Brevet FR2894257A1 — publié le 20070608

L'invention concerne une cellule d'effusion haute température de grande capacité destinée à la vaporisation de matériaux pour les machines d'épitaxie par jet moléculaire (EJM). Dans l'industrie du semi-conducteur, la réalisation de galettes de semi-conducteurs ( wafers ) est obtenue par dépôt de films ultra-minces de matériaux ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel ...) sur des substrats en silicium. Dans cette industrie, on dispose plusieurs galettes de semi-conducteurs sur un plateau ayant une dimension de 200 à 300 10 mm. Il faut donc des machines EJM de grande capacité et par conséquent des cellules à effusion de grande capacité pour permettre d'effectuer des dépôts de matériaux ferromagnétiques sur de telles surfaces. 15 On connaît des cellules d'effusion dites "à haute température" (1600 C) comme celle du brevet US 5 827 371. Ces cellules utilisent un moyen de chauffage par effet Joule pour évaporer les matériaux ferromagnétiques. Cependant elles sont de petites capacités entre 6 et 35 cm3. 20 Les besoins futurs pour équiper les machines de production EJM nécessitent le développement de cellules dites haute température (1450 C) et de grande capacité (environ 1000 cm). Ces cellules comprennent un creuset réfractaire de forme conique. Cette forme permet d'orienter de flux de matériaux 25 sublimé vers le substrat pour optimiser l'uniformité du dépôt. Ce flux prend la forme du creuset, il est par conséquent conique. Pour recouvrir des surfaces de 200 à 300 mm, il est difficile d'augmenter le diamètre du creuset pour augmenter la capacité de la cellule d'effusion. 30 En effet, le gradient thermique dans le matériau à évaporer, allant du bord du creuset qui est chauffé jusqu'au centre du creuset, est trop élevé. La température du matériau à l'intérieur du creuset n'est plus uniforme. Le matériau présente des points froids , ce qui entraîne un dépôt de matériaux non uniforme sur 35 le substrat. On connaît des machines EJM qui utilisent trois cellules d'effusion pour augmenter la capacité d'évaporation de la machine. Ces cellules sont disposées à trois emplacements (ou piquages) différents. Elles peuvent contenir le même matériau à évaporer. Cependant, la capacité d'évaporation d'une telle machine EJM est insuffisante pour couvrir les besoins actuels, elle n'atteint pas les 1000 cm3 et son coût de fabrication est élevé. Par conséquent, l'objectif de la présente invention est donc de proposer une cellule d'effusion haute température ayant une grande capacité permettant l'évaporation de matériaux ferromagnétiques de façon uniforme sur une plus grande surface de substrat, simple à mettre en ceuvre et à moindre coût avec des cellules disposées au même emplacement. A cet effet, l'invention concerne une cellule d'effusion haute température de grande capacité destinée à la vaporisation de matériaux pour les machines d'épitaxie par jet moléculaire comprenant : - un support de creuset de forme allongée avec un axe de 20 symétrie présentant une face supérieure ouverte et une face inférieure fermée, - au moins un creuset réfractaire de forme également allongée avec un axe de symétrie, apte à contenir un matériau à évaporer, le creuset étant placé à l'intérieur du support de 25 creuset et présentant une ouverture au voisinage de la face supérieure du support de creuset, - un moyen de chauffage du creuset entourant le creuset, - un écrantage thermique entourant le support de creuset. Selon l'invention, la cellule d'effusion haute température 30 comprend : - au moins deux creusets disposés autour de l'axe de symétrie du support de creuset formant un ensemble de creusets. Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront 35 au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - les creusets sont de forme conique, - les creusets sont de forme cylindrique, - chaque creuset de forme cylindrique comprend un insert conique inséré dans l'ouverture desdits creusets de forme cylindrique, - l'insert conique est en alumine, - l'insert conique est chauffé, - les moyens de chauffage des creusets sont des filaments plats, - les filaments plats sont en tantale. L'invention concerne également une source d'effusion comprenant : -au moins un thermocouple en contact avec un creuset, ledit thermocouple étant relié à un conducteur de thermocouple, - un connecteur de thermocouple relié au conducteur de thermocouple, -un conducteur de puissance relié aux moyens de chauffage des creusets, - au moins un connecteur de puissance relié au conducteur de puissance. Selon l'invention, la source d'effusion comprend une cellule d'effusion comme décrite ci-dessus. L'invention concerne également une machine d'épitaxie par jet moléculaire. Selon l'invention, elle comprend au moins une source d'effusion comme décrite ci-dessus. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux 30 dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une cellule d'effusion selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une cellule d'effusion haute température de grande capacité selon un 35 mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 3 est une représentation schématique de la cellule d'effusion haute température de grande capacité vue de dessus selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'une cellule d'effusion haute température de grande capacité vue de dessus selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 5 est une représentation schématique d'une machine EJM selon un mode de réalisation particulier de 10 l'invention ; La figure 1 représente une cellule d'effusion 23 selon l'art antérieur comprenant un support de creuset 2 de forme allongée avec un axe de symétrie 5. Ce support de creuset 2 présente une face supérieure 3 ouverte et une face inférieure 4 fermée. 15 Sur la figure 1, le support de creuset 2 est de forme allongée et cylindrique. Il présente un axe de symétrie 5. Cette cellule d'effusion 23 comprend un creuset réfractaire 1 de forme également allongée avec un axe de symétrie 11 qui se superpose à l'axe de symétrie 5 du support de creuset 2. 20 Sur la figure 1, le creuset 1 est de forme conique. Ce creuset 1 est apte à contenir un matériau à évaporer 24. Il est placé à l'intérieur du support de creuset 2 et présente une ouverture 10 au voisinage de la face supérieure 3 du support de creuset 2. 25 Un moyen de chauffage du creuset 7 entoure le creuset 1. Ce moyen de chauffage 7 est communément de type électrique (effet joule). La cellule 23 fonctionne par procédé thermique. Un écrantage thermique 6 entoure le support de creuset 2. Le matériau à évaporer ou à sublimer 24 est introduit dans 30 le creuset réfractaire 1 dont la géométrie correspond aux paramètres de dépôt. Ce creuset 1 est chauffé par radiation d'un métal porté à haute température par passage d'un courant électrique. La capacité d'une telle cellule est limitée à environ 35 cm3. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cellule d'effusion 23 haute température de grande capacité comprend au moins deux creusets 1 disposés autour de l'axe de symétrie 5 du support de creuset 2 formant un ensemble de creusets. Les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation particulier de l'invention pour lequel le support de creuset 2 comprend trois creusets 1. La figure 3 représente une vue de dessus. Les creusets 1 peuvent être disposés de façon symétrique 10 par rapport à l'axe de symétrie 5. Ils peuvent également être disposés de façon non symétrique. Ils peuvent être de forme conique ou cylindrique. Sur les figures 2 et 3, ils sont de forme cylindrique. Dans ce cas, un insert conique 9 est inséré dans l'ouverture 15 10 de chaque creuset 1 pour améliorer l'uniformité du dépôt sur le substrat 20. Il peut être en alumine et peut être chauffé par un élément chauffant. La forme conique de l'insert 9 permet d'orienter le flux de matériaux sublimé qui prend alors une forme conique. Ces inserts 20 9 sont insérés dans des creusets 1 de forme cylindrique. Pour des raisons d'efficacité, on préfèrera utiliser des creusets de forme légèrement conique sans insert. Il est également possible de combiner des creusets 1 de forme conique avec des creusets 1 de forme cylindrique. 25 Ces creusets 1 peuvent contenir le même matériau à sublimer 24 ou bien des matériaux différents. Il est possible d'insérer plus de trois creusets 1, de taille adaptée, dans le support de creuset 2 afin d'augmenter la capacité de la cellule d'effusion. Le support de creuset 2 est de 30 dimension variable. Les creusets 1 peuvent être entourés chacun d'un filament plat en tantale 7 destiné à chauffer le matériau 24 incorporé dans chaque creuset 1. D'autres types de filament et moyens de chauffage sont 35 possibles. Chaque creuset 1 peut avoir sa propre alimentation. Ces creusets 1 permettent d'accroître le diamètre d'évaporation tout en limitant les pertes thermiques. La température du matériau à sublimer 24 à l'intérieur de chaque creuset 1 est quasi uniforme. La température au centre des creusets 1 est quasiment égale à celle aux bords des creusets 1. Les points froids ont quasiment disparu. Les filaments 7 sont alimentés en série par une alimentation connectée aux connecteurs de puissance 15. Chaque creuset 1 comprend un thermocouple 17. La température peut être régulée sur un seul creuset 1. Un écrantage thermique 6 unique entoure l'ensemble de creusets. Cet écrantage thermique 6 peut être constitué de différents écrans pouvant être composés de tantale. La forme de l'écrantage thermique entourant l'ensemble de creusets est variable. Elle peut être optimisée comme par exemple sur la figure 4 où elle est triangulaire en entourant trois creusets 1. La forme du support de creuset 2 est, dans cet exemple, cylindrique. Les cellules d'effusion telles que décrites ci-dessus, permettent