Brevet FR2625920A1 — publié le 19890721

La présente invention concerne un appareil compor- tant des moyens prévus pour faire tourner un objet dans une chambre à vide, et pour procurer des services tels que le chauffage ou le refroidissement de cet objet. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un appareil prévu pour le traitement par des faisceaux de par- ticules ou par un rayonnement, d'un échantillon chauffé ou refroidi, tournant continuellement, qui est maintenu dans des conditions d'ultravide, et elle est spécialement utile pour le traitement de substrats semiconducteurs. Une exigence commune dans des systèmes à vide est de disposer d'un moyen pour faire tourner un objet, qui est de façon caractéristique un échantillon qui est présenté pour une opération d'analyse ou de traitement. Dans la transmission d'un mouvement de rotation vers l'intérieur d'une chambre à vide, il est important de maintenir l'inté- grité de l'enceinte à vide, et dans l'exemple d'un appareil de traitement de semiconducteurs, ceci signifie qu'on doit établir un joint compatible avec des conductions d'ultravi- de, c'est-à-dire des pressions de 10- 8 Pa (10-n0mbar) ou moins. Il est également important de minimiser toute conta- mination susceptible d'être introduite par le matériau du mécanisme tournant. On connait plusieurs types de traversées permet- tant la rotation pour des systèmes à vide. Un type comprend un arbre ou un tube, avec un matériau compressible assurant l'herméticité à l'endroit auquel l'arbre traverse une paroi dans l'enceinte à vide. De telles traversées, qui ont été décrites par exemple dans le brevet des E.U.A. n 3 435 128 et par S.J. Pearce et S.L. Barker dans le Journal of Physics E. 1977, volume 10, pages 1231 à 1232, sont particulièrement bien adaptées pour faire entrer un courant électrique dans une chambre à vide, ou pour le faire sortie de cette der- nière, mais bien qu'elles permettent effectivement un cer- tain déplacement de rotation, elles ne conviennent pas pour un mécanisme d'entraînement produisant une rotation continue, et en particulier dans le cas de t'ultravide. On peut réali- ser une forme perfectionnée de traversée permettant une rota- tion en établissant une série de joints avec des pompes pla- cées pour évacuer les gaz qui fuient au niveau des joints ou qui se dégagent des joints. Un tel joint tournant avec pom- page différentiel a été décrit par A. Pararas et col. dans le Journal of Vacuum Science and Technology, 1982, volume 21 page 1031, et est compatible avec l'ultravide, mais il con- vient mieux pour faire tourner manuellement un échantillon entre des positions discrètes pour le traitement ou l'analy- se, que pour transmettre un mouvement de rotation continu. Le brevet des E.U.A. n 3 181 873 indique qu'on peut faire fonctionner de façon continue une traversée permettant une rotation, avec pompage différentiel, tout en maintenant une pression de vide de 2,7x10-7 Pa (2, 7x109 mbar), mais ceci n'est pas un vide satisfaisant pour de nombreuses applica- tions modernes, comme le traitement de semiconducteurs. Un autre procédé pour assurer l'herméticité d'un arbre tournant qui pénètre dans,une chambre à vide, consiste à utiliser un fluide magnétique confiné par des champs magnétiques, comme décrit par exemple dans le brevet des E.U.A. n 3 612 549. De tels joints sont connus commercialement sous le nom de joints Ferrofluidic (marque déposée), et ils sont commercia- lisés par Ferrofluidics Corporation (E.U.A.); la demande de brevet européen n 0108206 décrit un exemple de l'utilisation de ce type de joints pour assurer l'herméticité pour une électrode ou un arbre tournant entrant dans une chambre de traitement de semiconducteurs. Un joint d'arbre comprenant une traversée en PTFE a été décrit par O. Auciello et col. dans Vacuum, 1978, vo- lume 26, pages 349 à 350, et a été utilisé pour assurer l'herméticité autour d'une structure tournante comprenant des tubes raccordés à un porte-échantillon, et amenant un réfrigérant à ce dernier. Bien que cet appareil soit compa- tible avec l'ultravide, il convient également mieux pour le positionnement d'un échantillon que pour un mouvement de ro- tation continu prolongé. Des mécanismes qui