Brevet FR2243522A1 — publié le 19750404

La présente invention, due à Jury Dmitrievich CHISTYAKOV; Anatoly Nikolaevich PALIENKO, -Nikolai Kùzmich DANILKOV, Jury Anatolievich RAINGV, Dmitry Nikolaevich GULIDOV, Julia Petrovna RAINOVA, Vasily Ivenovich 5ELIVERSTOV, se rapporte aux installations pour l'obtention des couches épitaxiales de semi-conducteurs, par exemple, de silicium, par procédé de réactions chimiques avec des gaz,agents de transport des semi-conducteurs à déposer. Les installations connues pour l'obtention de semiconducteurs par procédé épitaxial comprennent comme éléments principaux un évaporateur pour former le mélange vapeur-gaz, une chambre de réaction métallique à refroidissement par l'eau avec un moyen de chauffage des substrats, réalisé sous forme de deuxplaques reliées par un due leurs bouts à l'aide d'un élément de liaison, servant de support et assurant le chauffage des substrats placés sur leurs surfaces. Dans ces installations le mélange vapeur-gaz issu de lfévaporateur parvient horizontalement dans la chambre de réaction où ses composants interagissent entre eux sur la surface des substrats chauffés, avec formation d'une substance croissant sur ces substrats sous forme de couches épitaxiales de semiconducteurs. Dans les installations susdites les plaques du dispositif de chauffage sont de forme rectangulaire avec leurs plus grandes bases disposees en parallèle avec le flux dumélange vapeur-gaz. Les substrats ne sont placés que sur les grandes faces supérieures des plaques du dispositif de chauffage. Cette conception du dispositif de chauffage est la cause de courants thermiques importants à partir des surfaces des substrats vers les parois de la chambre à réaction à refroidissement par l'eau, et de ce fait, un gradient de température s'établit sur les substrats, dirigé suivant la normale yers la surface de ceux-ci et détermine ainsi une différence de températures des surfaces de travail et de contact des substrats. Une courbure des substrats se manifestant au cours du processus d'épitaxie correspondan à cette différence de températures, détériore sur les plages séparées le contact thermique entre les substrats et la surface de chauffe. Cela est à son tour la cause -d'un chauffage inégal le long de la surface des substrats, donc, d'une dispersion des épaisseurs des couches épitaxiales sur la surface de celles-ci. La présente invention vise à remédier aux inconvénients susmentionnés. Le but de la présente invention est de mettre au point. une installation pour l'obtention des couches épitaxiales de semi-conducteurs, dans la chambre de réaction de laquelle seraient introduits, pour faire écran à la radiation thermique des substrats et pour le contrôle de la formation de-s couches, des moyens qui empêcheraient la courbure des substrats grâce à une réduction considérable des pertes thermiques, assureraient avec plus d'efficacité une ionisation thermique des composants du mélange vapeur-gaz et effectueraient une ionisation sous l'effet d'un champ électrique appliqué. Ce problème est résolu par le fait que, dans une installation pour l'obtention des couches épitaxiales de semi-conducteurs comprenant un évaporateur pour former un mélange vapeurgaz parvenant horizontalement dans la chambre de réaction renfer -mant au moins un moyen de chauffage par résistance sous forme de deux plaques reliées à l'un de leurs bouts à l'aide d'un élément de liaison, et portant des substrats sur lesquels on dépose une couche de matériau semi-conducteur à partir du mélange vapeur-gaz, selon l'invention, les plaques du dispositif de chauffage ont une section transversale trapézoïdale, les bases des sections étant parallèles au flux du mélange vapeur-gaz dirigé vers l'élément de liaison, et,à l'intérieur de la chambre de réaction, on prévoit des écrans thermiques en nombre égal à celui de dispositifs de chauffage, ces écrans étant montés à proximité des plaques du dispositif de chauffage et ayant une forme telle qu'on puisse placer entre eux les plaques du dispositif de chauffage, ce qui permet de faire écran au rayonnement thermique de toutes les faces latérales des plaques portant les substrats. Afin de faciliter la fabrication des écrans à partir des ébauches en graphite il est avantageux d'adopter pour cet écran une forme en UI (U simple ou multiple). Il est avantageux de