Brevet FR2567920A1 — publié le 19860124

La présente invention concerne un système permettant de fa- briquer des structures en couches de semi-conducteurs par croissance épitaxiale, comprenant au moins un creuset composé d'une partie infé- rieure recevant le semi-conducteur à enduire et d'une partie supé- rieure recevant les substances d'enduction, ladite partie supérieure pouvant se déplacer par rapport à la partie inférieure, un espace de réaction dans lequel le creuset est introduit et maintenu sous une atmosphère de gaz protecteur, un four dans lequel le creuset est por- té à la température nécessaire pour effectuer la croissance épitaxia- le, et un convoyeur permettant de déplacer l'une des parties de creu- set par rapport à l'autre et de placer la tranche de semi-conducteur au contact de la substance d'enduction fondue nécessaire. Il est connu de fabriquer des dispositifs semi-conducteurs composés de plusieurs couches par croissance épitaxiale. Un substrat se présentant sous la forme d'une mince plaquette de cristaux semi- conducteurs - habituellement appelée tranche - est mis en présence, dans un creuset, d'une solution fondue surrefroidie et sursaturée d'un autre matériau semi-conducteur. Les atomes de la substance d'en- duction qui se séparent du bain de fusion se déposent à la surface du substrat pour y former une fine couche monocristalline pouvant pré- senter quelques défauts de réseau et, par conséquent, de bonnes pro- priétés physiques. Ce procédé classique qui, au sein de la communauté linguistique anglo-saxonne, est désigné par le terme de procédé EPL (épitaxie en phase liquide) est par exemple appliqué pour obtenir des structures en couches à cristaux mixtes quaternaires utilisés dans des dispositifs électro-optiques. A titre d'exemple, on citera les lasers, les DEL et les photodétecteurs à base de gallium-indium-arsé- niure-phosphure (Ga-In-As-P). Certains systèmes classiques du type indiqué ci-dessus (Journal of Crystal Growth 46 (1979) p. 253 à 261; British Telecom Technology Journal, vol. 1, n 1, juillet 1983, p. 23 à 30) possèdent des espaces de réaction qui sont accessibles par un seul c8té et qui renferment des creusets d'épitaxie conçus sous la forme de nacelles coulissantes à chambres multiples. Leur partie inférieure contient le substrat à enduire et leur partie supérieure renferme plusieurs cham- bres o sont placées les solutions préportionnées des susbstances d'enduction nécessaires. La partie supérieure est amenée au-dessus de la partie inférieure et le contenu des différentes chambres demeurent audessus du substrat pendant le laps de temps nécessaire. On connaXt également des creusets pour lesquels il est possible à tout moment de prélever sur le contenu des chambres une portion de bain de fusion suffisante pour enduire une tranche (Journal of Crystal Growth 60 (1982), p. 421 à 433). Cependant, pour éliminer le bain de fusion épuisé, le creuset doit être sorti de l'espace de réaction. A cet ef- fet, il est toujours nécessaire de refroidir le four et de le re- chauffer ensuite. Cette opération entraîne des durées d'immobilisa- tion prolongées du système et également des pertes en énergie calori- fique. La présente invention a pour objet de fournir un système du type indiqué ci-dessus, permettant de produire de grandes quantités de dispositifs semi-conducteurs possédant une structure en couches. Conformément à la présente invention, cet objet est atteint en ce que le système comprend une zone de chargement au niveau de la- quelle plusieurs parties inférieures de creuset accompagnées des tranches de semi-conducteurs sont introduites, à l'abri de l'air, dans l'espace de réaction et sont dirigées les unes après les autres vers le convoyeur, un secteur de croissance épitaxiale qui peut être chauffé par le four et que les parties inférieures de creuset traver- sent pas-à-pas les unes après les autres, une partie supérieure de creuset qui est montée fixe dans le secteur de croissance