Brevet FR2119878A1 — publié le 19720811

La présente invention se rapporte à des procédés et dispositifs pour le rangement de tranches semi-conductrices dans un tube en vue d'une opération de diffusion, et plus -particulièrement elle concerne un procédé d'empilement de tranches de matériau semiconducteur et de positionnement des sources dopantes dans un tube de quartz en vue d'une opération de diffusion, afin de faciliter au maximum la circulation des vapeurs dopantes le long du tube. La présente invention concerne également le dispositif utilisé pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Dans les techniques actuelles utilisées pour la formation de jonctions par diffusion d'impuretés dans des matériaux semiconducteurs, il est de pratique courante de placer des tranches ou plaquettes de matériau semi-conducteur à traiter dans un tube en général de quartz, de manière à réserver des passages autour des tranches pour un courant gazeux d'entralnement des vapeurs contenant l'impureté. Pour ce faire, les tranches sont disposées sur champ et légèrement inclinées sur une plaquette rainurée, chaque rainure acceptant une tranche, celle-ci devant être autant que possible dégagée sur ses deux faces, c'est-à-dire sans contact avec l'une ou l'autre des deux tranches l'encadrant afin que les vapeurs contenant l'impureté se répandent sur toute la surface des parties de tranche devant être contaminée.De ce fait, on comprend que pour obtenir de bons résultats de diffusion au moyen de ce procédé classique de rangement des tranches, celles-ci doivent être d'une part, parfaitement écartées les unes des autres, ce qui nécessite dans la plaquette de support des rainures équidistantes présentant un faible jeu entre leur largeur et l'épaisseur de ces tranches, et d'autre part, bien centrées par rapport au tube, afin d'obtenir un passage périphérique suffisant et bien équilibré pour les vapeurs, sans pour autant avoir à choisir un tube de diamètre intérieur très largement supérieur au diamètre des tranches.On conviendra de ces faits que ce procédé classique étant soumis à trop d'aléas ne présente pas toutes les qualités requises pour un déroulement parfait d'une opération de diffusion, ctest-à-dire pour l'obtention d'un maximum de tranches diffusées valables avec un faible pourcentage de rebuts. En conséquence, c'est un des principaux objets de la présente invention, de fournir un procédé de rangement de tranches ou plaquettes semi-conductrices dans un tube qui tende à éliminer la majeure partie des inconvénients presentés par le procédé classi que, ci-dessus expose, et qui permette de ranger dans un tube se même dimension que celui utilisé dans ce procédé classique, un plus grand nombre de tranches, sans aucun contact entre elles, tout en augmentant la dimension des passages de vapeurs autour d'elles et entre elles afin de faciliter au maximum l'opération de diffusion. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel procédé ne nécessitant pas d'opération de rainurage des plaquettes de support et par-ld même, moins onéreux, tout en faci litant la manipulation de ces plaquettes en cours de chargement. après chargement, et après diffusion, c'est-à-dire avec des risques très limités de destriction de l'empilement des tranches. Selon l'inventon, un tel procédé de rangement de tranches semi-conductrices dans un tube avec des sources d'impuretés, en vue d'une opération de diffusion d'impuretés, est caraetérisd en ce qu'il consiste à empiler sur une plaquette de support les tranches à plat en superposition les unes aux autres avec interpo- sition d'une tranche à la suivante d'une couche d'une dizaine de grains de poudre de quartz, par exemple, pour former au moins un empilement sensiblement vertical dont la hauteur sera déXerminee pour qu'il se loge avec la plaquette dans un cercle circonscrit da- diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube, puis à introduire au moins un tel empilement dans ce tube avec des réci- pients contenant les impuretés de manière que chaque récipient soit situé à proximité dtun empilement. On doit remarquer que dans ce procédé : a) la poudre qui peut être constituée de quartz, d'alumine ou de silicium diffusé ou pur, doit avoir une granulométrie de l'ordre de 200 microns pour obtenir une bonne circulation entre tranches des vapeurs contenant la ou les impuretés ; b) que la ou les plaquettes de support sont de préférence en quartz;; coque chaque récipient en général sous forme d'un creuset, doit être constitué en matériau choisi pour n'avoir aucune réaction chimique avec la source dopante qu'il est destiné contenir Par ailleurs, et selon l'invention, un tel procédé est mis en oeuvre en utilisant des plaquettes de support conçues avec des potelets de bordure distribués de manière à constituer des guides d'empilement de tranches concentriques à celles-ci, ainsi que des organes de maintien de chaque empilement. On doit noter à ce suJet que, de préférence, chaque plaquette est prevue de forme rectangulaire pour supporter deux emp lements c'est-å-dire qu 'elle comporte six potelets, constitués par quatre potelets de coin et deux potelets médians à la longueur de la plaquette, chaque empilement étant ainsi emprisonné par quatre potelets. On doit noter également qu'afin de gagner en hauteur d'empilement en fonction du diamètre