Brevet FR2583572A1 — publié le 19861219

Procédé et appareil pour fabriquer un film mince cristallin " L'invention concerne un procédé et un appareil pour fabriquer un film mince cristallin utilisé pour la fabrication d'un film mince monocristallin dans le domaine industriel de semi-conducteurs, par exemple de manière à obtenir un substrat de SSI (silicium sur iso- lant). Le fil mince monocristallin a été produit jusqu'ici en faisant fondre une couche de semi-conducteur par irradiation de cette couche au moyen d'un faisceau d'énergie, puis en faisant recristalliser la couche fondue. Par exemple, on produit maintenant du silicium monocris- tallin en faisant recristalliser du silicium polycristal- lin sur un isolant. Cette technique est appelée technique SSI (silicium sur isolant). Comme technique SSI, un procédé est connu dans lequel, comme indiqué schématiquement en figure 1, un fasiceau d'énergie d tel qu'un faisceau laser, un faisceau de rayonnement infrarouge ou d'électrons pro- venant d'une source d'énergie c telle qu'une source laser, une couche de chauffage ou un accélérateur d'électrons est envoyé sur un film mince de silicium polycristallin b déposé sur un isolant a (par exemple du quartz), pour faire fondre le silicium polycristallin b et lui permettre ensuite de se recristalliser sous la forme d'un film mince de silicium monocristallin e. 83572 En figure 1, la référence c' indique le sens dans lequel la source d'énergie c balaye le film mince de silicium polycristallin b. En général, une plaque chauffante ou un dispositif de chauffage infrarouge est parfois utilisé pour préchauffer l'échantillon avant irradiation par le faisceau d'énergie pour faire fondre l'échantillon. Cependant, dans le cas dans lequel l'échantillon est préchauffé comme indiqué ci-dessus et représenté schématiquement en figure 2, même lorsqu'on tente d'observer une partie fondue de l'échantillon q au moyen d'une caméra f, comme les moyens de chauffage h ou autres permettant d'effectuer le préchauffage bloquent souvent l'observation, l'état fondu ne peut être observé directement. I1 est également connu comme technique SSI, un procédé dans lequel on fait rayonner sur le silicium polycristallin un faisceau présentant une répartition d'énergie à deux maxima (appelé ci-après faisceau à "crête double") comme indiqué par le graphique A de la figure 3, pour faire fondre un échantillon B. Ensuite, si l'interface solide- liquide du silicium fondu prend la forme représentée par la courbe C de la figure 3, le silicium fondu commence à se refroidir et à se solidifier à partir du centre d'une largeur de balayage W, en direc- tion des deux extrémités, ce qui a pour résultat de produire un bon cristal de silicium monocristallin au centre (la référence B indiquant le sens de balayage du faisceau en figure 3 et la référence E indiquant la répartition d'énergie du faisceau à crête double sur cette même figure 3). Ainsi, dans la technique utilisant le faisceau à crête double, il est important, pour former un monocristal, de contrôler la forme de l'interface solide-liquide du silicium fondu, pour la régler à sa valeur optimum. Cependant, dans l'art antérieur, même la forme de l'intreface solide-liquide ne peut être connue. 83572 Par suite, l'invention a pour but de créer un procédé et un appareil de fabrication d'un film mince cristallin, dans lesquels on fait rayonner un faisceau d'énergie sur une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semi-conducteur et recristalliser la couche de semiconducteur fondu, ce procédé et cet appareil permettant de produire un bon film mince cris- tallin en détectant l'état de la couche de semi-conducteur par des moyens de détection d'images permettant de détec- ter la lumière émise par la couche de semi-conducteur. L'invention a également pour but de créer un procédé et un appareil de fabrication d'un film mince cristallin, dans lesquels, à partir d'une information résultant de la détection, par les moyens de détection d'image, de la lumière émise par la couche de semi- conducteur, les conditions d'irradiation du faisceau d'énergie peuvent être contrôlées pour produire ainsi un bon film mince monocristallin recristallisé. L'invention a encore pour but de créer un procédé et un appareil de fabrication d'un film mince cristallin, dans lesquels, à partir d'une information résultant de la détection, par les moyens de détection d'image, de la lumière émise par la couche de semi- conducteur, les conditions de rayonnement du faisceau d'énergie peuvent être contrôlées de façon que l'inter- face solide-liquide de la couche de semi-conducteur prenne une forme prédéterminée pour produire un bon film mince monocristallin recristallisé. A cet effet, l'invention concerne, sous un premier aspect, un appareil pour fabriquer un film mince cristallin, dans lequel un faisceau d'énergie irradie une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semi-conducteur qui se recristallise ensuite, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de faire rayonner le faisceau d'énergie sur 83572 la couche de semi-conducteur et des moyens permettant de