 de la figure 5; - les figures 7A et 7B sont des coupes selon la ligne 7-7' de la figure 6. les mêmes références désignent des parties identiques dans les différentes vues. 15 En se référant maintenant aux dessins et en particulier aux figures 1 et 2, on voit que ces figures représentent un dispositif décrit à la page 109 de "Applied Physics Letters" volume 7 P 3 ' 1971 qui comporte un four réfractaire tubulaire 20 fait d'un matériau réfractaire tel que le quartz, le four tubulaire 20 20 peut être chauffé au moyen d'une bobine chauffante (non représentée) entourant ledit four tubulaire 20. Dans le four tubulaire 20 est placée une nacelle ou analogue en forme de colonne 21 qui comporte un orifice 22 la traversant et une pluralité de bains, dans ce cas quatre bains 23a, 23b, 25 23ç et 23d, à sa partie supérieure. Chacun des bains communique avec l'orifice 22. Dans l'orifice 22 de la nacelle 21 est inséré, à frottement doux et de façon coulissante, un organe de supportage ou analogue 24 qui supporte un substrat 25 dans un évidement ou analogue prévu sur sa surface supérieure. L'organe de supportage 30 24 est empêché de se déplacer vers la gauche de la figure par une butée 26. La nacelle ou analogue 21 est munie d'un autre orifice 72 07642 3 2128642 27 qui la traverse dans la même direction que l'orifice 22. Une jonction de détection d'un thermocouple 28 est placée dans l'orifice 27 de façon à se trouver au dessous du substrat 25 placé sur l'élément de supportage 24. la température au voisinage 5 du substrat 25 est détectée par l'intermédiaire du thermocouple 28. Une tige-poussoir 29 est reliée à une paroi latérale de la nacelle 21. La tige-poussoir 29 est prévue pour se déplacer longitudinalement au four tubulaire 20. Les bains 23a, 23b, 23ç et 23d respectivement contiennent des solutions 30a, 30b, 10 30ç et 30d, chacune contenant des substances semiconductrices en des proportions pré-sélectionnées. En fonctionnement, la nacelle 21 est placée de façon à séparer le substrat 25 de l'une quelconque des solutions 30a, 30b, 30ç et 30d. La solution 30a est d'abord préchauffée jusqu'à 800°C 15 environ, puis la nacelle 21 est déplacée par coulissement vers la gauche de la figure par la tige-poussoir 29 jusqu'à ce que le substrat 25 soit submergé par la solution 30a. On abaisse ensuite la température de la solution 30a jusqu'à environ 790°C de tellè sorte que les substances semiconductrices contenues dans la 20 solution 30a précipitent et qu'une couche épitaxiale pousse sur le substrat 25. L'épaisseur de la couche épitaxiale est fonction du degré de refroidissement de la solution 30a. Après ■. achèvement de la poussée épitaxiale, la nacelle 21 est .à nouveau entraînée par coulissement par la tige-poussoir 29 jusqu'à 25 ce que le substrat 25 soit submergé par la solution 30b dont on commande la température. La solution 30b est ensuite refroidie de plusieurs degrés ou 10 et plusieurs degré sentigrades de façon à précipiter les substances se trouvant dans la solution et faire pousser une autre couche épitaxiale sur la couche 30 épitaxiale précédemment poussée. On répète successivement des procédés identiques aux procédés susmentionnés de façon à former une plaquette ou pastille multicouche sur le substrat 25. Le dispositif susmentionné est capable de fabriquer une pastille ou plaquette multicouche avec une pluralité de couches 35 épitaxiales, chacune ayant une épaisseur désirée, en commandant la température du substrat et de la solution. En outre, étant donné que toutes les phases de fabrication de la plaquette ou 72 07642 4 2128642 pastille multiooudoe sont réalisées sans exposer le substrat à' l'atmosphère, on évite une pollution indésirable des couches épitaxiales. Il existe cependant un problème dans le fait qu'une petite quantité de solution reste sur la couche 5 épitaxiale après l'achèvement de la pousse de ladite couche épitaxiale. La solution restant sur la couche épitaxiale est délivrée, de façon indésirable, au bain suivant et mélangée à la solution contenue dans le bain suivant de sorte que ladite solution est polluée ou que la proportion des substances 10 qu'elle contient est changée. Pour éviter cette difficulté, la présente invention prévoit un dispositif amélioré pour la poussé épitaxiale d'une plaquette ou pastille. multicoucheo Les figures 3, 