intérieur du tube, chaque plaquette a ses bords latéraux inférieurs. ainsi que le sommet de ses potelets, taillds en forme de biseaux, de manière que ceux-ci s'inscrivent dans un cercle circonscrit de diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparattront de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre du procédé de rangement de tranches semi-conductrices dans un tube de quartz scellé en vue d'une opération de diffusion, représenté dans le dessin ci-joint dans lequel La figure 1 est une vue en élévation partiellement en coupe d'un tube scellé, chargé de tranches de matériau semi-conducteur en vue d'une opération de diffusion d'impuretés, les tranches étant rangées selon un procédé classique de la technique antérieure. La figure 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, mais où les tranches de matériau semi-conducteur sont rangées selon le procédé de rangement objet de la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe prise suivant la ligne 4-4 de la figure 3. La figure 5 est une vue en plan d'un mode de réalisation d'une plaquette de support pour 1 'empilement de tranches de matériau semi-conducteur réalisé selon le procédé objet de la présente invention. En se référant aux figures 1 et 2, qui montrent un tube de quartz scellé 1, ayant été chargé avec des tranches 3 de matériau semi-conducteur et des sources d'impuretés 5 en utilisant un procédé classique de rangement de tranches, on voit que celles-ci sont placées sur champ avec une légère inclinaison sur des plaquettes en quartz 6 rainurées transversalement, cette inclinaison étant fournie par la largeur des rainures en fonction de l'épais- seur des tranches légèrement plus faible, mais l'écartement entre rainures étant toutefois choisi pour que les tranches 3 autant que possible ne se touchent pas entre elles.Dans ce mode de rangement classique les tranches sont seulement maintenues en position sensiblement axiale à la plaquette par leur engagement dans les rainures et peuvent se déplacer latéralement pour une raison ou pour une autre, par exemple au cours de l'introduction des plaquettes chargées dans le tube, au cours des manipulations de celui-ci lors de son scellement, ou bien lors de l'enfournement de ce tube dans un rour pour réaliser l'opération de diffusion. Ces déplacements possibles des tranches peuvent occasionner un amenuisement assez fort de la section du passage longitudinal 7 des vapeurs contenant les impuretés et certaines tranches peuvent alors faire office de chicanes ce qui n'est pas recommandé pour obtenir une diffusion efficace. Par contre, si l'on se réfère aux figures 3 et 4, qui montrent un tube de quartz 1', de dimensions identiques à celles du tube 1 de la figure 1, ayant été chargé avec des tranches 3', de m & e diamètre, de matériau semi-conducteur et des sources d'im- puretés 5' en utilisant le procédé de rangement des tranches selon la-présente invention, on voit que celles-ci sont empilées à plat sur des plaquettes de quartz planes 8, en superposition les unes aux autres avec interposition entre chacune d'elles et la suivante d'une couche de poudre de quartz, suivant deux empilements verticaux cEte à c8te (pour chaque plaquette), guidés et maintenus par des potelets de bordure 9.On remarque notamment que dans ce mode de rangement selon l'invention, d'une part,les tranches de chaque empilement ne peuvent se déplacer latéralement puisque maintenues par les potelets et par-là même, ne peuvent obstruer la section du passage longitudinal 10 des vapeurs et, d'autre part, ne peuvent se toucher entre elles en aucun point de leur surface puisque séparées entre elles par de la poudre de quartz à travers laquelle peuvent pénétrer et circuler en toute liberté les vapeurs portant les impuretés, cette poudre de quartz ayant une granulom6- trie de l'ordre de 200 . Par ailleurs, on doit remarquer également qu'en utilisant le procédé selon l'invention,ltépaisseur des séparations entre tranches peut être réglée à une valeur déterminée inférieure à l'écartement qui existait entre deux tranches consécutives, lorsqu'on utilisait classiquement des plaquettes rainurées,comme représenté dans les figures 1 et 2, et qu'ainsi chaque empilement vertical peut avoir une hauteur supérieure à la moitié de la longueur d'un empilement horizontal classique et contenir en outre un plus grand nombre de tranches.En effet, au cours d'es sais réalisés par la demanderesse, on a noté qu'en utilisant ce nouveau procédé de rangement, il était possible d'empiler, c'està-dire de charger dans un tube, un nombre de tranches, supérieur dtenviron 40 % à celui qu'il était possible d'empiler par le procédé classique dans un autre tube identique. A ce sujet, à titre documentaire on doit signaler que dans un tube de diamètre -intérieur 45, de longueur 260 mm environ, il est possible de charger 230 tranches de 33, en utilisant ce nouveau procédé, alors qu'il est seulement possible de charger 160 tranches environ en utilisant le procédé classique, si l'on désire bien entendu une opération de diffusion efficace, c' est-à-dire en conservant entre les tranches un écartement suffisant pour qu'aucune d'elles ne puisse s'appuyer sur sa voisine.Par ailleurs, si l'on compare les résultats obtenus pour une même diffusion de gallium à 1.225qu pendant huit heures on constate : a) qu'avec l'ancien