Brevet FR2473561A1 — publié le 19810717

"Dispositif pour l'application par croissance épitaxiale d'une couche de matière semi-conductrice." La présente invention concerne un dispositif servant à appliquer par croissance épitaxiale une couche de matière semi-conductrice sur une face plane d'un substrat, ce dis- positif comprenant un mécanisme de coulisseau qui est pour- vu d'un porte-réservoir comportant au moins un réservoir ouvert à sa partie inférieure, d'un tiroir coulisseau obtu- rant la face intérieure du porte-réservoir et pourvu d'au moins une ouverture pour débiter la matière fondue provenant d'un réservoir du porte-réservoir, ce dispositif étant en outre pourvu d'un porte-substrat dans lequel au moins un évidement est ménagé pour la réception d'un substrat. Un tel dispositif est décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n* 3 690 965. Dans ce dispositif connu, une quantité définie de matière fondue est prélevée du réser- voir relativement grand dans l'ouverture du tiroir et une couche est formée par croissance épitaxiale sur le substrat se trouvant en dessous de l'ouverture. Pour l'application reproductible d'une couche sur un substrat suivant, on uti- lise une nouvelle quantité de matière fondue provenant du réservoir. Il faut cependant tout d'abord éliminer la quan- tité de matière fondue utilisée présente dans l'ouverture du tiroir. A cet effet, dans le dispositif connu, le porte- substrat comprend plusieurs évidements dans lesquels la ma- tière fondue utilisée peut être déposée. Ce dispositif connu a ses inconvénients. Les évidements pour le dépôt de la ma- tière fondue dans le porte-substrat ont pour effet que les dimensions du mécanisme de coulisseau deviennent relative- ment grandes. Etant donné qu'un tel évidement est prévu aux deux côtés d'un emplacement pour un substrat, il faut que le substrat soit déjà disposé en dessous de l'ouverture du tiroir lorsque cette ouverture est remplie de matière fon- due à partir du réservoir. Le processus de croissance d'une couche sur le substrat débute alors immédiatement. Lors de 1' application de couches épaisses, comme c'est le cas pour le dispositif connu, ceci est encore admissible. Cependant, lorsqu'on souhaite appliquer une couche présentant une épaisseur très faible, mais précise, le dispositif connu ne suffit plus. La maniabilité moins favorable du mécanisme de coulisseau aboutit au fait que plusieurs couches peuvent dif- ficilement être appliquées sur un substrat à l'aide du dis- positif connu. L'invention a pour but de procurer un dispositif du type mentionné dans le préambule, dans lequel des mesures sont prises pour éviter que la matière fondue utilisée soit évacuée vers le porte-substrat, les dimensions du mécanisme de coulisseau étant maintenues entre des limites admissi- bles et une grande liberté dans la commande du dispositif étant assurée, ce qui rend le dispositif propre à être uti- lisé, entre autres, pour l'application de plusieurs couches sur un substrat. Pour atteindre ce but, le mécanisme de cou- lisseau comporte, suivant l'invention, un organe capteur de matière fondue qui se trouve en dessous du porte-réservoir, le porte-substrat pouvant coulisser par rapport à l'organe capteur de matière fondue et pouvant démasquer, en coulis- sant, une ouverture du tiroir débitant de la matière fondue afin de déposer, dans l'organe capteur, la matière fondue présente dans cette ouverture. En déplaçant le porte-substrat par rapport au tiroir débitant de la matière fondue, on peut démasquer une ouver- ture dans le tiroir, de sorte que la matière fondue présen- te dans cette ouverture est évacuée dans l'organe capteur. Du fait que le porte-substrat n'est pas équipé de moyens de captage de la matière fondue, sa maniabilité est forte- ment accrue. Le porte-substrat et le tiroir débitant de la matière fondue peuvent être commandés suffisamment sou- vent pour qu'un certain nombre de couches de compositions différentes puissent être formées par croissance consécuti- vement sur un substrat. Le substrat peut de la sorte être amené en contact avec la matière fondue à un endroit situé à côté du réservoir d'alimentation, à une température telle que la croissance d'une couche débute à partir de la matiè- re fondue exactement saturée, en vue d'obtenir une épaisseur de couche très bien définie. Le dispositif se prête aussi à l'utilisation dans ce but du procédé dit "germe-source, dans lequel une couche est tout d'abord formée sur un élé- ment postiche pour amener la masse de matière