Brevet FR2606129A1 — publié le 19880506

La présente invention concerne le. domaine du traitement thermique a haute température de tranches semiconductrices et plus particulièrement un tube procédé en quartz de conception nouvelle qui présente le double avantage de pouvoir s'extraire du four de diffusion du côté du couloir de maintenance et de ne comporter aucune canalisation extérieure. Un grand nombre d'étapes dans le traitement des tranches semiconductrices sont des étapes thermiques effectuées à haute température dans un four dit "four de diffusion", et notamment les étapes de diffusion et d'oxidation. Ces étapes sont effectuées dans un tube dit "tube procédé". Les figures 1 et 2 de la présente demande représentent respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue de côté d'un tube procédé classique. En se référant plus particulièrement à la figure 1, on voit que le tube procédé 10 est constitué essentiellement par un tube cylindrique li en quartz qui présente sur son extrémité gauche une ouverture ou bouche 12. A cette extrémité, le tube comporte une collerette 13 de renforcement. Près de cette extrémité, on trouve un embout à rotule 14 pour le piquage de l'azote afin d'assurer un rideau de protection gazeux. L'autre extrémité du tube 11 est fermée, à l'exception de deux trous 15a et 16a qui sont pratiqués dans le fond du tube, sur lesquels sont fixés deux conduits 15b et 16b respectivement. Le conduit 15b est destiné à recevoir un injecteur (non représenté), lui même relié à un mélange de gaz approprié selon l'étape de traitement. Le conduit 16b est destiné à laisser passer un thermo couple. Sur le dessus du tube 11 est représentée une cheminée d'évacuation 17a et son conduit 17b. Par ce conduit 17b sont évacués tous les gaz après réaction ainsi que l'azote injecté par l'embout 14. Cette disposition des conduits 15 b, 16b et 17b est classique, comme cela ressort clairement de l'article: Two piece diffusion tube for semiconductor manufacturing application" de C. Deseez et al publié dans l'IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 25, NO 9, février 1984, pages 4881-4882. Sur la figure 1, la zone active où sont placées les tranches semiconductrices est référencée en 18. Tel qu'il est représenté sur cette figure, le tube procédé 10 est placé dans un four 19, généralement dénommé "four de diffusion", dans lequel sont effectuées toutes les etapes thermiques mentionnées ci-dessus. C'est par l'ouverture 12 que sont chargees et déchargées les nacelles portant les tranches semiconductrices. L'ouverture 12 est accessible à partir d'une salle propre, dite salle blanche référencée 20 où le niveau de contamination doit être très bas.Les salles blanches de production sont en "classe 10", ce qui signifie qu'il y a moins de 10 particules inférieures à 0,5 microns par pied-cube d'air (1 pied est égal à environ 30 cm). L'extrémité droite du tube 11 qui comporte les conduits 15b, 16b et 17b est accessible à partir d'un couloir de maintenance référencé 21 ou les conditions de contamination sont infiniment moins sévères que celles imposées dans les salles blanches (1 à 2 ordres de grandeur). Avec les technologies actuelles, un tube procédé 10, tel que celui représenté sur la figure l présente divers inconvénients, au premier chef desquels sa fragilité dans les manipulations en raison de la présence de ses nombreux conduits qui font partie intégrante du tube 11. En outre, dans les procédé de dépôt de bore (avec BBr3) ou de phosphore (avec POCl3), la cheminée d'évacuation 17a et son conduit ont un diamètre limité, ce qui entraîne une perte de charge et donc une extraction lente. En outre, elle a tendance à s'encrasser, ce qui nécessite de fréquentes opérations de montage/démontage pour procéder à son nettoyage. A noter qu'en raison de la présence de ses nombreuses tubulures, un tel tube procédé est très difficile à nettoyer.Enfin, avec l'avènement des nouvelles technologies VLSI, à très haute densité d'intégration: dimension des motifs de l'ordre du micron ou inférieure au micron et grand diamètre des tranches (150 mm), la conception actuelle est source de limitations supplémentaires qui sont inacceptables. Il faut savoir qu'un tube procédé tel que 10, est relativement long, 2 m à 2 m 50 environ. Comme on l'a vu ci-dessus, il est sujet à de fréquentes opérations de montage/démontage, à des fins de nettoyage: décapage, rinçage, etc... Ces opérations s'effectuent habituellement en salle blanche du fait même de la conception actuelle du tube procédé. En raison de la présence de la collerette 13 et de