Brevet FR2132404A1 — publié le 19721117

L'invention concerne un procédé pour l'exploitation d'une installation de dépôt électrique pour la fabrication de tiges de semi-conducteur de pureté élevée, notamment de silicium, par décomposition thermique d'un composé gazeux du 5 matériau semi-conducteur que l'on cherche à obtenir et dépôt de ce matériau sur au moins un corps formant support constitué des mêmes matériaux disposé dans une chambre de réaction et susceptible d'être chauffé directement par un courant électrique, la température du corps formant support qui s'épaissit étant fixée 10 par réglage du courant de chauffage qui s'écoule à travers la section transversale de ce support. Un procédé semblable est déjà connu par le brevet autrichien n° 222 184 ; selon le procédé qui y est décrit, une image produite par un système optique à partir de la tige de 15 semi-conducteur incandescente qui sert de support, image dont le diamètre varie avec celui de la tige qui s'épaissit au fur et à mesure du dépôt, est analysée par balayage au moyen d'une cellule photoélectrique mobile et le constraste clair-obscur qui apparaît dans le plan de l'image à la limite du faisceau lumineux issu de 20 la tige de semi-conducteur est utilisé pour la commande d'un dispositif, lequel éloigne la cellule photoélectrique du faisceau et, en même temps, augmente le courant dans le circuit de chauffage, dans une mesure telle que la température de la tige de semi-conducteur soit maintenue à une valeur voulue, et en parti-25 culier constante. On connaît également, d'après la demande de brevet allemand publiée sous le n° 1 444 421, un procédé pour l'exploitation d'une installation de dépôt électrique en vue de l'obtention de substances semi-conductrices extrêmement pures, 30 comme par exemple du germanium ou du silicium, à partir d'un composé qui contient celles-ci, par décomposition thermique et dépôt sur des corps appropriés formant supports ; selon ce procédé, la température d'incandescence du support ou du corps formé par le dépôt chauffé à la température de dissociation du composé 35 semi-conducteur est détectée au moyen d'un pyromètre, l'intensité du rayonnement émis par le corps formé par le dépôt, intensité qui croît avec l'accroissement de la section transversale de ce corps, est envoyée sur la surface sensible au rayonnement du pyromètre et, dans ces conditions, une surface qui croît en fonc-40 tion de la section transversale de la tige est irradiée sur - 72 11753 2 2132404 celui-ci, l'accroissement de cette surface irradiée, avec la grandeur électrique produite par elle dans le pyromètre, étant utilisé, au moyen des valeurs absolues de cette grandeur qui varie, lorsque des valeurs limites prédéterminées sont atteintes 5 ou en cas d'interruption dans la croissance constante des valeurs correspondant à ladite surface, à des fins de signalisation, d'alarme, de commande ou de réglage dans l'installation de dépôt. L'invention a pour objet un perfectionnement du dispositif connu d'après le brevet autrichien 222 184 et une 10 simplification notable de l'installation de dépôt-décrite dans la demande de brevet allemand publiée sous le n° 1 444 421, et elle est caractérisée par le fait que le courant I qui chauffe le corps formant support en cours d'épaississement est utilisé pour la régulation d'au moins un autre paramètre qui influe sur 15 1® dépôt de la matière semi-conductrice sur le support. Selon un développement de l'idée inventive, . il est prévu que la régulation du paramètre qui influe sur le dépôt du matériau semi-conducteur s'effectue selon une fonction dépendant du courant. A cette fin, selon un exemple de réalisa-20 tion de l'invention, on utilise un calculateur de processus. D'après une solution qui entre dans, le cadre de l'invention, la quantité Q de matériau semi-conducteur gazeuse fournie par unité de temps à la chambre de réaction est augmentée, avec maintien de la température à une valeur constante, 25 en même temps que le courant I s'accroît. Selon une autre solution, entrant également dans le cadre de la présente invention, le rapport molaire entre le véhicule gazeux et le composé du semi-conducteur est réglé à une valeur plus basse, avec maintien à un