d'atteindre des capacités de 300 cm3 à 1000 cm3. L'invention concerne également une source d'effusion 19. Le support de creuset 2 de la source d'effusion 19 est supporté par un porte support de creuset 27. Ce porte support de creuset 27 est fixé à des tiges de support 14 elles mêmes reliées à une bride de connecteur 13. La source d'effusion 19 comporte avantageusement trois tiges de support 14 comme le montre la figure 2. Elles permettent d'éloigner la bride de connecteur 13 du support de creuset 2 pouvant atteindre de très hautes températures (1450 C). Un thermocouple 17 mesure la température du creuset 1. Ce thermocouple 17 est relié à un conducteur de thermocouple 12. Le conducteur de thermocouple 12 est relié à un connecteur de thermocouple 16. Le moyen de chauffage du creuset 7 est relié à un conducteur de puissance 8 qui est lui-même relié à un connecteur de puissance 15. Le connecteur de thermocouple 16 et le connecteur de 5 puissance 15 sont fixés à la bride de connecteur 13. La source d'effusion 19 comprend une cellule d'effusion 23 comportant au moins deux creusets 1 disposés autour de l'axe de symétrie 5 du support de creuset 2 formant un ensemble de creusets. 10 L'invention concerne également des machines EJM comprenant au moins une source d'effusion 19 comme définie précédemment. Ce type de machine EJM permet d'évaporer des flux moléculaires 18 importants dans des enceintes 22 ayant un vide 15 de 10-9 torrs et des températures allant jusqu'à 1450 C. Avec une telle source d'effusion 19, on atteint des capacités allant de 300 cm3 à 1000 cm3, comme dit précédemment. Cette source d'effusion 19 permet d'effectuer des dépôts uniformes à la surface de plateaux 20 comprenant des galettes de 20 semi-conducteurs et ayant des diamètres allant jusqu'à plus de 500 mm. Comme le montre l'exemple de la figure 5, des combinaisons de sources d'effusion sont possibles en intégrant dans la machine EJM à la fois une source d'effusion classique 21 avec une 25 source d'effusion 19 comportant au moins deux creusets 1 disposés autour de l'axe de symétrie 5 du support de creuset (2). On obtient des machines EJM à haute capacité de sublimation, simples à mettre en ceuvre et à faible coût. 30 REVENDICATIONS 1. Cellule d'effusion haute température de grande capacité destinée à la vaporisation de matériaux pour machines d'épitaxie 5 par jet moléculaire comprenant : - un support de creuset (2) de forme allongée avec un axe de symétrie (5) présentant une face supérieure (3) ouverte et une face inférieure (4) fermée, - au moins un creuset réfractaire (1) de forme également 10 allongée avec un axe de symétrie (11), apte à contenir un matériau à évaporer, ledit creuset (1) étant placé à l'intérieur du support de creuset (2) et présentant une ouverture (10) au voisinage de la face supérieure (3) du support de creuset (2), - un moyen de chauffage du creuset (7) entourant ledit 15 creuset (1), - un écrantage thermique (6) entourant le support de creuset (2), caractérisée en ce qu'elle comprend : - au moins deux creusets (1) disposés autour de l'axe de 20 symétrie (5) du support de creuset (2) formant un ensemble de creusets. 2. Cellule d'effusion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un écrantage thermique (6) unique entoure l'ensemble de creusets. 25 3. Cellule d'effusion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les creusets (1) sont de forme conique. 4. Cellule d'effusion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les creusets (1) sont de forme cylindrique. 5. Cellule d'effusion selon la revendication 4, caractérisée 30 en ce que chaque creuset (1) de forme cylindrique comprend un insert conique (9) inséré dans l'ouverture (10) desdits creusets (1) de forme cylindrique. 6. Cellule d'effusion selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'insert conique (9) est en alumine. 7. Cellule d'effusion selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que l'insert conique (9) est chauffé. 8. Cellule d'effusion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de 5 chauffage des creusets (7) sont des filaments plats. 9. Cellule d'effusion selon la revendication 8, caractérisée en ce que les filaments plats sont en tantale. 10. Source d'effusion comprenant : - au moins un thermocouple (17) en contact avec un creuset 10 (1), ledit thermocouple (17) étant relié à un conducteur de thermocouple (12), - un connecteur de thermocouple (16) relié au conducteur de thermocouple (12), -un conducteur de puissance (8) relié aux moyens de 15 chauffage des creusets (7), - au moins un connecteur de puissance (15) relié au conducteur de puissance (8), caractérisée en ce qu'elle comprend une cellule d'effusion (23) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 20 11. Machine d'épitaxie par jet moléculaire caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une source d'effusion (19) selon la revendication 10.