fondue dans l'état de saturation. Le substrat proprement dit est alors amené en dessous de la masse de matière fondue. Etant donné que la croissance s'effectue à partir de la masse de matiè- re fondue qui se trouve exactement dans l'état de satura- tion, une épaisseur de couche très faible peut aussi être obtenue de manière précise. Par la séparation du porte-subs- trat et des moyens de captage de la matière fondue, le porte-substrat peut être facilement retiré du four d'épita- xie. La matière fondue peut alors être amenée dans le four à la température souhaitée et peut être dégazée, ce qui prend assez longtemps. La composition des substrats se trouvant à l'extérieur du four n'est pas influencée par ce traitement thermique. Lorsque la matière fondue se trouve dans l'état correct, un substrat est introduit dans le four et est amené en un court laps de temps à la température correcte et une ou plusieurs couches y sont formées par croissance. Le porte-substrat peut ensuite être retiré du four et un nouveau substrat peut y être introduit, en vue de l'application d'une ou de plusieurs couches épitaxiales. Un avantage de cette méthode réside dans le fait que tout le cycle de réchauffage du four ne doit pas toujours être exécuté. Dans une forme d'exécution conforme à l'invention, un verrouillage est présent dans le mécanisme de coulisseau pour verrouiller la position du tiroir débitant de la matiè- re fondue par rapport au porte-réservoir. Une manipulation inopportune, qui perturbe la formation d'une couche par ti- rage, ne peut de ce fait pas être exécutée par erreur. Le tiroir est de plus positionné automatiquement dans une po- sition souhaitée. Le verrouillage est de préférence constitué d'un petit tiroir mobile dans le sens vertical, le tiroir débutant de la matière fondue présentant unerainure dans laquelle une partie du tiroir de verrouillage peut descendre. Le tiroir de verrouillage peut aussi être utilisé pour la détermination de l'emplacement du porte-substrat. A cet effet, selon-une autre forme d'exécution de l'inven- tion, des évidements de profondeur limitée sont prévus dans le portesubstrat et peuvent entrer en contact avec la face inférieure du tiroir de verrouillage, étant ainsi actif en tant que palpeurs pour la position du porte-substrat. Des formes d'exécution de l'invention seront décrites ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins an- nexés, dans lesquels: - les figures 1 à 6 sont des vues -en coupe longitudi- nale d'un dispositif servant à former des couches par crois- sance épitaxiale, à différents stades du procédé de crois- sance; - la figure 7 est une vue en coupe transversale du dis- positif; - la figure 8 illustre un organe servant à éviter une modification de la composition du substrat pendant le ré- chauffage; - la figure 9 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif conforme à l'invention pourvu d'un mécanisme de verrouillage; la figure 10 est une vue en plan du dessus d'une partie du dispositif représenté sur la figure 9, et - la figure Il est une vue en coupe transversale de ce dispositif à l'endroit du mécanisme de verrouillage. Un porte-réservoir désigné par 1 est représenté aux dessins. Dans la forme d'exécution représentée, quatre ré- servoirs 2, 3, 4, 5 sont prévus dans le porte-réservoir et contiennent chacun une solution 6, 7, 8, 9. Les réservoirs comportent, à leur face inférieure, chacun une ouverture 10, 11, 12, 13. Ces ouvertures peuvent être obturées par un ti- roir 14. Le tiroir 14 est, par exemple, guidé par un évide- ment 20 (figure 7) prévu dans les parois longitudinales du porte-réservoir 1; ce tiroir présente une butée 21 et un ar- rêt 27 pour un porte-substrat 22. Dans la forme d'exécution représentée, quatre ouvertures 15, 16, 17, 18 sont prévues dans le tiroir 14. En dessous du porte-réservoir 1,se trouve un organe capteur de matière fondue 19. Entre l'organe cap- teur de matière fondue 19 et le tiroir 14 est prévu un porte- substrat 22 (figure 2) mobile dans lequel, dans la forme d'exécution représentée, deux évidements 23, 24 sont prévus et sont destinés à recevoir des substrats 25 et 26. Le porte-réservoir 1, le tiroir 14, le porte-substrat 22 et l'organe capteur de matière fondue 19 sont de préféren- ce réalisés en graphite pur. Ils peuvent être logés dans un four tubulaire, non représenté pour plus de clarté, par 1.5 exemple en quartz vitreux. Ce four tubulaire peut être chauffé par des organes de chauffage, non représentés, par exemple sous la forme d'enroulements hélicoïdaux