niveau constant de la 30 température superficielle du support, en même temps que le courant I s'accroît. En outre, il est également possible, avec le procédé selon l'invention, d'abaisser avec l'accroissement du courant X, la température nécessaire pour le dépôt de la substan-35 ce semi-conductrice sur le support à une valeur optimale au cours du processus de dépôt. Par les dispositions conformes à l'invention, c'est-à-dire en utilisant en première approximation le courant qui parcourt la tige en tant que grandeur de référence pour le 40 dépôt du matériau semi-conducteur sur le substrat, il est 72 11753 3 2132404 possible de parvenir à une utilisation optimale des substances de départ nécessaires pour l'obtention d'une matière semi-conduc-trice, par exemple de silicium, sous forme polycristalline, au moyen d'une commande programmée, par exemple du débit de gaz 5 et/ou du rapport molaire entre le composé du semi-conducteur et le véhicule gazeux. De la sorte, on peut éliminer les frais d ' aj^pareillage élevés nécessités par la détermination du diamètre de la baguette de semi-conducteur en voie d'épaississement. Selon une forme de réalisation particulière 10 de l'invention, l'installation de dépôt peut être même utilisée avec un certain nombre de supports en forme de tige, qui sont réunis par une monture de support commun et qui sont chauffés à la température de dépôt par une source commune de courant de chauffage. 15 XI entre aussi dans le cadre de l'invention d'introduire additionnellement, dans un rapport prédéterminé, dans la chambre de réaction, la substance de dopage nécessaire pour une conductivité de type p ou n du corps formant support qui s'épaissit et, de cette manière, il est possible de fabri-20 quer des tiges de semi-conducteur ayant une concentration déterminée réglable en substance de dopage. Selon un exemple de réalisation particulièrement favorable, la matière de dopage est alors introduite dans la chambre de réaction sous forme de courant gazeux, en même 25 temps que le véhicule gazeux et le composé semi-conducteur. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on emploie un dispositif qui est caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre de réaction munie d'un orifice d'admission et d'un orifice d'échappement du gaz, et dans laquelle 30 les supports prévus pour le dépôt de la substance semi-conductrice sont fixés au moyen d'une monture, que les supports sont connectés à une source réglable de courant de chauffage, qu'un pyromètre optique, servant d'appareil de mesure de la température, est disposé à l'extérieur de la chambre de réaction pour la mesure 35 de la température superficielle du substrat, que le pyromètre optique est connecté, par l'intermédiaire d'un régulateur de température, à une source réglable de courant de chauffage, de telle sorte que la température puisse être réglée à une valeur constante ou prédéterminée, qu'en outre pour détecter le courant 40 qui passe à chaque instant, un indicateur de courant est monté 72 11753 4 2132404 dans le circuit du courant de chauffage, que pour la régulation de la quantité de gaz introduite dans la chambre de réaction et nécessaire pour le dépôt, l'indicateur de courant est connecté à un calculateur de processus et à un programmeur qui alimente 5 celui-ci, et que le calculateur de processus est couplé, par l'intermédiaire de circuits régulateurs qui se composent de soupapes de réglage et de générateurs de valeur de mesure, à la fois à une conduite d'alimentation en véhicule gazeux et à la conduite d'alimentation du composé gazeux du matériau semi-conducteur que 10 l'on cherche à obtenir. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé un mode d'exécution du procédé suivant l'invention et une forme de réalisation du dispositif pour sa mise en oeuvre. 