épitaxiale et en dessous de laquelle passent les parties inférieures de manière que chaque tranche de semi-conducteur soit au contact du contenu de deux ou plusieurs chambres de la partie supérieure pendant un laps de temps prédéterminé, et une zone de déchargement qui est située dans le sens du convoyeur derrière le secteur de croissance épitaxiale et dans laquelle les parties inférieures de creuset sont sorties, à l'abri de l'air, de l'espace de réaction. Des modes de réalisation avantageux de l'invention sont in- diqués dans les sous-revendications. L'invention permet de produire à grande échelle et manière quasi-continue des dispositifs de semi-conducteurs optiques. Dans la mesure o la phase de refroidissement complet à la température am- biante et la phase suivante de réchauffement du four sont supprimées, il est possible de réduire sensiblement les frais énergétiques. Les différents objets et caractéristiques de l'invention se- ront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un système conforme à l'invention, - la figure 2, une partie inférieure de creuset en forme de cassette, utilisée dans le système représenté à la figure 1, - la figure 3, une partie inférieure de creuset en forme de conteneur, utilisée dans le système représenté à la figure 1, - la figure 4, un agrandissement d'une partie de la figure 1, mettant en évidence des détails de la partie supérieure de creuset à chambres multiples et des diverses parties inférieures de creuset, - la figure 5, un régulateur automatique de processus desti- né au système représenté à la figure 1. Le système représenté à la figure 1 et servant à obtenir des structures en couches de semi-conducteurs par croissance épitaxiale se compose des principaux éléments suivants: Une zone de chargement 1, un secteur de croissance épitaxia- le 2 et une zone de déchargement 3. Un espace de réaction 4 est en- touré d'une enveloppe en verre quartzeux 5 et d'éléments de boîtier en acier fin 6 et 7 qui, à leurs deux parties extrêmes et en plu- sieurs points de liaison, sont reliés entre eux et à d'autres parties du système au moyen de brides d'étanchéité représentées sur la figu- re, comme la bride 8. A l'intérieur du secteur de croissance épitaxiale 2, l'espa- ce de réaction 4 est entouré d'un four à diffusion 10 comprenant trois zones thermiques pouvant être chauffées séparément, la tempéra- ture de la zone centrale 11 devant, en particulier, être maintenue exactement constante. Dans la portion renfermant la zone thermique centrale 11, une partie supérieure de creuset 12, également appelée nacelle épitaxiale, est placée à l'intérieur de l'espace de réaction. Cette partie supérieure 12 comprend plusieurs chambres 13, par exem- ple au nombre de cinq, recevant les solutions de substance d'enduc- tion ou de dépôt. En dessous de la partie supérieure de creuset 12, des par- ties inférieures de creuset en forme de cassette 14a sont déplacées à travers l'espace de réaction 4, c'est-a-dire (selon la figure 1), de la droite vers la gauche. Elles contiennent chacune une mince tranche desemi-conducteur 15 qui, les unes après les autres, s'immobilisent sous les différentes chambres 13 o elles restent pendant la durée de la phase de cristallisation nécessaire. A la suite de chacune de ces parties inférieures 14a, une partie inférieure de creuset en forme de conteneur 14b, au moyen de laquelle le bain de fusion épuisé est enlevé, et une partie inférieu- re de creuset 14 c tenant lieu d'élément d'écartement traversent l'espace de réaction 4. La partie supérieure de creuset à chambres multiples 12 et les diverses parties inférieures de creuset 14a, 14b et 14 c seront décrites en détail ci-après en référence aux figures 2 à 4. Un ensemble photocapteur composé d'un phototransmetteur 16, de fibres optiques 17 s'étendant vers les chambres 13 de la partie supérieure 12, de fibres optiques s'étendant à partir des parties in- férieures 14 situées en dessous de la partie supérieure 12, et d'un