Brevet FR2588275A1 — publié le 19870410

La présente invention a trait en général au deptt, par vapeur chimique, d'un matériau sur un substrat et plus particulièrement à l'utilisation d'un écoulement gazeux axialement symétrique pour améliorer le dépôt, sur un substrat, d'un matériau véhiculé par le gaz. I1 est connu, dans le domaine du dépôt chimique d'un matériau sur un substrat, de prévoir un récepteur ou support placé dans une enceinte close et destiné à supporter essentiellement plusieurs substrats à la fois. Un gaz porteur contenant des formes gazeuses des atomes que l'on doit déposer sur le substrat est introduit dans l'enceinte au voisinage du récepteur. L'écoulement gazeux, déterminé par la géométrie de l'enceinte et du récepteur, est généralement contraint à s'écouler parallèlement au substrat. Grtce à une combinaison réalisée entre le transport et la réaction chimique, les atomes qui constituent les matériaux à déposer adhérent aux surfaces du substrat à une temperature relativement élevée, ce qui forme la couche de dépit désirée.Ce procédé technique de dépit s'est révélé satisfaisant jusqu'à present, mais en raison des plus grands volumes de matériaux qu'il a fallu mettre en oeuvre et aussi des meilleures qualités requises pour ces matériaux, les limites de cette technique sont désormais atteintes. Le problème à résoudre est dû au fait que, à mesure que le gaz circule sur les surfaces des substrats et du récepteur, le dépit du matériau sur la surface modifie la concentration des matériaux à déposer qui se trouvent dans le gaz porteur, Par conséquent, le long du récepteur et en fait le long de chaque substrat, on constate un taux différent de croissance de la couche de matériau.Le second problème qui se pose est dû au fait que, à mesure que le matériau à déposer s'épuise dans la zone du dép8t, il faut transporter un matériau de dépôt sur des distances relativement importantes dans les enceintes de réaction utilisées pour ce dépôt. Ce dépit conditionné par le transport limite le taux auquel le dépit proprement dit peut s'effectuer, et par conséquent il est fonction du coft de fabrication des matériaux, comme dans le procédé épitaxial. Un troisième problème à résoudre est celui de l'autodopage.Dans le processus d'autodopage, des atomes d'impuretés provenant du substrat fortement dopé peuvent se détacheur de la surface du substrat et s'incorporer, en passant par la phase gazeuse, dans la couche plus légèrement dopée de matériau en cours de dépôt. Dans ce domaine technique, il faut prendre des mesures spéciales pour réduire l'autodopage au minimum, par exemple en effectuant le dépôt d'une couche supplementaire sur le dos du substrat. Enfin, l'ultime problème est celui de la contamination des particules. Du falot de l'adoption d'enceinte de dépôt de plus en plus grandes, la surface des parois de ces enceintes se trouve singulièrement augmentée.Les dépôts indésirables qui se forment sur ces parois deviennent autant de sources de particules qui peuvent s'incorporer de façon indésirable dans le matériau déposé. Dans ces conditions, on a constaté qu'il existait une demande pour le développement d'une technique du dépôt par vapeur dans laquelle le taux de croissance du matériau déposé sur un substrat est très sensiblement uniforme sur toute la surface du substrat, et dans laquelle le taux de croissance du matériau déposé peut entre augmenté, tandis que l'on peut empocher l'autodopage du matériau déposé sans recourir à des phases sup plémentaires de traitement, tout en réduisant au minimum la contamination des particules. Par conséquent, un premier but de la présente invention consiste à prévoir unprocédé et un appareil pour effectuer un dépôt amélioré d'un matériau sur un substrat. Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un procédé et un appareil pour réaliser un dépôt amélioré par vapeur chimique de matériaux, tout en maintenant pratiquement constante la concentration des matériaux déposés dans le gaz porteur, et cela sur la totalité de la surface du substrat. Cependant, un autre but de la présente invention consiste à prévoir des moyens pour effectuer le dépôt par vapeur chimique d'un matériau sur un substrat, moyens grâce auxquels le substrat et l'écoulement du gaz porteur présentent une symétrie axiale. En outre, l'invention a pour but de prévoir des moyens pour effectuer le dépôt par vapeur chimique d'un matériau sur un substrat en exploitant 1' écoulement à point de stagnation du gaz porteur. De plus, l'invention a pour but de diriger un écoulement uniforme de la vapeur directement sur un substrat afin d'y déposer, par l'effet de vapeur chimique, des matériaux véhiculés par la vapeur. Par ailleurs, la présente invention a également pour objet de réaliser, dans une chambre ou enceinte de réaction de croissance par l'action de la vapeur chimique, un écoulement uniforme et axialement symétrique de gaz en direction d'un susbstrat circulaire en utilisant pour cela plusieurs orifices permettant le passage du gaz porteur du matériau à déposer. L'invention a aussi pour but de réaliser des taux uniformes de croissance de matériaux dans une chambre ou enceinte de réaction par vapeur chimique, en dirigeant un courant gazeux axialement symétrique contre un substrat, et en faisant tourner ce substrat. La présente invention a pour but complémentaire de prévoir, dans une chambre ou enceinte de réaction pour le dépôt par vapeur chimique, l'évacuation et la récupération uniforme des produits gazeux après le aép8t . Enfin, l'invention a pour but de prévoir, dans une chambre de ré- action pour le dépôt par vapeur chimique, un moyen technique permettant de contrôler le taux de dépôt du matériau à déposer sur un substrat. Les différents buts définis ci-dessus, ainsi que d'autres encore, sont réalisés, suivant la présente invention, grâce à une chambre ou enceinte de réaction par vapeur chimique dans laquelle un gaz introduit à une distance pré-établie par rapport à un substrat de forme circulaire possède une vitesse uniforme initiale pendant qu'il approche du substrat. Au cours de ce rapprochement, le gaz est infléchi radialement vers l'ex- térieur de manière à produire un écoulement axialement symétrique. Le gaz est extrait de la chambre à travers de multiples ouvertures, grâce à une série de chicanes, ou par d'autres moyens capables en substance de conserver la symétrie axiale de l'écoulement gazeux. Le substrat circulaire peut être entratné en rotation afin d'améliorer l'uniformité du dépôt par le nivellement des irrégularités à l'intérieur de la veine gazeuse. La distance entre le substrat et l'appareil qui introduit le gaz est ré- glable. De plus, la symétrie axiale de l'écoulement gazeux réduit l'autodopage du matériau déposé. L'écoulement radial du gaz et la surface ré- duite des parois de la chambre de dépôt concourent à la réduction au minimum de la contamination des particules du film de croissance. Ces caractéristiques ainsi que d'autres encore qui sont propres à la présente invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et se réfère au dessin annexé, sur lequel Les FIGURES la, lb et 1c sont des vues schématiques montrant l'écoulement du gaz contenant le matériau à déposer sur les substrats dans le cas de dispositions classiques suivant l'art antérieur; La FIGURE 2 est une vue schématique montrant en perspective l'écoulement du gaz qui s'effectue au début uniformément en direction d'un substrat circulaire, conformément à la présente invention; La FIGURE 3 est une vue schématique montrant l'écoulement des veines gazeuses porteuses du matériau à déposer sur le substrat suivant la présente invention; ; La FIGUE 4 est une vue schématique en perspective montrant un appareil propre à assurer les conditions initiales d'écoulement gazeux que montre la Figure 3; La FIGURE 5a est une vue en coupe transversale et en plan du m8me appareil, afin de montrer la position des chicanes qui assurent le maintien de la symétrie axiale de l'écoulement gazeux conformément à la présente invention, et La FIGURE 5b est une vue en coupe verticale radiale montrant une partie de l'appareil afin de mieux faire ressortir la position des chicanes de la Figure 5a par rapport au substrat (10) pour semi-conducteurs, dans le but d'assurer un écoulement uniforme du gaz. Si l'on se réfère tout d'abord à la Figure la, on voit que plusieurs matériaux formant des substrats 10 ont été placés sur un récepteur 15. Une substance gazeuse 11 traverse le substrat y dépose des composants présélectionnés de la vapeur. La Figure lb montre un récepteur de forme géométrique particulière, dans lequel plusieurs faces 13 supportent chacune plusieurs substrats 10 afin de les exposer au courant gazeux 11 qui lèche les surfaces. La Figure îc montre une forme géométrique dans laquelle un récepteur 15 supporte plusieurs substrats 10. Le gaz qui véhicule le matériau de dépôt est introduit à travers une ouverture 14 située au centre du récepteur. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 2, on y voit, représenté schématiquement, le principe de la présente invention où le gaz 11,porteur du ou des matériaux à déposer, est dirigé vers un substrat 10 sensiblement circulaire, supporté par un récepteur 15. Le gaz s'écoule d'abord vers la surface, puis radialement vers l'extérieur, en s'éloignant de l'axe de l'ensemble récepteur-substrat. Sur la Figure 3 on a représenté une vue en coupe-élévation faite suivant l'axe de symétrie de la veine d'écoulement du gaz 11 pendant son approche du substrat 10. Le gaz 11 avance au début à une vitesse sensiblement uniforme dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat 10. Ce substrat plein, à mesure que le gaz 11 progresse vers le substrat, a pour effet d'orienter le vecteur vitesse parallèlement à la surface du substrat 20 et ensuite de l'éloigner de l'axe de symétrie. Rn un point 21 situé sur cet axe et généralement appelé point de stagnation, il n'y a théoriquement aucun écoulement gazeux. L'écoulement gazeux axialement symétrique qui est dû à l'écoulement gazeux uniforme vers une surface s'appelle en général "écoulement du point de stagnation". Si l'on se reporte maintenant à la Figure 4, on y voit la mise en oeuvre de la disposition prévue pour obtenir les conditions initiales d'un gaz ayant un vecteur vitesse de valeur uniforme, orienté vers le substrat. Une surface 71, qui peut titre soit celle d'une enceinte, soit celle de deux plaques sensiblement parallèles, reçoit le gaz 11 qui est introduit dans la zone qui surmonte la surface 71. Le gaz 11 est contraint de traverser les orifices 74 pratiqués dans la surface 71 et qui débouchent en direction du substrat 10 porteur de semi-conducteurs. Ainsi, le vecteur initial de la vitesse est dirigé vers le substrat.En raison de la dimension relativement réduite des orifices 74, la valeur de la vitesse du gaz sera généralement uniforme dans la totalité des orifices 74 à mesure que ceux-ci sont traversés par le gaz pour être dirigés vers ie plan du substrat 10. Pour réduire les effets que pourrait produire l'usage d'orifices présentant des différences de section, et pour niveler d'éventuelles irrégularités dans la répartition du gaz, on peut faire tourner le substrat 10 pendant la période d'écoulement du gaz. On a constaté qu'il est possible d'obtenir un écoulement pratiquement uniforme lorsque les orifices 74 sont situés aux sommets de triangles équilatéraux et que ces orifices sont répartis uniformément sur la zone de la surface 71 qui a approximativement la même étendue que le substrat 10 et qui est axialement symétrique par rapport à ce dernier. Si l'on se réfère maintenant à la Figure 5a, on y voit une vue en plan qui indique le procédé utilisé pour extraire le gaz de la chambre sans modifier la symétrie axiale de la veine gazeuse au voisinage du substrat 10. Dans un mode particulier de réalisation, plusieurs orifices 53 d'un diamètre relativement important sont disposés en des points sensiblement équidistants par rapport à l'axe de symétrie de l'écoulement gazeux, le gaz étant extrait à travers ces orifices 53. Cependant, cette disposition, en l'absence de toute structure complémentaire, peut être à l'origine d'une quantité importante de perturbations dans l'écoulement gazeux au voisinage du substrat 10. Pour réduire ces perturbations, on peut interposer des chicanes 51 et 52 entre le substrat et les orifices 53.Cette structure, en redressant l'écoulement gazeux, aplanit les filets gazeux et augmente par conséquent la symétrie axiale de l'écoulement