Brevet FR2587732A1 — publié le 19870327

REACTEUR DE DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR ASSISTE PAR PLASMA La presente invention concerne un réacteur de dépot chimique en phase vapeur assiste par plasma. De tels réacteurs sont couramment utilisés pour effectuer des dépots de materiaux amorphes ou mictocristallins tels que du silicium hydrogène, de la silice (Si02), du nitrure de silicium (Si3N4) et des produits du type SiOXHy ou SiNXHy ou SiOxNyHz On les désigne couramment dans la technique par le sigle d'origine anglo-saxonne appareils de PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : dépot chimique en phase vapeur assisté par plasma). Ces appareils fonctionnent classiquement à basse température (inférieure à 6000) et à basse pression. Dans la technique usuelle, il existe deux grandes familles de reacteurs PECVD. Premierement, des réacteurs du type cloche à vide dont deux faces opposés constituent deux plaques d'un condensateur auquel est appliquée un champ haute fréquence. Les substrats sont poses a plat sur la plaque inférieure. Deuxiemement, des réacteurs constitués d'un tube en quartz disposé dans un four avec des électrodes conductrices en forme de plaques disposées de façon alternée, les substrats à recouvrir étant disposés contre l'une des plaques (la plaque d'anode). Ces deux types de réacteurs de l'art antérieur presen- tent l'inconvénient que des surfaces conductrices sont apparentes à l'interieur de enceinte dans laquelle on forme le plasma. Ceci entrain que, en plus du champ alternatif crée par l'alimentation à haute fréquence, il se superpose un champ continu lié aux ments différencies des ions et des électrons vers les électrodes. Le choc de ces ions contre les électrodes entratne des émissions secondaires du matériau constituant l'electrode ou de polluants précédemment déposes sur ces électrodes. D'autre part, les elec- trodes se salissent assez rapidement, ce qui accroit l'inconve- nient precedent et oblige à des nettoyages trés fréquents.En outre, dans le cas du réacteur de l'art antérieur à tube en quartz disposé dans un four, la température du tube étant sensiblement la mdme que celle du support des substrats à revêtir, le plasma se développe dans tout le tube jusqu'aux parois et des dépots sont formés sur les parois ce qui, d'une part, est une raison de pollution, d'autre part, peut entraîner qu'en cours de traitement de plaquettes, des microparticules precedemment déposées sur les parois viennent chuter sur les plaquettes. Encore un autre inconvénient de ces dispositifs de l'art antérieur dans lequel les substrats sont posés sur une électrode conductrice est que, lorsque les substrats sont isolants, il se produit des inhomogénéités de champ aux limites des substrats et donc que les bords de couches des substrats (ou plaquettes) presentent des épaisseurs inhomogenes par rapport aux ragions centrales de la couche. Un objet de la présente invention est de prévoir un recteur de dépot chimique en phase vapeur assit par plasma qui pallie ces inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un réacteur de dépot chimique en phase vapeur assisté par plasma à haute fréquence dans lequel des plaquettes à traiter sont disposées à l'intérieur d'un tube isolant tel que de la silice, dans lequel l'une au moins des électrodes de formation du plasma est disposée à l'interieur du tube, cette première électrode servant de support aux plaquettes a traiter ; dans ce réacteur, les électrodes de formation du plasma sont electriquement isolées par rapport au milieu ambiant interne au tube et a toutes les surfaces électriquement conductrices a l'interieur du tube, et et il est prévu des moyens pour chauffer le support de plaquettes sans chauffer les parois du tube. Dans ce réacteur, les électrodes peuvent autre constituées de graphite recouvert de silice, et la deuxième électrode peut autre interne ou externe au tube. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 est une vue generale schfmatique d'un réacteur selon un mode de réalisation de la présente invention la figure 2 est une vue schmatique en perspective de la zone active d'un réacteur selon la présente invention ; et la figure 3 est une vue en coupe schématique effectuée perpendiculairement au plan de la figure 1 dans la zone active. Comme le représente la figure 1, dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, le réacteur est constitué d'un tube en quartz 1 qui peut par exemple avoir un diamètre de 100 a 200 mm, une longueur de 500 a 800 mm et une épaisseur de quelques mm. De façon classique, ce tube est ferme a ses deux extrémités par des embouts metalliques 3 et 5, par exemple en acier inoxydable, munis de flasques respectifs 7 et 9, la jonction entre le tube et les embouts étant effectuée de façon étanche et l'un des flasques, par exemple le flasque 7 étant amovible pour permettre l'introduction des plaquettes à traiter. Le flasque 7 est