Brevet FR2530158A1 — publié le 19840120

L'invention concerne en général l'amélioration de l'uni- formité de systèmes de réactions chimiques non-thermiques ex- citées extérieurement, et plus particulièrement de tels svs- t(mes dans lesquels le réactif s'écoule sur des pièces de tra- vail disposées en série par rapport à l'écoulement du réactif. Le brevet USA n 4 233 048 délivré à George Engle le 16 Septembre 1980 décrit un exemple-type d'un système du genre auquel d'applique la présente invention, et auquel il convient de se référer Ce brevet est également exemplaire pour ce qui concerne l'état actuel de la technique des réacteurs à plasma, dans lesquels le ou les réactifs gazeux s'écoulent à travers des pièces de travail disposées en série Bien que le système décrit dans le brevet cité représente un perfectionnement considérable en ce qui concerne la capacité en pièces de tra- vail, il se produit des défauts indésirables d'uniformité en raison de l'appauvrissement ou de l'épuisement du réactif à mesure que celui-ci descend dans le tube sur les pièces de travail disposées en série Par exemple, dans certains pro- cédés de déposition, soit l'épaisseur des dépôts formés sur les pièces, soit les propriétés des films déposés, varient au-delà des + 5 % désirés d'une extrémité à l'autre de la charge On a déjà fait différentes tentatives pour trouver le moyen de compenser cette variation, par exemple en faisant va- rier les gaz, les taux d'écoulement et la pression, mais ces mesures se sont révélées impropres à améliorer sensiblement l'uniformité Ainsi, il existe une demande visant à améliorer certains procédés de dépôt ou de gravure chimique non-thermi- que à excitation extérieure à travers une charge de pièces de travail disposées en série par rapport à l'écoulement du réac- tif. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, il est prévu un appareil et un procédé pour améliorer l'unifor- mité d'un processus de réaction chimique non-thermique à ex- citation extérieure. Un autre but de l'invention consiste à prévoir un appareil et un procédé pour améliorer l'uniformité d'un processus de réaction chimique nonthermique à excitation extérieure, dans lesquels le ou les réactifs circulent à travers ou autour de pièces de travail disposées en série. -2- Par ailleurs, l'invention a pour objet de prévoir un appa- reil et un procédé pour améliorer l'uniformité d'un processus de déposition chimique, du type non-thermicue et à excitation extérieure. Toutefois, l'invention a également pour but de prévoir un appareil et un procédé pour améliorer l'uniformité de chaque taux, profil de gravure et sélectivité dans un tel processus de gravure chimique non-thermique à excitation extérieure. Cependant, l'invention a aussi pour but de prévoir un ap- pareil et un procédé pour améliorer l'uniformité d'un système de réaction chimique non-thermique à excitation extérieure contenant un grand nombre de pièces de travail. Conformément à un mode préféré de réalisation de la présente invention, il est prévu un appareil et un procédé pour améliorer l'uniformité de la forme d'onde de l'excita- tion, en faisant en sorte que cette forme d'onde se règle en l'établissant et en la supprimant pendant des périodes déter- mintées par le temps de passage duréactif à travers les pièces de travail et aussi par le temps d'épuissement du réactif. Les buts, caractéristiques et avantages précités de l'in- vention, ainsi que d'autres encore, ressortiront plus claire- ment à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode préféré de réalisation de l'invention donné à seul titre d'exemple non-limitatif en se référant au dessin annexé; sur lequel La FIGURE 1 montre une coupe longitudinale simplifiée, partiellement sous forme de schéma synoptique, d'un système de réaction excité par le plasma, et comprenant des caracté- ristiques propres à la présente invention; La FIGURE 2 montre un exemple parmi les formes d'ondes utilisées conjointement à des systèmes de réaction chimique non-thermique à excitation extérieure selon l'art antérieur, et La FIGURE 3 montre un exemple de cycle excitation-coupure qui convient pour la mise en oeuvre