4A et 4B montrent un mode de réalisation préférentiel de l'invention qui comporte un four tubulaire 15 réfractaire 40 fait d'un matériau réfractaire tel que le quartz. Le four tubulaire 40 est chauffé par un organe chauffant tel qu'une bobine chauffante (non représentée) et est monté rotativement autour de son axe central. Dans le four tubulaire 40 est placée une nacelle ou analogue cylindrique 41 qui est 20 faite de graphite mais peut avoir une autre forme si on le désire. La nacelle 41 est munie, sur sa paroi périphérique, d'une rainure 42 s'étendant selon sa direction longitudinale. Une panne, téton ou analogue 43 est insérée dans la rainure 42, ce téton ou analogue 43 étant fixé au four, tubulaire 40 25 de telle façon que la nacelle 41 soit -fixe par rapport au four tubulaire 40 selon la direction circonférentielle de ce dernier mais puisse coulisser longitudinalement. La nacelle 41 est munie d'un orifice la traversant dans la direction longitudinale et ayant, dans ce ca^ une section rectangulaire. 30 La nacelle 41 comporte deux bains 45a et 45b qui communiquent avec l'orifice 44 et sont munis respectivement de solutions 46a et 46b, chacune contenant des substances semiconductrices en porportions pré-sélectionnées. Si on le désire, la nacelle 41 comporte encore d'autres bains. La nacelle 41 comporte un 35 autre orifice 47 parallèle à l'orifice 44. Dans l'orifice 44 est inséré, à frottement doux et de façon coulissante, un organe de supportage en forme de colonne 48 qui supporte un 72 07642 5 2128642 substrat 50 dans son évidement 51 prévu pour se trouver en face des bains 45. le substrat 50 est fixé à 1'évidement au moyen d'un organe de fixation ou analogue 52. Une butée 53 empêche l'organe de supportage 48 de se déplacer vers la gauche de la 5 figure. Un thermocouple 54 est inséré dans l'orifice 47 de la nacelle 41 pour détecter la température au voisinage du substrat 52. Une tige-poussoir 55 est reliée à une paroi latérale de la nacelle 41 pour la déplacer vers la gauche. En fonctionnement, la nacelle est d'abord positionnée de façon que le substrat 52 \ 10 soit en face et surplombe le bain 45a contenant la solution 46a comme représenté aux figures 3 et 4. le substrat peut être placé contre l'extrémité la plus à gauche de la nacelle 41, lorsque les substances de la solution 46a s'évaporent à une température relativement basse, le four tubulaire 41 est ensuite chauffé 15 par 1'organe de chauffage de façon à préchauffer la solution 46a et le substrat 52 jusqu'à une température prédéterminée. Ensuite, le four tubulaire 40 ainsi que la nacelle 41' sont entraînés en rotation de 180° environ autour de l'axe central du four- tubulaire 40, comme représenté à la figure 4B. 20 Gomme il apparaît à la figure 4B, le substrat 50 est submergé par la solution 46a. la température du four tubulaire 40 est réduite de façon à refroidir la solution 46a de telle sorte que les substances dissoutes dans la solution 46a précipitent et se déposent et poussent sur le substrat 50 25 sous forme d'une première couche épitaxiale. lorsque l'épaisseur de la première couche épitaxiale atteint une valeur prédéterminée, le four tubulaire 40 est entraîné en rotation de 180° autour de l'axe central de façon à permettre à la nacelle 50 de reprendre sa position comme représenté à la figure 4A, de sorte que le 30 substrat 50 est séparé de la solution 46a» On fait coulisser ensuite la nacelle 41 vers la gauche au moyen de la tige-poussoir 55 tout en contrôlant la température de la solution et du substrat 50, jusqu'à ce que le substrat se trouve en face du bain 45b et surplombe ce bain qui contient la solution 46b„ 35 le four tubulaire 40 est ensuite entraîné en rotation de 180° autour de son axe central de façon que la nacelle 41 tourne et le substrat 50 ainsi que la première couche épitaxiale sont 72 07642 6 2128642 submergés par la solution 46b. la température du four tubulaire 40 est ensuite réduite pour permettre aux substances contenues dans la solution 46b de précipiter, de se déposer et de pousser sur la première couche épitaxiale sous forme d'une seconde couche 5 épitaxiale,, Après achèvement de la pousse de la seconde couche épitaxiale, le four tubulaire 40 est entraîné en rotation de 180° autour de l'axe central pour séparer le substrat 50 de la solution 46b. On peut prévoir