Brevet FR2643389A1 — publié le 19900824

La présente invention se rapporte à un dispositif formant un film mince, et plus particulièrement à un perfectionnement à un tel dispositif utilisant un dépôt chimique en phase vapeur. Un dispositif formant une couche mince utilisant un dépôt chimique en phase vapeur (ayant pour abréviation "procédé CVD") est connu dans le domaine de l'électronique comme l'un des dispositif pour former une couche mince sur un substrat. La méthcde CVD, qui est une méthode de composition utilisant une réaction chimique, est appréciée comme étant une méthode appropriée pour former un film mince de haute qualité qui n'est pas facilement endommagé et qui a une bonne propriété de recouvrement des irrégularités en comparaison avec un procédé de dépôt physique tel qu'un dépôt sous vide et une pulvérisation. Par ailleurs, en comparaison avec un procédé par MBE (épitaxie par faisceau moléculaire) nécessitant un vide poussé, le procédé CVD, ne nécessitant pas un tel vide poussé, peut employer un dispositif peu coûteux et est par conséquent approprié à une production en masse. Cependant, il y a encore certains problèmes à résoudre pour obtenir un film mince de qualité supérieure en utilisant le procédé CVD. Ces problèmes seront décrits ci-dessous. Les figures 4 et 5 montrent des schémas d'écoulement de gaz dans un dispositif conventionnel de formation d'un film mince utilisant le procédé CVD. Sur ces dessins, le chiffre deréférence 1 indique une chambre de réaction, 2 une douche pour éjecter la matière gazeuse, 3 un substrat, 4 un support chauffant pour supporter et chauffer le substrat; 7 un écoulement de matière gazeuse prcvenant de la douche 2. La figure 4 montre un schéma de l'écoulement de gaz tandis que le support 4 n'est pas chauffé et est maintenu à la température ambiante ordinaire (200C). Le dispositif est conçu de manière que l'écoulement de gaz atteigne de façon appropriée le substrat à moins que le support ne soit chauffé comme on l'a indiqué ci-dessus. Cependant, quand le support 4 est chauffé (400 C) pour favoriser la réaction chimique, il se produit une turbulence dans le schéma de l'écoulement de la matière gazeuse du fait de la convection de la chaleur. Par suite, une alimentation souhaitée est inhibée ce qui provoque une détérioration de la qualité du film déposé comme un manque d'unité du film, la production de trous d'épingle dans le film du fait des noyaux produits dans la phase gazeuse. On a récemment proposé un dispositif pour CVD d'un système à pression réduite en tant qu'amélioration pour éliminer l'inconvénient du système réactionnel à pression normale indiqué ci-dessus. Celui-ci repose sur sa propriété de supprimer la convection de chaleur pour réduire la pression dans la chambre de réaction et réduire la force ascendante. Les figures 6 et 7 montrent des formes de l'écoulement de matière gazeuse sous une pression réduite. Sur la figure 6 qui montre l'écoulement de gaz 7 tandis que le support 4 n'est pas chauffé et est maintenu à la température ambiante ordinaire (20 C), des tourbillons de circulation se produisent déjà. Cela est dû au fait que la vitesse de l'écoulement de matière gazeuse provenant de la douche 2 est plus rapide que celle sous la pression ordinaire et le retour du support est assez important. Sur la figure 7 qui montre l'écoulement de gaz 7 tandis que le support est chauffé (1000 C), il se produit des tourbillons si grands que le gaz ayant atteint la proximité du substrat sur le support s'élève de nouveau du fait de la force ascendante additionnelle provoquée par la convection de chaleur. Comme on l'a indiqué ci-dessus, des turbulences dans l'écoulement de matière ne sont pas complètement éliminées en réduisant simplement la pression à l'intérieur de la chambre de réaction. Par conséquent, une simple utilisation d'une chambre de réaction à pression réduite dans le dispositif pour CVD ne peut supprimer les turbulences dans l'écoulement de matière gazeuse et ne peut empêcher la détérioration de la qualité du film due aux turbulences de l'écoulement gazeux. Par ailleurs, comme la réduction de pression force l'écoulement de matière gazeuse à s'étendre à travers toute la chambre de réaction, la matière gazeuse pollue le récipient réactionnel et celui-ci, à son tour, pcllue la matière gazeuse. Dans ces circonstances, afin de former un film mince de haute qualité dans un système réactionnel à pression-réduite, il est indispensable de prévoir une nouvelle méthode capable de contr8ler l'écoulement