Brevet FR2571892A1 — publié le 19860418

La présente invention concerne un four d'oxyda- tion de plaquettes en matériau semi-conducteur. La présente invention s'applique tout particu- lièrement à la fabrication de circuits intégrés. A titre d'exemple, le four d'oxydation conforme à la pré- sente invention permet la création sur des plaquettes en silicium d'une couche mince en surface d'oxyde de sili- cium SiO2. Les dispositifs classiques d'oxydation de pla- quettes en matériau semi-conducteur, notamment pour la fabrication de circuits intégrés,sont formés, comme représenté schématiquement sur la figure 1 annexée, de fours d'oxydation thermique comprenant des tubes en quartz 1 dans lesquels sont introduites lesdites pla- quettes 2 et qui sont chauffés par des résistances électriques 4 disposées sur l'extérieur du tube en quartz 1. Les plaquettes 2 à traiter sont supportées dans le tube 1 par des paniers en quartz 7. Les pla- quettes 2 disposées dans le tube en quartz 1, lors du traitement sont soumises à une température élevée de l'ordre de 900 à 1100 C, dans une ambiance oxydante formée par exemple d'oxygène ou d'un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau. A l'origine, les traitements étaient opérés sous une pression faible proche de la pression atmosphérique ambiante et demandaient environ une dizaine d'heures. Néanmoins, dans la mesure o la vitesse d'oxyda- tion croît avec la pression du gaz oxydant, il a été proposé ultérieurement pour limiter le temps de traite- ment de disposer l'espace interne 3 du tube en quartz 1 sous une pression de l'ordre de 50 bars. Cette disposition exige en contrepartie l'appli- cation d'une contre-pression sur le tube de quartz 1 puisque celui-ci ne peut supporter les pressions et tem- pératures mises en jeu. Cette contre-pression est généralement réalisée comme représenté sur la figure 1 en disposant le tube de quartz 1 dans une enceinte externe 5, réalisée par exemple en acier, et soumise à une pression identique à celle régnant dans le tube. L'enceinte externe 5 est refroidie par un système, par exemple à serpentin, référencé 6 sur la figure 1. La pression interne de l'enceinte 5 est en gé- néral obtenue par alimentation de celle-ci en un gaz inerte sous pression, par exemple de l'azote. Les fours d'oxydation de ce type actuellement proposés sur le marché comportent des tubes de quartz 1 de 2 à 5 m pouvant loger simultanément jusqu'à 200 plaquettes à traiter. Le temps de traitement est de l'ordre de trois heures. Ces fours d'oxydation présentent cependant de nombreux inconvénients parmi lesquels on citera les risques très importants liés à l'utilisation de volumes importants de gaz sous haute pression, l'en- combrement, le coût et le temps de traitement non né- gligeable imposéspar les opérations de chargement, la mise sous pression, la montée et la descente en tempé- rature. Le problème à résoudre est donc de concevoir un nouveau dispositif d'oxydation de plaquettes en matériau semi-conducteur qui soit plus économique que les fours d'oxydation classiques tout en étant moins dangereux, moins encombrant et en présentant un rendement au moins égal. Le problème ainsi posé est résolu selon l'inven- tion par un four d'oxydation de plaquettes en matériau semi-conducteur comprenant une chambre de traitement de faible dimension susceptible d'ouverture pour l'insertion de plaquettes en matériau semi-conducteur à traiter, un hublot, transparent au rayonnement électro- magnétique du domaine visible et proche infra-rouge, ménagé dans la paroi de la chambre de traitement, 35. des cellules d'insolation disposées sur l'ex- térieur de cette chambre, en regard du hublot, les cellules d'insolation comprenant en combinaison des moyens émetteurs générant un rayonnement électromagné- tique compris dans le domaine visible et proche infra- rouge et des moyens réflecteurs focalisant le rayonne- ment généré par les moyens émetteurs vers le hublot, des moyens d'alimentation de l'espace interne de la chambre de traitement en gaz oxydant, sous pres- sion. On entend par "chambre de traitement de faible dimension" une chambre adaptée pour contenir simultané- ment un nombre limité de plaquettes, de préférence une seule plaquette. Le four d'oxydation