un nombre quelconque désiré de bains et le même processus que celui qui a été décrit ci-dessus 10 est répété de façon à faire pousser des couches épitaxiales se superposant les unes les autres et donnant une plaquette ou pastille multicouche. Dans ce cas, il convient de remarquer que la nacelle 41 peut être prévue pour coulisser sur la paroi périphérique 15 interne du four tubulaire 40, selon la direction circonférentielle dudit four tubulaire, si on le désire, en supprimant l'organe de fixation ou de serrage 43. On voit de la description qui précède, que lorsque la nacelle 41 est entraînée en translation pour permettre au substrat 20 50 de se trouver en face de la solution suivante et de surplomber cette solution, le substrat 50 et 1'évidement 51 sont renversés, ce qui a pour résultat que la solution en contact avec le substrat 50 pendant la poussée épitaxiale, dégoutte totalement du substrat 50 de sorte que l'on évite le mélange 25 indésirable entre les solutions voisines les unes des autres. En se référant maintenant à la figure 5, on voit que cette figure représente la partie principale d'un autre mode de réalisation de la présente invention qui comporte une nacelle 41 comportant deux bains 45a et 45b contenant chacun une 30 solution contenant des substances semiconductrices. Sur des épaulements de la nacelle 41 opposés l'un à l'autre, se trouve une paire de portées 60 et 60',chacune étant munie d'un orifice dans sa partie centrale. Un organe de supportage 48 en forme de colonne est monté sur des portées 60 et 60'. l'organe de 35 supportage 48 comporte une saillie 51 ayant une extrémité prévue pour supporter un substrat 50 sur lequel on doit faire pousser une plaquette ou pastille multicouche. la saillie 51 doit avoir 72 07642 7 2128642 une hauteur suffisamment importante pour que son extrémité traverse le "bain 45a ou 45b lorsque l'organe de supportage effectue une rotation. Le montage décrit ci-dessus est placé dans un four 5 tubulaire réfractaire 40 comme représenté à la figure 6. En fonctionnement, l'organe de supportage 48 est placé d'abord pour séparer le substrat 50 de la solution 45a comme représenté à la figure 7A. le four tubulaire 40 est ensuite chauffé par l'organe chauffant de façon à préchauffer la 10 solution 46a et le substrat 50 jusqu'à une température prédéterminéeo Ensuite, l'organe de supportage 48 est entraîné-en rotation de façon à plonger le substrat 50 dans la solution 46a comme représenté à la figure 7B. la température du four tubulaire 40 est réduite, de façon à refroidir la solution 46a 15 de sorte que les substances dissoutes dans la solution 46a précipitent et se déposent et poussent sur le substrat sous forme d'une couche épitaxiale. Lorsque l'épaisseur de la couche épitaxiale atteint une valeur prédéterminée, l'organe de supportage 48 est entraîné en rotation, de façon à placer le 20 substrat en sa position initiale. On fait coulisser ensuite l'organe deyêupportage 48 sur l'orifice des portées 60 et 60' jusqu'à ce que le substrat 50 surplombe la solution suivante 46b, la température de la solution 46b ét du substrat état commandée. L'organe de supportage 48 est entraîné à nouveau en 2 5 rotation autour de son axe central, de façon à plonger le substrat 50 et la couche épitaxiale précédemment poussée dans la solution 46b. On réduit alors la température de la solution 46b de façon que le substrat qu'elle contient précipite, se dépose et pousse sur la couche épitaxiale précédemment poussée. Après achèvement 30 de la pousse de la couche épitaxiale suivante, l'organe de supportage 48 est entraîné en rotation de façon à séparer le substrat 50 de la solution 46b» On peut prévoir, naturellement, un nombre quelconque de bains et le même processus que celui qui a été mentionné ci-dessus est répété pour faire pousser 35 successivement un nombre désiré de couches épitaxiales se recouvrant les unes les autres et donnant une couche multiple. 