Brevet FR2130662A1 — publié le 19721103

L'invention concerne un procédé de fabrication de couches minces superficielles cristallines très homogènes et de grande pureté chimique. Par couche superficielle il faut entendre soit une couche partielle d'un bloc de matériau polycristallin ou monocristallin, soit une couche amorphe polycristalline ou mono cristalline qui est déposée sur un substrat constitué par un corps étranger. Au cours de la croissance de cristaux ou du dépôt de couches cristallines il se forme toujours des corps cristallins et/ou des couches cristallines qui sont plus ou moins entachés de défauts. Par exemple il peut apparartre dans le réseau cristallin des dislocations ou des impuretés sous forme d'atomes étrangers. En outre il apparaft également une imperfection structurale. Les écarts géométriques, que présentent les éléments du réseau par rapport à la structure rigoureusement ordonnée du réseau, font partie de cette imperfection structurale. Il apparat t fréquemment dans des cristaux un défaut dit de Frenkel et un défaut dit de Schottky. Dans le premier cas il s'agit de places vacantes" dans le réseau partiel des cations ou de cations disposés en des positions intersticielles ; dans le deuxième cas il stagit de places vacantes dans le réseau partiel des cations et dans le réseau partiel des anions. On peut utiliser de façon connue toute une série de procédés pour ameliorer la qualité cristalline, rendre homo gènoeet purifier des corps cristallins. On citera à ce propos avant tout le procédé de fusion de zone qui est utilisé avec succès notamment pour des cristaux semiconducteurs en forme de tige. On fournit, à l'aide de moyens électriques tels qu'une bobine HF, suffisamment d'énergie à la tige cristalline qui doit être traitée pour qu'il apparaisse une zone fondue à lten- droit où est disposée la bobine. 51 l'on déplace lentement la bobine le long de la tige, le matériau fondu recristallise à l'extrémité arrière de la zone en fusion tandis que le matériau fond à l'extrémité avant de la zone.Si les impuretés contenues dans la zone en fusion possèdent un coefficient de répartition inférieur à 1, la tige cristalline recristallisée possède alors un dégré de pureté supérieur à celui de la tige de départ. En répétant de tels processus'de fusion on obtient des tiges cristallines de grande pureté . les impuretés se déplacent alors, au cours de ces processus, jusqu'à l'extrémité du cristal. Grâce à ce procédé on peut également fabriquer des corps monocristallins à partir de corps polycristallins lorsqu'un germe est donné à l'avance ou lorsque l'on prend des mesures appropriées pour le choix du germe. k cet effet on peut fortement amincir un polycristal en forme de tige par exemple à l'extrémité où doit commencer le procédé de tirage de zones. Seuls les germes de cristaux orientés suivant la direction de la tige continuent à rostre dans le col rétréci, alors que des germes, qui croissent obliquement, starrêtent sur les bords. De cette manière il ne subsiste en général qu'un seul germe sur lequel le monocristal croc t alors. On obtient également une amélioration de la qualité du cristal-lorsque l'on amène le matériau situé dans la zone de chauffage seulement jusqu'au point de fusion étant donné qu'une recristallisation a alors lieu dans la phase solide. De cette manière on obtient une tige cristalline de grande pureté chimique et également structurale. Toutefois on ne connatt ces procédés que pour la purification de corps cristallins massifs. 1'invention a pour objet d'appliquer ces procédés à la recristallisation de couches superficielles minces, de nouvelles solutions devant alors etre trouvées. Ce résultat est obtenu conformément à l'invention grâce au fait qu'une couche superficielle amorphe monocristalline, ou polycristalline, peu homogène et de pureté chimique médiocre est balayée zone par zone par un faisceau de grande énergie et de ce fait le matériau situé dans les zones irradiées est mis en fusion ou. est amené seulement jusqu'au point de fusion et recristalliseà nouveau une fois que la zone chaude a été redéplacée. Afin d'éviter les contraintes thermiques dans le cristal onrélze de façai avantageuse unpréchaffage deJa coude superficiel- le y compris un support ou une couche