Brevet FR2604190A1 — publié le 19880325

MACHINE DE RECRISTAL SATION D'UNE COUCHE MINCE PAR ZONE FONDUE La présente invention concerne une machine de recristallisation d'une couche mince par zone fondue et plus particulièrement une telle machine adaptée à la recristallisation de couches de silicium sur isolant. Des couches de silicium sur isolant, sont couramment utilisées dans le domaine des circuits intégrés. Elles comprennent généralement une couche mince de silicium polycristallin ou amorphe déposée sur une couche de silice elle-même formée sur une plaquette de silicium massif. La couche mince de silicium est généralement revêtue d'un encapsulant également constitué d'une couche de silice. Une machine de recristallisation est destinée à transformer la couche mince de silicium polycristallin ou amorphe en une couche mince de silicium aussi monocristalline que possible. La présente machine s'apparente à diverses machines déja existantes dans lesquelles on balaye la couche mince à recristalliser par une bande fondue, la plaquette étant préalablement préchauffée à une température supérieure à 7000C. L'une des grandes difficultés qui se présente dans les machines de l'art antérieur est de maintenir une température très précise de la bande fondue qui progresse régulièrement le long de la plaquette. En effet, si cette température n'est pas homogène et constante, la recristallisation présentera des défauts. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle machine de recristallisation permettant d'assurer une température homogène de la bande fondue. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres objets plus détaillés qui seront indiqués dans la description suivante, la présente invention prévoit une machine de recristallisation d'une couche mince par zone fondue dans laquelle une plaquette portant la couche à recristalliser est amenée à se déplacer dans une zone de préchauffage puis devant une lampe de chauffage allongée de forte puissance disposée dans un réflecteur pour concentrer l'énergie selon une bande sur ladite plaquette et créer la zone fondue. Cette machine comprend des moyens optiques de mesure de la largeur de la bandé fondue et des moyens pour réguler la puissance appliquée à la lampe.de puissance en réponse à ladite mesure de manière à maintenir constante ladite largeur. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que 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 représente une vue schématique en perspective explosée d'une machine de recristallisation selon l'invention ; et les figures 2 et 3 sont respectivement une vue de côté et une vue en bout très schématiques de la machine de recristallisation de la figure 1. Dans ce qui suit, on se reférera de façon générale aux trois figures et essentiellement à la figure 1, les figures 2 et 3 étant seulement destinées à mieux montrer le montage de la machine selon l'invention. Comme le représente les figures 1 et 3, la machine est délimitée par quatre parois externes : une paroi inférieure 1, des parois latérales 2 et 3 et une paroi supérieure 4 pour définir une enceinte. Ces quatre parois sont constituées de plaques métalliques refroidies par des circulations internes d'eau. Seules, les canalisations de circulation d'eau de la plaque inférieure 1 sont indiquées sur la figure 1. Ces plaques de paroi sont également chromées sur leurs faces intérieures de façon à réfléchir vers l'intérieur la lumière de chauffage. Les parois latérales 2 et 3 comprennent chacune sur leur face interne deux rainures horizontales dans lesquelles viennent se loger deux plaques de verre, de quartz ou analogue 5 et 6 de façon à définir une chambre longitudinale dans laquelle passera la plaquette à traiter. Cette chambre est délimitée par les deux plaques de verre 5 et 6 et les parties limitrophes des deux parois latérales 2 et 3. Dans cet espace, sont disposées longitudinalement deux tiges de verre 7 reliées rigidement entre elles et munies d'un support en verre 8 dans lequel est ménagée une ouverture 9 où l'on dispose la plaquette à traiter. A la partie supérieure de l'appareil, est disposée une lampe de puissance 12 de forme allongée munie d'un réflecteur elliptique 13, la portion de paroi 4 sous-jacente étant ouverte en dessous de cette lampe 12. Dans la partie inférieure de l'enceinte, entre les plaques 1 et 6, sont disposées des lampes de préchauffage 20. Cette description générale de la machine étant donnée, des détails d'un mode de réalisation particulier des différents éléments et de leur fonctionnement vont être exposés ci-après. PRECHAUFFAGE Le préchauffage est effectué par une