Brevet FR2588274A1 — publié le 19870410

L'invention a trait en général au dépôt chimique d'une substance véhiculée par un gaz sur un substrat solide, et plus particulièrement à un réacteur à symétrie axiale pour effectuer ce dépôt par vapeur chimique. Il est connu, dans ce domaine technique particulier, d'effectuer le dépôt par vapeur chimique de substances ou matériaux, par exemple par dépôt épitaxial à l'aide de vapeur chimique, en dirigeant un jet de gaz contenant les matières en réaction vers un substrat solide. Le gaz contient la substance à déposer sur les substrats. Le substrat solide doit le plus souvent être maintenu à une température élevée afin d'entretenir la réaction avec la surface. Le dépôt peut par exemple s'effectuer à l'intérieur d'une enceinte qui contraint l'écoulement gazeux à lécher un ou, de préférence, plusieurs substrats que l'on a placé préalablement sur un support ou surface sensible ou réceptrice. Différents problèmes peuvent se poser dans l'usage des réacteurs pour dépôt par vapeur chimique selon l'art antérieur. Par exemple, la réaction de dépôt qui se produit avec le substrat extrait les substances à déposer qui se trouvent dans la veine gazeuse, ce qui détermine une variation dans la concentration de réactif dans le gaz. Etant donné que le gaz est contraint de s'écouler à travers un substrat en forme de tranche ou de puce, la variation de concentration peut être à l'origine d'un défaut d'uniformité de la couche déposée. Ce défaut d'uniformité des couches déposées peut se produire sur plusieurs substrats, ou même sur unseul. De plus, les systèmes actuellement d'usage courant n'ont qu'une capacité limitée à assurer une température uniforme pour plusieurs substrats ou même pour un seul substrat.En général, on obtient une température uniforme en associant au substrat une masse thermique importante. Cette masse thermique importante et l'inertie thermique qu'elle produit peuvent réduire au minimum les défauts d'uniformité dans la répartition de la température parmi les substrats. Toutefois, cette même masse thermique importante limite le taux auquel on peut amener le substrat à l'état d'équilibre thermique, et par conséquent elle peut exercer un effet nocif sur le temps nécessaire pour traiter ces substrats. Par conséquent, une masse thermique importante peut avoir un impact direct sur la productivité. En outre, les réacteurs pour dépit par vapeur chimique couramment utilisés pour le dépôt dit épitaxial peuvent permettre l'autodopage, qui est un dopage de la substance déposée en conséquence de l'évaporation provenant du verso du substrat par exemple fortement dopé. Dans des réacteurs réalisés selon l'art antérieur, on a pris soin de sceller hermétiquement ce côte verso du substraL awin d'empêcher l'autodopage. Pour tenter d'accrottre la productivité des réacteurs de dép8t par vapeur chimique, on a augmenté les dimensions de ces réacteurs afin de pouvoir y loger davantage de matériaux formant des substrats. Cet accroissement dimensionnel s'est traduit par une contamination accrue du substrat par des particules. La matière particulaire en question provient de dép8ts de matières indésirables sur les parois des réacteurs, dépits qui peuvent se détacher des parois et pénétrer dans la zone de dép8t. Dans ces systèmes connus de dép8t par vapeur chimique, on peut con tramer la composition du véhicule gazeux, la température et l'autodopage, mais l'on s'est aussi efforcé de réaliser un contré complémentaire du processus de dép8t. Des recherches ont récemment été effectuées en ce qui concerne la possibilité d'utiliser un courant gazeux symétrique léchant chaque substrat afin de réaliser un processus plus satisfaisant de dépit par vapeur chimique. En utilisant l'écoulement axialement symétrique et des conditions-limites appropriées, on peut obtenir une couche de dépôt plus uniforme. Le dép8t éffectué sur une tranche ou puce unique introduit une certaine souplesse dans le procédé de chauffage, ce qui permet de réduire au minimum les temps de chauffage et de refroidissement. L'écoulement gazeux axialement symétrique offre l'avantage supplémentaire de réduire au munimum llautodopage, soit le dopage indésirable de la couche de dép8t par des atomes provenant du substrat fortement dopé.En outre, l'écoulement axialement symétrique du gaz permet d'utiliser des substrats plus grands, donc des réacteurs pour tranche ou puce unique. De tels réacteurs à puce unique ont tendance à réduire la contamination par des particules des zones de dépôt des substrats. Par conséquent, on a constaté qu'il existait une demande pour un réacteur de dép8t par vapeur chimique qui puisse tirer parti d'un écoulement axialement symétrique du gaz et assurer un chauffage uniforme afin de pouvoir associer au substrat une masse thermique relativement réduite. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de prévoir un réacteur perfectionné pour le dépit par vapeur chimique. Par ailleurs, l'invention a pour but de prévoir un réacteur pour le dépôt, par vapeur chimique, lequel est destiné à un substrat axialement symétrique. D'autre part, l'invention a pour but de prévoir un procédé de départ par vapeur chimique ayant une géométrique axialement symétrique. L'invention a également pour but de prévoir un appareil et un procédé pour chauffer uniformément un substrat ayant une géométrie circulaire. De plus, l'invention a pour but de prévoir un réacteur pour le dép8t par vapeur chimique, lequel comporte un moyen propre à assurer un contrôle complémentaire du processus de dépôt. Enfin, la présente invention a pour but de prévoir un réacteur pour le dépit par vapeur chimique, dans lequel l'écoulement sur le substrat du gaz porteur de la substance constituant le réactif possède une symétrie axiale. Suivant la présente invention, les différents buts exposés cidessus, ainsi que d'autres encore, sont réalisés gracie à un appareil qui comporte une chambre circulaire de réaction pour le dépôt par vapeur chimique de substances sur un substrat de forme sensiblement circulaire. Ce substrat circulaire est supporté par un récepteur, support ou surface, grâce à une tige ou colonne. Le gaz qui véhicule la matière à déposer sur le substrat est dirigé vers la surface du substrat à une vitesse pratiquement uniforme et dans une direction perpendiculaire à cette Sflr- face, à l'aide d'un appareil situé et commandé à une certaine distance du substrat. Ce gaz est généralement canalisé de façon à s'écouler en formant une veine axialement symétrique vers la surface du substrat.Un dispositif de chauffage par rayonnement est prévu afin de chauffer le substrat et l'appareil y associé à une température uniforme. L'uniformité de la température fournie par le dispositif de chauffage permet au substrat et à l'appareil y associé d'avoir une masse thermique relativement faible. Cette faible masse thermique permet d'atteindre rapidement l'équilibre thermique pour une température sélectionnée ou donnée du substrat. On peut faire tourner la tige ou colonne supportant le substrat afin d'accroftre encore l'uniformité de la température et du dépit obtenu. On peut aussi introduire un courant gazeux complémentaire afin de réduire au minimum l'autodopage de la couche déposée. Ces différentes caractéristiques de l'invention, ainsi que d'autres encore, ressortiront clairement à la lecture de la description qui suit et se réfère au dessin annexé, sur lequel La FIGURE 1 est une vue schématique éclatée d'une chambre de réacteur pour le dépôt par vapeur chimique suivant la présente invention; La FIGURE 2 est une vue schématique en coupe transversale montrant la chambre du réacteur suivant l'invention pour le dépit par vapeur chimique; La FIGURE 3 est une vue schématique en coupe transversale montrant un détail complémentaire de la chambre du réacteur suivant un mode préféré de réalisation, et La FIGURE 4 est une vue en coupe transversale de la tige ou colonne de support qui permet une alimentation complémentaire en gaz afin de réduire au minimum l'autodopage de la matière déposée sur le substrat. Si l'on se réfère tout d'abord à la Figure 1, qui est une vue éclatée de l'appareil suivant l'invention, on voit que celui-ci comprend essentiellement la chambre de dépôt par vapeur chimique du réacteur. L'appareil contenant la chambre du réacteur comprend en fait deux chambres, respectivement supérieure et inférieure 60, auxquelles sont associés plusieurs éléments chauffants 50 opérant par rayonnement. Ces éléments chauffants sont essentiellement constitués par des lampes de forme allongée, tandis que les chambres individuelles peuvent avoir une forme carrée dans le mode préféré de réalisation. Ainsi qu'il apparatt clairement, on peut aussi adopter d'autres formes géométriques pour ces chambres.Les lampes traversent des ouvertures prévues à cet effet dans les parois des chambres et sont disposées en substance parallèlement entre elles et par rapport au plan du substrat 10. Les chambres supérieure - et inférieure sont en principe disposées de telle sorte que l'ensemble des lampes de chaque chambre soit disposé perpendiculairement par rapport aux lampes de l'ensemble de l'autre chambre. Le substrat 10 et le support sensible ou récepteur y associé 15 sont supportés dans le réacteur par une tige ou colonne 80. Le gaz 11 qui véhicule les substances à déposer sur le substrat 10 est introduit dans les chambres du réacteur par un dispositif 70. Ce dernier est généralement réalisé en quartz (afin de transmettre le rayonnement chauffant) et comprend une chambre dans laquelle on introduit le gaz 11. Le dispositif 70 présente une surface inférieure de portée sensiblement parallèle à la surface du substrat. Cette surface de portée comporte une multitude d'orifices qui permettent de diriger le gaz sous forme d'une veine sensiblement uniforme vers le substrat. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 2, on voit en coupe transversale l'agencement du réacteur pour le dépôt par vapeur chimique. Les lampes 50 logées dans les deux chambres de chauffage 60 assurent un chauffage uniforme du substrat 10 et du support ou récepteur 15 y associé. Sur la Figure 2, les lampes ne sont pas representées dans leur disposition perpendiculaire afin de montrer deux modes possibles d'orientation de ces lampes de chauffage. Dans la série inférieure de lampes de chauffage, des réflecteurs paraboliques dirigent l'énergie rayonnante vers le support 15 et le substrat 10 y associé. Dans la chambre supérieure 60 de la Figure 2, les lampes de chauffage 50 situées aux extrémités de la rangée sont associées à des réflecteurs paraboliques. Les lampes intermédiaires sont disposées en regard d'une partie plane 52. Cette partie plane et les réflecteurs paraboliques sont revêtus d'une matière à haut pouvoir réfléchissant afin de renvoyer le rayonnement vers l'ensemble substrat-support. Cet ensemble est supporté à son tour par une tige ou colonne 80 et, bien que cela ne soit pas représenté sur la Figure 2, la base de cette tige ou colonne traverse la chambre de chauffage inférieure 60. Le dispositif 70, qui délivre le gaz contenant la matière à déposer sur le substrat, possède une entrée destinée à recevoir le gaz 11 et plusieurs orifices 74 dont le but est de diriger ce gaz uniformément vers le substrat 10. L'appareil 90 (non représenté en détail) sert à extraire le gaz de la chambre de dépôt de façon à assurer la symétrie axiale de l'écoulement gazeux. Cet appareil 90 peut comporter plusieurs ouvertures et son principal r81e consiste à contrer l'écoulement du gaz. L'appareil 90 constitue également une source de dispersion thermique afin de garantir l'uniformité de la température dans ledit ensemble substrat-support. Si l'on se réfère maintenant à la Figure 3, on y voit une disposition plus détaillée de la chambre du réacteur. Les chambres 60 sont munies de lampes 50 reliées électriquement et mécaniquement au restant de l'appareil par un dispositif d'accouplement 51. Ces lampes 50 peuvent être associées à des éléments réfléchissants, comme le montre la Figure 2. Le dispositif 70 comprend un premier plateau 72 et un second plateau 71. Le plan de ce second plateau 71 est sensiblement parallèle à celui du substrat 10 et ce plateau 71 présente plusieurs orifices destinés à diriger le gaz 11 vers le susbtrat. Ce substrat 10 est supporté par une tige 80.Le gaz est contraint de s'écouler le long d'un parcours formé par plusieurs chicanes 91, afin de conserver la symétrie axiale de l'é- coulement gazeux.Le substrat et la partie supérieure de la tige sont en substance enfermés entre la plaque 71, la plaque 75 et les surfaces externes 76 afin de restreindre l'écoulement gazeux. Le gaz peut également titre extrait de l'enceinte à travers plusieurs orifices. Le bottier 8 est relié aux chambres de chauffage 60 et comporte un dispositif complémentaire, non représenté, pour relier les parties supérieure et inférieure des composants du réacteur et supporter le dispositif formant l'enceinte intérieure. Si l'on examine la Figure 4, on y voit un procédé permettant d'empocher le dopage de la couche de dép8t. L'écoulement axialement symétrique du gaz 11 circule vers l'extérieur, en direction des bords du substrat 10. Ce substrat 10 est supporté au-dessus du support 15 par l'intermédiaire de plots 16. Ce support 15 est supporté à son tour au-dessus de la colonne 80 par des entretoises 81 et par la paroi verticale de cette colonne 80. Le gaz 13 circule à travers un passage ménagé dans la colonne- 80, puis à travers une ouverture 83 prévue dans le support 15, pour aboutir dans l'intervalle qui sépare ce support du substrat. Cet écoulement radial vers l'extérieur, conjointement à l'écoulement radial vers l'extérieur du gaz porteur 11, éloigne les atomes indésirables du dopage du substrat par rapport à la partie du substrat qui reçoit le dép8t. Fonctionnement La structure du réacteur de dépôt par vapeur chimique est conçue de manière à tirer parti des effets avantageux qui résultent d'un écoulement axialement symétrique de gaz porteur sur un substrat. Ce type d'écoulement gazeux, également appelé écoulement à point de stagnation, présente les avantages suivants : uniformité radiale de la concentration des matériaux déposés au voisinage du susbtrat, uniformité radiale des