Brevet FR3057391A1 — publié le 20180413

EQUIPEMENT DE TRAITEMENT THERMIQUE AVEC DISPOSITIF COLLECTEUR DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un équipement de traitement thermique comprenant une enceinte apte à recevoir une pluralité de substrats. L'équipement est muni d'un dispositif collecteur, pour limiter les dépôts par condensation d'une partie des gaz évacués, sur la paroi interne de l'enceinte et la contamination particulaire induite au cours de l'étape de déchargement des substrats. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les substrats de silicium ou de silicium sur isolant (SOI pour « Silicon on Insulator ») sont largement utilisés pour la fabrication de dispositifs microélectroniques. Comme cela est bien connu en soi, un tel substrat comporte une couche utile de silicium et un oxyde enterré, disposés sur un substrat support. Pour permettre une intégration toujours plus importante de transistors sur ces substrats, la diminution des dimensions latérales des composants élémentaires et la finesse de gravure requièrent des substrats d'une qualité croissante, tant en terme de qualité cristalline et uniformité de couches qu'en terme de contamination particulaire. Pour l'élaboration d'un substrat SOI, des traitements thermiques à hautes températures sont appliqués, notamment lors des étapes de consolidation de l'interface de collage ou de finition des couches utiles de silicium et d'oxyde enterré. Les équipements de traitement thermique et notamment les fours verticaux, capables de traiter une pluralité de substrats 3057391 2 simultanément, sont particulièrement adaptés à ce type d'étapes. Comme illustré sur la figure la, un four vertical 1 est notamment composé d'une enceinte 2 (ou tube) dans laquelle une colonne de chargement 3 supportant la pluralité de 5 substrats 10 est apte à réaliser un mouvement de translation vertical pour charger/décharger la pluralité de substrats 10 et pour les maintenir dans l'enceinte 2. Des éléments chauffants 4, disposés autour de l'enceinte 2, ainsi qu'au moins une voie d'entrée 5 de gaz neuf et une voie de sortie 6 10 de gaz à évacuer composent également ce type de four. A titre d'exemple, les substrats SOI peuvent être soumis à un traitement thermique à haute température (> 1100°C) sous atmosphère inerte afin de lisser la surface du 15 silicium et/ou de dissoudre une partie ou l'intégralité de l'oxyde enterré (appelé BOX). Dans ces conditions de traitement, une diminution de l'épaisseur du BOX est observée par un phénomène de dissolution. Le monoxyde de silicium gazeux (SiO) est un produit de cette réaction de dissolution. 20 Le monoxyde de silicium s'échappe de la surface des substrats SOI en quantité proportionnelle à la vitesse de dissolution avant d'être emporté par le flux du gaz caloporteur circulant dans l'enceinte 2 du four vertical 1, vers la voie de sortie 6 du four (également appelé exhaust) située dans la partie 25 inférieure de l'enceinte 2. Le phénomène de dissolution est notamment reporté dans le document « Novel trends in SOI Technology for CMOS applications » de O. Kononchuck et al paru dans la revue Solid State Phenomena, volume 156 - 158 (2010) p 69 à 76. 30 Dans la partie inférieure de l'enceinte 2, le gaz se refroidit progressivement lorsqu'il quitte la zone proche des éléments chauffants 4 et circule vers l'exhaust 6. Comme le SiO est faiblement soluble dans le gaz caloporteur, il se condense en-dessous d'une température critique sur les parties 3057391 3 solides du bas du four 1 : principalement, les parois internes de l'enceinte 2, les conduits de la voie de sortie 6 et les pièces inférieures de la colonne de chargement 3 des substrats 10 (figure lb). Ce dépôt 7 s'épaissit au fur et à mesure du 5 traitement des substrats 10 et peut atteindre plusieurs dizaines de microns d'épaisseur. Composé d'un mélange de SiO, Si et SiO2, il est fortement contraint et se délamine sous forme de copeaux lorsqu'il devient trop épais. Lors des phases de chargement et de déchargement du four 1, la colonne de 10 chargement 3 rentre et sort de l'enceinte 2 et les substrats 10 passent donc directement dans la zone inférieure de l'enceinte 2 où le dépôt 7 de SiO est présent (figure lc). La délamination de ce dernier induit une contamination particulaire des substrats 10, particulièrement dommageable à 15 leur qualité finale. Des écrans de protection en quartz peuvent être placés contre la partie inférieure de l'enceinte 2, de manière à recueillir l'essentiel du dépôt 7 de SiO, assurant ainsi 20 l'intégrité de l'enceinte 2 du four 1. Ces écrans sont sacrificiels, ils peuvent être changés et permettent d'augmenter considérablement la durée de vie des enceintes 2, qui sont des pièces extrêmement onéreuses et longues à changer dans un équipement de traitement thermique. 