72 07642 2128642 On peut, en utilisant le dispositif représenté aux figures 3, 4A et 4B, réaliser plusieurs procédés de fabrication d'une plaquette ou pastille multicouche comme il sera décrit ci-après par les exemples suivants : 5 EXEMPLE I Une plaque de n-GaAs cristallin est utilisée comme substrat 50. la solution 46a contient une certaine quantité de gallium comme solvant et une quantité d'arséniure de gallium telle qu'une quantité désirée d'arséniure de gallium précipite 1 0 lors de la diminution de la température de la solution. La solution 46a contient en outre de l'aluminium à raison de 0,15$ en poids du solvant constitué par le gallium et une petite quantité de silicium comme impureté. La solution 46b contient du gallium comme solvant et de l'arséniure de gallium 15 en quantité telle qu'une quantité désirée d'arséniure de gallium précipite lors de la diminution de la température de ladite solution 46b. La solution 46b contient en outre de l'aluminium à raison de 0,3$ en poids du solvant constitué par le gallium et une petite quantité de silicium comme impureté. Avant de plonger 20 le substrat 50 dans la solution 46a, ledit substrat et ladite solution sont préchauffés à 860° environ. Le four tubulaire 40 est entraîné en rotation de façon à mettre le substrat 50 en contact avec la solution 46a, puis la solution 46a _.et le substrat 50 sont refroidis à un taux de 15°C par minute puis 25 encore refroidis ultérieurement à un autre taux de 2°C par minute, de façon à faire pousser une première couche épitaxiale de cristaux de G-aALAs avec le silicium comme impureté. La première couche épitaxiale a ainsi une région de type P et une autre région de type ÎT en raison du comportement de l'impureté 30 constituée par le silicium. Après achèvement de la pousse décrite ci-dessus de la première couche épitaxiale, on entraîne le four tubulaire 40 en rotation de façon à séparer le substrat 50 de la solution 46a et on le fait coulisser dans la direction de l'axe central dudit four 40 de façon que le substrat 50 35 vienne en face de la solution 46b et surplombe cette solution» On répète le même procédé que celui qui a été utilisé pour la première couche épitaxiale de façon à obtenir une seconde couche 72 07642 9 2128642 épitaxiale sur la première: couche épitaxiale de cristaux de GaAIAs. la seconde couche épitaxiale a également des régions de type P et des régions de type N". la première couche épitaxiale de cristaux de GaAIAs comporte le compo sant AlAs à raison de 5 20$ en moles et la seconde couche épitaxiale de GaAIAs comporte le composant AlAs à raison de 50$ en moles. En outre, la seconde couche épitaxiale a une bande interdite plus large que la première couche épitaxiale de telle sorte que les rayons lumineux produits dans la bande interdite de la première^ couche épitaxiale 10 peuvent être irradiés sans être absorbés par la seconde couche lorsque la plaquette ou pastille multicouche est utilisée comme élément lumineux. EXEMPLE II Une plaque de cristaux GaP de type ET ayant une quantité 15 importante de défauts de réseau est utilisée pour le substrat 50. La solution 46a contient un solvant constitué par du gallium et du phosphure de gallium en solution en quantité telle qu'une quantité désiréedu phosphure de gallium précipite lors de la réduction de la température de la solution 46a. La solution 46a 20 contient en outre du téllure avec un pourcentage en moles de 0,01 du solvant comme impureté. La solution 46b contient un solvant constitué par du phosphure de gallium et du gallium dissous en même quantité que la solution 46a et du zinc avec ion pourcentage en moles de 0,02 du solvant comme impureté, 25 Le dispositif susmentionné est utilisé de la même façon sauf que la solution et le substrat sont chauffés à environ 1000°C et refroidis à un taux de 11°C par minute. On obtient une plaquette ou pastille qui comporte une première couche épitaxiale de GaP de type ET et d'une seconde couche épitaxiale de GaP de 30 type P. Une jonction P-ÏT est formée entre la première et la seconde couche» La jonction P-U émet une lumière verte ou jaune lorsqu'elle est excitée par une énergie électrique„ EXEMPLE III La nacelle 41 , comporte dans ce cas, trois bains. Une plaque 35- d'arséniure de gallium est utilisée pour le substrat 50. La première et la troisième solutions contiennent respectivement du gallium comme solvant et de l'arséniure de gallium dissous en 72 07642 10 2128642 quantité telle que la solution est saturée à environ 850°C. Les solutions contiennent en outre de l'aluminium à raison de 0,02$ en poids du solvant et des traces d'impuretésde zinc et d'étain. La seconde solution contient du gallium comme solvant et une 5 solution d'arséniure