pratique de la présente invention. Si l'on se réfère à la Figure 1, on y voit un appareil 1 l de traitement par la vapeur chimique, amélioré par le plasma, lequel, à l'exception du modulateur de générateur 100 et du 3 - fonctionnement de ce modulateur, décrit en détail dans le brevet USA N O 4 233 048 délivré le 16 Septembre 1980 à Engle, n'est autre qu'un parmi ceux qui constituent une gamme éten= due de systèmes de traitement chimique non-thermique,amélio- ré par le plasma, à excitation au laser, ou encore à photo- excitation, ou par l'usage de tout autre moyen connu d'exci- tation extérieure, auxquels peut s'appliquer le modulateur périodique 100 suivant l'invention En prenant la Figure 1 comme exemple, on décrira maintenant l'essentiel du fonction- nement de systèmes de ce genre. Un ou plusieurs réactifs 61, dont le débit est réglé par des régulateurs 63, circulent dans des tuyaux 64, 65 pour aboutir dans une chambre 11 comportant plusieurs éléments de structure et d'étanchéité 15, 16, 17, 18, 19, 20,-21, 22, à travers des passages d'entrée 66, 67, 68 Dans l'exemple de la Figure 1, l'excitation est du type à radio-fréquence et pénètre dans la chambre à travers des isolateurs 42 Dans le cas de réacteurs à excitation par laser ou par photo-chimie, l'excitation peut entrer par une fenêtre appropriée, ou au tre moyen connu. Les pièces de travail à traiter (non représentées), sont disposées entre deux jeux de plaques 25 servant d'électrodes. Dans la disposition que montre la Figure 1, les électrodes et par conséquent les pièces de travail sont disposées de façon linéaire le long du tube 12; cependant, on peut également uti- liser des électrodes circulaires à écoulement radial ainsi que d'autres formes géométriques Quelle que soit cette forme, l'écoulement gazeux est tel que le gaz passe autour et sur les pièces à traiter suivant une certaine séquence ou un certain ordre, ce qui, dans l'art antérieur, exposait ce gaz à une perte de concentration ayant pour conséquence un défaut d'uni- formité de l'action chimique, suivant l'emplacement de chaque pièce de travail dans l'écoulement gazeux. Après avoir passé sur les pièces de travail, les gaz sor- tent de la chambre par la lumière de sortie 49, le tuyau 51 et le filtre 52, pour être ensuite évacués à travers la vanne 54, le compresseur 47 et la pompe à vide 48 Le système repré- senté fonctionne au-dessous de la pression atmosphérique et ce vide relatif est controlé par un manomètre 53; toutefois, le RS 230158 modulateur périodique 100 suivant l'invention peut s'appli- quer au générateur d'excitation 41 aussi bien dans le cas de systèmes sous pression que dans le cas de systèmes fonction- nant sous vide relatif. La Figure 2 montre l'enveloppe d'amplitude de l'excita- tion à radiofréquence appliquée aux électrodes d'un appareil de traitement à vapeur chimique avec excitation par plasma, par exemple du type représenté Figure 1 (à l'exception, comme on l'a indiqué plus haut, du modulateur de générateur 100 et du fonctionnement de ce modulateur) Bien que l'enveloppe d'amplitude soit avantageusement engendrée à partir-du sec- teur à 60 Hz et modulée en largeur, comme le montre la zone hachurée de la Figure 2, afin de controler la quantité réelle d'énergie transmise aux électrodes à plasma 25, 81, une telle modulation en largeur est beaucoup plus rapide que les inter- ruptions imposées par le modulateur périodique suivant l'in- vention D'autres systèmes d'excitation peuvent comporter une modulation en largeur ou d'autres formes d'ondes différentes de celle représentée Figure 1, ou peuvent par ailleurs etre constituées par des moyens assurant une excitation continue dans laquelle l'intensité ou l'amplitude subit une variation par des moyens autres que la modulation en largeur. Le modulateur périodique suivant l'invention interrompt la totalité de l'excitation, que celle-ci soit modulée en lar- geur comme dans le cas de la Figure 3, continue, ou conforme à d'autres formes d'ondes Ces interruptions sont réglées dans le temps avec une période sensiblement égale au temps de tran- sit nécessaire pour que le réactif en circulation s'écoule entre la première