Brevet FR2520929A1 — publié le 19830805

Ia présente invention concerne un appareil destiné au traitement thermique de tranches de semiconducteur par conduction dans un gaz, et elle porte plus particulièrement sur un appareil destiné à l'obtention d'un traitement thermi- que extrêmement uniforme de tranches de semiconducteur par conduction dans un gaz, dans lequel le gaz est introduit en position adjacente à la périphérie de la tranche. Dans le traitement de tranches de semiconducteur, par exemple pour fabriquer des circuits intégrés, il arrive quelquefois que les tranches soient soumises à des températu- res élevées De telles températures élevées sont souhaitables pour la diffusion d'impuretés, la croissance de couches épi- taxiales, l'application de pellicules de métal de haute qua- lité ou le recuit de contacts métal-semiconducteur, etc Dans de telles situations, il est souhaitable d'appliquer de l'énergie thermique d'une manière définie et uniforme Pour d'autres applications, comme l'implantation et l'attaque io- niques, l'énergie thermique est un sous-produit indésirable. Dans ces applications, l'exposition de la tranche à des tem- pératures élevées peut ne pas être souhaitable, du fait qu'on ne désire pas, par exemple, une diffusion injustifiée au-delà de limites prescrites, ainsi que la ségrégation des impuretés à des interfaces épitaxiales De plus, des couches intermé- diaires de matière de réserve photographique peuvent etre af- fectées à des températures élevées Ce problème se manifeste de -façon plus aiguë dans la fabrication de dispositifsà haut niveau d'intégration et à très haut niveau d'intégration, du fait qu'un grand nombre d'opérations de traitement doivent être accomplies successivement En particulier, près de la fin de là séquence de traitement, de grands nombres d'impure- tés, de couches conductrices ou de couches isolantes sont en place et il n'est pas souhaitable de perturber ces caracté- ristiques physiques par un traitement thermique Dans ces Situations, on désire refroidir les tranches de semiconduc- teur d'une manière définie et uniforme Ainsi, on désire por- ter les tranches de semiconducteur à des températures élevées lorsqu'une opération de traitement nécessite effectivement ces températures et on désire au contraire refroidir une tranche de semiconducteur pour éviter qu'elle atteigne des températures élevées dans le cas d'un dégagement de chaleur non désiré. Parmi les techniques antérieures pour le chauffage de tranches de semiconducteur, figurent le chauffage par résistance de plateaux sur lesquels des tranches sont placées, le chauffage par infrarouge de la surface à nu de tranches, le chauffage par induction de tranches placées sur des suscep- teurs, ou le chauffage par convection au moyen d'un courant de gaz préchauffé Ces techniques n'ont pas donné entièrement satisfaction du fait que la vitesse de chauffage est souvent trop lente, que l'uniformité de la distribution de température sur la tranche est souvent très mauvaise, et du fait que la commande de la température d'équilibre de la tranche est sou- vent impossible à réaliser en fabrication. Parmi les tentatives antérieures visant à refroidir des tranches de semiconducteur qui subissent une attaque ou une implantation ionique figurent l'obtention d'une exposition intermittente par balayage portant soit sur le faisceau d'ions soit sur la tranche, soit sur les deux (ce qui limite la ca- pacité de traitement), l'utilisation d'une plaque de métal refroidie de façon active, revêtue de graisse ou d'huile, sur laquelle on fait reposer la tranche de semiconducteur, ou l'application d'une force électrostatique pour maintenir une, tranche contre une surface légèrement compressible d'une pla- que refroidie de façon active On pourra voir par exemple l'article de L D Bollinger, intitulé "I Ion Milling for Semi- conductor Production Processes", Solid State Technology, no- vembre 1977 Ces techniques et dispositifs de l'art antérieur ne se sont pas avérés totalement efficaces pour refroidir des tranches de semiconducteur lorsqu'elles sont soumises à des flux ioniques ou à des niveaux d'énergie élevés Le brevet US 4 282 924 décrit un plateau courbé de façon convexe contre lequel est appliqué une tranche de semiconducteur L'efficaci- té du refroidissement de cet appareil est limitée par l'éten- due sur laquelle la face arrière de la tranche vient effecti- vement en