gazeux. Il est évident que, lorsqu'il est possible d'utiliser un nombre relativement élevé d'orifices 53 disposés autour du substrat porteur de semi-conducteurs, et si le nombre de ces orifices est suffisamment élevé, les écarts réels par rapport à la symétrie axiale au voisinage du substrat 10 peuvent être réduits au minimum rnême en l'absence de chicanes 51 et 52. La Figure 5h est une coupe verticale partielle montrant la relation établie entre les chicanes 52, 51 et les orifices 53, d'une part, et le substrat 10 et son récepteur 15, d'autre part. Fonctionnement du mode préféré de réalisation Le dépit par vapeur chimique d'un matériau sur le substrat porteur de semi-conducteurs est le résultat d'un écoulement gazeux produit le long de la surface du substrat 10, cet écoulement gazeux étant générale~ ment soumis à une contrainte afin de lui conférer une symétrie axiale. Cette forme d'écoulement gazeux s'appelle généralement écoulement à point de stagnation. Dans ces conditions, la densité du matériau à déposer qui est véhiculé par le gaz et déposé sur le substrat est généralement uniforme sur toute la surface. Ce résultat a été connu d'après l'étude de cette forme d'écoulement dans d'autres applications, et ces résultats ont été confirmés par des études effectuées par les Demandeurs par simulation à l'aide d'ordinateurs, dans les conditions déterminées par les paramètres du réacteur de dép8t. En résumé, du fait de la surface croissante obtenue à mesure que l'on s'éloigne de l'axe de symétrie, le gaz contenant la densité originale de matériaux de dépit peut entrer en contact avec la surface en raison des phénomènes de convexion et de diffusion.Il est également connu, d'après des études effectuées dans d'autres domaines de la physique, et confirmées par des études de simulation effectuées par ordinateur, que le profil de température du gaz projeté est généralement uniforme dans le sens radial. Autrement dit, les isothermes au-dessus du substrat se trouvent à une distance constante de la surface du substrat. D'une manière analogue, pour des réactions chimiques qui se produisent dans le gaz, la fraction moles des composants gazeux sera généralement uniforme dans le sens radial, à une distance déterminée de la surface du substrat. Attendu qu'il est indispensable, pour des raisons d'ordre pratique, d'introduire le gaz à travers une série d'orifices pour établir les conditions initiales requises, et en raison de la difficulté que présente la réalisation d'un centrage précis du substrat circulaire porteur de semiconducteurs par rapport à l'entrée et à la sortie de la vapeur, on peut faire tourner le substrat afin de réduire les défauts d'uniformité du gaz porteur, par rapport au substrat. Bien que la description ci-dessus se réfère plus spécialement à l'écoulement du gaz par rapport au substrat, il est évident que certaines autres caractéristiques jouent également un rôle. Par exemple, si le substrat doit être chauffé, et surtout si le substrat doit être chauffé par rayonnement optique, l'appareil pourvu des orifices à travers lesquels on introduit le gaz sera réalisé d'une manière générale en un matériau transparent de type approprié, par exemple du quartz fondu. Il est éga lement évident que si l'on a représenté l'appareil comme étant muni d'un substrat pour semi-conducteurs placé dans un plan horizontal, la vapeur le frappant de haut en bas, cette orientation peut être modifiée sans nuire au fonctionnement du mode préféré de réalisation. Un des aspects importants de la présente invention est la possibilité qu'elle offre (Figure 4) de contrôler la distance entre l'appareil qui introduit le gaz et le substrat. Cette possibilité de déterminer cette distance constitue un facteur essentiel dans le contrôle de la croissance des matériaux déposés sur le substrat 10. L'écoulement axialement symétrique du gaz (en s'éloignant de l'axe) présente l'avantage considérable de réduire l'autodopage en créant un écoulement gazeux dans une direction, par rapport au substrat, qui est contraire à celle de l'écoulement des matériaux qui produisent l'autodopage. Cet effet peut entre encore amélioré en réduisant davantage l'autodopage