pièce de travail en-amont et la dernière pièce de travail en aval Une telle interruption permet de rétablir la concentration ou l'activité du réactif à une va- leur uniforme, de façon que les pièces de travail qui se trou- vent en aval ne subissent pas l'inconvénient d'un appauvrisse- ment de concentration ou d'activité du réactif qui, dans l'art antérieur, était du à une interaction avec les pièces situées en amont. Tandis que la période durant laquelle l'excitation est interrompue est égale ou supérieure au temps de transit du réactif entre la première et la dernière pièce, la période 253 158 -5 - o l'excitation se produit est égale ou inférieure au temps nécessaire pour que le réactif passe sur une pièce de travail. Dans la pratique, o l'appauvrissement ou l'épuisement du ré- actif n'est pas appréciable tant que ce réactif ne s'est pas écoulé sur plusieurs pièces de travail, on peut adopter un temps d'excitation réelle relativement plus long Les résul- tats obtenus au cours d'expériences pratiques démontrent éga- lement que l'on peut néanmoins constater des améliorations substantielles dans l'uniformité de la réaction avec des temps de coupure un peu inférieurs à ceux normalement requis pour assurer un passage complet du réactif entre la première et la dernière pièce de travail; de tels temps inférieurs de cou- pure conservent le réactif, tandis que des temps de coupure au-delà de ce qui est nécessaire pour un transit complet se traduisent par un gaspillage de réactif. Pour mieux montrer l'efficacité du procédé et de l'appa- reil suivant l'invention, on peut indiquer qu'en mettant en oeuvre le procédé de l'invention avec la disposition d'enri- chissement au plasma selon la Figure 1 et les formes d'ondes interrompues de la Figure 2, on a réalisé une variation du taux de déposition de seulement 2 %, qu'il convient de compa- rer avec des variations dépassant le maximum désiré de + 5 % dans le meme système mais sans le modulateur périodique sui- vant l'invention Les paramètres utilisés dans l'exemple il- lustré ont été les suivants: Une chambre 12 ayant une zone de travail inter-électrodes de 92 cm contenait une charge de pièces de travail formée de 160 pastilles de semi-conducteurs de 76 mm, disposées sur dix rangées de 16 pastilles. Le processus de déposition selon cet exemple consistait à déposer du Si 02 provenant de réactifs Si H 4 ( 75 ac 2 m) et ( 3700 accm) sous une pression de 1,4 torrs et à une tempéra- ture de 3800 C, ainsi qu'une poudre de plasma d'environ 50 watts basée sur une excitation pratiquement continue avec un coefficient d'utilisation de 16 %' pour des demi-ondes de 60 pé- riodes, comme le montre la Figure 2 Le taux moyen de dépôt de 310 A/min variait au-delà de 5 % sur la charge de pièces composée de 160 pastilles de 76 mm, l'extrémité aval (sortie des gaz) avant le dépot le plus épais. La zone d'activation avait une longueur d'environ 92 cm, tandis que la fréquence d'excitation était de 410 K Hz Comme le montre la Figure 3, l'excitation à haute-fréquence a été maintenue pendant 83 msec ( 10 cretes actives), puis interrom- pue pendant 267 msec ( 32 crêtes inactives) pour permettre la recharge en réactif-gazeux Dans l'exemple ci-dessus (dépôt de Si O 2) la puissance instantanée a été accrue en augmentant le coefficient d'utilisation jusqu'à 40 %, par demi-onde de 60 périodes Les conditions d'écoulement gazeux, de vide et de température étaient pratiquement inchangées, et le taux moyen de dépôt de Si O 2 était de 250 R/min avec une amélioration, at- teignant + 2 %, de l'uniformité d'épaisseur dans la charge de pièces précitée L'uniformité de la composition a également été sensiblement accrue Le temps de coupure de 267 msec est suffisant pour permettre aux réactifs gazeux de se déplacer sur une moyenne de 96,5 cm et par conséquent pour évacuer les gaz épuisés de la zone de réaction de 92 cm. On peut tolérer certaines variations des conditions d'im- pulsion sans que les résultats en soient affectés d'une façon appréciable Par exemple, on peut maintenir l'excitation dans la gamme de 2 à 14 crêtes sans modifier l'uniformité de ma- nière significative, bien que le taux de dépot