contact avec la surface conductrice au point de vue thermique, du fait qu'au niveau atomique, seules des aires faibles des deux surfaces (de façon caractéristique moins de 5 Ho) viennent réellement en contact. On sait que la technique de conduction dans un gaz permet l'établissement d'un couplage thermique efficace en- tre deux surfaces opposées Cette technique a été largement utilisée Par exemple, dans le brevet US 3 062 507, un gaz (ou un liquide) est placé entre des couches d'un récipient pour obtenir un transfert thermique optimal On pourra se ré- férer aux brevets US 3 525 229, 3 717 201, 3 430 455 et 3 421 331 en ce qui concerne la commutation du transfert ther- mique dans les pompes cryogéniques Dans chaque cas, le trans- fert thermique entre des surfaces opposées est obtenu par con- duction dans un gaz Le brevet US 3 566 960 envisage le pro- blème d'un contact inadapté entre des surfaces solides (voir la colonne 3, lignes 2 et suivantes) et montre l'utilisation d'un milieu gazeux pour refroidir par conduction la pièce si- tuée dans la chambre à vide Dans le même ordre d'idées, le refroidissement par conduction dans un gaz d'une pièce située dans le vide est décrit dans un article de M King et P H. Rose, intitulé "Experiments on Gas Cooling of Wafers", Pro- ceedings, Third International Conference on ion Implantation Equipment and Techniques, Quenns University, Kingston, Ontario (mai 1980) et dans le brevet US 4 264 762 Dans cet appareil, on introduit un gaz au milieu d'une cavité, derrière une tranche de semiconducteur le couplage thermique avec le corps principal de l'appareil est obtenu par l'intermédiaire du gaz, de la manière utilisée de façon caractéristique dans la techni- que de conduction dans un gaz Cependant, en pratique, il exis- te une vitesse de fuite finie qui est due aux joints imparfaits, ce qui conduit à l'existance d'un gradient de pression entre le milieu de la cavité et la périphérie Du fait que la conduc- tivité thermique dans un gaz est proportionnelle à la pression, une plus grande quantité de chaleur est transférée au centre, o il existe une pression plus élevée, et un gradient de tem- pérature existe sur la tranche Dans certains traitements, tels qu'un revêtement par un métal, ce gradient de température conduit à un traitement non uniforme qui peut 4 tre à proscrire. L'invention a donc pour but de procurer un appareil pour maintenir et traiter thermiquement des tranches de se- miconducteur qui produise un transfert thermique uniforme par conduction dans un gaz. L'invention a également pour but de procurer un appareil qui introduise un gaz de transfert thermique derriè- re une tranche de semiconducteur et autour de sa périphérie, en position adjacente à des points de fuite éventuels, de fa- çon qu'aucun gradient de pression n'existe sur l'étendue de la face arrière de la tranche. Un autre but de l'invention est de procurer un ap- pareil destiné à l'accomplissement d'un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur par couplage par conduction dans un gaz. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure l est une coupe latérale de l'appareil de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de l'appareil de l'invention; la figure 3 est un graphique montrant la pression de gaz derrière la tranche dans un appareil de refroidisse- ment par conduction dans un gaz appartenant à l'art antérieur; ia figure 4 est une courbe montrant la pression de gaz derrière la tranche maintenue dans l'appareil de l'inven- tion; et la figure 5 est un graphique montrant la conducti- vité thermique entre la plaque et la tranche de la figure 2, Un appareil destiné à effectuer un traitement ther- mique uniforme de tranches de semiconducteur par corduction dans un gaz maintient la tranche en place au-dessus d'une cavité emplie de gaz, face à une masse thermique qui est maintenue à une température appropriée Le gaz est introduit derrière la tranche de semiconducteur, en position adjacente à sa périphérie Une pression de gaz presque constante est ainsi maintenue sur l'étendue de la face arrière de la tran- che, du fait qu'il n'y a pas de sources ou d'évacuations de gaz, sauf près de la périphérie Par conséquent, la conduc- tion thermique est uniforme, la température est uniforme et un traitement uniforme est accompli sur toute l'étendue de la tranche. En se reportant aux figures 1 et 2, on peut voir qu'un appareil de