de gaz de manière que la matière gazeuse ne contacte pas la paroi de la chambre réactionnelle. La présernte invention a par conséquent pour objet de procurer un dispositif pour former un film mince o il ne se produit aucune turbulence de l'écoulement de matière gazeuse dans un système réactionnel à pression réduite et la matière gazeuse ne contacte jamais les surfaces de paroi d'une chambre de réaction. Selon l'invention, on prévoit un dispositif formant un film mince comprenant: - une douche de matière gazeuse pour éjecter la matière gazeuse formant un film mince contre un substrat supporté dans une chambre de réaction afin de former un film mince sur ledit substrat; et - une douche de gaz de contrôle disposée pour entourer ladite douche de matière gazeuse pour éjecter un écoulement de gaz de contrôle pour configurer un écoulement de ladite matière gazeuse provenant de la douche de matière gazeuse sous la forme d'un faisceau. Dans le dispositif formant un film mince ayant l'agencement ci-dessus indiqué, comme l'écoulement de matière gazeuse éjecté vers le substrat est mis en forme de faisceau par un autre écoulement de gaz qui l'entoure, il ne se produit aucune turbulence due à la convection de chaleur et l'écoulement de matière gazeuse ne contacte jamais la surface de paroi de la chambre de réaction. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure lA est une vue d'un dispositif selon la présente invention; - la figure lB est une vue en plan d'une douche de gaz; - la figure 1C est une vue en coupe transversale d'une douche de gaz de contrôle et d'une douche de matière gazeuse; - la figure 1D est une vue en plan des douches de la figure 1C; - les figures 2 et 3 sont des vues d'autres modes de réalisation de l'invention; - les figures 4 et 5 sont des vues montrant des schémas d'écoulement de gaz dans un dispositif formant un film mince conventionnel à la pression ordinaire; et -les figures 6 et 7 sont des vues montrant les schémas d'écoulement de gaz dans un dispositif formant un film mince conventionnel à pression réduite. Les figures 1A et lB sont des vues d'un dispositif formant un film mince selon l'invention, et des éléments identiques ou similaires à ceux des figures 4 à 7 sont identifiés par les mêmes chiffres de référence. En effet, le chiffre de référence 1 désigne une chambre de réaction, 2 une douche pour éjecter la matière gazeuse, 3 un substrat, 4 un support chauffant et une table soutenant le support. Autour de la douche 2 est disposée une douche de gaz de contr8le 6 pour éjecter un gaz de contr8le afin d'entourer l'écoulement de matière gazeuse éjecté par la douche 2. Bien que les détails du système d'alimentation en matière gazeuse, du système de refoulement et du système d'alimentation en gaz de contr8le ne soient pas montrés, on y utilise des systèmes connus. La douche 6, comme le montre la figure lB, a une ouverture d'éjection de gaz 6a de forme annulaire qui est disposée sensiblement concentriquement à la douche 2. L'écoulement de matière gazeuse 7 éjecté par la douche 2 contre le substrat 3 est entouré de l'écoulement de gaz 8 éjecté par la douche de gaz de contrôle 6 et a la forme d'un faisceau. A partir de maintenant, l'écoulement de matière gazeuse 7 est appelé écoulement de source et l'écoulement de gaz de contr8le 8 est appelé écoulement de gaine pour une meilleure compréhension du système selon l'invention. Le gaz qui forme l'écoulement de source 7 est une matière gazeuse pour la croissance d'un film mince en CVD. Cela peut être tout gaz comprenant une matière gazeuse à base de silicium comme SiH4, Si2 H6, etc... dans le cas o l'on forme un film mince à base de silicium ou bien cela peut être tout gaz comprenant une matière gazeuse de la famille III comme triméthyl aluminium, triméthyl gallium, etc... ou un mélange gazeux de la famille V comme AsH3 et NH3 avec la matière gazeuse de la famille III cidessus indiquée dans la cas o l'cn forme un film mince de la famille IIIV. Dans le cas o l'on forme un film mince de la famille II-VI, la matière gazeuse peut être tout gaz comprenant une matière gazeuse de la famille II ou un mélange gazeux contenant une matière gazeuse de la famille VI. En d'autres termes, la matière gazeuse peut être tout gaz comprenant une matière spécifique du film à déposer sur le substrat. De préférence, le gaz pour former l'écoulement de gaine 8 est par exemple H2 gazeux, Ar gazeux ou N2 gazeux. Dans le cas des familles II-V et II-VI, un gaz comprenant un gaz de la famille V et un gaz comprenant