risque de chu- ter considérablement si l'excitation est appliquée durant moins de cinq crêtes D'une manière analogue, on peut supprimer l'ex- citation pendant 20 à 40 crêtes, tandis que 28 à 36 crêtes constituent la'garme préférée pour une zone de réaction de 92 cm et les taux d'écoulement de gaz réactifs de l'ordre sus-in= diqué, De même, on peut obtenir une uniformité nettement amé- liorée à des taux d'écoulement gazeux supérieurs ou inférieurs, à condition de régler de façon appropriée les temps d'excita- tion et de coupure, par exemple avec des temps plus courts pour des taux d'écoulement plus élevés. Des améliorations similaires de l'uniformité s'obtiennent pour des dépôts de nitrure de silicium, de silicium simple et polycristallin, ainsi que pour la gravure de différents films minces, en utilisant l'appareil et le procédé décrits ci-des- sus Pour des systèmes o l'on excite optiquement des réac- tifs gazeux, la photoexcitation peut s'appliquer de même pen- dant un temps court en comparaison du temps de transit des ré- actifs gazeux, puis supprimée pendant un temps proportionnel 7 - au temps de transit. Bien que l'invention ait été décrite plus particulièrement en se référant à des modes préférés de réalisation, il appa- raitra clairement à tout spécialiste dans l'art que les modi- fications et autres changements suggérés ou proposés quant aux formes et détails de l'invention pourront être apportés sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. R E V E N D I C A T I ONS 1 Appareil ( 11) pour produire une réaction chimique non- thermique avec excitation extérieure, lequel comprend des moy- ens qui présentent une zone active ( 12) pour contenir une ré- action chimique, et d'autres moyens ( 41) pour créer une exci- tation extérieure rnon-thermique de ladite réaction chimique à l'intérieur de ladite zone, cet appareil étant caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de controle ( 100) pour inter- rompre en substance ladite excitation de la réactioa chimique pendant une période de temps qui équivaut sensiblement au temps de transit du réactif à travers ladite zone active ( 12). 2 Appareil selon la Revendication 1, caractérisé en outre par le fait qu'il comprend des moyens pour produire ladite ex- citation pendant un temps inférieur au temps durant lequel se produirait naturellement un appauvrissement important dudit ré- actif dans ladite zone active. 3 Appareil selon l'une ou l'autre des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour déposer un film à partir dudit réactif -u'agent graveur. 4 Appareil selon l'une ou l'autre des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour graver qui utilise ledit réactif en tant qu'agent graveur. Procédé pour mettre en ceuvre une excitation extérieure d'une réaction chimique non-thermique conformément à la Reven- dicatlon 1, dans lequel la réaction s'effectue à l'intérieur d'un récipient qui comporte une zone active, et au moins un réactif placé a l'intérieur de ce récipient, ce procédé compre- nant les phases qui consistent à exercer extérieurement une ré- action chimique non-thermique à l'intérieur de ladite zone ac- tive du récipient, et étant caractérisé en ce que l'on inter- rompt en substance l'excitation extérieure de la réaction chi- mique pendant un temps correspondant sensiblement au temps de transit du réactif à travers ladite zone active du récipient. 6 Le procédé selon la Revendication 5, caractérisé en ou- tre par le fait que l'on excite la réaction chimique pendant un temps inférieur au temps au cours duquel un appauvrissement important dudit réactif se produirait naturellement. 7 Le procédé selon l'une ou l'autre des Revendications 5 ou 6, caractérisé par l'application au moins d'une des formes -9 d'excitation suivantes: radio-fréquence, laser, optique ou autre, à ladite téaction chimique. 8 Le procédé selon l'une ou l'autre des Revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on dépose un film formé à partir dudit réactif. 9 Le procédé selon l'une ou l'autre des Revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'on effectue une gravure en utl- lisant le réactif en tant qu'agent graveur.