batterie de lampes à halogènes 20. Ces lampes 20 sont espacées l'une de l'autre de 30 mm, ce qui assure une homogénéité de pré chauffage sur une surface d'environ 250 cm2 située à 25 mm de ces lampes. Cette homogénéité est amplifiée par la présence d'un réflecteur plan (face interne de la paroi 1) situé sous les lampes, à une distance de 15 mm de celles-ci. Ce réflecteur est refroidi par de liteau circulant à l'intérieur de celui-ci. Celui-ci peut être obtenu par usinage direct de laiton. L'étanchéité est assurée par un système de joints et de vis de serrage. La surface réflectrice, exposée aux lampes, a été obtenue par polissage et dépôt-chromage. Un autre dépôt à base d'or serait possible pour obtenir un meilleur coefficient de réflectivité, au détriment d'une augmentation du prix du dépôt. L'alimentation des lampes à halogènes 20 est obtenue à l'aide d'une régulation à 10-4. Cette régulation tient compte des différents parasites existant sur la ligne (variation secteur, microcoupures,...). Le refroidissement des lampes est assuré de la manière suivante Au niveau des lampes, l'air est aspiré par un système à dépression. L'air est aspiré travers des trous 10 percés dans le réflecteur plan décrit auparavant. Donc l'air nouveau arrive le long des culots l1 par des ouvertures des parois latérales 2 et 3, se propage et s'échauffe au niveau des lampes et est extrait par les trous 10 de petit diamètre disposés en ligne, sous les lampes, dans le réflecteur du dessous. Comme cela a été indiqué précédemment deux plaques de quartz 5 et 6 définissent une chambre dans laquelle sont amenés à se déplacer les échantillons à traiter. Ces deux plaques de quartz sont de préférence de qualité optique et, dans cette chambre, en cours de traitement, on fera généralement passer un flux laminaire d'un gaz neutre tel que de l'azote ou de l'argon. CHAUFFAGE La paroi supérieure 4 comprend d'une part une ouverture transverse décrite précédemment pour permettre le chauffage par une lampe de puissance 12 disposée dans le réflecteur 13, d'autre part, comme cela est représenté en figure 1, une ouverture 14 transverse à la lampe de puissance 12. Cette ouverture 14 reçoit des hublots traités qui permettent l'observation de la zone fondue. Les hublots sont de qualité optique, en quartz poli (ou en variété de quartz type BK7...) et sont recouverts d'un dépôt refléchissant au maximum des longueurs d'ondes supérieures à 0,5 hum. Les traitements réflecteurs résistent aussi aux températures utilisées. Le systeme optique permettant l'obtention d'une bande fondue se compose de deux parties - une lampe halogène dont le positionnement est très précis. - un réflecteur elliptique, refroidi (à l'eau), avec un soufflage d'air au niveau de la lampe, de ses culots et le long d'une fente en son milieu, le tout chromé ou doré comme les autres réflecteurs. La fente d'arrivée d'air, de grandeur suffisante, permet l'homogénéisation de la distribution énergétique dans le sens longitudinal. On notera que l'excentricité de l'ellipse est calculée pour obtenir le meilleur compromis puissance/densité de puissance compte tenu de l'encombrement de la lampe et d'une distance minimale lampe-échantillon à respecter. Cette distance interfocale est suffisamment grande pour permettre l'observation de la bande fondue à travers les hublots suivant un angle proche de 45". Ceci différencie cette machine à lampes de nombreuses machines classiques où la source chaude créant la bande fondue est très proche de celle-ci, ce qui interdit son observation. La régulation de la bande fondue se fait par un système vidéo qui enregistre cette bande. REGULATION Lors de la fusion du silicium, il se produit une augmentation de réflectivité supérieure à 50% aux longueurs d'ondes utilisées couramment. On voit donc apparaitre la zone fondue avec une brillance différente de celle des zones solides. Par ailleurs, la largeur de cette zone fondue est très critique : en dessous d'une certaine valeur, la fusion est insuffisante et on ne crée pas de front de solidification correct. Au-delà d'une autre valeur, la couche mince ou le substrat subissent des effets désastreux (agglomération, fusion du substrat...) qui se propagent le long de la bande fondue-rendant caduque la recristallisation. L'intervalle utile en puissance est de l'ordre de 2% et il importe de bien le contrôleur. Une seule mesure de la puissance électrique absorbée par les lampes n'est pas suffisante car la température atteinte par l'échantillon dépend de son coefficient d'absorption ainsi que des rendements des lampes et des réflecteurs. Par contre, la largeur de la zone