refroidissement par conduction dans un gaz, , comprend un corps 13 qu'on refroidit de façon active en faisant circuler un fluide de refroidissement dans un réseau de canaux de refroidissement intérieurs, dans ine bride 22 qui comporte une entrée 14 et une sortie 15 accessibles de l'extérieur Le corps 13 peut également 4 tre chauffé de façon active au moyen d'un élément chauffant 6 Le corps 13, qui est de préférence en acier inoxydable, contient un conduit 16 destiné à l'introduction d'un gaz dans la région de travail dans laquelle une tranche de semiconducteur est maintenue en place Ce conduit est représenté en position centrale dans le corps 13, bien qu'une position centrale ne soit pas obligatoi- re avec l'appareil de l'invention Une plaque 11 forme le bord du corps 13, et une plaque 12 est fixée à la plaque 11 avec un léger espacement Les deux plaques sont de préférence en cuivre ou en aluminium Les plaques 11 et 12 sont fixées intimement l'une à l'autre et au corps 13 par brasage, pour assurer une conductivité thermique élevée et une bonne uni- formité de température L'espacement entra les plaques 11 et 12 définit une cavité 17 dans lequel le gaz est introduit à partir du conduit 16 La cavité 17 est représentée complète- ment ouverte dans la coupe particulière qui est faite sur la figure 1 Cependant, pour éviter de créer une barrière ther- mique entre le corps 13 et la plaque 12, par l'inei;rmédiaire de la cavité 17, un mode de réalisation comporte des conduits radiaux qui s'étendent depuis un conduit central 16 vers une cavité annulaire située sous l'ouverture 19 Ainsi, une gran- de partie du volume situé entre la plaque 11 du corps 13 et la plaque 12 est emplie par un prolongement de la plaque 11 pour faciliter le transfert thermique Les conduits radiaux et la cavité annulaire sont suffisamment grands pour assurer une conductance suffisante par le gaz et ils sont suffisam- ment petits pour permettre un transfert thermique approprié. La plaque 12 comporte à sa périphérie une lèvre 18 contre laquelle une tranche de semiconducteur est maintenue en place par des moyens de maintien (non représentés), par exemple par les moyens à pinces qui sont représentés sur les figures 2 et 3 du brevet US 4 306 731 A l'intérieur de la lèvre 18, une série d'ouvertures 19 permettent d'introduire le gaz dans la région 21 située immédiatement derrière une tranche de semiconducteur 20 Du fait de la proximité entre les ouvertures 19 et la lèvre 18, le gaz est nécessairement introduit au voisinage du seul endroit dans le système auquel une fuite de gaz peut avoir lieu, c'est-à- dire à l'endroit o le gaz peut fuir accidentellement vers un système à vide, ou à l'endroit auquel le gaz pourrait être introduit intentionnel- lement dans un système de pulvérisation cathodique, pour cons- tituer une partie du gaz de pulvérisation Dans ce dernier cas, le gaz est introduit par des passages microscopiques si- tués entre la tranche et la lèvre De tels passages existent toujours entre deux surfaces dures placées l'une contre l'au- tre, à moins qu'on n'utilise des moyens spéciaux pour assurer un contact hermétique entre les surfaces, comme dans la te- -20 chnologie des valves ou des brides de raccord Du fait qu'il n'y a pas de points de fuite à l'intérieur de la plaque 12 et qu'il n'y a pas d'autres sources internes, la pression de gaz derrière la plaque 12 est uniforme et elle diminue de façon abrupte sur la largeur de la lèvre 18, comme le montre la figure 4, dont les données, ainsi que celles des figures 3 et 5, sont représentées en alignement avec les régions de l'appareil qui fournissent ces données Le débit du gaz dans le conduit i 6 et donc dans les ouvertures 19 de la plaque 12 est commandé par une valve externe (non représentée) La pression uniforme que l'appareil de l'invention (figure 4) produit sur toute l'étendue de la face arrière de la tranche, présente une différence considérable avec le profil de pres- sion dans un appareil à conduction dans un gaz de l'art anté- rieur, représenté sur la figure 3, dans lequel le gaz est in- troduit au centre. Le résultat de l'introduction périphérique du gaz et de la pression uniforme de l'invention consiste en une conductivité thermique uniforme dans le gaz entre la plaque 12 et la tranche 20, comme le montre la figure 5 Ce résultat est obtenu du fait de la relation entre la pression du gaz et la conductivité thermique, comme il est indiqué au chapitre 1. 