15 La figure 1 est une représentation schémati que des organes du dispositif nécessaires pour le déroulement des réactions selon la présente invention. Les figures 2 à 4 représentent des courbes tracées sur la base de valeurs considérées comme optimales, cour-20 bes dont les allures servent de base pour le contrôle du dépôt d'une substance semi-conductrice sur le support d'après le principe de l'invention. La figure 5 montre, sous la forme d'un graphique, la fonction du courant de chauffage X et, respectivement, 25 du diamètre du support qui s'épaissit, dans l'unité de temps. Sur la figure 1, on a désigné par 2 les tiges de semi-conducteur fixées dans une monture 3 en graphite très pur, ces tiges servant de substances de départ pour le dépôt. Ces tiges de semi-conducteur 2, composées de silicium, se trou— 30 vent dans une chambre de réaction 1 en quartz, munie d'un orifice d'admission k et d'un orifice d'échappement 5 du gaz, et elles sont reliées vers le haut par un morceau de tige 18, également en silicium. Le mélange gazeux de réaction, prévu pour le dépôt, qui peut éventuellement contenir aussi des substances de dopage, 35 est introduit dans la chambre de réaction par l'orifice d'admission de gaz 4. Les gaz résiduels sont éliminés du vase de réaction par l'orifice d'échappement 5. Les tiges de silicium 2 sont par exemple à une température de 1150° C environ et, se comportant tout d'abord comme des corps électriquement résistants 40 parcourus par le courant, elles sont maintenues par la source 6 72 11753 5 2132404 de courant de chauffage à la température d'incandescence prédéterminée, en raison de la chaleur développée par effet Joule. La température des tiges de silicium incandescentes 2 est mesurée par un appareil de mesure de température 7 constitué par un pyro-5 mètre et le courant prélevé sur la source 6 de courant de chauffage est réglé automatiquement, à l'aide de cet appareil et au moyen du régulateur de température 8, de façon que la température optimale de dépôt requise selon l'invention soit atteinte. Pour détecter le courant qui passe à chaque instant, un indica-.10 teur de courant 9 est monté, dans le circuit de courant de chauffage et il est couplé, en vue de la commande des quantités de gaz introduites dans la chambre de réaction 1 et nécessaires pour le dépôt sur les tiges de silicium 2, à un calculateur de processus 10 et à un programmeur 11 qui alimente celui-ci. Le 15 calculateur de processus 10 est à son tour connecté, par l'intermédiaire de circuits régulateurs, qui se composent de soupapes de réglage 12 pour le débit du véhicule gazeux, par exemple l'hydrogène, et 13 pour le débit de la substance semi-conductrice à déposer, ainsi que de l'indicateur de valeur de mesure ik 20 pour la détection de la composition du gaz, par exemple du silico-chloroforme dans l'hydrogène, et de l'indicateur de valeur de mesure 15 pour la détection de la quantité de véhicule gazeux, par exemple d'hydrogène, qui passe à chaque instant au dispositif d'alimentation 16 en véhicule gazeux pour l'hydrogène et au 25 dispositif d'alimentation 17 pour la substance semi-conductrice à déposer. Dans ces conditions, le dispositif d'alimentation 17 peut être utilisé pour la substance semi-conductrice, soit sous forme de concentré, soit sous forme de véhicule gazeux avec addition constante. 30 Le calculateur de processus 10, qui pèut être aussi un régulateur ou un autre dispositif qui forme une grandeur en comparant les valeurs effectives instantanées avec la quantité de consigne de gaz, la composition de consigne de gaz et la température de consigne, lesquelles sont préalablement 35 introduites, en fonction du courant détecté par l'indicateur de courant 9» en tant que programme par un programmeur 11, par exemple sous la forme d'une bande perforée, d'une bande magnétique ou d'une carte perforée, procède, par exemple au moyen des soupapes de réglage 12 et/ou 13» ainsi que du régulateur de ko température 8, à une correction telle que le traitement global 72 11753 6 2132404 puisse s'effectuer avec des valeurs considérées comme optimales dans chaque cas. Ces valeurs peuvent être adaptées aux circonstances, par exemple à la fixation d'un coût minimal de l'installation, l'obtention d'un rendement maximal en matière serai-5 conductrice à partir du composé utilisé ou encore une utilisation maximale du dispositif. A l'aide de la courbe tracée sur la figure 2 et représentée à échelle logarithmique, on considérera, à titre O d'exemple de réalisation, le réglage du débit Q en m /h en fonc-10 tion du courant, avec maintien initial de la température à une valeur