munir l'installation d'écrans auxiliaires en W en même nombre que les écrans principaux et qui sont à placer dans la chanbre de réaction vis-à-vis de ceux-ci, en créant ainsi des espaces fermés autour des plaques du dispositif de chauffage. Lorsqu'on fait usage de plusieurs écrans -thermiques principaux et plusieurs écrans thermiques en W auxiliaires, ceux-ci peuvent faire un tout. En vue d'assurer une dynamique de gaz optimale lors du processus, il est utile de situer l'élément de liaison reliant les plaques du dispositif de chauffage en parallèle avec les bases de ces plaques du côté de l'une des bases. Il est aussi avantageux de placer les plaques du dispositif de chauffage avec leurs bases plus petites en haut, et d'adopter un angle d'inclinaison de l'ordre de 3 , des faces latérales des plaques par rapport à la verticale Il est aussi avantageux de brancher l'écran thermique principal et les plaques du dispositif de chauffage par résistance sur une source de tension continue, en réalisant ainsi un ionisateur dont une électrode est constituée par le dispositif de chauffage et la seconde, par l'écran thermique principal. L'installation ainsi réalisée pour l'obtention des couches épitaxiales de semi-conducteurs assure un rendement élevé, ce qui est dû à un haut degré d'utilisation dés surfaces de travail du dispositif de chauffage et à une faible consommation d'énergie grâce à la mise sous écran thermique du dispositif de chauffage. L'invention est explicitée dans la description qui va suivre, dtun exemple concret de sa mise en oeuvre, en se référant aux dessins, sur lesquels: -la figure 1 illustre l'installation selon l'invention pour la réalisation des couches épitaxlales de semi-conducteurs dans une vue d'ensemble en perspective avec une coupe partielle -la figure 2 illustre le dispositif de chauffage par résistance des substrats dans une vue d'ensemble en perspective; -la figure 3 illustre l'installation pour la réalisation des couches épitaxiales de semi-conducteurs selon l'invention, en coupe suivant la ligne III-III de la figure 1. L'installation pouf la réalisation des couches épitaxia- les de semi-conducteurs -sllicium dans le cas considéré, selon l'invention comprend un évaporateur 1 (fiv.1) avec une conduite de gaz z et d'hydrogène 3 et une conduite de gaz 4 amenant dans le sens horizontal suivant la flèche A le mélange vapeur-gaz de tétrachlorure de silicium-hydrogène, formé dans l'évaporateur 1, -vers une chambre de réaction métallique 5 à refroidissement par l'eau, la bride 6 de la chambre de réaction 5 sert à fixer l'évaporateur 1 et des conducteurs d'amenée de courant 7 (fig.2) avec des bornes 8. Trois dispositifs de chauffage par résistance 10 sont fixés au moyen de boulons en graphite 9 sur les conducteurs d'amenée de courant à l'intérieur de la chambre 5.Le nombre de dispositifs de chauffage est choisi de telle façon que soit assurée l'alimentation des dispositifs de chauffage partir d'un transformateur d'alimentation triphasé 11 (fig.2) branché aux bornes 8. Chacun des dispositifs de chauffage 10 (fig.1 et 2) est composé d deux plaques 12 reliées par un élément de liaison 13 sur un de leurs bouts. Les plaques 12 (fig.3) du dispositif de chauffage 10 sont de section transversale trapézoïdale et à bases 14 (plus petite) et 15 (plus grande), disposées en parallèle avec le flux du mélange vapeur-gaz dirigé vers l'élément de liaison 13,ce qu'on peut bien voir à la fig.1, la base 14 (fig.3) se trouvant au-dessus de la base 15. L'angle d'inclinaison des faces latérales 16 et 17 des plaques 12 par rapport à la verticale 18 vaut environ 3". L'élément de liaison 13 (fig.l.et 2) passe en parallèle avec les bases 14 et 15 (fig.3) des plaques 12 du côté de la base 15, qui est plus grande. Cet élément de liaison peut se trouver du côté de la base plus petite. Les faces latérales 16 et 17 des plaques 12 portent des substrats 20 qui sont placés sur des saillies d'appui 19 (fig.1 à 3), et sur ces substrats on dépose une couche épitaxiale de silicium à partir du mélange vapeur-gaz en tétrachlorure de silicium-hydrogène. L'angle de 30 permet la disposition la plus favorable des substrats 20. Dans la chambre de réaction 5, (fiv.1) sont prévus des écrans principaux 21 en graphite dont le nombre correspond à celui de dispositifs de chauffage 10 (ici trois) et qui sont placés