procédé, la-dispersion en concentration superficielle de gallium est de * 20 % par rapport à la valeur médiane ; b) qu'avec empilement vertical et séparation des tranches par de la poudre de quartz de 200 microns, cette dispersion est ramenée à + 5 %. Afin de mieux saisir les avantages présentés par ce nouveau procédé de rangement de tranches, on décrira maintenant en se référant aux figures 4 et 5, un mode de réalisation d'une plaquette de support pouvant accepter deux empilements verticaux côte à côte. La plaquette 8 constituée de préférence en quartz est de forme rectangulaire et porte six potelets de bordure 9, quatre potelets de coin et deux potelets médians disposés de manière à guider et à maintenir chaque empilement de tranches (figurées en traits mixtes) en quatre points périphériques distribués concentriquement à chaque empilement, à 900 l'un de l'autre.Comme on le remarque dans la figure 4, les bords longitudinaux inférieurs Il de la plaquette, de même que les extrémités supérieures 12 des potelets, sont taillés en biseau, de manière que ces biseaux se trouvent sur un cercle circonscrit de diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube utilisé, ce qui facilite en outre l'introduction des plaquettes chargées dans ce tube tout en offrant la plus grande hauteur possible pour les empilements. On doit noter également que chaque empilement peut être coiffé par une petite plaque 13 de quartz, biseautée également sur ses bords latéraux supérieurs 14, conçue pour se loger avec une grande liberté dans l'espace supérieur du tube au-dessus des potelets, cette plaque étant utilisée au cas où lton désire une tenue encore meilleure des empilements au cours des manipulations de chargement des plaquettes dans un tube et de l'enfournement de celui-ci. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaÎtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de rangement de tranches en matériau semiconducteur dans un tube avec des sources d'impuretés, en vue d'une opération de diffusion d'impuretés, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler sur une plaquette de support les tranches à plat en superposition les unes aux autres avec interposition d'une tranche à la suivante d'une couche de poudre, par exemple de quartz, pour former au moins un empilement sensiblement vertical dont la hauteur sera déterminée pour qu'il se loge avec la plaquette dans un cercle circonscrit de diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube, puis à introduire au moins un tel empilement dans ce tube avec des récipients contenant les impuretés de manière que chaque récipient soit situé à proximité d'un empilement. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre utilisée pour former les séparations entre les tranches a une granulométrie de l'ordre de deux cents microns, chaque séparation formée ayant une épaisseur comprise entre 150 et 250 microns. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre utilisée est formée de grains de quartz, d'alumine ou de silicium soit diffusé, soit pur. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube utilisé de même que chaque plaquette sont en quartz. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque récipient est sous forme d'un creuset constitué en matériau choisi pour n'avoir aucune réaction avec la source d'impureté qu'il est destiné à contenir. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plaquette de support des tranches est conçue avec des potelets de bordure agencés pour constituer des guides verticaux d'empilement et disposés pour maintenir et emprisonner ce dernier par sa périphérie. 7 - Plaquette de support de tranches pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle porte au moins quatre potelets latéraux disposés pour hêtre concentriques aux tranches de l'empilement et à 900 l'un de l'autre, et a ses deux bords latéraux inférieurs, de même que l'extrémité supérieure de ses potelets, taillés en biseau de manière que ces biseaux s'inscrivent dans un cercle de diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube dans le quel cette plaquette doit être introduite pour l'opération de diffusion. 8 - Plaquette de support selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle est de forme rectangulaire et comporte six potelets de bordure constitués par quatre potelets de coin et deux potelets médians, cette plaquette étant conçue pour supporter deux empilements de tranches adjacents. 9 - Procédé de rangement de tranches semi-conductrices selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il utilise dans un tube au moins une plaquette de support à deux empilements selon la revendication 8 et au moins deux récipients à impuretés, disposés de part et d'autre de cette plaque à proximité de ses extrémités longitudinales. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il utilise deux plaquettes de support, le récipient entre celles-ci étant choisi d'une contenance sensiblement le double de celle des récipients extrêmes. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque empilement est recouvert par une plaquette de quartz pouvant glisser dans l'encadrement formé par les potelets respectifs, cette plaquette ayant ses bords latéraux supérieurs taillés en biseau pour qu'elle puisse s'insérer dans le tube sans toucher la paroi intérieure de celui-ci.