sont particulièrement avanta- geux pour l'entraînement d'arbres tournants dans des systè- mes à ultravide sont ceux qui ne comportent pas un joint au- tour de l'arbre, au niveau de la paroi de l'enceinte à vide. Ces mécanismes comprennent: (i) des traversées à couplage magnétique, comme celles décrites dans les brevets des E.U.A. n 3 157 808 et n 3 268 750, dans lesquelles un mou- vement de rotation est transmis par couplage entre des ai- mants tournants situés à l'intérieur et à l'extérieur d'une enceinte à vide; (ii) le mécanisme d'entrafnement "harmoni- que", décrit par E. de Haas dans Nuclear Instruments and Methods, 1976, volume 137, pages. 435 à 439 et par A.A. Parry et R.G. Linford dans le Journal de Physics E, 1973, volume 6, pages 701 à 702, dans lequel un mouvement de rotation est transmis entre des organes tournants intérieur et extérieur, par l'intermédiaire d'une membrane flexible; (iii) un méca- nisme à soufflet à mouvement oscillant ou de nutation, dé- crit par exemple par W.C. Turkenburg et col. dans Nuclear Instruments and Methods, 1975, volume 126, pages 241 à 245, dans lequel un arbre est courbé à une extrémité au niveau de laquelle il est enfermé dans un soufflet flexible qui émerge de la paroi de la chambre à vide, et l'arbre est mis en ro- tation en déplaçant le soufflet de façon à lui faire décrire un cercle; et (iv) un moteur comportant un stator situé à l'extérieur d'une chambre à vide et un rotor situé à l'inté- rieur, comme décrit par T. Engel dans Review of Scientific Instruments, 1981, volume 52, pages 301-302. Dans un appareil de traitement de semiconducteurs, des substrats en forme de disques sont couramment montés sur un porte-subbtrat, qui a lui-même la forme d'un disque et qui peut tourner autour d'un axe passant par son centre. On peut monter un substrat sur un tel disque, avec les centres du substrat et du porte-substrat en coïncidence et situés sur l'axe de rotation, ou bien on peut monter un ensemble de substrats autour d'un disque de support, avec une séparation angulaire uniforme. Des moyens sont généralement prévus pour chauffer ou refroidir le matériau du substrat, et il est par- ticulièrement important d'obtenir une distribution de tempé- rature uniforme sur l'étendue de chaque substrat. Les moyens prévus pour faire tourner le porte-substrat doivent être dis- posés de façon à ne pas empêcher de positionner de la manière désirée des sources de chaleur ou desradiateurs,et dans un appareil connu, ceci exige que le mécanisme d'entraînement en rotation soit déàalé par rapport à l'axe de rotation. Le porte-substrat est entraîné par des engrenages à partir d'un arbre primaire qui tourne autour d'un axe décalé par rapport à l'axe de rotation du porte-substrat; les engrenages peuvent décaler de 90 l'axe de rotation. Bien que de tels systèmes soient commodes dans la mesure o ils permettent de position- ner des moyens de chauffage refroidissement près d'un porte- substrat, ils présentent des inconvénients, en particulier: (i) la complexité, et (ii) le fait que de la matière libérée par l'usure des engrenages peut contaminer les substrats. Il est particulièrement important, pour les performances de dispositifs à semiconducteurs, de minimiser la contamination au cours du processus de fabrication. Un but de l'invention est donc de procurer un ap- pareil perfectionné pour fournir des services à un objet tournant placé à l'intérieur d'une chambre à vide. L'inven- tion a également pour but de procurer un appareil pour le traitement d'un échantillon maintenu dans des conditions de vide, comportant des moyens prévus pour faire tourner l'échantillon tout en transmettant de la chaleur vers l'échantillon ou à partir de ce dernier. Un but supplémentai- re est de procurer un appareil pour le traitement de semicon- ducteurs, comportant un mécanisme de rotation simplifié et dans lequel la contamination de substrats semiconducteurs soit réduite par rapport à des appareils connus. Un aspect de l'invention procure un appareil desti- né à fournir des services à un objet pouvant tourner conti- nuellement qui est disposé à l'intérieur d'une enceinte à vide, et comprenant: une traversée hermétique montée sur une paroi de l'enceinte à vide; un