conforme à la présente invention a en particulier pour avantage de permettre une réduction considérable du temps de traitement des plaquettes. Selon l'invention, le temps de traitement est en effet de l'ordre de quelques secondes à 3 minutes, alors que en utilisant les fours classiques, le proces- sus de traitement exigeait plusieurs heures. Le gain de temps obtenu selon l'invention s'ex- plique comme suit. Dans les fours classiques, les résistances 4 disposées sur l'extérieur du tube en quartz doivent assu- rer le chauffage de la totalitéde la masse du tube et du contenu de celuici. En d'autres termes, les résistances 4 doivent chauffer des dizaines de kilo- grammes. De plus, pour rechercharun traitement homogène des plaquettes,il est nécessaire de maintenir le sys- tème à température élevée pendant un temps important. Une inhomogénéité de température de quelques degrés suffit en effet pour perdre une partie au moins des plaquettes. Par contre, grâce au four conforme à la présente invention, en particulier grâce à la structure des cellules d'insolation comprenant des moyens générant un rayonnement électromagnétique focalisé par des moyens réflecteurs pour traverser un hublot, seule la plaquette de quelques grammes, est chauffée. La chambre de traitement qui est par ailleurs.de faible dimension est peu sensible au chauffage dû aux résis- tances précitées. L'inertie thermique du dispositif conforme à la présente invention est de ce fait quasi- nulle. On notera par ailleurs que, en utilisant les fours d'oxydation classiques, un grand nombre de pla- quettes - dans la majorité des cas la totalité des plaquettes contenues dans la chambre de traitement - devaient être éliminées lorsqu'une altération des con- ditions opératoires (température, pression, nature de l'asmosphère...) intervient en cours de traitement. Par contre, selon l'invention, Lorsque la chambre de traitement ne contient qu'une seule plaquette, seule celle-ci doit être éliminée en cas de mauvais traite- ment. En conclusion, grâce au traitement rapide obtenu selon l'invention, il est possible, à rendement égal, d'opérer un contrôle beaucoup plus rigoureux sur les produits traités. De façon avantageuse, la taille du hublot est sensiblement identique à la taille d'une plaquette à traiter, tandis que la chambre de traitement comprend des moyens aptes à supporter une plaquette à traiter en regard du hublot, sensiblement parallèlement à celui-ci. On obtient ainsi un temps de traitement minimal pour chaque plaquette. La chambre de traitement est de préférence associée à des moyens à dépression aptes à opérerle vide dans celle-ci avant injection de gaz oxydant par les moyens d'alimentation. L'utilisation de ces moyens à dépression permet de contrôler efficacement la nature des gaz contenus dans la chambre au cours du traitement. Pour augmenter encore le rythme de traitement, le four d'oxydation conforme à la présente invention comprend préférentiellement un automate pour l'alimen- tation de la chambre en plaquettes et le retrait des plaquettes traitées hors de la chambre. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, la chambre de traitement est for- mée de deux coquilles susceptibles de déplacement relatif pour autoriser l'insertion et le retrait des plaquettes. - Les deux coquilles peuvent être susceptibles soit de translation relative soit de pivotement relatif. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la chambre de traitement comporte un sas de réserve. Selon le cas, le sas de réserve et la chambre de traitement peuvent être disposés dans une enceinte commune ou le sas de réserve peut communiquer avec la chambre de traitement par l'intermédiaire d'un portillon amovible. De préférence, l'automate est disposé dans le sas de réserve. Selon un mode de réalisation avantageux, l'au- tomate comprend un panier portant une pluralité de pla- quettes, porté à translation dans une première direc- tion, et une canne de manutention portée à transla- tion en regard du panier, transversalement à ladite première direction. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, chaque cellule d'insolation comprend en combinaison une lampe et un réflecteur parabolique. De préférence, les moyens réflecteurs sont de plus associés à un système de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront à la lecture de la des- cription détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés sur lesquels, la figure 1 qui repré- sente l'état de la technique ayant déjà été décrite: -la figure 2 représente une vue schématique en coupe verticale d'un four d'oxydation conforme à une première variante de réalisation de la présente inven- tion, en position fermée, - la figure 3 représente une vue schématique en coupe verticale du même four d'oxydation conforme à la première variante de réalisation de la présente inven- tion, en position ouverte, autorisant l'insertion et/ ou le retrait d'une plaquette à traiter ou traitée, par un automate associé, - la figure 4 représente une vue schématique en coupe verticale d'un four d'oxydation conforme à une seconde variante de réalisation de la présente invention, en position ouverte, - la figure 5 représente une vue schématique en coupe verticale d'un four d'oxydation conforme à une troisième variante de réalisation de la présente invention, en position ouverte, - la figure 6 représente une vue schématique en coupe verticale d'un four d'oxydation conforme à une quatrième variante de réalisation de la présente invention, comprenant un automate disposé dans un sas de réserve, ce dernier étant représenté en position ouverte en vue d'un chargement, - la figure 7 représente une vue en coupe du même four d'oxydation conforme à la quatrième variante de réalisation de la présente invention dans une posi- tion de communication autre le sas de réserve et la chambre de traitement en vue d'un transfert de plaquet- tes à traiter et/ou traitées. D'une façon générale, le four d'oxydation con- forme à la présente invention comprend une chambre de traitement 10, des cellules d'insolation 40, et des moyens 70 d'alimentation de la chambre de traitement 10 en un gaz oxydant. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, la chambre de traitement 10 est formée de deux coquilles 11 et 16 respectivement supérieure et inférieure, superposées verticalement, et suscepti- bles de déplacement relatif afin d'autoriser-l'inser-- tion de plaquettes en matériau semi-conducteur dans- l'espace interne 20 de la chambre en vue d'un traitement. Les coquilles 11 et 16 sont avantageusement réalisées en acier. La coquille supérieure 11 est formée d'une paroi supérieure 12 équipée d'un hublot 21, et solidaire d'une paroi latérale 13 en saillie vers le bas. La coquille inférieure 16 est formée d'une paroi inférieure 17 solidaire d'une paroi latérale périphé- rique 18 en saillie vers le haut. Le hublot 21 réalisé de préférence en quartz- est fixé dans la paroi supérieure 12, de façon étanche aux gaz, à l'aide de tout moyen classique approprié, tel que cela est schématiquement illustré- sous forme d'une monture périphérique 14 sur les figures 2 et 3. La coquilles supérieure 11 est par ailleurs soli- daire d'une embase support 22. Cette dernière porte en outre les corps 24 de vérins 29 s'étendant généralement verticalement en- dessous de la chambre 10 et dont les tiges 25 sont soli- daires de la coquille inférieure 16. La paroi inférieure 17 porte des supports de plaquette 19 s'étendant verticalement vers l'intérieur de la chambre de traitement. 2S71892 Ces supports 19 sont adaptés pour soutenir une plaquette P à traiter(représentée en traits interrompus sur la figure 2) en regard du hublot 21, sensiblement parallèlement au hublot 21. Le hublot 21 possède une taille sensiblement identique à la taille des plaques à traiter P. Ce hublot 21 est transparent au rayonnement élec- tromagnétique du domaine visible et proche infra-rouge émis par les cellules d'insolation 40 disposées sur l'extérieur de la chambre de traitement 10. Plus précisément, chaque cellule d'insolation 40 comprend un élément émetteur 41 générant un rayonnement électromagnétique compris dans le domaine visible et proche infra-rouge et un système réflecteur 42 focali- sant le rayonnement généré par les éléments émetteurs 41 vers le hublot 21. De préférence, l'élément émetteur 41 est une lampe telle qu'un tube allongé parallèle au hublot 21 et le système réflecteur 42 est du type parabolique (de forme allongée dans le