Brevet FR2698639A1 — publié le 19940603

MACHINE DE GRAVURE CHIMIQUE DE SILICIUM La présente invention concerne l'industrie des composants semiconducteurs et plus particulièrement la gravure de plaquettes de silicium. Pour la fabrication de composants semiconducteurs, on utilise des plaquettes de silicium, couramment d'un diamètre de 100 à 200 mm sur lesquelles sont formés un grand nombre de composants élémentaires identiques. A diverses étapes de fabrication, on est amené à faire des tranchées dans la plaquette de silicium, par exemple pour créer des sillons entre composants élémentaires avant de les séparer. Cette attaque de silicium peut être utilisée aussi après une phase d'épitaxie pour réduire 1 'épaisseur du substrat sur lequel a été formée l'épitaxie. De nombreuses autres situations dans lesquelles on est amené à faire des gravures localisées ou non du silicium apparaîtront à lthomme de l'art. On s'intéressera ici plus particulièrement aux gravures d'une profondeur relativement importante dans le domaine considéré, c'est-à-dire d'une profondeur de l'ordre de 30 à 100 micromètres, qui sont généralement réalisées par trempage des plaquettes dans des bains acides. On considèrera ici le cas où le bain d'acide est un mélange d'acide acétique, d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique, dans une proportion voisine de 5/4/9 bien que l'homme de métier puisse, en fonction de ses connaissances et de ses habitudes, utiliser d'autres mélanges acides de gravure du silicium.Egalement, de façon classique, les parties que lton ne souhaite pas creuser, par exemple la face avant d'une plaquette dont on va attaquer la face arrière ou la partie de la surface d'une plaquette autre que des régions où lton veut creuser des sillons seront protégées par un produit de protection classique, par exemple de l'oxyde de silicium et/ou une laque photosensible. De façon classique, pour réaliser une attaque par un acide, un lot de plaquettes contenues dans une nacelle ou panier est immergé une ou plusieurs fois pendant une ou des durées déterminées dans un bain d'acide. Pour une profondeur théorique de gravure donnée, cette profondeur dépendant notamment du type d'acide utilisé, de la température du bain et de la durée de maintien dans le bain, on s'aperçoit en fait qu'il existe une certaine dispersion d'une zone à l'autre d'une plaquette donnée et entre différentes plaquettes d'un même lot. Ces dispersions atteignent couramment des valeurs de 1 'ordre de 10 m pour des profondeurs de gravure souhaitées de l'ordre de 50 à 100 zm. Pour éviter cet inconvénient, diverses approches expérimentales par tâtonnements successifs ont été tentées par les fabricants de semiconducteurs. Ceux-ci ont réalisé que de meilleurs résultats pouvaient être obtenus en thermostatant le bain de gravure, et en provoquant une certaine agitation du bain ou des plaquettes immergées dans celui-ci. Comme le représente la figure 1, il est classique de disposer des plaquettes de silicium 1 devant subir un traitement dans une nacelle ou panier 2. Ce panier est muni de rainures non représentées pour maintenir les plaquettes verticales. La repré sentation du panier 2 faite en figure 1 est extrêmement schématique ; en fait, ces paniers sont des paniers ajourés destinés à assurer une bonne circulation du liquide, par exemple constitués d'un certain nombre de barres parallèles munies de rainures et jointes les unes aux autres par des entretoises. Dans un agencement antérieur, deux tels paniers ont été placés côte à côte, de part et d'autre d'un axe de rotation, dans une balancelle entraînée en rotation en va-et-vient autour de cet axe. Le mélange d'acide était celui susmentionné et le bain était réfrigéré à une température de l'ordre de -4 C par un échangeur thermique installé dans le bac. On obtenait alors, pour une profondeur de gravure de 60 pm, une dispersion d'épais- seur entre centre et bord d'une même plaquette de 7 pm environ et d'une plaquette à une autre de 12 pin environ. Les diverses autres approches essayées jusqu'à maintenant n'ont pas permis #d'atteindre des dispersions inférieures à environ 10 pin pour des profondeurs de gravure de l'ordre de 50 à 100 pin, comme cela a été indiqué ci-dessus. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une machine de gravure permettant d'obtenir une meilleure homogénéité des résultats d'une gravure par bain acide de plaquettes de silicium. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle machine de conception simple et de coût réduit. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle machine permettant d'obtenir une gravure rapide et précise. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une machine de gravure chimique de plaquettes de silicium dans laquelle les plaquettes sont disposées verticalement parallèlement les unes aux autres dans un panier immergé dans un bain de gravure. Le panier est soumis à un déplacement tel que chaque plaquette effectue une révolution autour d'un axe situé à l'extérieur de cette plaquette, chaque plaquette restant dans son plan et conservant la même orientation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre ledit axe et le centre d'une plaquette est sensiblement égale au diamètre d'une plaquette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la machine comprend des moyens d'extraction du liquide de gravure et de réinjection de ce liquide à une température prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le bac de gravure comprend à sa partie inférieure un orifice d'évacuation de liquide et à sa partie supérieure au moins une rampe immergée d'arrivée de liquide, une conduite allant de l'orifice d'extraction à la rampe d'injection en passant par un échangeur thermique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le bain de gravure est un mélange d'acides acétique, fluorhydrique et nitrique dans une proportion sensiblement égale à 5/4/9. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température du bain est stabilisée à une valeur comprise entre sensiblement 3 et 100 C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la vitesse de rotation dans le bain est choisie dans une plage de valeurs telle qu'il existe une plage de températures du bain pour laquelle la dispersion de profondeur de gravure est sensiblement constante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le panier est placé dans une balancelle accrochée à un mécanisme assurant l'immersion de la balancelle dans le bain de gravure, le mouvement de révolution dans le bain, puis le transfert du bain de gravure à un bain d'arrêt d'attaque. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le temps de déplacement du bain de gravure au bain d'arrêt d'attaque est de l'ordre de une à cinq secondes. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1, décrite précédemment, représente un panier porte-plaquettes la figure 2 représente un bac d'une machine de gravure selon la présente invention ; et la figure 3 représente des courbes expérimentales illustrant diverses caractéristiques d'une gravure de silicium obtenue par une machine selon la présente invention. La présente invention prévoit d'utiliser un bac de produit de gravure du type de celui de la figure 2. Ce bac contient un agent de gravure acide 3 tel qu'un mélange d'acides acétique (CH3oe0H), fluorhydrique (HF) et nitrique (HN03) dans une proportion volumique voisine de 5/4/9. L'agent de gravure 3 est amené à circuler dans le bac par l'intermédiaire d'un circuit fermé comprenant une canalisation de sortie 4 disposée en bas du bac et des rampes de réinjection 5 disposées dans le bac à sa partie supérieure au dessous du niveau du liquide. Le circuit fermé comprend une pompe de circulation et des moyens de régulation de température tels qu'un échangeur thermique associé à un groupe frigorifique.Cette circulation permet de maintenir la température de l'agent de gravure sensiblement constante au cours du traitement. L'homme de l'art saura régler le débit de circulation pour assurer cette constance de température en tenant compte du caractère exothermique de la réaction de gravure. Outre cette régulation de température par circulation d'acide qui constitue l'une des caractéristiques de la présente invention, la présente invention prévoit aussi un mode de déplacement particulier des plaquettes dans le bac au cours du traitement. Les plaquettes 1 sont disposées dans un panier 2 du type de celui de la figure 1. Ce panier est lui-même suspendu par une balancelle à un bras d'un moteur qui déplace la balancelle suivant un mouvement de rotation autour d'un axe 10 parallèle à l'axe ll des plaquettes, de sorte que les plaquettes tournent dans leur plan. Des positions successives des plaquettes 1 sont illustrées en figure 2 et des flèches indiquent la direction de rotation. Dans un mode de réalisation de l'invention, la distance entre l'axe de rotation 10 et l'axe 11 de chacune des plaquettes est sensiblement égale au diamètre des plaquettes. Il a été constaté expérimentalement que le choix de ce mode de déplacement particulier des plaquettes conduit, à condition de choisir une vitesse de rotation convenable et une température appropriée du bain, à une meilleure homogénéité de profondeur de gravure qu'avec les systèmes de l'art antérieur. Ceci sera détaillé en relation avec