en introduisant un gaz de purge dirigé vers le dessous du substrat. Cette technique de dépôt par vapeur chimique est particulièrement avantageuse dans le dépit épitaxial, surtout pour le dépôt épitaxial de silicium sur un substrat. Le but de la description qui précède est d'illustrer le mode de fonctionnement du mode préféré de réalisation de l'invention, sans limiter toutefois la portée de celle-ci. De nombreuses variantes et modifications pourront bien entendu être apportées par tout spécialiste dans l'art sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique de matériaux sur un substrat, cet appareil utilisant un substrat de forme sensiblement circulaire et étant caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (71, 74; 51, 52, 53) propres à former un écoulement gazeux (11) qui présente une symétrie axiale perpendiculairement audit substrat circulaire. 2. Appareil pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de formation d'un écoulement gazeux introduisent le gaz en lui conférant une valeur pratiquement uniforme de vitesse dans une direction perpendiculaire audit substrat. 3. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de formation d'un écoulement gazeux comportent un dispositif permettant de faire varier la distance (d) qui sépare le substrat d'une zone dans laquelle le gaz est dirigé vers le substrat. 4. Appareil pour- le dépôt par vapeur chimique de matériaux selon la Revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens propres à faire tourner le substrat circulaire autour de son axe. 5. Appareil pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens de formation d'un écoulement gazeux comportent plusieurs orifices (53) qui permettent d'extraire le gaz sans modifier de façon appréciable ladite symétrie axiale. 6. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs chicanes (51,52) disposées entre le substrat (10) et lesdits orifices d'extraction (53). 7. Appareil pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens propres à ré- duire l'autodopage dudit substrat. 8. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de formation d'un écoulement gazeux comportent des éléments capables d'entretenir un écou- lement à point de stagnation dudit gaz. 9. Appareil pour le dépit par vapeur chimique de matériaux, caractérisé par le fait que lesdits moyens de formation d'un écoulement gazeux comportent un moyen (74) propre à diriger un courant gazeux porteur du matériau de dépôt dans une direction perpendiculaire au plan dudit substrat circulaire (10). 10. Appareil pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendica tion 9, caractérisé par le fait qu'il est possible de modifier la distance (d) entre l'appareil et le substrat. 11. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 9, caractérisé par le fait que l'on peut faire tourner ledit substrat (10). 12. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 9, caractérisé par le fait qu'il peut être utilisé pour effectuer un dépôt épitaxial. 13. Appareil pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 12, caractérisé par le fait que l'on peut utiliser l'appareil pour déposer du silicium épitaxial sur ledit substrat. 14. Appareil pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 9, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour introduire un gaz de purge dirigé vers le dessous du substrat. 15. Procédé de dépôt par vapeur chimique de matériaux sur un substrat selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que l'on dirige le gaz contenant ces matériaux sur le substrat et que l'écoulement de ce gaz présente en substance une symétrie axiale. 16. Procédé de dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 15, caractérisé par la phase qui consiste à contrôler le taux de dépôt en faisant varier la distance (d) entre le substrat et l'appareil qui introduit le gaz. 17. Procédé pour le dépôt de matériaux selon la Revendication 15, caractérisé par le fait qu'il comprend la phase qui consiste à faire tourner le substrat. 18. Procédé pour le dépôt de matériaux selon la Revendication 15, caractérisé par la phase qui consiste à entretenir un écoulement à point de stagnation dudit gaz.