détecter la lumière rayonnée par cette couche de semi-conducteur. Suivant un autre aspect de l'invention, celle- ci concerne un appareil pour fabriquer un film mince cristallin, dans lequel un faisceau d'énergie irradie une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semi-conducteur qui se recristallise ensuite, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de faire rayonner le faisceau d'énergie sur la couche de semi-conducteur, des moyens pour détecter, par des moyens de détection, la lumière rayonnée par la couche de semi-conducteur, et des moyens pour afficher l'information détectée par les moyens de détection. Suivant un autre aspect encore de l'invention, celle-ci concerne un procédé pour fabriquer un film mince cristallin, dans lequel un faisceau d'énergie irra- die une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semiconducteur qui se recristallise ensuite, procédé caractérisé en ce que la lumière rayonnée par la couche de semi-conducteur est détectée de façon que l'état de fusion de cette couche de semi-conducteur soit contrôlée à partir de l'information détectée. L'invention sera décrite en détail en se réfé- rant auxdessins joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique destinée à décrire la technologie selon l'art antérieur; - les figures 2 et 3 sont des schémas destinés à décrire respectivement cette même technologie selon l'art antérieur; - la figure 4 est un schéma d'une forme de réa- lisation d'un appareil destiné à la fabrication d'un film mince cristallin selon l'invention; - les figures 5A et 5B sont des schémas repré- sentant respectivement des exemples de formes d'un fais- 83572 ceau d'énergie tombant sur un échantillon; - la figure 6 est un schéma représentant un exemple de dispositif permettant de séparer un faisceau en plusieurs faisceaux; - la figure 7 est un schéma représentant un autre exemple du dispositif de la figure 6; et - la figure 8 est un schéma représentant une forme du faisceau obtenu au moyen du dispositif de la figure 7, ce faisceau tombant sur un échantillon. L'appareil de production d'un dispositif semi- conducteur selon l'invention comprend des moyens permettant de faire rayonner un faisceau d'énergie sur une couche de semi-conducteur, et des moyens permettant de détecter la lumière rayonnée par la couche de semi- conducteur. l'invention utilise le fait que lorsqu'un faisceau d'énergie irradie la couche de semi-conducteur, celle-ci émet de la lumière. Cela signifie qu'il est possible de détecter l'état de fusion en détectant la lumière rayonnée. Grâce à cette construction, l'état de fusion de la couche de semi-conducteur peut être détecté direc- tement lorsque cette couche est recristallisée par uti- lisation du faisceau d'énergie. Cette détection permet également de contrôler les conditions d'irradiation etc.., de manière à produire un bon film mince monocristallin recristallisé. Selon l'invention, il est possible, en pratique, de renvoyer par exemple en rétroaction l'information re- lative à létat de fusion provenant des moyens de détection d'image pour commander les conditions d'irradiation du faisceau d'énergie et autres. De plus, il est utilisé, pour le préchauffage, le même type de faisceau d'énergie que pour la fusion, il est possible d'obtenir un préchauffage efficace sans 83572 chauffage excessif et en détectant de façon satisfaisante l'image relative à l'état de fusion. Dans ce cas, des sources de faisceau d'énergie différentes peuvent être utilisées respectivement pour la fusion et pour le préchauffage et un même faisceau d'énergie peut être séparé par des moyens optiques convenables constitués par exemple par la combinaison de deux lentilles de distances focales différentes, en un faisceau à haute énergie destiné à la fusion et un faisceau à faible énergie destiné au préchauffage. I1 est, maintenant, décrit ci-après une forme de réalisation de l'invention. Dans cette forme de réa- lisation, l'invention est appliquée à la technique SSI dans laquelle un film mince de silicium monocristallin est obtenu à partir d'une couche semi-conductrice de silicium polycristallin. La figure 4 représente schématiquement la partie principale de cette forme de réalisation. En figure 4, la référence 1 désigne un échantillon compor- tant une couche de semi-conducteur sur laquelle tombe un faisceau d'énergie pour former un film mince voulu de monocristal recristallisé. Dans cette forme de réa- lisation, l'échantillon 1 est placé sur une platine mobile en X-Y. Dans cette forme de réalisation, il est utilisé un faiceau laser comme faisceau d'énergie, et deux fais- ceaux laser sont utilisés respectivement comme faisceau de fusion 21 et faisceau de préchauffage 22. la raison pour laquelle est utilisé le même type de faisceau pour le préchauffage et la fusion est d'éviter un préchauffage excessif, et obtenir une détection satisfaisante. Dans cette forme de réalisation, les moyens de détection d'image 3 sont constitués par une caméra de télévision. Ici, cette caméra 3 est associée à un microscope 4 pour détecter la lumière rayonnée par la 83572 couche de semi-conducteur de