un gaz de la famille VI sont acceptables, respectivement. Dans chaque cas, l'écoulement de gaine 8 empêche une turbulence dans l'écoulement provoquée par un saut vers l'arrière de l'écoulement de source 7. Afin de réaliser le contrôle de l'écoulement gazeux dans le but indiqué ci-dessus, les conditions suivantes sont requises. Avant tout, la quantité d'écoulement de l'écoulement de gaine 8 doit être plus grande que celle de l'écoulement de source 7. Il est préférable que la quantité de l'écoulement de gaine soit aussi importante que plusieurs dizaines de fois l'écoulement de source. Dans un exemple spécifique utilisant à une chambre de réaction d'environ 60 mm 0, avec un déplacement de 0,8 f/s, environ, sous une pression d'environ 66,5 mbars, le diamètre du support étant d'environ 54 mm, l'écoulement de gaine était de 30C0C sccm et l'écoulement de source était de 110 sccm. En plus de la condition ci-dessus indiquée concernant les quantités d'écoulement de gaz, les vitesses dans les portions respectives de la chambre de réaction doivent être établies de manière que la vitesse de l'écoulement de source au point A immédiatement après éjection de la douche 2 soit de préférence plus rapide de- 1,5 fois ou plus la vitesse de l'écoulement de gaine au point B. La vitesse totale d'écoulement au point C est sensiblement la même que celle au point B. Par ailleurs, il est nécessaire que la vitesse totale de l'écoulement passant par le point D, c'est-à-dire un espace 9 défini entre la chambre de réaction et le support soit bien supérieure, de préférence plusieurs dizaines de fois supérieure, à la vitesse d'écoulement au point C. Dans un autre exemple spécifique utilisant la même chambre de réaction ayant environ 60 mm de diamètre comme indiqué ci- dessus, avec un déplacement de 0,8 È/s, environ, sous une pression d'environ 66,5 mbars, avec un diamètre du support de 54 mm environ, la vitesse de l'écoulement de source au point A est de 12 cm/s envircn, la vitesse de l'écoulement de gaine au point B de 9 cm/s, la vitesse totale d'écoulement au point C de 9 cm/s environ et la vitesse totale d'écoulement au point D dans l'espace 9 de 49 cm/s environ, respectivement. La pression à l'intérieur de la chambre de réaction peut être changée tant que l'écoulement de source ne se dilate pas à travers toute la chambre de réaction, et il est suffisant de satisfaire à la relation entre la quantité d'écoulement de source et la quantité d'écoulement de gaine et à la relation entre les vitesses d'écoulement aux points A, B, C et D. Selon le contr8le d'écoulement de gaz ci-dessus décrit, aucune turbulence dans l'écoulement de gaz n'a été produite même lorsque le substrat a été chauffé à environ 1000 C ou plus, et il n'y a eu aucun contact de la matière gazeuse avec la surface de paroi de la chambre réactionnelle. En particulier, lorsque l'espace entre la surface de paroi de la chambre de réaction 1 et le support 4 et rétréci pour former l'espace 9 qui est illustré, l'écoulement de source de la matière gazeuse ayant atteint la surface du substrat est dilaté dans une direction latérale et subséquemment accéléré à la position de l'espace, de façon à être rapidement aspiré et évacué dans l'espace. Par conséquent, l'espace étroit 9 sert à empêcher une convection de chaleur provoquée par la chaleur du substrat chauffé. Les figures 1C et 1D montrent une modification du mode de réalisation des figures lA et lB o la douche 2 penètre sensiblement concentriquement dans une douche 6'. La figue 2 montre un autre mode de réalisant utilisant une chambre conique de réaction 1. Ce mode de réalisation nécessite également que la quantité d'écoulement de gaine soit plus importante que la quantité d'écoulement de source comme dans les modes de réalisation des figures 1A à 1D. Par ailleurs, en ce qui concerne la vitesse d'écoulement aux portions respectives de la chambre de réaction, il est nécessaire que la vitesse d'écoulement de la matière gazeuse éjectée par la douche 2 soit plus rapide au point E que la vitesse de l'écoulement de gaine au point F. Dans ce mode de réalisation, en utilisant la chambre conique de réaction, l'écoulement total au point G est établi pour être plus lent que la vitesse au point F. Par suite, le schéma d'écoulement de l'écoulement de source 7 ne contient pas l'épaulement (portion se dilatant latéralement), que l'on trouve.dans le schéma d'écoulement de l'écoulement de source 7 du mode réalisation des figures 1A à 1D, et s'étend plus régulièrement sous la forme d'un