l'embout 14, le tube procédé ne peut être extrait du four de diffusion que vers la gauche dans la partie référencée 20 sur la figure 1. Or il est reconnu que ces operations sont une source de contamination, car elles produisent des particules de quartz comprises entre 0,5 et quelques microns de diamètre dans l'atmosphère contrôlée de la salle blanche.Parce que ces particules sont de la taille des motifs à dessiner sur les tranches, elles sont la cause de chutes importantes dans les rendements des lignes de production. Avec les nouvelles technologies, on considère que les salles blanches doivent impérativement être de classe 10. En outre la réalisation d'une salle blanche, avec une atmosphère autant contrôlée est très coûteuse, et le coût est directement relié à ses dimensions et donc aux dimension du tube procédé lui-même, essentiellement de sa longueur. Par ailleurs, les fours de diffusion commercialement disponibles aujourd'hui présentent des ouvertures de l'ordre de 210 mm. Avec un tube procédé de conception classique tel que représenté sur la figure 1, en raison de la présence de la cheminée (17a) et du conduit d'évacuation (17b), on ne peut traiter de tranches de diamètre supérieur à 125 mm, alors que la tendance actuelle est d'évoluer rapidement vers l'utilisation de tranches d'un diamètre de 150 mm. Le besoin d'un tube procédé amélioré de conception nouvelle apparait donc clairement. C'est donc un premier objet de la présente invention est de proposer un tube procédé de conception nouvelle, ne comporte plus de collerette et de téton afin de permettre les opérations de montage/démontage à partir du couloir de maintenance et non plus à partir de la salle blanche, ce qui permet de réduire les dimensions de cette dernière et le risque de sa contamination particulaire. Un autre objet de la présente invention est de proposer un tube procédé de conception nouvelle, simplifié, sans cheminée et conduit d'évacuation extérieurs pour réduire les risques d'encrassement. Encore un autre objet de la présente invention est de proposer un tube procédé de conception nouvelle, simplifié dont tous les conduits sont amovibles pour réduire les risques de casse et permettre le nettoyage complet et facile de toutes les parties constitutives. Encore un autre objet de la présente invention est de proposer un tube procédé de conception nouvelle sans cheminée et conduit d'évacuation qui permet d'utiliser tout le volume utile du four de diffusion et donc de traiter des tranches semiconductrices du diamètre maximum autorisé par le diamètre de l'ouverture du four de diffusion. En accord avec les enseignements de la présente invention, est proposé un tube de procédé amélioré de conception nouvelle caractérisé par les parties suivantes: Un tube cylindrique lisse ouvert à une première extrémité et fermé à l'autre extrémité à l'exception de deux ouvertures prolongées chacune par un partie en saillie. Sur la première partie en saillie vient s'adapter un raccord en PTFE, qui est traversé par une pipette d'injection des gaz. Un deuxième raccord en PTFE vient s'adapter sur la deuxième partie en saillie et est traversé d'une part par la pipette d'évacuation des gaz et d'autre part, par la gaine du thermo-couple. Ces parties se trouvent dans le couloir de maintenance. Le tube procédé comprend également un dispositif d'isolation. Ce dispositif qui présente la forme d'un anneau, dont une face vient s'adapter de façon étanche sur la partie du tube qui dépasse du four dans la salle blanche, à haute pureté d'atmosphère. L'autre face est destinée à recevoir une porte en quartz pour assurer la fermeture étanche du tube procédé. Enfin cet anneau comporte un embout d'injection d'azote destinée à isoler l'intérieur du tube procédé de l'atmosphère de la salle blanche par un rideau gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront mieux après, dans la description qui suit, qui comporte des -exemples de réalisation donnés à titre indicatif, en référence aux dessins. Dans les dessins: La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un tube procédé classique. La figure 2 représente une vue de coté du tube procédé de la figure 1. Les figures 3 et 4 représentent respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue de côté schématiques d'un tube procédé conforme à la présente invention. La figure 5 représente différents modèles de raccords PTFE pour être utilisés conjointement avec le tube procédé de la présente invention. La figure 6 représente différents modèles de tubes d'injection et d'extraction de gaz. Les figures 7 et 8 représentent