photorécepteur 19, fait en sorte que les différentes parties infé- rieures 14a, 14b, 14c sont toutes exactement positionnées sous la chambre correspondante 13. Etant donné que le processus d'épitaxie doit se dérouler sous une atmosphère de gaz protecteur, le tube de quartz 5 entourant l'espace de réaction, et les espaces de la zone de chargement 1 et de la zone de déchargement 3 qui y sont reliés sont munis de conduites d'évent à travers lesquelles il est possible de réaliser un ultravide à l'intérieur de l'espace de réaction 4. Par l'intermédiaire des con- duites d'alimentation 21, un gaz protecteur tel que l'hydrogène peut être introduit dans la zone de chargement ou la station de chargement 1 et dans la zone de déchargement ou la station de déchargement 3. La zone de chargement 1 comprend un espace de stockage ou conteneur de stockage 22 qui reçoit une pile de parties inférieures de creuset 14 dont chacune contient une tranche de semi-conducteur 15 à enduire. La zone de déchargement 3 comporte un espace de stockage correspondant 23 o aboutissent les parties inférieures 14 ainsi que les tranches de semiconducteur 15 enduites. Pour éviter que l'espace de réaction 4 ne soit mis en con- tact avec l'atmosphère ambiante pendant le remplissage de l'espace de stockage 22 ou pendant le vidage de l'espace de stockage 23 - et pour éviter toutes les interactions préjudiciables qui pourraient en ré- sulter -, un dispositif de sas à air 25, 25* est prévu entre chacune des liaisons des espaces de stockage 22, 23 au niveau des éléments de bottier 6, 7, ces dispositif de sas à air étant par exemple consti- tués par un coulisseau oscillant en acier fin muni d'un mécanisme de commande électropneumatique 26, 26*. Avant que l'espace de stockage 22 ou 23 ne soit ouvert ou isolé pour les besoins du remplissage ou, respectivement, du vidage, l'espace de réaction 4 est maintehn étan- che par rapport à l'atmosphère ambiante par les dispositifs de sas à air 25 ou 25*. A partir de l'espace de stockage 2, les parties inférieures de creuset 14 sont poussées les unes après les autres, à l'aide d'un piston 28, à l'intérieur de l'espace de réaction 4. A cet effet, le piston 28 est actionné par un mécanisme de commande 29 qui est avan- tageusement conçu sous la forme d'un moteur pas-à-pas. Un soufflet en acier fin 30 assure l'étanchéité, par rapport à l'atmosphère, de l'oeillet par lequel la tige de piston 31 traverse le bottier 32 du mécanisme de commande, de sorte que le vide régnant à l'intérieur de l'espace de réaction 4 est également préservé lorsque le dispositif de sas à air 25 et l'espace de stockage 22 qui y est relié sont ou- verts. La zone de déchargement 3 comprend également un piston 28* associé à un mécanisme de commande 29*, à l'aide duquel les diverses parties inférieures 14 sont évacuées de l'espace de réaction 4 et in- troduites dans l'espace de stockage 23. Un soufflet 30* assure égale- ment l'étanchéité nécessaire par rapport à l'atmosphère ambiante. Une tige 34 pouvant effectuer un mouvement alternatif.et un mécanisme de commande correspondant 35 conçu sous la forme d'un mo- teur pas-à-pas constituent un dispositif de transport permettant de faire passer les parties inférieures de creuset 15 à travers l'espace de réaction 4. Cette tige 34 est également étanchéifiée par rapport à l'atmosphère au moyen d'un soufflet en acier fin 36. Les parties inférieures 14 reposent sur une glissière ou un rail 38 s'étendant de la zone de chargement 1 jusqu'à la zone de dé- chargement 3 en passant par l'espace de réaction 4. Lorsque les tran- ches de semi-conducteurs placées sous la partie supérieure de creuset 12 sont enduites, la tige 34 pousse la partie inférieure 15 vers la gauche sur une longueur égale à celle d'une partie inférieure, puis revient en position initiale. Le piston 28 de la zone de chargement est alors déplacé vers le haut et il amène une nouvelle partie infé- rieure 15 au niveau de la glissière 38. Le piston 28 de la