fondue est un paramètre très sensible du traitement thermique subi par l'échantillon. Ainsi l'intervalle de travail (2% en puissance) se traduit par une variation de la largeur fondue supérieure à 50%. Le meilleur est donc d'observer directement cette zone fondue, au moyen d'une caméra 15 par exemple, et de réguler la puissance électrique sur la largeur de cette zone. La caméra 15 peut être une caméra à dispositifs à transfert de charge et divers moyens classiques pourront être utilisés pour asservir la puissance fournie à la lampe de puissance 12 à l'image observée par cette caméra. Ces moyens ne seront pas décrits car ils sont bien classiques pour l'homme de l'art. A cause du caractère directif de l'éclairement, des effets de bord, se traduisant par une température moindre apparaissent au niveau de l'échantillon. Ceci conduit à un mauvais traitement du pourtour de la plaque et donc à une perte de surface utilisable. Ces effets de bord sont corrigés dans cette machine par un anneau de garde 21 qui peut être en quartz recouvert d'un dépôt de silicium polycristallin. Cet anneau de garde entoure l'ouverture 9 dans laquelle est disposée la plaquette à traiter. La machine selon la présente invention est de structure modulaire et sa conception est telle qu'elle autorise facilement le remplacement des différentes pièces : réflecteurs, lampes,... Dans cette machine > c'est l'échantillon qui va se déplacer au fur et à mesure sous la source de création de bande fondue lui conférant ainsi la possibilité d'entrer dans une channe de fabrication. La plaquette de silicium est déposée sur le portesubstrat 8 qui repose sur deux tiges-rectilignes-de quartz, ellesmêmes solidaires d'un système de déplacement qui permet , à l'aide d'un moteur continu, d'avancer avec des vitesses constantes variant de 0,01 mm/s à 10 mm/s. Les tiges de quartz passent à travers deux flasques (non représentés) qui permettent de fermer le four pendant la phase de recristallisation. Le jeu entre ces pièces est de 1 mm. Les flasques sont refroidis par eau et chromés (ou dorés) suivant le même principe que les différents réflecteurs. De plus une fente située en leur milieu permet d'introduire un gaz durant la phase de recristallisation, ce gaz s'écoulant en flux laminaire. Cette circulation contrôlée de gaz est importante car elle conditionne l'absence de toutes impuretés dans la couche recristallisée. REVENDICATIONS 1. Machine de recristallisation d'une couche mince par zone fondue dans laquelle une plaquette (9) portant la couche à recristalliser est amenée à se déplacer dans une zone de préchauffage puis devant une lampe de chauffage (12) de forte puissance de forme allongée disposée dans un réflecteur (13) pour concentrer l'énergie selon une bande sur ladite plaquette et créer la zone fondue, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens optiques (15) de mesure de la largeur de la bande fondue et des moyens pour réguler la puissance appliquée à la lampe de puissance (12) en réponse à ladite mesure de manière à maintenir constante ladite largeur. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ses quatres parois extérieures sont des plaques métalliques (1, 2, 3, 4) dans lesquelles est ménagée une circulation d'eau et munies sur leurs faces internes d'un revêtement réflecteur. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la plaquette à traiter se déplace dans une chambre définie à l'intérieur de l'enceinte générale de la machine par des portions des parois latérales (2, 3) de celle-ci et deux plaques de quartz (5, 6). 4. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur (13) permet de concentrer l'énergie de la lampe (12) suffisamment loin de celle-ci sur le plan où se déplace la plaquette pour que l'on puisse observer transversalement la zone fondue à travers un hublot (14) au moyen d'une caméra d'observation (15). 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que des lampes de préchauffage (20) sont disposées à la partie inférieure de l'enceinte parallèlement les unes aux autres et transversalement au sens de déplacement de la plaquette, les culots de ces lampes étant reçus par les parois latérales (2, 3) et des trous d'aspiration d'air étant prévus dans la plaque inférieure (1) de la machine > sensiblement en dessous des lampes de préchauffage. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les effets de bord du profil thermique dans la plaquette de silicium sont corrigés par la présence d'un anneau de garde (21) entourant cette plaquette. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'anneau de garde est en quartz recouvert de silicium.