10, "Thermal Conductivity at Irow Pressures" de l'ouvrage de S Dushman, et col, intitulé Scientific Poundations of Vaccum Technique, pages 43-53 ( 1962) la vitesse de transfert ther- mique est uniforme sur toute l'étendue de la région centrale de la tranche En pratique, on a obtenu des profils de tempé- rature qui sont uniformes à quelques pour cent La vitesse de transfert thermique s'élève au milieu de la lèvre 18, du fait de l'existence d'une contribution supplémentaire due à l'écar- tement très réduit entre la tranche et la plaque 12 Enfin, la vitesse de transfert thermique tombe à zéro lorsqu'on s'approche du bord extérieur de la lèvre 18, du fait que la pression du gaz tombe à zéro. On sélectionne un mode de chauffage ou de refroidis- sement en mettant sous tension l'élément chauffant résistif 6, dans le premier cas, ou en mettant hors tension l'élément chauffant résistif 6 et en laissant prédominer le refroidis- sement par la bride 5, dans le second cas Dans le mode de chauffage, la contribution additive près du bord de la tran- che contribue à compenser les pertes thermiques par rayonne- ment,accrues localement,qui sont dues au rayonnement à partir du bord extérieur 7 de la tranche 20 Cette compensation mini- mise le défaut d'uniformité de la température à la périphérie de la tranche et constitue une amélioration importante par rapport à l'art antérieur la tranche 20 a de façon caracté- ristique un diamètre supérieur à celui de la lèvre 18, de façon que le bord 7 soit en porte-à-faux Ainsi, mame si la tranche 20 est présentée excentrée à l'appareil de traitement thermique 10, le bord 7 lui-m 4 me ne repose pas sur-la lèvre 18, ce qui fait que cette dernière n'est pas exposée au trai- tement qui est accompli. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur ( 20) par conduction dans un gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un corps ( 13) ayant une masse thermique qui fait fonction de source princi- pale ou d'élément d'absorption principal d'énergie thermique, ce corps comprenant des moyens ( 16, 17) destinés à faire cir- culer le gaz pour le traitement thermique par conduction dans un gaz, et le corps ayant une surface ( 11) de forme générale plane destinée au couplage thermique avec la tranche de semi- conducteur, par conduction dans un gaz; des moyens ( 12) fi- xés au corps ( 13), en communication avec les moyens ( 16) des- tinés à faire circuler le gaz, grace à quoi ce gaz est intro- duit derrière la tranche de semiconducteur ( 20), au voisinage de sa périphérie; des moyens ( 22) en contact à faible résis- tance thermique avec le corps ( 13) pour refroidir le corps; et des moyens ( 6) en contact à faible résistance thermique avec le corps ( 13), pour chauffer celui-ci. 2 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens fixés au corps ( 13) comprennent une plaque ( 12) qui est fixée à la surface plane ( 11) du corps, en étant espacée par rapport à cette surface, cette plaque étant en contact à faible résistance thermique avec le corps et ayant en outre une configuration prévue pour recevoir une tranche de semiconducteur ( 20) sur sa surface externe, cette plaque comportant des ouvertures ( 19) autour de sa périphérie, pour faire communiquer le gaz provenant des moyens ( 16, 17) destinés à faire circuler le gaz, de fa- çon à faire passer le gaz vers la face arrière de la tranche de semiconducteur ( 20) au voisinage de sa périphérie. 3 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la plaque ( 12) comporte à sa périphérie externe une lèvre ( 18) qui est destinée à recevoir une tranche de semiconducteur ( 20). 4 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que les moyens destinés à chauffer le corps ( 13) comprennent un élément chauffant résistif ( 6) ern contact à faible résistance thermique avec le corps. Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que les moyens destinés à refroidir le corps ( 13) consistent en une bride ( 22) en contact à faible résistance thermique avec le corps, cette bride comportant un canal de refroidissement interne dans lequel on fait circuler un fluide de refroidissement. 6 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la tranche ( 20) est maintenue en place sur la lèvre ( 18) et a un diamètre supérieur au dia- mètre de la lèvre, pour protéger cette dernière contre l'ex- position au traitement du semiconducteur.