de chauf- fage installés à l'extérieur du four. L'application d'une ou de plusieurs couches par crois- sance epitaxiale sur un substrat peut s'effectuer de la ma- nière décrite ci-après. Dans ce cas-ci, on choisit un exem- ple dans lequel on fabrique une structure de laser à semi- conducteur à hétérojonction double (laser DH), par croissan- ce d'unoertain nombre de couches de GaAs et GaAlAs sur un substrat en GaAs. Il est clair que d'autres applications sont aussi possibles, par exemple la fabrication d'une diode électroluminescente. D'autres compositions ou mélan- ges des groupes III-V du système périodique peuvent aussi être utilisés. Le porte-réuervoir 1 contient une matière qui doit être appliquée par croissance sur un substrat. A cet effet, du Ga, du GaAs, de l'Al et des éléments de dopage peuvent être placés dans les réservoirs 2 à 5 selon une composition telle que, aux températures de croissance voulues, des couches de GaAs de type p, de GaAlAs de type p, de GaAs et de GaAlAs de type n puissent être formées par tirage. Les réservoirs sont relativement grands et peuvent contenir une quantité de matière telle qu'une nouvelle quantité de solution puisse être prélevée du réservoir pour former une couche par croissance épitaxiale -sur un nombre important de substrats. Un autre avantage-est que la pesée des matières peut s'effectuer de manière précise et qu'aucune déviation de la composition souhaitée ne se produit aux remplissages successifs du réservoir. Le dispositif tel que représenté sur la figure 1 est alors introduit dans le four tubulaire. La matière présente dans les réservoirs y est fondue et les solutions 6, 7, 8 et 9 sont maintenues pendant un laps de temps assez long à une température supérieure à la tempéra- ture de croissance, par exemple plus ou moins 8506C, pour assurer l'homogénéisation et le dégazage. Le porte-substrat 22 est ensuite introduit dans le four tubulaire pour être conduits dans le mécanisme de coulisseau comme le montre la figure 2. Dans la forme d'exécution représentée, deux substrats 25 et 26 en GaAs se trouvent dans le porte-ab3ist. Le substrat 25 formera une structure de laser DH après- croissance des couches; le substrat 26 est un substrat dit de source ou postiche qui sert à faire en sorte que.les-so-- lutions se trouvent dans le plan de contact avec l'amorce juste dans un état de saturation. Les substrats 25 et'26 doivent, avant que débute la croissance épitaidale des couches à partir des solutions, être amenés à la température régnant dans le four,. ce qui prend environ 15 minutes. Pour éviter que les solutions con- tenues dans les réservoirs ne se refroidissent trop forte- ment, auquel cas une cristallisation peut se produire, les substrats sont de préférence amenés à température avant que le porte-sdstrat 22 sait glissé dans le mécanisme de coulis- seau. Pour empêcher la vaporisation de l'arsenic des subs- trats pendant le chauffage, on peut les couvrir en faisant en sorte que de la vapeur d'arsenic soit présente au-dessus des substrats sous une tension de vapeur supérieure ou égale à la tension de vapeur d'équilibre de l'arsenic en contact avec le GaAs à la température qui règne dans le four. On peut atteindre ce résultat en plaçant un petit disce 37 de GaAs au-dessus des substrats (voir figure 8), mais il est aussi possible de créer dans un petit espace de la vapeur d'arsenic au-dessus des substrats à partir d'une source de vapeur d'arsenic placée à c8té des substrats. Lorsque le porte-substrat est amené dans le mécanisme de coulisseau jusqu'à ce qu'il bute contre l'arrêt 27 dun tiroir 14, les substrats 25 et 26 sont protégés par la surface inférieure du tiroir 14. La figure 3 illustre la situation dans laquelle le ti- roir 14 est placé par rapport au porte-réservoir 1 de maniè- re telle que les ouvertures 15 à 18 se trouvent chacune en dessous d'une ouverture des réservoirs 2 à 5. La butée 21 1.5 assure alors le réglage correct des positions mutuelles. Une certaine quantité de solution dont la composition correspond à celle de la matière présente dans le réservoir associé s'é- coule dans les ouvertures 15 à 16. Pour la fabrication de la structure de laser DH précitée, il peut s'agir, pour les ouvertures 15 à 18, de solutions des matières contenues dans les réservoirs 2 à 5, à partir desquelles des couches de GaAs de type p, GaAlAs de type p, GaAs ou GaAlAs de type n peuvent être formées par croissance. Le tiroir 14, est maintenant amené dans la position de la figure 4, en même temps que le porte-substrat 