de base sur lequel ou laquelle est disposée la couche superficielle mince, afin d'amener cette couche à une température inférieure à son point de fusion. Si l'on veut réaliser sur des corps amorphes, polycristallins ou monocristallins des couches superficielles monocristallines présentant une structure très ordonnée on doit alors isoler, notamment dans la couche superficielle, des germes monocristallins. On obtient des germes monocristallins dans la couche lorsqu avant irradier la couche, on l'amincit très fortement en la taillant ou lorsqu'on forme un col retréci à l'endroit où doit commencer le procédé de recristallisation de zone. Par déplacement de la zone chaude à travers la couche cristalline seuls les cristaux, qui, dans la région effilée ou dans celle du col rétréci, sont orientés suivant la direction longitudinale de la couche, continuent à croître ; les germes de cristaux orientés obliquement par rapport à celle-ci s'arrêtent de croître sur les bords. Le dispositif ae mise en oeuvre du procédé est constitué notamment par une source de rayonnement qui émet un faisceau dont la seetion est en forme de ruban, par un dispositif d'entrainement destiné à déplacer régulièrement la source de rayonnement ainsi que par un dispositif de serrage du cristal à traiter. Comme source ae rayonnement on utilise notamment un laser, une antenne à fente ou un filament incandescent, ce dernier étant situé très près du cristal, ou dont l'image est formée à l'aide d'un miroir ou d'une lentille sur la surface. Il est avantageux de disposer de façon mobile plusieurs sources de rayonnement sur un rail, toutes ces sources créant ces zones en fusion sur la couche cristalline. h titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé un mode d'exécution du procédé suivant l'invention. a figure 1 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. La figure 2 représente une couche cristalline pré-parée en vue de la sélection des germes. La figure 5 ressent une ortie de la figure La figures 4 représente une couche cristalline Çui comporte plusieurs zones de fusion. bans l'exemple représenté sur la figure 1 on désigne par 1 un émetteur de rayonnement laser auquel est raccordé un système optique 2 qui transforme le faisceau laser de telle sorte qu'il apparaît un faisceau plat 5. L'émetteur laser 1 et le système optique 2 sont disposés sur un rail 4 de sorte que, entraînés par un moteur, ils peuvent se déplacer le long du rail à une vitesse réglable comprise entre 1 et 5 cm/he re. Le faisceau plat 3 tombe sur la couche superficielle cristalline mince 5, dans laquelle est produite une zone de fusion 6 de forme allongée, relativement petite par rapport à l'une au moins des dimensions latérales de la couche. La couche 5 est elle-même déposée sur un corps support 7, qui est maintenu grâce à un dispositif de serrage 8.On n'a pas représenté ae dispositif de chauffage utilisé pour porter le corps support 7 et la couche 5 à une température inférieure au point de fusion de la couche cristalline mince. Le dispositif permet de déplacer d'avant en arrière la zone en fusion 6 sur la couche cristalline 5 à une vitesse comprise entre 1 et 5 cm/heure. Etant donné que la couche superficielle y compris le corps support a déjà été préchauffé, la source de rayonnement ne délivrera par conséquent à la couche cristalline 5 qu'une quantité d'énergie suffisante pour que celle-ci fonde ou soit amenée au point de fusion. Si la zone en fusion 6, représentée sur la figure, continue à se déplacer vers l'arrière, le matériau fondu recristallise à la limite 9 de la zone en fusion 6, le matériau recristallisé étant en général de plus grande pureté que le matériau fondu. De cette manière on obtient outre une purification de la couche 5 par élimination des impuretés, également une augmentation de la perfection cristalline de celle-ci.La purification de la couche 5 ainsi que la perfection cristalline de la couche nouvellement formée seront d'autant meilleures que la zone en fusion sera plus souvent déplacée à travers la surface cristalline 5. La fabrication d'une couche superficielle monocristalline très homogène à partir de couches amorphes, monocristallines ou polycristallines est expliquée à l'aide des figures 2 et 3, Sur la figure 2 on désigne à