zone de déchargement 3 est déplacé vers le bas et abaisse la pièce inférieure placée sur le dessus de la pile, faisant ainsi une place pour la partie inférieure suivante 15 qui arrive sur la glissière 38. Cette procédure se répète jusqu'à ce que l'espace de stockage 22 prévu dans la zone de chargement 1 soit vide ou jusqu'à ce l'espace de stockage 23 prévu dans la zone de déchargement 3 soit plein. Ensuite, comme indiqué précédemment, les dispositifs de sas à air 25 et 25* sont fermés, l'espace de stockage 22 est ré-empli avec de nouvelles tran- ches de semi-conducteurs 15 et les parties inférieures 15 munies de tranches à semi-conducteurs déjà enduites sont évacuées de l'espace de stockage 23. Le vide ou l'atmosphère de gaz protecteur régnant dans l'es- pace de réaction ne sont pas affectés par l'atmosphère ambiante lors du chargement et du déchargement des espaces de stockage 22 et 23. Toutefois, l'avantage essentiel réside en ce qu'il n'est pas néces- saire de refroidir, puis de rechauffer le four à diffusion 10. Un mécanisme de commande 41 est relié à un coulisseau placé dans la partie supérieure de creuset 12 (cf. figure 4). Ce coulis- seau permet de séparer la partie de bain de fusion de croissance né- cessaire à une enduction épitaxiale du contenu des chambres 13 et, en outre, la portion de bain de croissance épuisée peut être vidée dans une partie inférieure en forme de conteneur 14b. Le passage par le- quel la tige 40 traverse le bottier 42 d'un mécanisme de commande est également rendu étanche par rapport à l'atmosphère i l'aide d'un soufflet 43. Les régulateurs des différents mécanismes de commande indi- qués ci-dessus seront expliqués ci-après. La partie inférieure de creuset 14a telle que représentée à la figure 2 se compose d'un bottier en forme de cassette 45 compor- tant un couvercle amovible 46. Un évidement de bottier 45 reçoit la tranche de semi-conducteur 15 à enduire et il est recouvert d'une tranche 47 de phosphure d'indium (InP) par exemple. Grâce au couver- cle 46, le gaz protecteur ne peut pas agir, pendant toute la durée de son séjour dans l'espace de réaction 4, sur la tranche de semi-con- ducteur ni sur la tranche de InP 46 et ne peut pas provoquer de modi- fications. Le couvercle 46 est poussé sur le c8té dès que la partie inférieure 14 atteint la partie supérieure 13. Il est alors placé dans un évidement 48 comme indiqué par la grande flèche sur la figu- re. La partie inférieure de creuset en forme de conteneur 14b représentée à la figure 3 se compose d'un corps 44 et d'un évidement 49 qui reçoit une partie épuisée de bain de croissance et qui est sorti de l'espace de réaction 4. Les parties inférieures de creuset 14c, qui ne sont pas représentées en détail et qui tiennent lieu d'éléments d'écartement, ne sont composées que d'un corps 44 sans évidement. Sous la partie supérieure de creuset 12 (figure 4) est pla- cée une partie inférieure de creuset en forme de cassette 14a conte- nant une tranche de semi-conducteur 15 à enduire. Au moyen d'un cou- lisseau 70 actionné par la tige 40, une portion 42 de bain de croissance contenue dans les chambres 13 de la partie supérieure 12 est séparée et utilisée pour appliquer une couche de croissance épi- taxiale sur la tranche de semi-conducteur 15 située en dessous. A l'issue de cette opération, la portion de bain de croissance 72 est épuisée et, lorsque les parties inférieures de creuset ont été dépla- cées vers la gauche, elle est reprise dans l'évidement 49 de la par- tie inférieure de creuset en forme de cassette 14b et peut donc être sortie de l'espace de réaction 4 sans qu'il soit nécessaire d'inter- rompre le processus d'épitaxie. Comme indiqué précédemment, lorsque la tranche' de semi-con- ducteur 15 est acheminée de la zone de chargement vers le creuset 12, elle est protégée par le couvercle 46 (cf. c6té droit de la figure 4). Dès que la partie inférieure 14a contenant la tranche 15 a at- teint la partie supérieure 12, le couvercle 