isothermes de température du gaz au-dessus de la surface du substrat, et uniformité radiale des taux de réactions chimiques dans le gaz et sur la surface du substrat. Le dispositif 70 qui, dans le mode préféré de réalisation, peut se composer de plaques de matériaux présentant des ouvertures dans la plaque la plus proche du substrat, constitue un moyen technique commode pour introduire le jet gazeux à symétrie axiale dans la chambre. Dans le mode préféré de réalisation, ces ouvertures sont situées aux sommets d'angles équilatéraux. Un moyen, tel que des chicanes 91, est prévu pour éviter que le processus d'extraction du gaz porteur perturbe de façon appréciable l'écoulement axial du gaz. Le dispositif 70 sera réalisé de préférence en un matériau propre à transmettre une fraction importante du rayonnement à l'ensemble support-substrat. Les chambres de chauffage sont agencées d'une façon analogue afin de maintenir la symétrie axiale du dép8t en formation et d'entretenir une température uniforme au-dessus du substrat. Les multiples lampes 50 sont disposées à l'intérieur des chambres de chauffage. Sur les parois 53 de ces chambres ainsi que sur les zones de réflexion 52 et les réflecteurs paraboliques 51 on a déposé un matériau à fort pouvoir réfléchissant afin d'accroStre le rendement thermique ainsi que la superficie des sources de chaleur situées en regard du substrat à traiter. Si l'on se reporte par exemple à la Figure 2, on voit que le bord du substrat n'est pas exposé aux rayonnements comme le restant du substrat, en raison de l'absence de sources de chauffage en direction des dispositifs 90.Pour compenser cet environnement plus froid, les lampes de chauffage situées le plus à l'extérieur peuvent être de plus grande puissance, ce qui augmente le chauffage par rayonnement dans cette zone. En modifiant la position des éléments chauffants et en permettant l'orientation des lampes d'extrémité, ou en prolongeant la chambre de chauffage bien au-delà de l'emplacement du substrat, on peut également compenser l'accroissement de la perte de chaleur dans la zone extrême du substrat. Les cotes de la chambre de chauffage peuvent être revêtus d'un matériau à pouvoir réfléchissant relativement élevé, ce qui produit le même effet que l'adoption de sources complémentaires de chaleur, par rapport au substrat, gracie au rayonnement réfléchi.L'orientation des lampes de chauffage peut être fonction de celle des lampes qui se trouvent dans la chambre opposée, afin de réduire davantage la structure résultant de l'usage de sources discrètes de chaleur. On peut en outre faire tourner la tige ou colonne qui supporte le substrat afin de réduire davantage la structure thermique restante. La Figure 4 montre un mode particulier de réalisation de la présente invention dans lequel on peut utiliser un écoulement gazeux 13 afin de réduire l'autodopage. Les veines gazeuses 11 et 13 ont pour effet d'éloigner les matériaux dopants (qui s'évaporent à partir de la face inférieure du substrat) de la surface du substrat qui reçoit les matériaux formant le dépit désiré. La colonne de support 80 sera composée de préférence d'un matériau transparent pour une large gamme du spectre de rayonnement thermique. L'amincissement ou lwélimination du support sensible ou récepteur sur lequel est disposé le substrat peut aussi réduire la masse que l'on doit chauffer pour atteindre l'équilibre thermique. En réduisant cette masse thermique, on peut traiter une\ plues grande quantité de substrat dans un temps donné et obtenir ainsi un meilleur rendement à la production. Le substrat peut avantageusement entre déplacé verticalement dans les deux sens par rapport au plateau à travers lequel on introduit le gaz porteur. Cette souplesse apportée dans la position du substrat permet de mieux contrtler encore les conditions dans lesquelles s'effectue le dépôt. Une antre source de défauts d'uniformité réside dans le champ de rayonnement auquel est soumise la combinaison support-substrat, en raison des caractéristiques d'absorption et de température du dispositif 70, de la tige ou colonne et de tout autre organe de structure que l'on doit interposer entre les sources de rayonnement et l'ensemble support-substrat. Il faut tenir compte des perturbations qui se produisent dans le champ du rayonnement par suite de la présence d'éléments tels que l'influence thermique qu'exercent les organes de structure sous l'effet de l'absorption et de l'émission de rayonnements. La description qui précède ne doit pas être considérée comme limitant le domaine de l'invention, car elle ne se rapporte qu'au mode préféré de réalisation de celle-ci. Des modifications et variantes pourront venir à l'esprit des spécialistes dans l'art sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un réacteur pour le dépôt par vapeur chimique sur un substrat comprenant le substrat proprement dit (10) de forme circulaire, ce réacteur étant caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de chauffage (60) permettant de chauffer de façon uniforme ledit substrat (10), et un moyen d'écoulement gazeux (70) qui forme un écoulement gazeux axialement symétrique perpendiculairement audit substrat. 