la figure 3. La figure 3 est un diagramme illustrant en fonction de la vitesse de rotation des plaquettes (en tours par minute, en ordonnées) et de la température du bain (en c, en abscisses) diverses caractéristiques du procédé de gravure selon la présente invention. Dans ce diagramme, les droites obliques en pointillés 20 représentent la profondeur de gravure qui est exprimée en micromètres. Les courbes en traits pleins 30 représentent la dispersion de profondeur de gravure en micromètres d'une plaquette à une autre d'un même panier. Les courbes en tiretés 40 représentent la dispersion de profondeur de gravure en micromètres sur une tranche entre le centre et les bords de cette tranche.Ce diagramme correspond à une durée d'immersion dans le mélange d'acides susmentionné de 7 minutes (420 s) avec une circulation d'acide propre à maintenir la température du bain constante pendant le traitement. On peut tirer divers enseignements de ce diagramme. Par exemple, pour une vitesse de rotation donnée relativement faible de l'ordre de 22 tours par minute (correspondant à l'axe des abcisses), on constate que, quand la température varie de -6 C à +4 C, la profondeur de gravure varie de sensiblement 44 pin à 62 pin, tandis que la dispersion de plaquette à plaquette d'un même panier (dispersion homopanier) varie de 2,1 à 4,7 pin et que la dispersion de profondeur entre le centre et le bord d'une tranche donnée (dispersion homotranche) varie de 2,4 à 5 pin. Dans cette plage de vitesses de révolution des plaquettes, on se trouve dans une situation selon laquelle, bien entendu, la vitesse de gravure et donc la profondeur de gravure augmentent avec la température mais aussi selon laquelle la dispersion augmente avec la température. En outre la dispersion augmente plus vite que la profondeur de gravure. Dans cette situation, qui correspond à celle de la plupart des systèmes de l'art antérieur, on a donc intérêt à travailler à faible température pour limiter le rapport dispersion/profondeur, c'està-dire pour augmenter la précision. Cette solution présente un inconvénient majeur qui réside dans le fait même de travailler à des températures basses de l'ordre de -4 à -6 car cela nécessite l'emploi de systèmes de réfrigération importants et coûteux.Un autre inconvénient est que le temps de gravure est plus long que si la température était plus élevée. Par contre, on peut voir en figure 3 que, si l'on travaille à une vitesse de rotation nettement plus élevée, par exemple de tordre de 39 tours par minute (ligne A), on a toujours une augmentation de profondeur de gravure en fonction de la température, cette profondeur variant de sensiblement 48 à 69 um mais que, par contre, les dispersions homotranche et homopanier ne varient sensiblement plus avec la température et restent faibles. Notamment quand la température dépasse une valeur de l'ordre de -2,5 C, la dispersion homopanier reste comprise entre 2,8 et 3,2 m et la dispersion homotranche reste voisine de 3,7 pin. Bien que cela ne soit pas représenté dans la figure, cette quasi-constance des valeurs de dispersion se maintient quand la température augmente au-delà de 4 C. Il est donc clair que l'on a alors intérêt, à augmenter la température de fonctionnement puisque la profondeur de gravure augmente tandis que la dispersion reste constante, c 'est-à-dire que le rapport dispersion/profondeur diminue et donc que la précision de la gravure augmente, tandis que le temps de traitement est plus bref. On notera que les caractéristiques du diagramme de la figure 3 sont obtenues dans le cadre d'une machine utilisant le système de déplacement et de circulation d'acide illustré en figure 2 dans lequel la rampe 5 d'injection d'acide refroidi réalise une injection non parallèle au plan des plaquettes. Cette caractéristique de quasi-oenstance de la dispersion de profondeur de gravure tandis que la température augmente et que la profondeur de gravure augmente est typique de ce système utilisé à une vitesse de révolution convenable des plaquettes. Bien qu'aucune explication théorique de ce phénomène ne puisse être donnée, les inventeurs estiment qu'il est sans doute lié au fait qutil est possible grâce à la présente invention d'atteindre une vitesse de révolution élevée car le déplacement s'effectue dans le plan des plaquettes et n'entraine pas de turbulence. Par contre dans les systèmes antérieurs, ou bien personne n'avait pensé à augmenter la vitesse d'agitation ou bien cette augmentation de vitesse d'agitation était impossible puisqu'elle présentait une composante normale au plan des plaquettes et entraînait inévitablement des turbulences indésirées de l'acide du bain