respectivement une vue en coupe et une vue de côté schématiques d'un dispositif de maintien qui vient se fixer de manière étanche sur le tube procédé des figures 3 et 4. La figure 9 représente le système complet: tube procédé et dispositif de chargement des tranches semiconductrices par la méthode dite de "porte à faux". Description d'un mode préféré de réalisation La figure 3 représente une vue en coupe schématique du tube procédé améliore de la présente invention. Ce tube procédé référencé 22 consiste essentiellement en un tube cylindrique borgne 23, présentant sa bouche 24, côté salle blanche référencée 25. Conformément à une caractéristique importante de l'invention, cette extrémité ne comporte ni collerette ni embout d'injection d'azote. A son autre extrémité (sur la partie droite de la figure 3) le tube est fermé à l'exception de deux ouvertures 26a et 27a prolongées par des parties en saillie 26b et 27b respectivement. A noter qu'une seule ouverture et une partie en saillie pourrait suffire comme on pourra le comprendre à l'aide de la description qui suit. Cette extrémité est placée dans le couloir de maintenance 28. La zone active est montrée en 29.Le tube procédé 22 est montré disposé dans le four de diffusion. Il est clair que le tube procédé 22 est parfaitement lisse, il ne présente aucune aspérité d'aucune sorte: cheminée, collerette, embout, etc... La figure 4 représente la vue de côté du tube procédé 22, côté couloir de maintenance. La figure 5 montre les raccords 31 et 32 qui viennent s'adapter respectivement sur les parties en saillie 26b et 27b. Les raccords sont de préférence réalisés en polytetrafluoro ethylene (PTFE). La figure 6 représente les différents conduits en quartz notamment pour l'injection et l'évacuation des gaz. Sur la figure 5, le raccord 31 est muni d'une ouverture 33 qui reçoit l'injecteur, une tige en quartz creuse qui porte la référence 34 sur la figure 6. De façon similaire, le raccord 32 comprend deux ouvertures 35 et 36 qui reçoivent respectivement les tiges creuses de quartz 37 et 38 de la figure 6. La tige 37 se dédouble en deux tiges creuses 37a et 37b d'environ 12 mm de diamètre pour fournir une évacuation plus efficace dans la zone de réaction. La tige 38 est une gaine destinée à recevoir le thermo-couple. Le piquage de l'azote et la collerette sont réalisés à partir d'une pièce rapportée qui est fixée sur le bord du tube en quartz 23, par un système de gorge à vide et de poli mécanique. Cette pièce est représentée sur la figure 7 sous la forme d'un anneau de quartz 39. Cet anneau est muni d'une gorge 40 dans laquelle vient s'appliquer le tube 23 à son extrémité ouverte. Cette gorge est reliée via l'embout 41 à une source à vide (non représentée). L'autre face de cet anneau 39, est également muni d'une gorge 42 également reliée à une source à vide via l'embout 43. L'anneau est enfin muni d'un embout 44 qui est relié à une source d'azote. Sur la face externe de l'anneau 39 viendra s'appliquer de façon étanche la porte 45 du système d'introduction en porte à faux qui sera décrit plus en détail sur la figure 9. Toutes les faces de l'anneau sont au grade de poli mécanique.L'anneau 39 a donc la double fonction d'une part d'assurer la fermeture étanche du tube 23 et d'autre part d'isoler l'intérieur de ce tube de l'atmosphère de la salle blanche par un rideau d'azote. La figure 8 représente la vue de côté de cet anneau, telle qu'elle apparait côté salle blanche. La figure 9 représente le tube procédé 22 avec ses différentes pièces constitutives assemblées. On voit également l'anneau 39 qui vient se fixer sur le tube 23 comme on l'a vu précédemment. Le système de chargement des tranches est du type bien connu dit à porte à faux", il est référencé en 46 sur la figure 9. I1 comporte une palette 47 munie d'un manche 48, qui est commandé par un système automatique de chargement/déchargement (non représenté). La palette 47 reçoit un support 49 et un écran 50. La nacelle 51 portant les tranches semiconductrices 52 vient se placer sur le support 49. Une fois la palette introduite dans le tube procédé, la porte 45 déjà citée vient s'appliquer contre l'anneau 39 et assure l'étanchéité du système. La conception du tube procédé 22 et de l'anneau 39 tels qu'ils sont représentés sur les figures 3 à 9 permet l'obtention d'avantages significatifs comparés à ceux des tubes procédés de l'art antérieur, du genre de celui représenté sur les figures 1 et 2. Le tube 22 peut être réalisé en quartz comme cela est bien connu ou en d'autres matières telle que l'acier inoxidable, mais du fait de sa conception particulière, il peut être également réalisé en carbure de silicium par moulage. Le tube 22 ne présente plus de cheminée du genre 17a, cela a plusieurs conséquences: 1. le diamètre du tube procédé peut atteindre 205 mm pour les fours classiques actuellement disponibles commercialement qui ont une ouverture de diamètre 210 mm. Avec un tube procédé de 205 mm, on peut traiter des tranches de 150-mm. 2. Le conduit d'évacuation 37 qui remplace la cheminée et son conduit (17a, 17b) est désormais démontable à partir du couloir de maintenance, s'il est encrassé, il peut être sorti et nettoyé sans qu'il ait lieu de procéder à la sortie du tube procédé. 