Brevet FR2763964A1 — publié le 19981204

AMÉLIORATION DU FLUX GAZEUX DANS UN RÉACTE D'ÉPITAXIE La présente invention concerne les réacteurs d'épitaxie, plus particulièrement utilisables dans le domaine de l'industrie des composants semi-conducteurs. On tend actuellement à fabriquer des composants semi- conducteurs sur des tranches de plus en plus grand diamètre. On utilise par exemple industriellement des tranches d'un diamètre de 20 ancm, mais des projets sont en cours pour développer des machines à traiter des tranches de diamètre encore supérieur. Avec des tranches d'un tel diamètre, il redevient intéressant de procéder à des traitements tranche par tranche, notamment pour des traitements de dépôt en phase vapeur, par exemple des dépôts de couches épitaxiées. Commne on cherche à obtenir un grand nombre de compo- sants identiques sur une même tranche, il est d'une importance primordiale que les dépôts effectués aient les mêmes caractéris- tiques sur toute l'étendue de la tranche et notamment une même composition et une même épaisseur. Dans le cas de réacteurs de dépôt à appauvrissement, dans lesquels la quantité de gaz déposés sur une tranche constitue une proportion importante (plusieurs pour-cent) du flux de gaz incident, 1 'uniformité de 1 'écoulement gazeux le long de la tranche constitue un paramètre primordial. Un réacteur de dépôt est essentiellement constitué d'une enceinte, généralement en quartz, dont la hauteur est géné- ralement faible devant la largeur. Par exemple, si l'on souhaite traiter des tranches d'un diamètre de 20 cm, il est clair que la largeur doit être supérieure à 20 ancm tandis que la hauteur pourra être de quelques centimètres seulement. Un système de chauffage, par exemple par des lampes chauffantes, est disposé de façon à irradier la face supérieure de l'échantillon et la face inférieure du plateau sur lequel il repose. Les ensembles de lampes sont disposés et réglés de façon à obtenir une température uniforme de la tranche à traiter. L 'enceinte est généralement réalisée en quartz pour être transparente au rayonnement de chauffage, pour être réfrac- taire et supporter des températures élevées et pour être chimi- quement propre et résistante pour minimiser la contamination des surfaces internes de 1 'enceinte au cours du traitement. Toutefois, 1 'utilisation du quartz, en raison de sa fragilité mécanique, en particulier à haute température, n'est pas favorable pour la fabrication de chambres de grande taille et fonctionnant à pression interne réduite qui engendre de fortes contraintes mécaniques sur les parois. En raison de ces contraintes mécaniques, les enceintes des réacteurs d'épitaxie prévus pour traiter des tranches de dimensions importantes (à partir de l'ordre de 20 cm) présentent une forme convexe (concave vue de l'intérieur), à symétrie sphé- rique ou cylindrique. Si de telles formes de l'enceinte améliorent la résis- tance mécanique des parois en quartz, elle nuit à l'uniformité de l'écoulement gazeux le long de la tranche présente dans l'en- ceinte. La présente invention vise à pallier cet inconvénient, en particulier, en proposant un nouveau réacteur d'épitaxie, dont l'enceinte est mécaniquement résistante et qui assure une unifor- mité de l'écoulement gazeux le long de l'échantillon en cours de traitement. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un réacteur d' épitaxie du type comportant une enceinte ayant, en section, une largeur grande devant sa hauteur, et dans laquelle est définie une chambre soumise à un écoulement gazeux dont une paroi inférieure est définie par un suscepteur d' échantillon à traiter, une plaque étant intercalée entre le suscepteur et une paroi supérieure de l'enceinte, et cette plaque constitue une paroi supérieure de la chambre dont la forme est, en section, indépendante de la forme de l'enceinte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la forme de la plaque est choisie en fonction du procédé de trai- tement mis en oeuvre dans le réacteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque est sensiblement plane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le réacteur comporte des moyens de montage amovible de la plaque dans 1 'enceinte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la liaison entre la périphérie de la plaque et les parois inter- nes de l'enceinte est sensiblement étanche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le réacteur comporte des moyens pour provoquer un écoulement gazeux dans un espace séparant la paroi supérieure de 1 'enceinte de la plaque, afin de minimiser un éventuel dépôt parasite et/ou permettre un nettoyage des parois définissant cet espace. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque est en quartz. 