à proximité des plaques 12 du dispositif de chauffage 10 et possèdent une forme permettant d'y situer les plaques 12 (fig.3) du dispositif 10, en faisant écran à la radiation thermique provenant de toutes les faces latérales 16 et 17 des plaques. Dans le mode de mise en oeuvre décrit, de l'installation, les écrans thermiques 21 (fig.1 et 3) présentent une forme en LU et sont faits comme un ensemble unique. Les creux 22 et 23 des écrans 21 constitués par les parois latérales 24 et 25 et la paroi de milieu 26 renferment les parties supérieures des plaques 12 du dispositif de chauffage 10. On peut concevoir cependant-un mode de mise en oeuvre du dispositif dans lequel les écrans sont montés avec un certain Jeu,l'un relativement à un autre. Dans la chambre de réaction 5 (fiv.1) il y a des écrans auxiliaires 27 en Lu fabriqués en graphite, dont le nombre correspond à celui des écrans principaux 21, ici trois, et qui constituent alors des espaces fermés autour des plaques 12 du dispositif de chauffage 10, celà en diminuant l'influence mutuelle entre les sections différentes de cette chambre de réaction ainsi que les gradients de température sur les substrats 20. Les écrans thermiques auxiliaires 27 (fiv.3) sont analogues aux écrans thermiques 21 principaux et présentent des creux S et 29 constitués par les parois latérales 30 et 31 et la paroli de milieu 32, pour renfermer les parties inférieures des plaques 12 du dispositif de chauffage 10. Les écrans thermiques auxiliaires 27 sont aussi faits sous forme d'un ensemble unique. Les bouts des parois 24,26 et 25 des écrans principaux 21 sont en contact direct avec ceux des parois 30,32 et 31 respectivement, des écrans auxiliaires 27. Les écrans thermiques principaux 21 (-fig.1) et les plaques 12 des dispositifs de chauffage 10 sont connectés sur une source 33 de tension continue constituant ainsi des ionisateurs dont une électrode est formée par le dispositif de chauffage 10 et la seconde par chacun des écrans thermiques principaux 21. Les écrans thermiques 21 sont connectés par l'intermédiaire d'une entrée HT 34, avec connecteur 35 sur la borne négative d'une source 33, et les plaques 12 des dispositifs de chauffage 10, par l'intermédiaire des-conducteurs de courant 7, avec connecteur 36 (fig.1 et 2), sur la borne positive de cette même source 33. Au cas où les écrans thermiques principaux sont arrangés avec un jeu, chacun d'eux est individuellement relié à' la source de tension continue. Le principe de fonctionnement de l'installation proposée pour l'obtention des couches épitaxialesde semi-conducteurs consiste en ce qui suit. On dispose les substrats 20 (fig.1) sur les saillies d'appui 19 des plaques 12 des dispositifs de chauffage 10. On réalise ensuite l'assemblage des écrans principaux 21 et auxiliaires 27 (fig.3), en Joignant les bouts des parois 24, 26 et 25 des écrans 21 à ceux des parois 30,3t et 31 respectivement des écrans 27. Après avoir rendu étanche la chambrede réaction 5 (fig.1), on procède au soufflage de celle-ci avec de l'hydrogène débité par les conduites de gaz 2 et 4, et c'est dans le courant d'hydrogène qu'on effectue un traitement thermique préalable des substrats 20, en faisant fonctionner les dispositifs de chauffage par résistance 10.L'hydrogène vient ensuite par la conduite de gaz 3 à l'évaporateur 1 et, en passant sur la surface du tétrachlorure de silicium, attaque le cristal en formant un mélange vapeur-gazt qui est dirigé dans la conduite de gaz 4 suivant le sens horizontal conforme à la flèche A vers la chambre de réaction 5, où il se répartit entre les espaces fermés constitués par les écrans principaux 21 et auxiliaires 27 autour des plaques 12 des dispositifs de chauffage 10. En branchant la source 33 de tension continue, on applique une différence de potentiel aux écrans 21 et aux dispositifs de chauffage 10.Par réglage de l'intensité et de la polarité du champ électrique appliqué, on obtient un degré de dopage voulu des couches épitaxiales de semiconducteur, c'est-à-dire de silicium; ainsi, par variation de la différence de potentiel entre les électrodes jusqu'à 5 kV, on a réussi à varier la résistivité plus que de 20 fois, en réalisant de cette façon la répartition désirée du dopage suivant l'épaisseur prédéterminée. On débranche ensuite les dispositifs de chauffage 10 et la source 33, on soumet