25 Néanmoins, sauf à être changés très régulièrement, ce qui n'est pas économiquement viable, ces écrans de protection ne sont aucunement une solution pour le problème de contamination particulaire des substrats 10 par la délamination des dépôts de SiO, puisque la colonne de 30 chargement 3 des substrats 10 continue de passer à proximité des écrans contaminés lors des étapes de chargement et de déchargement. 3057391 4 OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients précités. Un objet de l'invention est un 5 équipement de traitement thermique muni d'un dispositif collecteur permettant de limiter ou d'éliminer la présence de dépôts dans l'enceinte dudit équipement, au niveau de zones de passage des substrats, pour éviter des contaminations particulaires préjudiciables à la qualité desdits substrats. 10 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention concerne un équipement de 15 traitement thermique comprenant une enceinte apte à recevoir une pluralité de substrats, une voie d'entrée d'un gaz dans une partie distale de l'enceinte et une voie de sortie du gaz et/ou d'espèces volatiles générées au cours du traitement thermique, dans une partie proximale de l'enceinte 20 l'équipement de traitement thermique est remarquable en ce qu'il comprend un dispositif collecteur, dans la partie proximale de l'enceinte, définissant un compartiment en communication avec la voie de sortie et dans lequel le gaz et les espèces volatiles sont destinés à circuler, afin de 25 favoriser le dépôt des espèces volatiles sur des surfaces internes du dispositif collecteur. Le gaz et les espèces volatiles circulant dans l'enceinte sont captés dans le compartiment du dispositif 30 collecteur, dans la partie proximale de l'enceinte où les espèces volatiles sont susceptibles de condenser et de former un dépôt. Le dépôt, s'il doit se former, s'effectue au moins en partie sur les surfaces internes du compartiment du dispositif collecteur. Si une délamination survient, les particules sont essentiellement générées dans le compartiment 3057391 5 du dispositif collecteur et non dans l'enceinte : cela limite significativement les risques de contamination particulaire lors du passage des substrats disposés dans la colonne de chargement, pour le chargement et/ou le déchargement de 5 l'équipement. Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, prises seules ou en combinaison : - le dispositif collecteur présente une forme générale de 10 portion de cylindre creux à section annulaire, ladite section annulaire formant une section du compartiment ; - le dispositif collecteur présente une forme générale de cylindre creux à section annulaire, ladite section annulaire formant une section du compartiment ; 15 - la section du compartiment présente une largeur de 1 à lOmm, préférentiellement 5mm ; - le dispositif collecteur présente une ouverture de confinement orientée vers la partie distale de l'enceinte ; 20 - l'ouverture de confinement est située à une position dans l'enceinte où la température est supérieure à la température critique de condensation des espèces volatiles ; - le compartiment comprend une première paroi cylindrique, 25 disposée contre une paroi interne de l'enceinte, et une deuxième paroi cylindrique, la deuxième paroi cylindrique présentant au moins un trou de purge ; - le dispositif collecteur comprend un embout apte à s'insérer dans la voie de sortie, une extrémité de 30 l'embout étant en communication avec le compartiment ; - le dispositif collecteur est amovible ; 3057391 6 - le dispositif collecteur est formé d'un matériau choisi parmi le quartz, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure d'aluminium, l'alumine. 5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en 10 référence aux figures annexées sur lesquelles : les figures la, lb et le présentent une configuration d'un four vertical de l'état de l'art ; les figures 2a et 2b présentent un équipement de traitement thermique muni d'un dispositif collecteur 15 conforme à l'invention ; les figures 3a et 3b présentent un mode de réalisation d'un dispositif collecteur conforme à l'invention ; les figures 4a et 4b présente un autre mode de réalisation d'un dispositif collecteur conforme à 20 l'invention ; DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 Les figures sont des représentations schématiques qui ne doivent pas être interprétées de manière limitative. Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature. 