rotor creux disposé à l'intérieur de l'enceinte à vide et pouvant tourner autour d'un axe; des moyens pour monter l'objet sur le rotor, en une position séparée axialement de la traversée hermétique; un actionneur, monté à l'extérieur de l'enceinte à vide, en position pratiquement coaxiale avec le rotor, qui est en couplage magnétique avec le rotor et qui est donc capable de faire tourner le rotor autour de leur axe commun; et des moyens de conduction pour acheminer les services précités à travers le rotor creux, et au moins en partie à l'intérieur de celui-ci, entre la traversée et l'objet tournant. L'appareil comprend de préférence un corps qui peut être fixé de façon amovible et hermétique à une ouver- ture d'une chambre à vide, pour former une enceinte à vide; le rotor est monté sur une structure de paliers intérieure; et la traversée hermétique, l'actionneur extérieur et la structure de paliers intérieure sont montés de façon coaxia- le sur le corps, pour former ainsi un sous-ensemble qu'on peut retirer commodément. Il est préférable-que le rotor comprenne une structure d'aimants intérieure et que l'ac- tionneur comprenne une structure d'aimants extérieure montée de façon à tourner autour de l'axe, à l'aide de moyens com- prenant des paliers extérieurs. Selon une variante, l'ac- tionneur peut être le stator d'une structure de moteur. L'appareil convient pour manipuler un objet qui comporte une face avant, qui doit être analysée ou traitée (par exemple par bombardement ionique ou par dép6t de vapeur) et une face arrière qui peut être chauffée ou refroidie pour commander la température de l'objet pendant le traitement. Un tel objet est monté sur le rotor avec la face arrière du côté des moyens de conduction. Les moyens de conduction pas- sent commodément à l'intérieur du rotor, à travers un espace annulaire autour duquel sont répartis les paliers intérieurs. Dans un mode de réalisation préféré, le rotor est un tube creux allongé (dont l'axe coïncide avec l'axe commun précité), l'objet tournant est fixé de façon amovible à une extrémité du tube, et les moyens de conduction traversent ce tube. Les moyens de conduction et l'axe de rotation sont pratiquement coaxiaux, et le mécanisme de rotation ne gène pas le fonc- tionnement des moyens de conduction, et il ne constitue pas non plus un obstacle dans le chemin de faisceaux analytiques ou de traitement qui sont appliqués à la face avant de l'ob- jet. L'invention convient particulièrement bien pour fournir des services qui n'exigent- aucun contact physique entre les moyens de conduction fixe et l'objet tournant, comme c'est le cas pour un transfert de chaleur par rayonnement. Il entre cependant également dans le cadre de l'invention d'établir des moyens de contact, tels qu'une bague, entre l'objet tour- nant, ou le rotor, et des éléments des moyens de conduction. L'appareil peut en outre comprendre un tube ne tournant pas, dont une extrémité est fixée à la paroi de l'enceinte à vide, et est fixée de préférence au corps du sous-ensemble, et qui pénètre à l'intérieur de l'enceinte à vide, en position coa- xiale par rapport au rotor, dans une configuration dans la- quelle les moyens de conduction traversent ce tube, et le rotor tubulaire tourne autour du tube. Ce tube protège et sé- pare commodément du rotor tournant les conducteurs fixes qui se trouvent à l'intérieur du tube. Le tube est ouvert-à son extrémité qui n'est pas fixée à la paroi, pour que les moyens de conduction puissent fournir à l'objet tournant les servi- ces considérés. Les services que fournissent les moyens de conduc- tion peuvent par exemple consister dans le chauffage de l'objet tournant, auquel cas l'appareil peut comprendre un élément chauffant et les moyens de conduction peuvent com- 2625920- prendre des moyens destinés à conduire de l'énergie électri- que vers cet élément. L'appareil peut également comprendre des moyens de refroidissement tels qu'un panneau cryogénique, avec des tubes acheminant un réfrigérant pour extraire de l'enceinte à vide la chaleur qui est rayonnée par l'objet. Les services peuvent également comprendre l'utilisation de moyens de détection de température. La traversée hermétique est de préférence une traversée