46 est retiré et il tombe dans l'évidement 48. La figure 5 montre sous forme schématique les principaux composants du système conforme à l'invention qui ont déjà été décrits jusqu'à présent en référence à la figure 1. Les mêmes pièces sont in- diquées par des chiffres de référence identiques et ne seront pas dé- crites à nouveau en détail. Le système comporte un régulateur de type modulaire qui présente un avantage, à savoir que les différents modu- les de régulation peuvent être plus facilement remplacés et adaptés à leurs taches respectives. Un ordinateur industriel à superjeu 50 co- ordonne les fonctions des différents modules de régulation et sur- veille l'ensemble du système. Par l'intermédiaire de lignes de régu- lation et de signaux 41, il est relié à une queue de valve (tige fi- letée) 52 qui régule le débit de gaz protecteur dans la conduite d'alimentation 21, et à un régulateur de positionnement 53 qui agit sur le mécanisme de commande 41 conçu sous la forme d'un moteur pas- à-pas. Sous l'effet de ce mécanisme de commande et par l'intermédiai- re de la tige 40, le coulisseau 70 est déplacé et sépare les portions de bain de croissance du contenu restant dans les chambres 13. Dès que plusieurs piles de parties inférieures de creuset 14a, 14b, 14c sont passées à travers l'espace de réaction et que les tranches de semiconducteur 15 qu'elles contiennent ont été enduites, le contenu des chambres 13 est évacué. Dans ce cas, il faut ouvrir la bride d'étanchéité 8 et sortir la partie supérieure de creuset pour introduire dans l'espace de réaction une partie supérieure de creuset 12 nouvelle ou nouvellement chargée. La régulation de position exacte nécessaire est surveillée à l'aide de l'ensemble photocapteur 16 à 19 (figure 1). Un régulateur de sas à air 54 agit sur le mécanisme de com- mande électropneumatique 26* du coulisseau oscillant situé dans la zone de déchargement 3. Un second régulateur de positionnement 55 agit sur le moteur pas-à-pas du mécanisme de commande 29* associé au piston 28* de la zone ou station de déchargement 3. Dans la zone de chargement 1, le mécanisme de commande 35 est soumis à l'action d'un régulateur de positionnement 56 tandis que le mécanisme de commande 26 est manoeuvré par un régulateur de sas à air 57 et que le mécanisme de commande 29 est soumis à l'action d'un autre régulateur de positionnement 58. D'autres lignes de régulation et de signaux 61 relient l'ordinateur industriel 50 aux modules de régulation indiqués ci-dessus 56, 57 et 58 ainsi qu'à une queue de valve ou vis filetée 62 qui régule le débit de gaz traversant une ou plusieurs conduites d'évent 20. Un capteur 64 de l'ensemble photocapteur 17, 18, 19, qui est relié à l'ordinateur industriel 50 par l'intermédiaire d'une ligne de signaux 63, transmet à l'ordinateur industriel la position respective des parties inférieures de creuset 14. Un circuit de régulation représenté schématiquement sur les figures se compose de trois circuits de détection de température 65 (un pour chaque zone de température du four à diffusion 10), de trois régulateurs PID (proportionnel, intégral, par différenciation) 66 mu- nis d'un régulateur classique à programme, et de trois circuits de réglage du courant de chauffage 67. Il s'agit d'un circuit très pré- cis permettant de réguler la température du four à diffusion 10 dans les trois zones duquel la température est constamment régulée de ma- nière indépendante. Dans la plage de réaction du four à diffusion, la température doit être maintenue constante avec une tolérance admissi- ble de + 0,5 C maximum. Le régulateur décrit permet une exécution quasi-continue du procédé assurant un débit élevé et une reproductibilité précise des couches épitaxiales. En outre, le système garantit une cadence de production élevée dans la mesure o il est capable de traiter les tranches de semiconducteur non séparées dans l'état o elles sont livrées par le fabricant et dans leurs dimensions originales, par