cas ou l'élément 41 est un tube). De préférence, les réflecteurs 42 sont associés à des moyens de refroidissement 43 comportant des ser- pentins disposés sur l'arrière des réflecteurs 42 et dans lesquels circule un liquide froid, tel que de l'eau. Les réflecteurs 42 disposés sur l'extérieur du hublot 21 peuvent servir à soutenir celui-ci à l'en- contre de la pression interne de la chambre exercée par les moyens d'alimentation 70. Les moyens d'alimentaticn 70 en gaz oxydant, classiques en eux-mêmes ne seront pas décrits en détail. Ces mtoyens d'alimentation 70 cominiquent avec l'espace interne 20 de la chambre de traitement 10 par deux conduits 71, 72 traversant la paroi supérieure 12 et penmettant l'alimenta- tion de cet espace interne 20 respectivement en oxygène et en vapeur d'eau. Les moyens d'alimentation 70 permettent ainsi de sou- mettre les plaquettes à traiter à une ambiance oxydante formée soit d'oxygène, soit d'un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau. De plus, la paroi latérale 13 de la coquille supérieure 11 porte un conduit traversant 73 relié à des moyens à dépression 74 permettant d'opérer le vide dans la chambre de traitement et le cas échéant, de mettre en communication l'espace interne 20 de la chambre de traitement 10 et l'extérieur. La chambre de traitement 10 peut être de préférence régulée en température à l'aide d'éléments chauffants électriques thermostatés schématiquement représentés 95 sur la figure 2. De préférence, comme cela est représenté sur la figure 3, le four d'oxydation qui vient d'être dé- crit est combiné à un automate 80 assurant d'une part l'alimentation de la chambre 10 en plaquette P à trai- ter, d'autre part le retrait des plaquettes traitées hors de la chambre. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 3, l'automate 80 est disposé dans une enceinte 81 logeant également la chambre de traitement 10. Plus précisément, la paroi supérieure 12 de la chambre de traitement 10, équipée du hublot 21, est solidaire de la paroi supérieure de l'enceinte 81, tandis que la paroi inférieure de l'enceinte supporte les corps 24 des vérins 23 commandant le déplacement de la coquille inférieure 16 de'la chambre de traitement. L'automate 80 comprend des rails verticaux 82 guidant en translation un panier 83 en quartz du type à ratelier portant une pluralité de plaquettes P adja- centes et parallèles en position générale horizontale. Le panier 83 est entraîné le long des rails 82 par un système d'entraînement comprenant par exemple une tige filetée 84 actionnée par un moteur 85 et venant en prise avec un alésage fileté ménagé dans le panier 83. Le déplacement du panier 83 peut néanmoins être commandé par tout moyen fonctionnellement équivalent. 257 1892 L'automate 80 comprend en outre une canne de manutention 86 portée en translation horizontale en regard du panier 83 par une paroi de l'enceinte 81. La canne de manutention 86 est adaptée comme cela apparaît à l'examen de la figure 3 pour déplacer une plaque P à traiter du panier 83 sur les supports 19 puis ramener les plaques traitées sur le panier 83. L'extrémité de la canne de manutention 86 coopé- rant avec les plaquettes P peut' être équipée à cet effet d'un système de pince 90 ou de tout autre moyen équivalent. L'enceinte 81 comprend un portillon 87 pivotant ou déplaçable en translation, en regard de l'automate , par exemple dans la paroi inférieure de l'enceinte pour le retrait et le rechargement du panier 83. De façon avantageuse, des moyens d'étanchéité 88, 89 sont disposés aux niveaux des interfaces entre l'enceinte 81 et la canne de manutention 86 d'une part, l'enceinte 81 et le portillon 87 d'autre part. Le fonctionnement du four d'oxydation représenté sur la figure 3 est le suivant. Dans un premier temps, le portillon 87 est ouvert et un panier 83 équipé d'une pluralité de plaquettes à traiter P est engagé sur les rails 82. La canne de manutention 86 fait saillie sur l'extérieur du sas 81. Le moteur 85 est actionné pour déplacer le panier 83 à l'intérieur de l'enceinte 81. Le portillon 87 est alors fermé puis la chambre de traitement 10 ouverte par commande des vérins 24. Le vide est opéré dans l'enceinte par les moyens 74 puis la canne de manutention 86 est poussée dans l'enceinte 81 pour déplacer une première plaquette P à traiter du panier 83 sur les supports 19, déposer la plaquette sur ceux-ci, puis est retirée. 