22, de sor- te qu'une quantité dosée de Bo]hUEis 6,7, 8, 9 de rizemoirs 2, 5 est débitée dans les ouvertures 15 à 18. La température du four est alors assez rapidement abaissée jusqu'à une tempé- rature pour laquelle les solutions présentes dans les ouver- tures 18 et 17 sont en équilibre ou à peu près en équilibre avec les substrats 25 et 26. La croissance épitaxiale d'une première couche s'effec- tue à partir d'une position telle que représentée sur la figure 5, dans laquelle les substrats 25 et 26 sont amenés en dessous des ouvertures 18 et 17, par le coulissement du poite-substrat 22 par rapport au tiroir 14. La température dans le four est abaissée très lentement, de sorte qu'une couche croit sur les substrats 25 et 26 à partir des solu- tions présentes dans les ouvertures 18 et 17. Une première couche de GaAlAs de type n croit sur le substrat 25 et une couche de GaAs croit sur le substrat 26. Le substrat posti- che 26 n'est pas utilisé pour fabriquer un produit utilisa- ble, mais pour garantir qu'à la suite du processus de crois- sance, la surface de contact de la solution se trouve juste à l'état de saturation. Lorsque la croissance d'une première couche est termi- née, le porte-substrat est déplacé vers la position repré- sentée sur la figure 6. La solution-présente dans l'ouver- ture 18 est alors évacuée vers l'organe capteur de matière fondue 19. Le substrat 25 se trouve maintenant en dessous de l'ouverture 17. Comme mentionné plus haut, la surface de contact de la solution dans l'ouverture 17 se trouve jus- te dans un état de saturation avec le substrat 25, à la sui- te du processus de croissance sur le substrat 26. L'utili- sation du substrat 26 a eu pour résultat que la contribu- tion à la vitesse de croissance due à une saturation exces- sive ou insuffisante indésirable est devenue négligeable, par rapport à la vitesse de croissance produite par le refroi- dissement lent de la solution. L'épaisseur de la couche à former par croissance peut être déterminée d'une manière très précise à l'aide de la vitesse de refroidissement et de la durée. Lors de la fabrication de structures de lasers DH à couches d'épaisseur très faible, ceci est extrêmement important. Comme mentionné plus haut, la deuxième couche à former par croissance sur le substrat 25 est une couche de GaAs. Le substrat 26 se trouve en dessous de l'ouverture 16 et assure que la surface de contact de la solution dans cette ouverture est mimà l'état de saturation. Ensuite, quatre couches sont formées par croissance sur le substrat 25. Chaque fois que le porte-substrat 22 est déplacé par rapport au tiroir 14, la solution utilisée est déposée dans l'organe capteur 19. Cette évacuation de la so- lution utilisée augmente fortement la maniabilité du dispo- sitif. Après l'application des couches, le porte-substrat est amené à l'extérieur du four, le substrat prêt est retiré, et est remplacé par un nouveau substrat qui doit être pourvu de couches. Le porte-réservoir lBête dans le four et doit simplement être légèrement réchauffé pour donner à nouveau aux solutions la température initiale souhaitée pour une croissance épitaxiale. Le nouveau substrat est introduit dans le four et un nouveau processus de croissance peut se dérouler de la manière décrite. L'utilisation de réservoirs relativement plus grands et d'un organe capteur disposé à l'extérieur du porte-substrat pour les solutions utilisées, a rendu possible, sans sortir le porte-réservoir du four pour y introduire de nouvelles suspensions, de faire croître des couches épitaxiales sur un grand nombre de substrats, par exemple sur quinze subs- trats. On utilise ainsi des solutions fraîches pour chaque substrat. Etant donné que les solutions restent à la tempé- rature du four, la durée du processus est nettement plus courte que dans le cas de dispositifs courants pour la croissance épitaxiale de couches. L'utilisation du dispositif est décrite avec référence à l'application de quatre couches épitaxiales en vue de l'obtention d'une structure de laser DH. Il est clair que l'invention comprend aussi des dispositifs dans lesquels le nombre de réservoirs présents est supérieur ou inférieur à quatre, chacun de ces réservoirs pouvant contenir une solu- tion souhaitée. Pour appliquer des couches de très faible épaisseur avec une précision maximum, on peut mettre en oeuvre un procédé de croissance utilisant deux substrats postiches. Dans le cas o les exigences concernant l'épais- seur des couches sont moins critiques, le substrat postiche peut