pour ultravide de type clas- sique destinée à faire entrer dans une enceinte à vide un courant électride ou des fluides tels que de l'azote liquide. Dans de nombreuses applications, la traversée hermétique ne sera pas ellemême en rotation pendant le fonctionnement, mais l'invention n'est pas limitée à cette configuration, et on peut prévoir une traversée tournante, si nécessaire. Un autre aspect de l'invention procure un appareil pour le traitement d'un échantillon dans des conditions de vide, comprenant: une enceinte à vide ayant une paroi sur laquelle est montée une traversée hermétique; l'échantillon. étant supporté sur un rotor creux allongé qui peut tourner autour d'un axe et étant disposé à l'intérieur de l'enceinte à vide, et ayant une face avant qui doit être traitée, et ayant également une face arrière; des moyens de conduction d'énergie qui passent de la traversée vers la face arrière de l'échantillon, en passant à travers le rotor, et au moins en partie à l'intérieur de ce dernier; une structure d'ai- mants intérieure fixée au rotor; une structure d'aimants ex- térieure montée de façon à tourner autour de l'axe, à l'ex- térieur de l'enceinte à vide, en étant en couplage magnéti- que avec la structure d'aimants intérieure, et en étant donc capable de faire tourner la structure d'aimants intérieure et le rotor autour de leur axe commun; et une source destinée à diriger de la matière ou un rayonnement vers la face avant de l'échantillon. L'échantillon est commodément monté sur un porte- échantillon tournant qui est fixé au rotor allongé, en une position espacée axialement de la position à laquelle la traversée hermétique est montée sur la paroi de l'enceinte à vide. Le rotor allongé est de préférence monté sur la paroi à l'aide de moyens qui comprennent une structure de paliers, la structure de paliers étant montée de façon concentrique par rapport à l'axe, en étant répartie autour d'un espace annulaire à travers lequel passent les moyens de conduction. Dans un mode de réalisation préféré, l'échantillon est un substrat semiconducteur et la source est une source de faisceau de particules, comme par exemple une source de dépôt en phase vapeur, une source d'ions ou une source de jet moléculaire. L'appareil peut comprendre un échantillon ou plusieurs échantillons montés sur le même support d'échantillon. Un mode de réalisation particulièrement préféré. procure un appareil prévu pour le traitement d'un ou de plu- sieurs substrats semiconducteurs, ayant les caractéristiques décrites cidessus et comprenant également un ou plusieurs des éléments suivants: un élément chauffant rayonnant, un panneau cryogénique ou un capteur de température, tel qu'un thermocouple. Les moyens de conduction peuvent comprendre: des fils connectés à l'élément chauffant rayonnant; des tuyaux raccordés au panneau cryogénique; et des fils connec- tés au thermocouple. On va maintenant décrire de façon plus détaillée un mode de réalisation préféré de l'invention, à titre d'exemple, et en se référant à la figure qui est une coupe d'un système de dépôt en phase vapeur qui comprend un appa- reil conforme à l'invention. La figure représente un appareil prévu pour le dé- pôt d'une matière 1 sur un substrat 2, et comportant des moyens 3 (dont on décrira ci-après la composition de façon plus détaillée) destinés à faire tourner le substrat 2 tout en lui fournissant des services par l'intermédiaire de moyens de conduction 4. L'appareil de dépôt sous vide comprend une enceinte à vide 5 qui comprend elle-même un corps 6 et une chambre à vide 7; le corps 6 est fixé à une ouverture 8 dans la chambre 7 au moyen de brides 9 et 10, comme représenté. Une pompe à vide 11 maintient un vide poussé, ou en particulier des con- ditions d'ultravide (10 8 Pa), à l'intérieur de l'enceinte 5, et il peut également exister au moins une jauge à vide (non représentée). La matière 1 est produite par une source 12, et un obturateur 13 est prévu pour empêcher ou pour permettre le passage de la matière 1 de la source 12 vers le substrat 2. Un mécanisme de manoeuvre (non représenté) est prévu pour l'obturateur 13. Il est préférable que l'appareil soit adapté pour l'épitaxie par jet moléculaire et que la source 