faisceau vers la surface du substrat. Dans le mode de réalisation de la figure 2, également, la chambre de réaction s'étend latéralement au-dessus du substrat 3 afin d'assurer une meilleure suppression de la convection de chaleur au-dessus du substrat. Par ailleurs, la position du substrat 3 peut être ajustée par la table 5 soutenant le support pour changer la largeur de l'espace 9. Par conséquent, la vitesse totale d'écoulement au point H dans l'espace 9 peut facilement être ajustée et donc une valeur excessive de vitesse au point H par rapport à la vitesse totale G peut être ajustée en tout moment selon la température du substrat afin d'établir une valeur suffisante et appropriée pour empêcher efficacement la convection de chaleur. Dans un exemple spécifique utilisant une chambre de réaction dont le diamètre est d'environ 20 mm en une g portion I, dont la longueur est d'environ 70 mm dans la portion cylindrique droite au-dessus de la portion I, dont la longueur effilée est d'environ 80 mm dans la portion conique et dont le diamètre est d'environ 40 mm au fond de la portion conique et o le diamètre est d'environ 10 mm à la portion cylindrique élargie K, avec un déplacement d'environ 0,4 j/s sous une pression réduite d'environ 133 mbars, avec une quantité d'écoulement de source de sccm et une quantité d'écoulement de gaine de 3000 sccm, le faisceau de gaz montré par la ligne pointillé peut 8tre établi. Même lorsque le substrat est chauffé à environ 10000C ou plus, il n'y a aucune turbulence dans l'écoulement de gaz et aucun contact de la matière gazeuse avec la chambre de réaction. -La figure 3 montre un dispositif pour CVD au plasma o est incorporée l'invention. C'est sensiblement le même mode de réalisation que celui de la figure 2, à l'exception qu'une portion 10 d'excitation du plasma est prévue. La portion 10 peut employer toute décharge à haute fréquence, décharge de micro-ondes, résonance cyclotron électronique, etc.... La décharge de micro-ondes est préférable dans les plages de pression o l'écoulement de source et l'écoulement de gaine peuvent se former de manière stable. Quand l'écoulement de gaz est excité au plasma par la décharge de plasma, les sources de pollution sont généralement accrues par les molécules, atomes, ions, électrons, radicaux actifs etc..., dans le gaz actif qui contacte la surface de paroi de la chambre de réaction. Cependant, avec l'agencement selon l'invention configuré pour contrôler l'écoulement de gaz sous la forme d'un faisceau, il ne se produit aucune turbulence dans l'écoulement de gaz et la matière gazeuse ne contacte jamais la surface de paroi de la chambre de réaction. Comme on l'a décrit ci-dessus, le dispositif formant un film mince selon l'invention, qui empêche efficacemert une turbulence dans l'écoulement de matière gazeuse et empêche un contact entre la matière gazeuse et la surface de paroi de la chambre de réaction, garantit un dépôt d'un film mince de haute qualité. il R E V E N D I C A T ION S 1. Dispositif formant un film mince configuré pour éjecter une matière gazeuse formarnt un film mince d'une douche de matière gazeuse, contre un substrat supporté dans une chambre de réaction, afin de former un film mince sur ledit substrat, caractérisé en ce qu'une douche de gaz de contrôle (6) est disposée pour entourer ladite douche de matière gazeuse (2) afin d'éjecter un écoulement de gaz de contrôle pour configurer l'écoulement de matière gazeuse sous la forme d'un faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la douche (6) de gaz de contrôle a une ouverture d'éjection sous la forme d'une couronne qui est sensiblement concentrique avec la douche (2) de matière gazeuse. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de réaction (1) est configurée pour définir un espace étroit (9) entre sa surface de paroi et le substrat (3) de manière que ladite matière gazeuse qui a atteint ledit substrat et s'est étendue latéralement soit accélérée à la position dudit espace et soit aspirée et évacuée à travers ledit espace. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de réaction (1) a une section transversale effilée qui se dilate graduellement dans la direction de l'écoulement de gaz. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre de réaction (1) se compose d'une portion de petit diamètre, d'une portion conique et d'une portion de grand diamètre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen (10) pour exciter, au plasma, la matière gazeuse ou le gaz de contrôle ou les deux.