l'échantillon 1 de manière à connaître l'état de fusion de la couche de semi- conducteur. En figure 4, la référence 31 désigne un obturateur synchronisé avec la caméra 3, et la référence 32 désigne un filtre optique pour laser à l'argon. L'in- formation obtenue par les moyens de détection d'image 3 peut être observée sur l'écran d'un récepteur de télé- vision 5. La construction de l'appareil de production de film mince monocristallin selon cette forme de réalisa- tion est décrite plus en détail ci-dessous. Dans cette forme de réalisation, il est utilisé deux sources laser (par exemple des laser à largon), ou une source laser unique associée à un miroir semi- transparent ou tout autre moyen permettant de séparer le faisceau laser de la source laser en deux faisceaux laser 21 et 22. On fait tomber les deux faisceaux laser 21 et 22 sous des angles différents, sur une lentille 6 à travers laquelle ces faisceaux viennent irradier l'échantillon 1 (voir figure 4). A ce moment, pour que le faisceau de préchauffage 22 ne soit pas focalisé sur la surface de l'échantillon 1, ce faisceau de préchauf- fage 22 est préalablement transformé en un faisceau de diffusion par une lentille ou autre. Par suite, les formes des faisceaux 21 et 22 tombant sur l'échantillon 1 deviennent celles représen- tées en figure 5A. Comme le faisceau de préchauffage 22 de grande taille présente une faible densité d'énergie en surface (W/cm2), la couche de silicium polycristallin de l'échantillon 1 n'atteint pas une température suffi- sante pour fondre, mais se trouve simplement chauffée. Au contraire, comme le faisceau de fusion 21 présente une grande densité d'énergie en surface (W/cm2), la couche de silicium polycristallin atteint le point de fusion ou un point supérieur au point de fusion dans sa 83572 partie centrale. Les formes du faisceau de fusion 21 et du faisceau de préchauffage 22 sont indiquées en figure 5A respectivement par les références 21' et 22', et la zone fondue par le faisceau de fusion 21 est indiquée plus particulièrement par la zone hachurée 21". Le sens de balayage du faisceau est indiqué par la référence 2'. Comme le film de silicium polycristallin, lorsqu'il est chauffé à haute température, émet de la lumière, l'image lumineuse rayonnée est agrandie, dans cette forme de réalisation, par le microscope 4, puis détectée par les moyens de détection 3 ou par la caméra de télévision, pour être affichée sur l'écran du récepteur de télévision 5. A ce stade, comme la lumière d'un faisceau laser très puissant pourrait également traverser le microscope 4 pour parvenir aux moyens de détection 3 (caméra de télé- vision), un filtre 32 de coupure de la lumière émise par le laser à l'argon est placé devant les moyens de détection d'image 3 (caméra de télévision). Ainsi, seule la lumière rayonnée par la couche de semiconducteur peut pénétrer dans la caméra de télévision. La caméra de télévision utilisée comme moyen de détection d'image 3 dans cette forme de réalisation, affiche en général une image au rythme de la période de trame, c'est-à-dire 1/30 secondes, de sorte que lorsque l'échantillon 1 est entraîné par la platine mobile en X-Y pendant la recristallisation du silicium polyeristal- lin, au moment de la-formation d'une image de trame, l'image apparaît obscurcie. Ainsi, dans cette forme de réalisation, pour observer simultanément l'image de trame et la partie chauffée par le faisceau de préchauffage 22, il est utilisé un obturateur rapide 31 synchronisé avec les moyens de détection d'image 3 ou avec la caméra de télévision. La lumière émise par la partie chauffée par 83572 le faisceau laser augmente avec l'augmentation de la température, mais l'intensité de la lumière rayonnée diminue dès que cette partie chauffée commence a fondre. Ainsi, la limite entre la partie en phase solide et la partie en phase liquide, peut être observée très ciaire- ment. Ceci permet de connaître la taille de la partie fondue en observant l'interface solide-liquide au moyens du dispositif de détection d'image 3. Les résultats d:e la détection de la partie fondue peuvent être utilisés pour commander les conditions de recristallisation, comme par exemple l'ihtensité d'irradiation du faisceau laser, la vitesse de balayage de ce faisceau laser (vitesse de la platine mobile en X-Y), la température de préchauffage, etc... Il est possible, par exemple, de régler différentes conditions par des opérations manuelles tout en observant l'écran du récepteur de télévision 5. De plus, il est possible d'analyser l'information provenant des moyens de détection d'image 3 pour obtenir un signal appliqué ensuite en signal de rétroaction pour modifier les conditions d'irradiation du faisceau d'énergie. Bien que dans cette forme de réalisation, deux faisceaux laser 21 et 22 soient utilisés pour la fusion et le préchauffage comme décrit ci-dessus, il est éga- lement possible d'utiliser un faisceau laser unique 2 divisé en un faisceau de fusion 21 et un faisceau de préchauffage 22, par un dilatateur de faisceau 7 et une lentille composite constituée de deux lentilles combinées 81 et 82 de distances focales