3. L'extraction des gaz est augmenté d'environ 30% entre le tube 22 et le tube 10. 4. Il existe une meilleure étanchéité des arrivées et des sorties des gaz réactifs, de même que la prise de thermo-couple; en raison de l'utilisation de sorties en tubes droits et liaisons par raccords PTFE au lieu du traditionnel ensemble rotule/cuvette. Enfin de façon générale toutes les tubulures (34, 37, 38) étant amovibles, le nettoyage est désormais très aisé, ainsi que la manipulation du tube, ce qui réduit les risques de casse. Sortir le tube procédé n'étant plus un problème, l'utilisation d'un tube intermédiaire, entre le tube procédé et les tranches semiconductrices comme cela se pratique couramment avec les tubes du genre de 10, ne s'impose plus. Ce tube intermédiaire avait pour objet d'éviter que le tube procédé ne se salisse trop rapidement. Enfin, il n'y a plus de raison de sortir le tube procédé côté salle blanche, celle-ci peut être de dimension notablement réduites et se limiter a l'espace nécessaire pour charger et -décharger les nacelles portant les tranches. Le couloir de maintenance doit être agrandi en conséquence; mais l'on a vue que cela ne posait aucun problème. REVENDICATIONS 1. Tube procédé (22) pour traitement thermique à haute température de tranches semiconductrices caractérisé en ce qu'il comprend un tube cylindrique (23), lisse, ouvert à une première extrémité (24) donnant sur une salle blanche à atmosphère contrôlée (25) et fermé à l'autre extrémité à l'exception d'au moins une ouverture (27a,...) donnant sur un couloir de maintenance (28); des moyens amovibles d'injection (31, 34) et des moyens d'évacuation (32, 37) des gaz qui viennent s'adapter sur ladite ouverture; et des moyens d'isolation (39), amovibles, qui viennent se fixer sur une première face sur le bord du tube à l'emplacement de ladite extrémité, de façon étanche. 2. Tube procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu il est muni d'une première et seconde ouvertures (26a, 27a) chacune prolongée par une saillie du tube (26b, 27b). 3. Tube procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est réalisé en quartz ou moulé en carbure de silicium. 4. Tube procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection et d'évacuation comportent un raccord (31) monté sur une desdites parties en saillies (26b) muni d'une ouverture (33) pour recevoir une pipette d'injection (34). 5. Tube procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens d'évacuation comportent un raccord (32) monté sur une seconde partie en saillie (27b), muni d'au moins une ouverture (35) pour recevoir une pipette d'évacuation (38). 6. Tube procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite pipette d'évacuation a la forme d'une fourche dans la zone active de réaction (29) du tube. 7. Tube procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit raccord comporte en outre une ouverture supplémentaire 36 pour le passage de la gaine de thermo-couple (38). 8. Tube procédé selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que lesdits moyens d'isolation (39) consistent en un anneau muni sur ladite première face de moyens d'adaptation pour une liaison étanche au tube consistant dans une gorge à vide (40) reliée à une source de vide. 9. Tube procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit anneau comporte en outre un des seconds moyens pour le piquage d'azote (44) afin d'isoler l'intérieur du tube procédé de l'atmosphère de la salle blanche par un rideau gazeux. 10. Tube procédé selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que ledit anneau comporte en outre des moyens de fermeture destinés à recevoir une porte (45) qui vient fermer de manière étanche le tube procédé et qui consistent en une gorge à vide (42) reliee à une source de vide. 11. Tube procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les faces dudit anneau soit au grade de poli mécanique.