1 1 La chambre de traitement 10 est fermée, par actionne- ment des vérins 23, pendant un temps de traitement de l'ordre de 10 sec. à 3 mn. Les moyens 70 assurent la montée en pression de l'enceinte sous atmosphère oxydante (02 et H20). En parallèle, les lampes 41 sont alimentées. A la fin du processus de traitement, la chambre de traitement 10 est de nouveau ouverte et la plaquette P traitée retirée à l'aide de la canne de manutention 86, des supports 19 sur le panier 83. Ce dernier est alors avancé d'un pas sur les rails 82 afin de disposer une nouvelle plaquette P à traiter en regard de la canne de manutention 86. Celle-ci pousse cette nouvelle plaquette sur les supports 19 et les opérations de fermeture et ouverture précitées de la chambre 10 sont réitérées. Lorsque toutes les plaquettes disposées sur le panier ont été ainsi traitées par oxydation, le portil- lon 87 est de nouveau ouvert et le panier 83 retiré des rails. De nombreuses variantes peuvent être envisagées pour la réalisation de la chambre de traitement. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, la chambre de traitement 110 comprend un car- ter 111 équipé du hublot 21 dans l'une de ses parois (de préférence la paroi supérieure) et muni par ailleurs d'un portillon pivotant 112 permettant l'insertion d'une plaquette à traiter sur des supports 119 (soli- daires de préférence de la paroi inférieure) et le retrait ultérieur des plaques traitées. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 5, la chambre de traitement 210 comprend deux coquilles 211 et 216 similaires aux coquilles 11 et 16 évoquées en regard des figures 2 et 3, mais suscep- tibles de pivotement relatif autour d'un axe horizontal 218. Là encore, la paroi supérieure de la chambre est munie du hublot, tandis que la paroi inférieure de la chambre porte les supports 219. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 6 et 7, la chambre de traitement 310 com- prend un carter 311 équipé du hublot 21 dans l'une de ses parois (de préférence la paroi supérieure) et muni d'un portillon 312 susceptible de translation pour mettre en communication un sas de réserve 381 logeant l'automate 80 précité et cette chambre 310. De façon similaire à l'enceinte 81 illustré sur la figure 3, le sas de réserve 381 comporte un portillon 87 en regard de l'automate, et plus précisément en regard du panier 83, pour assurer le retrait et le rechargement de ce dernier. Les cellules d'insolation 40, les moyens d'ali- mentation 70 en gaz oxydant et les moyens à dépression 74 équipant les chambres de traitement 110, 210 et 310 représentées sur les figures 4, 5, 6 et 7 sont similaires aux éléments évoqués en regard des figures 2 et 3 et ne seront donc pas décrits à nouveau. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précités mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. La géométrie de la chambre de traitement, du sas de réserve et de l'enceinte représentés sur les figures en particulier ne doit pas être considérée comme limitative. Par ailleurs, on peut envisager d'utiliser deux paniers 83 pour assurer les transferts de plaquettes, l'un qui est chargé en plaquettes traitées provenant de la chambre de traitement et l'autre qui est déchargée des plaquettes à traiter vers la chambre. Dans le cas o une couche d'oxyde doit être déposée sur les deux côtés de la plaquette, la struc- ture de la chambre de traitement peut aisément être adaptée pour supporter deux ensembles de cellules d'insolation en regard de hublots respectifs opposés. On notera que, à la différence des tubes en quartz des fours classiques, la chambre de traitement conforme à la présente invention reste à une faible température (toujours inférieure à 300 C) ce qui permet l'utilisation de solutions techniques classiques (aciers classiques, joints classiques), d'o un prix de revient très réduit et une grande fiabilité. REVENDICATIONS 1. Four d'oxydation de plaquettes en matériau semi-conducteur, caractérisé par le fait qu'il comprend: une chambre de traitement (10, 110, 210, 310) de faible dimension susceptible d'ouverture