dans lequel se trouvent les plaquettes à graver. Des expériences effectuées par la demanderesse ont montré qu 'unie plage optimale de fonctionnement de la machine selon la présente invention correspondait à une plage de +3 à +10 C pour la température du bain acide. Ceci présente un avantage considérable par rapport aux systèmes de l'art antérieur dans lesquels les températures de bain étaient de l'ordre de -4 à -6 C pour une même composition d'acides. Par ailleurs, étant donné que, selon un aspect de la présente invention, on se place à des températures de bain pour lesquelles la vitesse de gravure est rapide, il importe que le temps de gravure soit déterminé avec une assez grande précision. La gravure part de l'instant où le panier 2 est immergé dans le bain de gravure 3. Toutefois, elle ne s'interrompt pas exactement à l'instant où le panier est sorti du bain. En effet, à ce moment, il reste du liquide de gravure sur les plaquettes et la gravure se prolonge, et ce prolongement de gravure est inhomogène puisque le liquide de gravure tend à se concentrer vers le bas des plaquettes. Ainsi, il est généralement prévu, après avoir sorti les plaquettes du bain de gravure, de les immerger dans un bain de rinçage ou d'arrêt d'attaque. L'agent d'arrêt d'attaque est par exemple de l'acide acétique. Etant donné que, selon la présente invention, on agit dans des plages de température où la vitesse de gravure est importante, il importe que le passage du bain de gravure au bain d'arrêt d'attaque soit particulièrement rapide. Ainsi, de préférence, la machine selon la présente invention incorpore un mécanisme pour transférer automatiquement les paniers de plaquettes du bain de gravure au bain d'arrêt d'attaque en un temps bref. Ce mécanisme peut être tout système de robot choisi, par exemple un mécanisme à deux moteurs, le premier moteur assurant la rotation à l'intérieur du bain de gravure et le deuxième le transfert du bain de gravure au bain d'arrêt d'attaque. Bien entendu, la présente invention est sujette à de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à 1' homme de métier, en particulier en ce qui concerne la nature du bain de gravure, et le choix de la vitesse de rotation et de la température de fonctionnement pour se situer dans une plage optimale dans laquelle le rapport dispersion/vitesse ou profondeur de gravure est minimum. REVENDICATIONS 1. Machine de gravure chimique de plaquettes de silicium dans laquelle les plaquettes sont disposées verticalement parallèlement les unes aux autres dans un panier immergé dans un bain de gravure, caractérisée en ce que le panier (2) est soumis à un déplacement tel que chaque plaquette (1) effectue une révolution autour d'un axe situé à l'extérieur de cette plaquette, chaque plaquette restant dans son plan et conservant la même orientation. 2. Machine de gravure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre ledit axe (10) et le centre (11) d'une plaquette est sensiblement égale au diamètre d'une plaquette. 3. Machine de gravure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (4, 5) d'extraction du liquide de gravure et de réinj ection de ce liquide à une température prédéterminée. 4. Machine de gravure selon la revendication 3, caractérisée en ce que le bac de gravure comprend à sa partie inférieure un orifice d'évacuation de liquide (4) et à sa partie supérieure au moins une rampe immergée (5) d'arrivée de liquide, une conduite allant de l'orifice d'extraction à la rampe d'injection en passant par un échangeur thermique. 5. Machine de gravure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bain de gravure (3) est un mélange d'acides acétique, fluorhydrique et nitrique dans une proportion sensiblement égale à 5/4/9. 6. Machine de gravure selon la revendication 5, caractérisée en ce que la température du bain est stabilisée à une valeur comprise entre sensiblement 3 et 100 C. 7. Machine de gravure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la vitesse de rotation dans le bain est choisie dans une plage de valeurs telle qu'il existe une plage de températures du bain pour laquelle la dispersion de profondeur de gravure est sensiblement constante. 8. Machine de gravure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le panier est placé dans une balancelle accrochée à un mécanisme assurant l'immersion de la balancelle dans le bain de gravure, le mouvement de révolution dans le bain, puis le transfert du bain de gravure à un bain d'arrêt d'attaque. 9. Machine de gravure selon la revendication 8, caractérisée en ce que le temps de déplacement du bain de gravure au bain d'arrêt d'attaque est de l'ordre de une à 5 secondes.