traversé par une tige isolante 11 supportant une plaque porte-substrat 13. Les substrats à traiter 15 sont fixés a la partie inférieure de la plaque 13 par tout moyen, par exemple par des clips en quartz. En regard de la plaque 13, du côté où elle porte les substrats, est disposée à I'extérieur du tube une plaque conductrice 17 constituant la deuxième plaque d'un condensateur dont la plaque 13 constitue la première plaque. Ces deux plaques sont reliées à un générateur haute fréquence (non reprdsentf), le courant étant amene a la plaque 13 par un conducteur 19 traversant la tige isolante 11. Des moyens de chauffage 20 de la plaque 13 et un dispositif de refroidissement des parois du tube 28 seront décrits plus en détail ci-apres. L'amenée des gaz réactifs est assurée par des tubes 21 a 26 dont trois 21, 23 et 25 sont visibles en figure 1 et pfnetrent dans le tube en traversant le flasque 9 de façon étanche. Une ouverture de pompage 28 est également prévue sur l'embout 5 ou le flasque 9. La vue en perspective partielle de la figure 2 permet de mieux voir la disposition des parties internes du tube dans la région active. Dans ce mode de réalisation, la plaque portesubstrat 13 est disposée avec sa face tournee vers le bas, pour éviter d'éventuelles chutes de polluants sur les substrats, de sorte que les substrats ne sont pas visibles.Les tubes 21 a 26 reçoivent tous le méme mélange de gaz et debouchent deux 1 deux a des distances longitudinales différentes dans le tube, ce qui permet, par réglage de leur pénétration dans le tube et de leur debit, d'optimaliser les épaisseurs de déport. On notera que ces tubes sont disposés en dehors de la zone ot se développe le plasma (entre les électrodes) bien que cela n'apparaisse pas clairement dans les figures. La figure 3 représente une vue en coupe du réacteur de la figure 1 au niveau de la région active. On y retrouve les tubes d'amenee de gaz 21 a 26, la plaque de condensateur 17, la plaque 13 et un substrat à traiter 15. On y voit mieux la structure de la plaque, ou première électrode de condensateur 13. Cette plaque comprend une partie interne conductrice 30 revêtue d'une couche isolante 32. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, la plaque conductrice 30 est constituée de graphite et, pour améliorer la conduction et l'homogeneite de la tension appliquée sur cette plaque, une grille conductrice 31 est noyée dans cette plaque de graphite ou plaquée contre une face de cette plaque, cette grille étant reliée au conducteur d'amenee de tension alternative haute-frequence 19. Le revêtement isolant 32 de la plaque 30 est un revêtement de silice.On peut envisager de partir d'une plaque de graphite et de la revêtir par déport chimique en phase vapeur de silice ou encore d'introduire la plaque ou des particules de graphite dans une enceinte parallépipédique en silice qui est ensuite fermée a ses extremites. On a décrit précédemment dans un mode de réalisation particulier de la présente invention une plaque de graphite 30 comme élément conducteur de la plaque 13. Ceci est essentiellement dt au fait que le graphite est un corps noir qui se prète a autre chauffé par un rayonnement, par exemple par le rayonnement fourni par des lampes a incandescence 20 qui produisent un rayonnement qui est par contre très peu absorbé par les parois du tube de silice 1. En outre, pour éviter tout échauffement de ce tube, on peut prévoir une circulation d'air 29 dirigée a l'aide d'une enceinte 28. Ainsi, le mode de réalisation précédemment décrit permet d'atteindre deux caractéristiques de l'invention a savoir, d'une part que, la plaque ou premiere électrode porte-substrats 13 autour de laquelle se forme le plasma, en relation avec une deuxieme électrode 17, est completement isolée ainsi que son fil d'amenee de haute fréquence, d'autre part, que cette électrode porte-substrats est la seule partie chaude (100 à 600 ) de la zone active. Grace à cette disposition, le plasma se développe dans la zone comprise entre ltelectrode 13 et ltelectrode 17 ; il n'atteint pas les parois du tube en d'autres endroits. D'autre part, ces parois, étant froides, sont peu susceptibles d'être recouvertes d'un déport résultant du plasma. Ainsi, le réacteur selon la présente invention présente par rapport aux réacteurs de l'art antérieur l'avantage de réduire considérablement les effets dus à diverses pollutions éventuelles étant donné, d'une part, qu'il n'y a pas de déport sur les parois du tube, d'autre part, qu'il n'y a pas d'émission secondaire liée aux chocs d'ions sur des électrodes conductrices apparentes. Avec un dispositif de ce type, utilisé en relation avec un générateur HF à 50 kHz et dans les conditions suivantes - température des substrats : 4300C, - puissance plasma : 0,18 W /cm2, - pression totale dans le réacteur : 1,4 millibars, - durée de déport : 8 mn, - debit gazeux variant entre 1,6 et 22 cm3/mn de SiH4 et 70,2 et 44 cm3/mn de