exemple avec un diamètre de deux pouces. Il n'est donc plus indispen- sable de prévoir un découpage préalable des tranches. REVENDICATIONS 1. Système permettant de fabriquer des structures en couches de semiconducteurs par croissance épitaxiale, comprenant au moins un creuset composé d'une partie inférieure recevant le semi-conducteur a enduire et d'une partie supérieure recevant les substances d'enduc- tion, ladite partie supérieure pouvant se déplacer par rapport a la partie inférieure, un espace de réaction dans lequel le creuset est introduit et maintenu sous une atmosphère de gaz protecteur, un four dans lequel le creuset est porté à la température nécessaire pour ef- fectuer la croissance épitaxiale, et un convoyeur permettant de dé- placer l'une des parties de creuset par rapport à l'autre et de pla- cer la tranche de semi-conducteur au contact de la substance d'enduction fondue nécessaire, caractérisé en ce qu'il comprend une zone de chargement (1) au niveau de laquelle plusieurs parties infé- rieures de creuset (14a) accompagnées des tranches de semi-conduc- teurs sont introduites, à l'abri de l'air, dans l'espace de réaction (4) et sont dirigées les unes après les autres vers le convoyeur (34, ), un secteur de croissance épitaxiale (2) qui peut être chauffé par le four (1) et que les parties inférieures de creuset (14a) tra- versent pas-à-pas les unes après les autres, une partie supérieure de creuset (12) qui est montée fixe dans le secteur de croissance épita- xiale (2) et en dessous de laquelle passent les parties inférieures de manière que chaque tranche de semi-conducteur (15) soit au contact du contenu de deux ou plusieurs chambres (13) de la partie supérieure pendant un laps de temps prédéterminé, et une zone de déchargement (3) qui est située dans le sens du convoyeur derrière le secteur de croissance épitaxiale (2) et dans laquelle les parties inférieures de creuset (14a) sont sorties, à l'abri de l'air, de l'espace de réac- tion (4). 2. Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur de procédé (15) agissant automatique- ment, de manière syntonisée, sur un premier mécanisme de commande (29) assurant l'alimentation à l'intérieur de la zone de chargement (1), sur un second mécanisme de commande (35) assurant l'acheminement à travers le secteur de croissance épitaxiale (2), et sur un troisiè- me mécanisme de commande (29*) assurant la sortie à l'intérieur de la zone de déchargement (3). 3. Système conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des mécanismes de commande (29, 35, 29*) est muni d'un mo- dule de régulation propre (53, 54, 55), et en ce que lesdits modules de commande sont reliés au régulateur de procédé (50) par l'intermé- diaire de lignes de régulation et de signaux (51, 61). 4. Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones de chargement et de dé- chargement (I, 2) comportent chacune un espace (22, 23) recevant plu- sieurs parties inférieures de creuset (14) et d'un dispositif de sas à air- (25, 25*), de sorte que l'espace de réaction (4) est isolé de l'atmosphère ambiante lors du remplissage de la zone de chargement (1) et du vidage de la zone de déchargement (3). 5. Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le creuset (12) comprend des par- ties inférieures en forme de cassette (14a) dans chacune desquelles une tranche de semi-conducteur (15) traverse le système. 6. Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure en forme de cassette (14a) comporte un cou- vercle amovible (46). 7. Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le creuset (12) comprend des par- ties inférieures en forme de conteneur (14b) dans lesquelles le bain épitaxial épuisé est évacué de l'espace de réaction. 8. Système conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le creuset (12) comprend des parties inférieures (14, 10) tenant lieu d'éléments d'écartement entre les parties inférieures en forme de cassette et celles en forme de conteneur (14a, 14b).