différentes, comme indiqué en figure 6. Comme indiqué également en figure 6, lorsque l'échantillon 1 est placé sur le plan passant par le foyer F1 de la lentille 81 de distance focale fl, la lentille 82 de distance focale f2 focalise le faisceau sur le plan passant par le foyer F2 décalé par rapport à l'échantillon 1. Les formes de faisceaux formées sur 83572 l'échantillon 1 à ce moment sont celles représentées en figure 5B. Les références de la figure 5B désignent les mêmes parties que celles de la figure 5A. Dans ce cas, les deux faisceaux laser 21 et 22 peuvent être séparés de plus du double de la largeur du faisceau de fusion 21. De plus, si la lentille 81 de formation du faisceau de fusion est encore divisée en deux parties 81a et 81b, comme représenté typiquement en figure 7, les formes de faisceaux deviennent celles de la figure 8 dans laquelle le faisceau de fusion se transforme en deux faisceaux 21a et 21b présentant la crête double. Ainsi, du silicium monocristallin peut être obtenu par le faisceau à --ête double indiqué en fiqure 3. Dans tous les cas, le faisceau de préchauffage 22 chauffe légèrement la couche de silicium polycristal- lin (couche de semi-conducteur) de l'échantillon 1 et la surface de la base supportant la couche de silicium polycristallin, ce qui empêche les déformations au moment de la recristallisation. De plus, comme il n'existe pas ici de moyens de préchauffage h tels que ceux de la fi- gure 2, pendant le préchauffage, il est possible de détecter facilement l'image de la partie fondue. En outre, comme on n'utilise pas de chaleur excessive, un rendement de chauffage élevé peut être obtenu. De plus, la partie chauffée peut être observée directement par les moyens de détection d'image 3 constitués, par exem- ple, par la camera de télévision, ce qui permet ainsi de contrôler les conditions d'irradiation. Dans le procédé selon l'invention, étant donné que, comme indiqué ci-dessus, le processus de recristal- lisation peut être détecté directement, tout phénomène anormal peut être connu immédiatement. De plus, le procé- dé selon l'invention permet de commander les conditions d'irradiation pendant la détection du processus de recris- tallisation. Cela permet d'obtenir un film mince cristal- 83572 lin de bonne qualité voulue. De plus, comme dans le procédé selon l'inven- tion, le faisceau de fusion 21 et le faisceau de pré- chauffage 22 qui le précède, balayent simultanément l'échantillon 1, il n'est pas nécessaire de chauffer de manirèe excessive la totalité de l'échantillon 1. L'exemple selon l'art antérieur de la figure 2 doit, par exemple, prendre en compte la construction permet- tant de chauffer la totalité de la base, tandis qu'au contraire dans la présente forme de réalisation, seule la partie nécessaire à chauffer peut être chauffée avant l'application du faisceau de fusion 21, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé. Il apparaîtra à l'évidence au spécialiste de la question que de nombreuses modifications et variantes peuvent être apportées aux formes préférées de réalisa- tion ci-dessus, sans sortie du cadre de l'invention. 83572 2 R E V E N D I CATI 0 N S ) Appareil pour fabriquer un film mince cristallin, dans lequel un faisceau d'énergie irradie une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semi-conducteur qui se recristallise ensuite, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (21, 22, 6) permettant de faire rayonner le faisceau d'énergie sur la couche (1) de semi-conducteur et des moyens (3, 4, 5) permettant de détecter la lumière rayonnée par cette couche de semi-conducteur. 2 ) Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de détection comprennent un filtre coupant le passage des autres lumières que la lumière rayonnée traversant ce filtre. 3 ) Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de détection comprennent un obturateur fonctionnant en synchronisme avec ceux-ci. 4 ) Appareil selon la revendication 1, pour fabriquer un film mince cristallin dans lequel un fais- ceau d'énergie irradie une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semi-conducteur qui se recristallise ensuite, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de faire rayonner le faisceau d'énergie sur la couche de semi-conducteur, des moyens pour détecter, par des moyens de détection, la lumière rayonnée par la couche de semi-conducteur et des moyens pour afficher l'information détectée par les moyens de détection. ) procédé mettant en oeuvre l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour fabriquer un film mince cristallin, dans lequel un faisceau d'énergie irradie une couche de semi-conducteur pour faire fondre cette couche de semiconducteur qui se recristallise ensuite, procédé caractérisé en ce que la lumière rayonnée par la couche de semi-conducteur est 83572 détectée de façon que l'état de fusion de cette couche de semi-doncuteur soit contrôlée à partir de l'informa- tion détectée. 6 ) Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'état de fusion de la couche de semi-- conducteur est commandé par les conditions d'irradiation du faisceau d'énergie.