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 à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un réacteur d'épitaxie selon un premier mode de réalisation de la présente invention; et la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un réacteur d'épitaxie selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Un réacteur d'épitaxie auquel s'applique la présente invention et dont deux modes de réalisation sont illustrés sché- matiquement aux figures 1 et 2 est, de façon classique, constitué d'une enceinte 1, par exemple en quartz, ayant la forme d'une sphère aplatie (figure 1) ou d'un cylindre aplati (figure 2) ayant, en vue de dessus, une forme générale sensiblement rectan- gulaire. L'enceinte 1 est généralement constituée d'une coque inférieure 2 et d'une coque supérieure 3 toutes deux, par exem- ple, en forme de ddme, et de flasques d'injection 4 et d'évacuation 5. Un suscepteur 6 destiné à recevoir un échantillon à traiter, par exemple une tranche de silicium, est supporté, à 1' intérieur de 1 'enceinte 1, par un système 7 d'entraînement en rotation dont un arbre 8 traverse la coque inférieure 2. Le sus- cepteur 6 définit un plan inférieur d'une chambre de dépôt 9 dans laquelle on provoque un écoulement gazeux. La chambre de dépôt 9 est limitée aux extrémités longitudinales par des faces internes 10 des flasques 4, 5. La figure 1 représente un réacteur dans lequel les coques 2, 3 présentent un axe de symétrie vertical dans le plan de la figure, c'est- à-dire confondu avec l'axe de rotation du suscepteur 6. La figure 2 représente un réacteur dans lequel la chambre 9 présente un axe de symétrie y-y parallèle à l'écoule- ment gazeux. On notera que de telles formes d'enceinte sont des exemples et que d'autres formes adaptées à la tenue mécanique de l'enceinte i pourront être prévues. Des plaques (non représentées) de fermeture peuvent être ouvertes pour accéder à l'intérieur de 1 'enceinte, en parti- culier pour introduire et extraire des échantillons à traiter. De telles plaques peuvent être prévues au niveau des flasques d'ex- trémité 4, 5 ou au niveau de flasques latéraux (non représentés). Ces plaques sont, souvent, adaptées à une introduction et à une évacuation automatisée des échantillons à traiter. Une caractéristique de la présente invention est qu'une plaque 11, par exemple en quartz, est intercalée entre le suscep- teur 6 et le dôme supérieur 3 pour délimiter la chambre de dépôt 9 au moyen d'une paroi indépendante du dôme supérieur 3. La pla- que 11 est, de préférence, sensiblement plane. La forme (rectan- gulaire, ronde, etc.) de la plaque 11 dépend de la forme de 1 'enceinte (cylindrique, sphérique, etc.). La chambre de dépôt 9 présente donc, selon la présente invention, une section sensiblement rectangulaire dont la hauteur h est faible devant la largeur 1, alors même que 1 'enceinte 1 présente une section de forme générale circulaire. A titre d'exemple, dans le mode de réalisation repré- senté à la figure 1, le système 7 est pourvu de bras 12 dont des premières extrémités respectives sont liés en rotation à l'arbre tournant 8 et dont des deuxièmes extrémités respectives sont des- tinées à supporter un premier jeu de pieds 13 du suscepteur 6. Le système 7 est généralement associé à un mécanisme 14 de relevage du suscepteur 6 pour permettre 1 'introduction et 1 'extraction des tranches de silicium. Ce mécanisme 14 est, par exemple, constitué d'un fourreau 15 coaxial à l'arbre 8 et traversant la coque 2. Le fourreau 15 est mobile axialement et est associé à des bras 16 dont des extrémités libres sont destinées à supporter, lors d'un mouvement de translation axiale, un deuxième jeu de pieds 17 du suscepteur 6. Les pieds 17 sont d'une longueur supérieure aux pieds 13. La course axiale du fourreau 15 est telle que, dans une première position rétractée en direction de la coque 2, les pieds 17 ne reposent pas sur les bras 16 et le suscepteur 6 repose sur les bras 12 pour être entraîné en rotation et que, dans une posi- tion relevée en direction du dôme 3, le suscepteur 6 ne repose plus sur les bras 12 mais repose sur les bras 16 et est donc déconnecté du système de rotation. Le cas échéant, les pieds 13, 17 sont respectivement liés aux bras 12, 16 et non au suscepteur 6. Généralement, un anneau de préchauffage annulaire 18 entoure le suscepteur 6. L'anneau 18 est coplanaire avec le sus- cepteur 6 lorsque ce dernier est dans sa position de rotation, et le bord interne de 1 'anneau 18 est proche du bord externe du sus- cepteur 6. Le réacteur est en outre associé à des moyens de chauffage (non représentés), généralement disposés au-dessus et en dessous de 1 'enceinte et répartis de façon à obtenir une tem- pérature uniforme de la chambre de dépôt 9. Des gaz sont introduits au niveau d'un injecteur 19, par exemple un injecteur de gaz multipoints dont des canaux 20 traversent le flasque 4. Ces gaz sont évacués de la chambre de dépôt 9, par des canaux d'évacuation 21 du flasque 5, reliés à un échappement 22. La figure 2 est une vue partielle en perspective d'un réacteur de forme générale cylindrique. Bien que les formes soient différentes aux figures 1 et 2, on peut considérer que le plan de coupe de la figure 1 correspond au plan I en traits mix- tes à la figure 2. Par souci de simplification, l'enceinte 1 a été représentée de façon très schématique à la figure 2 et de façon monobloc. On notera toutefois que, les coques 2 et 3 peu- vent être individualisés et assemblés par des brides adaptées. De même, pour des raisons de clarté, les mécanismes de rotation et de translation du suscepteur 