être omis. La figure 8 montre que le substrat 25 est couvert, lors du réchauffage dans le four, par une plaquette 37 de G&As pour éviter, comme indiqué plus haut, que de l'arsenic soit vaporisé à partir du substrat. La plaquette 37 se trouve dans un support 28 en carbone et est pressée au moyen d'un bloc 29 sur le substrat 25. Les figures 9 à 11 illustrent respectivement une vue en coupe longitudinale, une vue en plan du dessus et-une vue en coupe transversale d'un dispositif conforme à l'in- vention dans lequel des moyens sont prévus pour verrouiller la position du tiroir 14 par rapport au porte-réservoir 1. de telle sorte que, même lors d'un actionnement incorrect du dispositif, les solutions présentes dans les réservoirs 2 à 5 ne puissent pas être perdues par le fait qu'elles s'écoulent sans être utilisées vers l'organe capteur 19.- Le porte-réservoir est pourvu de bras 30 qui, avec une paroi 31, forment une rainure dans laquelle un tiroir de-verrouil- lage 32 est mobile. Dans le tiroir 14 pour les solutions est ménagée une ouverture 33, dans laquelle le tiroir de ver- rouillage 32 peut descendre, dans la position dans laquelle les ouvertures 15 à 18 du tiroir 14 se trouvent en dessous de la paroi inférieure du porte-réservoir 1. Pour actionner le dispositif de l'extérieur du four,. on peut maintenant n'utiliser qu'une seule tige de commande 34. Cette tige est fixée dans le porte-snbstéat 22 et comporte un bras 35 qui est engagé dans un évidement 36 dc porte-subs- trat 22. Lorsque le porte-substrat est glissé dans le mécanis- me de coulisseau jusqu'à-ce qu'il vienne buter contre l'ar- rêt 27 (voir la figure 2), l.e.bras 35 se trouve juste en dessous du tiroir de verrouillage 32. Par une rotation d'un. quart de tour de la tige 34,-on peut soulever le-tiroir de verrouflage 32. . Etant donné que le bras 35 est logé dans l'ouverture 33 du tiroir 14, il est possible, par un dépla- cement de la tige de commande 34, d'atteindre une position correspondant à celle représentée sur la figure 3. Après avoir été amené dans la position représentée sur la figure 4, le tiroir 14 est à nouveau verrouillé à l'aide du tiroir de verrouillage 32, par le retour du bras 35 dans l'évide- ment 36duporte-substrat 22. Ce porte-substrat peut maintenant être amené dans n'importe quelle position souhaitée. Des évidements très peu profonds peuvent Otre prévus dans le porte-substrat, du c8té orienté vers le tiroir de ver- rouillage 32 et à des endroits caractéristiques. Lors- qu'un tel évidement franchit le tiroir de verrouillage 32, cela se perçoit dans la tige de commande 34 et l'on sait qu'une position déterminée du porte-substrat 22 par rapport au tiroir 14 des réservoirs de solution est at- teinte. REVENDICATIONS 1.- Dispositif servant à appliquer par croissance épi- taxiale une couche de matière semi-conductrice sur une face plane d'un substrat, ce dispositif comprenant un mécanisme de coulisseau qui est pourvu d'un porte-réservoir compor- tant au moins un réservoir ouvert à sa partie inférieure, d'un tiroir coulisseau obturant la face intérieure du porte- réservoir et pourvu d'au moins une ouverture pour débiter de la matière fondue provenant d'un réservoir du porte- 1.0 réservoir, ce dispositif étant en outre pourvu d'un porte- substrat dans lequel au moins un évidement est ménagé pour la réception d'un substrat, caractérisé en ce que le méca- nisme de coulisseau comporte un organe capteur de matière fondue qui se trouve en dessous du porte-réservoir, le porte- substrat pouvant coulisser par rapport à l'organe capteur de matière fondue et pouvant, en coulissant, démasquer une ouverture prévue dans le tiroir débitant de la matière fon- due afin de déposer, dans l'organe capteur de matière fondue, la matière fondue présente dans cette ouverture. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de coulisseau comporte un verrouilla- ge servant à verrouiller le tiroir débitant de la matière fondue en place par rapport au porte-réservoir. 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le verrouillage est formé d'un petit tiroir pou- vant être déplacé dans le sens vertical, et le tiroir débi- tant de la matière fondue présente une ouverture dans la- quelle une partie du tiroir de verrouillage peut descendre. 4.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le porte-substrat présente des évidements peu pro- fonds qui peuvent entrer en contact avec la face inférieure du tiroir de verrouillage et qui servent ainsi de palpeurs indiquant la position du porte-substrat.