constante. Sur la courbe tracée, il est visible qu'avec l'augmentation du courant I, le débit Q des quantités de gaz correspondantes, prévues pour la décomposition thermique et le dépôt, s'élève de sorte qu'à 5000 ampères environ, un débit de O 15 10 m /h peut être considéré comme optimal. Cela signifie qu'avec un accroissement du courant I, c'est-à-dire avec une augmentation de la surface de la tige de silicium qui croît, le débit augmente, c'est-à-dire que la quantité de gaz fournie par unité de surface reste constante. Autrement dit, on parvient à une 20 utilisation optimale de l'installation pour des conditions de coût données. Sur la figure 3 est représenté, également à l'aide d'une courbe tracée à l'échelle logarithmique, un exemple de réalisation concernant l'application de l'invention au 25 réglage du rapport molaire dans le courant gazeux entre le véhicule gazeux composé d'hydrogène et le silico-chloroforme contenant le silicium que l'on cherche à obtenir, courant avec lequel le vase de réaction est alimenté. A partir des tiges de silicium chauffées à la température de dissociation du silico-chloroforme, 30 la température correspondante est relevée par le pyromètre optique contenu dans l'appareil de mesure de température 7. Par l'intermédiaire du régulateur de température 8, le courant I est alors réglé, au moyen de la source réglable de courant de chauffage, de sorte qu'en fonction de la croissance du diamètre des 35 tiges de silicium dans la chambre de réaction, la température soit maintenue tout d'abord à une valeur constante. Pour une meilleure utilisation de l'installation, il convient d'accélérer la croissance lorsque les tiges ont un petit diamètre. Cela est obtenu par le fait que la proportion de silico-chloroforme con-40 tenue dans le véhicule gazeux est augmentée selon la courbe de 72 11753 7 2132404 la figure 3» Ie courant I étant là encore utilisé comme mesure du diamètre. Le programme de commande prévu dans le programmeur 11 contient donc une fonction entre le courant I parcourant les supports de dépôt 2 composés de silicium et le mélange approprié 5 correspondant du courant de véhicule gazeux se composant d'hydrogène avec le silico-chloroforme selon le rapport molaire prédéterminé sur la courbe de la figure 3» afin que dans le processus de dépôt à partir du silico-chloroforme sur les tiges de silicium 2 et, respectivement, avec le débit instantané Q du courant ga-10 zeux, l'installation atteigne un rendement aussi favorable que possible pour le dépôt quantitatif sur les tiges 2. La figure 4 montre, également à échelle logarithmique, que la température à la surface des tiges décroît avec l'augmentation du courant I, c'est-à-dire avec 1'augmenta-15 tion du diamètre des tiges. Cela peut se réveler nécessaire afin qu'en cas de grands diamètres, la tige ne subisse pas au centre une surchauffe ou même une fusion, par suite de la distribution radiale de la température. Là encore, le courant est utilisé, conformément à l'invention, en tant que mesure pour le diamètre. 20 La figure 5 montre la variation du courant X en ampères et du diamètre d en millimètres par rapport aù temps de dépôt t (en heures). Les courbes reproduites pour X et d montrent que, pour le même effet utile, mais à des frais beaucoup moins élevés, une optimisation du processus de dépôt en fonction 25 du diamètre est possible en utilisant le courant I comme grandeur de référence. 72 11753 8 2132404 REVENDICATIONS _ 1. Procédé pour l'exploitation d'une installation de dépôt électrique pour la fabrication de tiges de semiconducteur à pureté élevée, et notamment de silicium, par décom- 5 position thermique d'un composé gazeux du matériau s emi-conducteur que l'on cherche à obtenir et dépôt de cette substance sur au moins un corps formant support constitué du même matériau disposé dans une chambre de réaction et susceptible d'être chauffé directement par un courant électrique, la température du support qui 10 s'épaissit étant fixée par régulation du courant de chauffage qui s'écoule à travers la section transversale du support, caractérisé par le fait que le courant I qui chauffe le support en cours d*épaississement est utilisé pour la régulation dt'au moins un autre paramètre qui influe sur le dépôt de la matière semi- 15 conductrice sur le substrat. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la régulation du paramètre qui influe sur le dépôt de la matière semi-conductrice s'effectue selon une fonction dépendant du courant. 20 3. Procédé selon la revendication 2, carac térisé par le fait qu'on utilise un calculateur de processus. 4. Procédé selon l'une des revendication 1, 2 ou 3» caractérisé par le fait qu'avec une augmentation du courant I, la quantité Q de matériau semi-conducteur gazeux fournie 25 par unité de temps à la chambre de réaction est augmentée en même temps, avec maintien à une valeur constante de la température du support. 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'avec une augmentation du 30 courant I, le rapport molaire du véhicule gazeux et du composé semi-conducteur est réglé à une valeur plus basse, avec maintien à une valeur constante de la température du support. 6. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3» caractérisé par le fait qu'avec une augmentation du 35 courant I, la température nécessaire pour le dépôt du matériau semi-conducteur sur le support est abaissée. 7. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'on utilise le trichlorosilane (SiHCl^) en tant que composé semi-conducteur avec 40 l'hydrogène en tant que véhicule gazeux et que le processus de 72 11753 9 2132404 dépôt est réglé à une consommation minimale de trichlorosilane. 8. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3» 5» 6 ou 7, caractérisé par le fait que pour la mesure de la température superficielle du support qui s'épaissit, on 5 utilise un pyromètre optique qui est connecté, par l'intermédiaire d'un régulateur de température, à une source réglable de courant de chauffage. 9. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3» 4, 5» 6, 7 ou 8, caractérisé par le fait que pour le dépôt 10 du matériau semi-conducteur dans la chambre de réaction, il est prévu simultanément plusieurs supports en forme de tige qui sont réunis par une monture commune et qui sont chauffés à la température de dépôt par une source commune de courant de chauffage. 10. Procédé selon l'une des revendications 1, 15 1» 3» 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé par le fait qu'on introduit additionnellement, dans la chambre de réaction, dans un support prédéterminé, la substance du dopage nécessaire pour une conduc-tivité de type p ou n du support qui s'épaissit. 11. Procédé selon la revendication 10, carac— 20 térisé par le fait que la substance de dopage est introduite dans la chambre de réaction en même temps que le véhicule gazeux et le composé semi-conducteur, sous forme de courant de gaz. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on 25 utilise une chambre de réaction munie d'un orifice d'admission et d'un orifice d'échappement du gaz et dans laquelle les supports prévus pour le dépôt du matériau semi-conducteur sont fixés au moyen d'une monture, que les supports sont connectés à une source réglable de courant de chauffage, qu'un pyromètre op-30 tique, servant d'appareil de mesure de la température, est disposé à l'extérieur de la chambre de réaction pour la mesure de la température superficielle du support, que le pyromètre optique est connecté, par l'intermédiaire d'un régulateur de température, à une source réglable de courant de chauffage, de telle 35 sorte que la température puisse être réglée à une valeur constante ou prédéterminée, qu'en outre, pour détecter le courant qui passe à chaque instant, un indicateur de courant est monté dans le circuit du courant de chauffage, que pour la régulation de la quantité de gaz introduite dans la chambre de réaction et néces-4-0 saire pour le dépôt, 1 ' indicateur de courant est connecté à un 72 11753 10 2132404 calculateur de processus et à un programmeur qui alimente celui-ci, et que le calculateur de processus est couplé, par l'intermédiaire de circuits régulateurs qui se composent de soupapes de réglage et de générateurs de valeur de mesure, à la fois à une conduite d'alimentation en véhicule gazeux et à la conduite d'alimentation du composé gazeux du matériau semi—conducteur que l'on cherche à obtenir.