de gallium en quantité telle que l'on a une saturation de la solution pour 850°C environ. La seconde solution contient en outre des traces d'impureté de silicium. Le dispositif décrit ci-dessus est utilisé de -la façon identique à l'exemple II. La plaquette ou pastille résultante 10 donne des rayons laser ayant un spectre avec une crête à 1,45 eV lorsqu'elle est utilisée pour un laser semiconducteur du type de Fabry et Perot. EXEMPLE IV Même si la surface du substrat est contaminée ou contient 15 plusieurs défauts ou impuretés, on peut obtenir une plaquette ou pastille semiconductrice préférentielle en procédant de la façon suivante. Une première solution contient un solvant et une substance dissoute qui est la même que l'une de celles constituant le 20 substrat. La quantité de substance dissoute est choisie de façon à ne pas .saturer la première solution lorsque celle-ci est préchauffée. Ainsi la substance à la surface du substrat est dissoute jusqu'à ce que le substrat sature la première solution de sorte que la surface est nettoyée lorsque le substrat est 25 plongé dans ladite solution. Ensuite, on répète le même processus que dans les exemples précédents de façon à obtenir une pluralité de couches épitaxiales sur la surface ainsi nettoyée du substrat. Il apparaît de la description des exemples qui précèdent que le dispositif selon la présente invention peut éviter un mélange 30 indésirable entre les solutions voisines les unes des autres par la rotation de l'organe de supportage pour renverser le substrat de façon à enlever la solution restant sur lui avant la phase suivante. En outre, étant donné que le dispositif fait pousser une 35 pluralité de couches épitaxiales sur le substrat sans exposer le substrat à Ifetmosphère, on peut éviter une pollution indésirable de la surface du substrat. De plus, étant donné que toutes les 72 07642 " 2128642 phases de fonctionnement du dispositif sont réalisées en commandant seulement un four tubulaire, le contrôle de la température de la solution et du substrat ainsi que le contrôle de l'épaisseur de la couche épitaxiale sont 5 facilement réalisés. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des 10 moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si'celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 72 07642 2128642 -fiETSNDICATIOïS- 1Dispositif pour permettre la pousse épitaxiale, en phase liquide, d'une plaquette ou pastille multicouche, caractérisé en ce qu'il comporte un four tubulaire réfractaire placé horizontalement et prévu pour être chauffé par un organe chauffant, une 5 nacelle ou analogue placée dans ledit four tubulaire et comportant au moins deux bains alignés placés parallèlement à l'axe central du four tubulaire et renfermant des solutions contenant chacune des substances semiconductrices et un élément de supporta^, en forme de colonne, dont l'axe central est sensiblement parallèle à l'axe -| g central du four tubulaire, cet organe de supportage étant prévu pour maintenir le substrat sur lequel on désire faire pousser épitaxialement la plaquette ou pastille multicouche, pour submerger le substrat au moyen de l'une desdites solutions et pour séparer ledit substrat et ladite solution en le renversant de façon que -j 5 ladite solution tombe en gouttes dudit substrat. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nacelle précitée est montée rotativement selon une direction circonférentielle du four tubulaire et munie d'un orifice la traversant selon la direction précitée et en ce que l'organe de 20 supportage précité comporte, sur sa paroi périphérique, un évidement dans lequel est maintenu ledit substrat et est inséré un frottement doux et de façon coulissante dans l'orifice précité de la nacelle„ 3.~ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que 25 la nacelle est montée coulissante dans ladite direction et en ce que l'organe de supportage précité est fixe relativement à ladite nacelle dans ladite direction. 4°- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nacelle est de forme cylindrique. 30 5.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de supportage précité comporte me saillie pour le montage, à son extrémité supérieure, dudit substrat et en ce qu'il est monté rotativement autour de son axe central et coulissant selon la direction précitée.