30 L'invention concerne un équipement de traitement thermique 100 apte à traiter une pluralité de substrats 10. Comme illustré sur les figures 2a et 2b, l'équipement 100 comprend une enceinte 2 apte à recevoir une pluralité de substrats 10, supportés par une colonne de chargement 3. Il 3057391 7 comprend également une voie d'entrée 5 d'un gaz ou d'un mélange de gaz, dans une première partie, appelée partie distale, de l'enceinte 2. On entend par partie distale, l'extrémité de l'enceinte 2 située à l'opposé de la zone 5 d'entrée des substrats 10 dans l'enceinte 2. Habituellement, dans les équipements de traitement thermique, dont l'enceinte est soit horizontale, soit verticale, les gaz sont injectés dans la partie distale de l'enceinte 2. L'équipement 100 comprend également une voie de sortie 6 du gaz et/ou des 10 espèces volatiles potentiellement générées au cours du traitement thermique. Cette voie de sortie 6 se trouve dans une deuxième partie, appelée partie proximale, de l'enceinte 2 ; la partie proximale est la partie de l'enceinte 2 située à proximité de la zone d'entrée des substrats 10 dans l'enceinte 15 2. A titre d'exemple et comme évoqué en introduction, lors d'un traitement thermique de lissage de substrats SOI, le gaz introduit par la voie d'entrée 5 est un gaz inerte de type Argon ; à des températures autour de 1100°C, un phénomène de 20 dissolution de l'oxyde enterré apparaît qui va produire un composé volatile : le monoxyde de silicium gazeux (SiO). Les espèces volatiles SiO sont alors entrainées par le flux d'argon vers la voie de sortie 6. 25 L'équipement de traitement thermique 100 comprend en outre un dispositif collecteur 200, dans la partie proximale de l'enceinte 2. Le dispositif collecteur 200 définit un compartiment 201 en communication avec la voie de sortie 6 et dans lequel le gaz et les espèces volatiles sont destinés à 30 circuler pour être évacués. Le dispositif collecteur 200 est situé dans la partie proximale de l'enceinte 2 où la température chute du fait de l'éloignement des éléments chauffants 4 de l'équipement 100. Dans cette partie, le gaz et les espèces volatiles vont refroidir : tout ou partie du gaz 3057391 8 et/ou des espèces volatiles va ainsi être susceptible de condenser sur les parois des éléments avec lesquels il y aura contact, formant un dépôt 7, nommé dépôt contaminant dans la suite de cette description. La circulation imposée du gaz et 5 des espèces volatiles dans le compartiment 201 favorise la formation du dépôt contaminant sur les surfaces internes dudit compartiment 201 du dispositif collecteur 200. Il est ainsi possible de limiter la formation de ce dépôt contaminant 7 sur les parois internes de l'enceinte 2 et/ou sur les surfaces 10 externes du dispositif collecteur 200. Si une délamination survient, les particules sont essentiellement générées dans le compartiment 201 du dispositif collecteur 200 et non dans l'enceinte 2 : cela limite significativement les risques de contamination particulaire lors du passage des substrats 10 15 supportés par la colonne de chargement 3, au chargement et au déchargement de l'équipement 100. Avantageusement, le compartiment 201 du dispositif collecteur 200 présente une ouverture de confinement 202 20 orientée vers la partie distale de l'enceinte 2. Le compartiment 201 est en communication avec l'enceinte grâce à cette ouverture de confinement 202. Le gaz et les espèces volatiles circulant dans l'enceinte 2 de la voie d'entrée 5 vers la voie de sortie 6, vont entrer dans le compartiment 201 25 par l'ouverture de confinement 202, traverser le compartiment 201 puis rejoindre la voie de sortie 6, cette dernière étant en communication avec le compartiment 201. Avantageusement, l'ouverture de confinement 202 est 30 située à une position dans l'enceinte 2 au niveau de laquelle la température du gaz et des espèces volatiles est supérieure à la température critique de condensation de tout ou partie des espèces volatiles. 3057391 9 Dans le cas illustré d'un équipement de traitement thermique 100 vertical, la hauteur à laquelle va se trouver l'ouverture de confinement 202 va définir la température des espèces volatiles à leur entrée dans le compartiment 201. La 5 hauteur correspond typiquement à la distance entre l'entrée des substrats 10 (en partie inférieure pour un four vertical) et l'ouverture de confinement 202. Pour éviter tout dépôt contaminant 7 sur les parois internes de l'enceinte 2, la hauteur du dispositif collecteur 200 est choisie pour que la 10 température des espèces volatiles à leur entrée dans le compartiment 201 soit supérieure à leur température critique (Te) de condensation. A titre d'exemple, pour des espèces volatiles de SiO, ces dernières seront à une température d'environ 1100 °C à 15 leur entrée dans l'ouverture de confinement 202 du compartiment 201, la température critique de condensation étant de l'ordre de 1050 °C. Par exemple, dans un four vertical 100 dont l'enceinte 2 présente une longueur de 170 cm et une section de diamètre 35 cm, la hauteur de l'ouverture de 20 confinement 202 est d'environ 30 cm, la zone centrale dans laquelle les substrats 10 sont supportés par la colonne de chargement 3 s'étendant d'une hauteur de 45 cm à une hauteur de 150 cm. 25 Selon les procédés mis en oeuvre dans l'équipement de traitement thermique 100, définis par un profil de températures, une nature de gaz et d'espèces volatiles, la hauteur de l'ouverture de confinement 202 du dispositif collecteur 200 à l'intérieur de l'enceinte 2 pourra être 30 différente, pour s'adapter à la hauteur à laquelle les espèces seront à leur température critique de condensation. En fonction des procédés, il pourra donc exister différents dispositifs collecteurs 200, présentant des dimensions spécifiques. 