2. Un réacteur pour le dépôt par vapeut chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un support sensible (15) pour supporter ledit substrat (10), ce support permettant de contrôler la distance entre le moyen d'écoulement gazeux (70) et ledit susbtrat(10). 3. Un réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de support (15) destiné à recevoir le substrat (10) et permet de faire tourner ce dernier. 4. Un réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen d'écoulement gazeux (70) comprend des dispositifs (73, 74) permettant d'introduire le gaz à une vitesse uniforme et dans une direction perpendiculaire à une surface dudit substrat (10). 5. Le réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de chauffage (60) comprend des première et seconde chambres, dont une au moins comporte plusieurs lampes de chauffage (50). 6. Le réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites chambres (60) comportent sur au moins une partie de leur parois intérieures un revêtement en matériau à haut pouvoir réfléchissant (51, 52). 7. Le réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ledit écoulement axialement symétrique du gaz permet d'obtenir une configuration à écoulement gazeux à point de stagnation. 8. Le réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre (76) pourvue de plusieurs orifices ayant sensiblement une symétrie axiale et qui est située à une distance uniforme par rapport au substrat (10), lesdits moyens de chauffage comprenant plusieurs lampes de chauffage (50) qui confèrent au substrat une température sensiblement uniforme, et au moins une ouverture disposée symétriquement autour de la périphérie dudit substrat circulaire. 9. Le réacteur pour le dépôt par raseur chimique selon la Revendication 8, caractérise par le fait que ladite chambre est réalisée en un matériau qui peut être traversé par le rayonnement chauffant. 10. Le réacteur pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une ouverture (83) située au-dessous dudit substrat (10) pour introduire un second flux gazeux en direction dudit substrat (10). 11. Le réacteur pour le dép8t par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que lesdites lampes de chauffage (50) sont disposées au-dessus et/ou au-dessous dudit substrat (10). 12. Le réacteur pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que ledit substrat (10) est supporté par un support ou récepteur approprié (15). 13. Le réacteur pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que ladite chambre (76) et ladite ouverture ou lesdites ouvertures sont conçues de manière à produire un écoulement gazeux dit à point de stagnation. 14. Le réacteur pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une première chambre de chauffage disposée sur un premier caté du substrat (10) ainsi qu'une seconde chambre disposée sur un second côté dudit substrat, ces première et seconde chambres de chauffage comportant plusieurs lampes de chauffage (50), tandis que les lampes de chauffage de la première chambre sont disposées perpendiculairement par rapport aux lampes de chauffage de la seconde chambre. 15. Le réacteur pour le dépit par vapeur chimique selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens permettant de faire tourner ledit substrat (10). 16. Un procédé pour le dépôt par vapeur chimique à l'aide du réacteur selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend les phases suivantes a) on réalise un substrat uniforme (10); b) on chauffe ce substrat (10) uniformément jusqu'à une température déterminée d'avance, et c) on fait circuler un gaz autour dudit substrat, l'écoulement gazeux ayant une symétrie axiale, ce gaz contenant des matériaux propres à former un dépôt sur ledit substrat. 17. Procédé pour lé dépôt par vapeur chimique selon la Revendica tion 16, caractérisé par le fait que l'on fait tourner le substrat. 18. Procédé pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 16, caractérisé par le fait que l'on introduit un second écoulement gazeux qui circule autour d'une seconde surface dudit substrat afin de réduire au minimum l'effet d'autodopage. 19. Procédé pour le dépôt par vapeur chimique selon la Revendication 16, caractérisé par le fait que la phase qui consiste à produire ledit écoulement gazeux produit un écoulement gazeux à point de stagnation par rapport audit substrat.