12 soit une source de jet moléculaire construite de préférence, mais non obligatoirement, de la manière qui est décrite dans le brevet européen n 0122088. Le substrat 2, qui comporte une face avant 56 et une face arrière 54, est monté dans un porte-substrat 14 qui est fixé à un rotor allongé-se présentant sous la forme d'un tube creux tournant 15, monté sur le corps 16 au moyen d'une structure de paliers intérieure, comprenant des paliers 16 et 17. Une structure d'aimants intérieure 18, comprenant des aimants 19, 20 et 21, est fixée au tube 15, et est maintenue en place par un collier 22 et une bague 23 vissée sur un filetage sur le tube 15. Une structure d'aimants extérieure 24, comprenant des aimants 25, 26 et 27, est fixée (en étant retenue par un circlip ou une bague élastique d'arrêt 29) sur un actionneur qui se présente sous la forme d'un rotor 28, monté sur le corps 6 au moyen d'une structure de paliers extérieure, comprenant des paliers 30 et 31. Lorsque le rotor 28 est mis en rotation autour du corps 6, le couplage par le flux entre la structure d'aimants extérieure 24 et la struc- ture d'aimants intérieure 18 fait tourner le tube de rotor creux 15, le support 14 et donc le substrat 2, autour d'un axe 32. Un moteur 3, une poulie 34, une courroie d'entraine- ment 35 et une poulie 36 (fixée au rotor 28) peuvent être in- corporés pour faire tourner le rotor 28, comme représenté. On voit également sur la figure une traversée 37, comprenant des connecteurs 38, 39, 40 et 41 montés sur une bride 42 qui est fixée par des boulons (non représentés) à une bride 43 fixée sur une paroi 60 du corps 6. Un joint hermétique 55 est intercalé entre les brides 42 et 43. Les moyens de conduction 4 comprennent: des tubes 44 et 45 à trave.rs lesquels un fluide de refroidissement peut circuler vers un panneau cryogénique 46; des conducteurs électriques 47 et 48 qui sont connectés à un élément chauffant rayonnant 49; et des conducteurs 50 et 51 qui sont connectés à un thermocouple 52. Les moyens de conduction 4 passent à travers un tube 53, ne tournant pas, qui est fixé au corps 6, comme représenté. Le tube 53 est de préférence formé de façon à contenir à son extrémité 57 l'élément chauffant 49, le pan- neau cryogénique 46 et le thermocouple 52, comme représenté. Des écrans thermiques 58 et 59 sont également prévus pour protéger l'appareil. Il n'est pas obligatoire que l'appareil comporte à la fois des moyens de chauffage et des moyens de refroidissement, et ceux-ci sont représentés conjointement dans un but d'illustration. On notera que le support 14 peut être conçu de façon à supporter plus d'un échantillon tel que le substrat 2; de tels échantillons seraient très commodément répartis d'une manière circulaire dans le plan du substrat 2, perpendiculaire à l'axe 32. En fonctionnement, le substrat 2 est mis en rota- - tion de façon continue, comme décrit, pendant que la matière 1 provenant de la source 12 est dirigée vers la face avant 56, tandis que la face arrière 54 est chauffée par l'élément chauffant 49. Le panneau cryogénique 46 est disposé de façon à recevoir la chaleur qui est rayonnée par la face arriène 54, si nécessaire. De cette manière, le substrat 2 peut être chauffé ou bien d'autres services peuvent lui être fournis au niveau de sa face arrière 54, sans former un obstacle dans le chemin de la matière i provenant de la source 12. L'in- vention est particulièrement avantageuse du fait qu'elle permet de positionner par exemple l'élément chauffant rayonnant 49 de façon qu'il chauffe uniformément la face arrière 54, tout en évitant un mécanisme à engrenages com- plexe pour faire tourner le substrat 2. L'invention est plus simple et moins sujette à contaminer des substrats se- miconducteurs traités, ou d'autres échantillons, que des appareils connus précédemment. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif ou au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour fournir des services à un objet qu'on peut mettre en rotation continue et qui est disposé à l'intérieur d'une enceinte à vide, caractérisé en ce qu'il comprend: une traversée hermétique montée sur une paroi de l'enceinte à vide; un rotor creux disposé à l'intérieur de l'enceinte à vide, et pouvant tourner autour d'un axe; des moyens pour monter l'objet sur le rotor en une position es- pacée axialement par rapport à la traversée hermétique; un actionneur, monté à l'extérieur de l'enceinte à vide, de façon pratiquement coaxiale par rapport au rotor, qui est en couplage magnétique avec le rotor et est donc capable de faire tourner le rotor autour de leur axe commun; et des moyens de conduction destinés à transmettre les services précités à travers le rotor creux, et au moins en partie à l'intérieur de celui-ci, entre la traversée et l'objet tournant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor est monté sur une structure de paliers intérieure, et en ce qu'il comprend en outre un corps de sous-ensemble, avec la traversée hermétique, l'actionneur externe et la structure de paliers intérieure montés de façon coaxiale sur ce corps; le corps pouvant être fixé de façon amovible et hermétique à une ouverture dans une chambre à vide, grâce à quoi l'enceinte à vide comprend la chambre à vide et le corps. 3. Appareil belon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le rotor comprend une structure d'aimants intérieure et l'actionneur comprend une structure d'aimants extérieure qui est montée, à l'aide de moyens comprenant des paliers extérieurs, de façon à tourner autour de l'axe. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le rotor comprend un tube creux allongé centré sur l'axe précité, et l'objet pouvant être mis en rotation est fixé de façon amovible à une extrémité de ce tube. 5. Appareil pour le traitement d'un échantillon dans des conditions de vide, caractérisé en ce qu'il comprend: une enceinte à vide ayant une paroi sur laquelle est montée une traversée hermétique; l'échantillon supporté sur un rotor creux allongé pouvant tourner autour d'un axe et disposé à l'intérieur de l'enceinte à vide, et ayant une face avant qui doit être traitée et ayant également une face arrière; des moyens de conduction d'énergie qui passent de la traversée vers la face arrière de l'échantillon, à travers le rotor et au moins en partie à l'intérieur de ce dernier; une structure d'aimants intérieure fixée au rotor; une structure d'aimants extérieure qui est montée de façon à tourner autour de l'axe, à l'extérieur de l'enceinte à vide, en étant en couplage ma- gnétique avec la structure d'aimants intérieure, et en étant ainsi capable de faire tourner la structure d'aimants inté- rieure et le rotor autour de leur axe commun; et une source. destinée à diriger une matière ou un rayonnement vers la face avant de l'échantillon. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'échantillon est monté sur un porte-échantillon tournant qui est fixé au rotor allongé, en une position espa- cée axialement par rapport à la position à laquelle la tra- versée hermétique est montée sur la paroi de l'enceinte à vide. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 5 ou 6, caractérisé en ce que le rotor allongé est mon- té sur la paroi à l'aide de moyens comprenant une structure de paliers, et cette structure de paliers est montée de façon concentrique par rapport à l'axe, en étant répartie autour - d'un espace annulaire à travers lequel passent les moyens de conduction. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que l'échantillon est un substrat semiconducteur et la source est une source de jet moléculaire. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube qui ne tourne pas et dont une extrémité est fixée à la paroi, ce tube s'étendant à l'intérieur de l'enceinte à vide en position coaxiale par rapport au rotor, dans une configuration dans laquelle les moyens de conduction passent à travers le tube et le rotor peut tourner autour du tube. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, prévu pour le traitement d'un objet pou- vant tourner qui comprend au moins un échantillon de maté- riau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant, alimenté par de l'énergie qui est trans- mise le long des moyens de conduction, pour chauffer par rayonnement une face arrière de l'échantillon, et également des moyens pour traiter l'échantillon en dirigeant vers une face avant de l'échantillon une matière provenant d'une source.