N20, les inventeurs ont obtenus des dépots de Siox dans lequel x varie de 1,77 à 1,1 quand le rapport des debits gazeux R entre N2O et SiH4 varie de 44 a 2, la vitesse de dépôt étant de l'ordre de 400 A par minute. Selon un avantage de la présente invention, qui ressort de l'exemple numérique ci-dessus, on obtient, pour un énergie haute fréquence par unité de surface donnée, une vitesse de dépit élevée. Ceci est vraisemblablement dû a la bonne localisation du plasma et du dept. D'autre part, l'isolatios électrique des plaques 13 et 17 par rapport au plasma diminue le bombardement des dépôts en cours de formation, donc les défauts introduits dans les échantillons. Or, ce sont ces défauts qui peuvent détériorer les qualités électriques et optiques des materiaux prépares par la technique PECVD classique, nuisant a sa généralisation dans l'industrie de la microélectronique. Bien entendu, la présente invention, qui n'a été décrite ci-dessus que dans le cas d'un mode de rfalisation particulier, est susceptible de nombreuses variantes. Au lieu d'un chauffage par rayonnement, on pourrait envisager de chauffer la ou les électrodes porte-substrats par des résistances internes. D'autre part, la deuxième électrode 17 peut entre disposée à l'intsrieur du tube, cette électrode 17 ayant alors une constitution du meme type que celle de ltelectrode 13 précédente. En outre, des électrodes 13 et 17 alternées, disposées verticalement peuvent astre introduites dans un tube horizontal pour permettre le placement contre chaque première électrode, d'une plaquette, d'où il résulte qu'un nombre important de substrats ou plaquettes peut autre dispose dans le tube. Si seule une application particulière a un dépot de SiOx a ete decrite en détail précédemment, d'autres dépots peuvent être effectués de façon classique en choisissant de façon appropriée les melanges de gaz introduits dans le tube. On notera également a partir de la description précé- dente, qu'aucune surface apparente autre qu'en silice ou autre matériau isolant approprié n'est présente au voisinage de la zone active du réacteur. Enfin, de façon classique, des procédés de chargement automatique sur le porte-substrats peuvent autre prévus du cdté du flasque 7 de la figure 1. La fréquence du champ haute fréquence servant a la génération du plasma peut être librement choisie, mais on préférera une fréquence de 10 a 100 kHz qui fournit des résultats satisfaisants et qui permet d'utiliser des générateurs HF moins coûteux que dans le cas où l'on choisirait une fréquence plus élevée. REVENDICATIONS 1. Reacteur de déport chimique en phase vapeur assiste par plasma à haute frequence dans lequel des plaquettes a traiter (15) sont disposées a l'interieur d'un tube isolant (1), tel que de la silice, dans lequel l'une au moins des électrodes (13) de formation du plasma est disposée a l'interieur du tube, cette premiere électrode servant de support aux plaquettes a traiter, caractérisé en ce que les électrodes de formation du plasma (13, 17) sont électriquement isolées par rapport au milieu ambiant interne au tube et a toutes les surfaces électriquement conductrices à l'interieur du tube, et en ce qutil comprend des moyens (20) pour chauffer le support de plaquettes sans chauffer les parois du tube. 2. Réacteur selon la revendication 1, caracterise en ce que l'electrode support (13) est constituée d'un matériau conduc teur (30 31) revêtu d'un isolant(32) et connectée par des moyens isoles (11) à une borne (19) d'un générateur haute fréquence. 3. Réacteur selon la revendication 2, caracterise en ce que le materiau conducteur (30) est du graphite et l'isolant (32) de la silice. 4. Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le graphite (30) est associé à une grille métallique (31). 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la deuxième électrode (17) est constituee d'une plaque conductrice externe au tube ayant sensiblement la longueur de ltelectrode support et disposée en face de celle-ci du cte où elle porte les plaquettes à traiter. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que les première et deuxième électrodes sont toutes deux constituées de plaques conductrices isoles disposées à l'interieur du tube (1), plusieurs telles plaques pouvant entre disposées en alternance dans la direction de l'axe du tube. 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués de moyens d'émission (20) d'un rayonnement lumineux absorbé par l'electrode support et non par les parois du tube. 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le plasma haute fréquence est produit par un générateur haute fréquence a une fréquence de 10 à 100 KHz. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement des parois externes du tube au niveau de la zone active. 10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caracterisé en ce que le support de plaquettes (13) est tourné avec sa face support dirigée vers le bas.