pour l'inser- tion de plaquettes P en matériau semi-conducteur à trai- ter, un hublot (21) transparent au rayonnement électromagnétique du domaine visible et proche infra- rouge, ménagé dans la paroi de la chambre de traitement, 10. des cellules d'insolation (40) disposées sur l'extérieur de cette chambre, en regard du hublot (21), les cellules d'insolation comprenant en combinaison des moyens émetteurs (41) générant un rayonnement électro- magnétique compris dans le domaine visible et proche infra-rouge et des moyens réflecteurs (42) focalisant le rayonnement généré par les moyens émetteurs vers le hublot, et des moyens (70) d'alimentation de l'espace interne de la chambre de traitement en gaz oxydant, sous pression. 2. Dispositif d'oxydation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de traitement (10, 110, 210, 310) est adaptée pour recevoir une seule plaquette (P) à traiter en même temps. 3. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 et 2, caractérisé par le fait que la taille du hublot (21) est sensiblement identique à la taille d'une plaquette à traiter (P). 4. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait que la chambre de traitement (10, 110, 210, 310) comprend des moyens (19, 119, 219, 319) aptes à supporter une plaquette (P) à traiter en regard du hublot (21), sensiblement paral- lèment à celui-ci. 5. Dispositif d'oxydation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la chambre de traitement (10) est régulée en température à l'aide de moyens électriques de chauffage thermostatés (95). 6. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 à 5, caractérisé par le fait que la chambre de traitement (10, 110, 210, 310) est associée à des moyens à dépression (74) aptes à opérer le vide dans celle-ci avant injection de gaz oxydant par les moyens d'alimentation (70). 7. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un automate (80) pour l'alimentation de la chambre (10, 110, 210, 310) en plaquettes (P) et le retrait des plaquettes traitées hors de la chambre. 8. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 à 7, caractérisé par le fait que la chambre de traitement (10, 210) est formée de deux coquilles (11, 16; 211, 216) susceptibles de déplacement relatif pour autoriser l'insertion et le retrait des plaquettes (P). 9. Dispositif d'oxydation selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les deux coquilles (11, 16) sont susceptibles de translation relative. 10. Dispositif d'oxydation selon la reven- dication 8, caractérisé par le fait que les deux coquilles (211, 216) sont susceptibles de pivotement relatif. 11. Dispositif d'oxydation selon l'une des reven- dications 1 à 7, caractérisé par le fait que la cham- bre de traitement (310) comporte une porte (312) débou- chant dans un sas de réserve (381). 12. Dispositif d'oxydation selon les revendica- tions 7 et 11, prises en combinaison, caractérisé par le fait que l'automate (80) est disposé dans le sas de réserve (381). 13. Dispositif d'oxydation selon l'une des revendications 1 à 12,prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que l'automate (80) est formé d'un panier (83) portant une pluralité de plaquettes (P), porté à translation dans une pre- mière direction, et une canne de manutention (86) portée à translation en regard du panier, transversalement à ladite première direction. 14. Dispositif d'oxydation selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que chaque cellule d'insolation (40) comprend en combinaison une lampe (41) et un réflecteur parabolique (42). 15. Dispositif d'oxydation selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'il comprend un système de refroidissement (43) associé aux moyens réflecteurs (42). 16. Four d'oxydation selon l'une des revendica- tions 1 à 15, caractérisé par le fait que les cellules d'insolation {40) sont adaptées pour porter les pla- quettes (P) à traiter à une température supérieure à 1000 C, de préférence de l'ordre de 1100 C. 17. Four d'oxydation selon l'une des revendica- tions 1 à 16, caractérisé par le fait que les moyens (70) d'alimentation en gaz oxydant sont adaptés pour porter la chambre de traitement sous une pression supérieure à 70 bars, de préférence de l'ordre de 75 bars.