des structures obtenues à un refroidissement dans le courant d'hydrogène; cela fait, on coupe le flux d'hydrogène, et on effectue un déchargement de la chambre réactionnelle 5. L'avantage de l'installation décrite plus haut réside en son rendement élevé; ainsi par exemple, l'installation permet d'obtenir lors d'un seul processus environ 50 structures épitaxiales de 80 mm de diamètre et environ 200 de 35 à 40 mm de diamètre, tout en assurant les conditions de croissance identiques sur tous les substrats. L'application de l'installation revendiquée a permis d'améliorer les paramètres de dispersion d'épaisseur et de dopage des couches qui ne constituaient pas plus que 3% suivant la surface de plaque, pas plus que 5% suivant le lot correspondant à' un seul chargement, et pas plus que 7% d'un lot à un autre (avec divers chargements). Il s'est révélé possible d'augmenter la densité de charqement du dispositif de chauffage et de réduire jusqu'd 30kV la consommation d'énergie lors du processus sur 70 substrats de 35 mm de diamètre. En plus, il est à noter une diminution notable (de 5-6 fois) du rebut lié à la déformation plastique des structures, c'est-àdire au soi-disant "slip-lines't, qui sont dues à des gradients de température s'établissant sur les substrats pendant le processus d'épitaxie. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce-qui précède,l'invention ne se limite nuliement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spé- cillement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les. variantes. -REVEN'DICATIONS- 1.- Installation pour l'obtention des couches épitaxiales de semi-conducteurs comprenant un évaporateur pour former un mélange vapeur-gaz arrivant dans le sens horizontal à une chambre de réaction métallique à refroidissement par l'eau dans laquelle est situé au moins un dispositif de chauffage par résistance-sous forme de deux plaques reliées par un de leurs bouts à l'aide d'un élément de liaison et servant de support aux substrats sur lesquels on dépose une couche épitaxiale de semiconducteur partir du mélange vapeur-gaz, caractérisé par le fait que les plaques du dispositif de chauffage sont de section transversale trapézoidale à bases disposées en parallèle avec le flux du mélange vapeur-gaz dirigé vers l'élément de liaison, et que dans la chambre de réaction sont prévus des écrans thérmiques principaux dont le-nombre est égal à celui de dispositifs de chauffage, qui sont montés à proximité des plaques du dispositif de chauffage et qui ont une forme permettant de placer entre eux les plaques du dispositif de chauffage, de façon que la radiation thermique issue de toutes les faces latérales de ces plaques supportant des substrats se trouve sous l'écran mentionné. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit écran thermique principal est en forme de W 3.- Installation selon les revendications 1 et 2 caractérisée par le fait qu'à l'intérieur de la chambre réactionnelle sont montés des écrans thermiques complémentaires en W dont le nombre est égal à celui d'écrans thermiques principaux, lesdits écrans thermiques complémentaires étant montés en opposition des écrans principaux, en formant des espaces fermés autour des plaques du dispositif de chauffage. 4.- Installation selon les revendications 2 et3, caractérisée par le fait que lorsqu'on prévoit plusieurs écrans thermiques principaux en W et plusieurs écrans thermiques complémentaires en LJ , ceux-ci respectivement présentent un tout. 5.- Installation selon les revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'élément de liaison reliant les plaques du dispositif de chauffage-est disposé en parallèle avec les bases, de ces plaques, du côté d'une des bases. 6.- Installation selon les revendications 2 à 5, caractérisée par le fait que le,s bases plus petites des plaques du dispositif de chauffage sont situées au-dessus des bases plus grandes, et que l'angle d'inclinaison-des faces latérales des plaques par rapport à la verticale est de ltordre de 3 . 7.- Installation selon les revendications 2 à 6, caractérisée par le fait que l'écran thermique principal et les plaques du dispositif de chauffage sont connectés sur une source de tension continue, en constituant ainsi un ionisateur dont une des électrodes est le dispositif de chauffage et l'autre, l'écran thermique principal.