6 et les flasques 4, 5 n'ont pas été représentés à la figure 2. Le maintien de la plaque 11 peut être effectué de dif- férentes manières, pourvu que les moyens de maintien utilisés ne nuisent pas à l'écoulement des gaz dans la chambre de dépôt. Par exemple, des nervures 22 pourront être ménagées au voisinage du bord des coques 2 et 3 pour supporter la plaque 11 comme l'illustre la figure 2, et/ou les flasques 4, 5 pourront chacun être pourvu d'un rebord 23 pour supporter les extrémités de la plaque 11, comme l'illustre la figure 1. A titre de variante, la plaque 11 peut être posée sur des picots en quartz (non représentés), saillants de la face interne de la coque 3. Toujours à titre de variante, la plaque 11 pourra être pourvue de pieds destinés à porter sur des supports saillants des faces internes 10 des flasques 4 ou des coques 2 et 3. Le cas échéant, de tels pieds de la plaque 11 pourront reposer sur l'anneau 18. On veillera à ce que l'écoulement gazeux dans la cham- bre 9 ne puisse pas atteindre un espace 24 compris entre la face interne de la coque 3 et la face supérieure de la plaque 11 afin d'empêcher l'accumulation de dépôts dans cet espace. Selon un premier mode de réalisation, l'assemblage de la plaque 11 à la coque 3 est effectué de manière sensiblement étanche. Selon un autre mode de réalisation, les flasques d'ex- trémité du réacteur sont adaptées pour permettre 1 'écoulement d'un flux gazeux secondaire dans l'espace 24. La création d'un écoulement gazeux secondaire empêche l'entrée, dans l'espace 24, de gaz de traitement du flux principal de la chambre 9, par exem- ple, pendant l'étape de dépôt, et minimise le dépôt parasite éventuel. On pourra, le cas échéant, introduire un gaz de gravure de dépôt dans 1 'espace 24 pendant une étape de nettoyage, afin d'éliminer d'éventuels dépôts résiduels sur les parois délimitant l'espace 24. Le matériau constitutif de la plaque 11 est, selon l'invention, choisi en fonction du procédé chimique utilisé pour le dépôt au moyen du réacteur. En particulier, si le chauffage est radiatif, la plaque 11 devra être transparente aux radiations concernées. Lorsque le procédé de traitement met en oeuvre une étape de gravure/nettoyage, la plaque 11 sera choisie pour résis- ter convenablement à cette étape. On notera que la forme de la plaque 11 n'est pas néces- sairement plane. La plaque 11 peut, selon l'invention, avoir une forme plus élaborée (par exemple légèrement courbe) pour optimi- ser l'écoulement gazeux à un traitement spécifique. Un avantage de la présente invention est qu'elle disso- cie la fonction de résistance aux contraintes mécaniques assurée par la coque supérieure 3 de l'enceinte de la fonction d'organi- sation de l' écoulement gazeux qui est, selon 1 ' invention, désor- mais assurée par une plaque additionnelle 11. Un autre avantage de la présente invention est que la plaque 11 peut être changée en fonction du procédé de traitement mis en oeuvre, sans nécessiter de modification de l'enceinte externe du réacteur conçue pour résister aux contraintes mécani- ques. Les moyens de maintien de la plaque 11 à l'intérieur de l'enceinte 1 sont donc, de préférence, adaptés pour permettre un changement de la plaque 11. Par exemple, dans le cas d'une enceinte de forme générale cylindrique telle que représentée aux figures, le changement de la plaque 11 s'effectue en démontant un flasque d'extrémité 4 ou 5 et en faisant coulisser la plaque 11 sur les nervures 22. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention s'applique à n'importe quelle enceinte d'écoulement gazeux pour laquelle il est souhaitable de contrôler la planéité de 1 'écoulement indépendamment de la forme externe de 1 'enceinte. REVENDICATIONS 1. Réacteur d'épitaxie du type comportant une enceinte (1) ayant, en section, une largeur (1) grande devant sa hauteur (h), et dans laquelle est définie une chambre (9) soumise à un écoulement gazeux dont une paroi inférieure est définie par un suscepteur (6) d'échantillon à traiter, caractérisé en oe qu'il comporte une plaque (11), intercalée entre le suscepteur (6) et une paroi supérieure (3) de l'enceinte, la plaque constituant une paroi supérieure de la chambre dont la forme est, en section, indépendante de la forme de l'enceinte. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme de la plaque (11) est choisie en fonction du procédé de traitement mis en oeuvre dans le réacteur. 3. Réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque (11) est sensiblement plane. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de montage amo- vible de la plaque (11) dans l'enceinte (1). 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la liaison entre la périphérie de la plaque (11) et les parois internes de l'enceinte (1) est sensi- blement étanche. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour provoquer un écoulement gazeux dans un espace (24) séparant la paroi supé- rieure (3) de l'enceinte (1) de la plaque (11), afin de minimiser tout dépôt parasite et/ou permettre un nettoyage des parois défi- nissant cet espace. 7. Réacteur selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plaque (11) est en quartz.