nouveau par 5 la couche superficielle vue de dessus qui est disposée sur le corps-support 7. Avant le processus de recristallisation, on a éliminé par attaque chimique des parties de la couche cristalline 5 ce qui a fait apparaftre les nouvelles limites 10 de la couche. Au-dessous de la couche 5 on aperçoit aux endroits attaqués chimiquement, le corps-support 7. Dans la partie très étroite 11 de la couche 5 il n'existe que très peu de cristaux orientés suivant des directions différentes. Cette partie étroite 11 est représentée à plus grande échelle sur la figure 3. Si la zone en fusion 6 est déplacée de haut en bas à travers la couche cristalline, seuls les cristaux, qui sont orientés suint la direction longitudinale 14 de la couche cristalline, conti- nuent à croftre. Au niveau de la partie étroite 11 de la couche 5 des cristaux orientés différemment, croissent, par exemple suivant les directions 12 et 13, vers les bords où ils cessent de croître. De cette manière il se forme une couche monocristalline de grande pureté. La figure 4 représente à nouveau une couche superficielle sur laquelle plusieurs zones en fusion 6 sont représentées, ces zones étant créées à l'aide d'un nombre correspondant de sources de rayonnement montées dans le dispositif. Ces zones en fusion sont déplacées simultanément à travers la surface 5 de telle sorte qu'une région est par conséquent traversée plusieurs fois par les zones en fusion et que par suite la qualité de la couche cristalline est encore améliorée. Grâce à un dispositif de ce type on parvient plus rapidement à purifier chimiquement la couche et à améliorer la structure de celle-ci qu'à l'aide d'un montage qui ne comporte qu'un seul faisceau plat, celui-ci pouvant toutefois également être déplacé plusieurs fois sur la surface. Une application préférée de l'invention consiste en l'amélioration des couches semiconductrices constituées par Si, Ge, GaAs, obtenues par croissance épitaxiale- sur un substrat constitué par un corps étranger (saphir, spinelle de Ng-Al ou quartz) et pour la cristallisation de couches semiconductrices minces déposées par vaporisation. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de couches superficielles cristallines minces très homogènes et de pureté chimique élevée caractérisé par le fait qu'une couche superficielle amorphe monocristalline, ou polycristalline, peu homogène et de pureté chimique médiocre est balayée zone par zone par un faisceau de grande énergie et de ce fait le matériau situé dans les zones irradiées est mis en fusion ou est amené seulement jusqu'au point de fusion et recristallise à nouveau une fois que la zone chaude a été redéplacée. 2. Procédé suivant la revendication 1,caractérisé par le fait que l'on réalise un préchauffage de la couche superficielle y compris un support ou une couche de base sur lequel ou laquelle ést disposée la couche superficielle mince, afin d'amener cette couche à une température inférieure à son point de fui on 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'avant le processus de fusion et de recristallisation, on isole,de préférence en réalisant un col rétréci, des germes monocristallins dans la couche superficielle, à l'endroit où le processus de recristallisation de zones commence. 4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé par une source de rayonnement qui émet un faisceau dont la section est en forme de ruban, par un dispositif d'entrainement destiné à déplacer régulièrement la source de rayonnement ainsi que par un dispositif de serrage du cristal à traiter. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la source de rayonnement est constitué par un laser. 6. Dispositif suivant la revendication 4,caractérisé par le fait que la source de rayonnement est constituée par une antenne à fente. 7. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la source de rayonnement est constituée par un filament incandescent qui est situé très près du cristal ou dont l'image est formée sur la surface de ce cristal. 8. Dispositif suivant l'une des revendications 4, 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait que plusieurs sources de rayonnement sont disposées de façon mobile sur un rail, ces sources créant des zones en fusion sur la sourche cristalline.