3057391 10 De même, pour un même procédé, selon le type d'équipement de traitement thermique 100 (ses dimensions, sa régulation en température, ...), la hauteur de l'ouverture de confinement 202 du dispositif collecteur 200 pourra également 5 être adaptée, le profil thermique à l'intérieur de l'enceinte 2 pouvant être différent entre différents équipements. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif 10 collecteur 200 présente une forme générale de portion de cylindre creux à section annulaire (figures 3a et 3b). Ladite section annulaire forme une section du compartiment 201. L'ouverture de confinement 202 a la forme d'une portion de section annulaire. Avantageusement, le dispositif collecteur 15 200 comprend un embout 203 apte à s'insérer dans la voie de sortie 6, afin de protéger, au moins en partie, les parois internes du conduit de la voie de sortie 6 d'un dépôt contaminant 7. Une extrémité de l'embout est en communication avec le compartiment 201. 20 La figure 3b représente une vue partielle de la partie proximale de l'enceinte d'un équipement 100 selon ce premier mode de réalisation de l'invention. Une première paroi cylindrique du compartiment 201 est disposée contre la paroi interne de l'enceinte 2, et une deuxième paroi cylindrique est 25 en vis-à-vis de la première paroi, vers l'intérieur de l'enceinte 2. L'embout 203 a été inséré dans la voie de sortie 6. Selon une variante, la première paroi cylindrique, disposée contre la paroi interne de l'enceinte 2 pourra 30 s'étendre sur toute la circonférence de la paroi interne et non seulement sur une portion alors que la deuxième paroi définit le compartiment seulement sur une portion de cylindre. 3057391 11 Selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur les figures 4a et 4b, le dispositif collecteur 200 présente une forme générale de cylindre creux à section annulaire, ladite section annulaire formant une section du compartiment 201. 5 L'ouverture de confinement 202 a la forme d'une section annulaire. Avantageusement, le dispositif collecteur 200 comprend un embout 203 (non directement visible sur les figures car en arrière plan) apte à s'insérer dans la voie de sortie 6. 10 Dans l'une ou l'autre des configurations décrites dans les premier et deuxième modes de réalisation, le flux de gaz passe dans le compartiment 201. Le volume de gaz situé dans la partie proximale de l'enceinte 2 située entre l'ouverture de 15 confinement 202 et l'entrée de l'enceinte 2 est donc un volume mort dans lequel aucun dépôt 7 ne se produit. Toutefois, pour des raisons de protection thermique de la porte ouvrant l'équipement 100, il peut être avantageux de maintenir un flux faible dans cette partie proximale. Ainsi, selon une variante, 20 la deuxième paroi cylindrique du compartiment 201 présente au moins un trou de purge 204. Cela permet d'assurer une purge du volume de gaz situé entre l'ouverture de confinement 202 du compartiment 201 et l'entrée de l'enceinte 2. Il faut néanmoins veiller à ce que la section totale des trous de 25 purge 204 soit négligeable devant la section de l'ouverture de confinement 202, afin de limiter au maximum la formation de dépôt contaminant 7 au sein de l'enceinte 2 ou sur la surface extérieure de la deuxième paroi cylindrique du compartiment 201 (c'est-à-dire du côté de l'intérieur de l'enceinte 2). 30 Avantageusement, la section du compartiment 201 et l'ouverture de confinement 202 présentent une largeur comprise entre 1 à lOmm, préférentiellement 5mm. Cette largeur, qui définit l'épaisseur du dispositif collecteur 200, est 3057391 12 contrainte par la nécessité de passage de la colonne de chargement 3 dans l'enceinte 2. Avantageusement, le dispositif collecteur 200 est formé 5 d'un matériau choisi parmi le quartz, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure d'aluminium, l'alumine. Avantageusement, le dispositif collecteur 200 est configuré pour être amovible. Le dépôt contaminant 7 pourra 10 être éliminé grâce à un nettoyage du dispositif collecteur 200, suite à son retrait de l'équipement 100. Il pourra ensuite être réinstallé dans l'équipement de traitement thermique 100 pour une nouvelle utilisation. 15 L'invention trouve un intérêt tout particulier lors d'un traitement thermique de lissage de substrats SOI entrainant la dissolution du BOX et générant des espèces gazeuses SiO à évacuer qui condensent et forment un dépôt 7 20 sur les parois en refroidissant. Elle peut bien-sur être appliquée à d'autres types de traitements thermiques pour lesquels au moins une partie des espèces gazeuses présentes dans l'enceinte 2 est susceptible de condenser en-dessous d'une certaine température et de 25 former un dépôt 7 dont la délamination ultérieure est préjudiciable à la qualité des substrats traités. L'invention a été illustrée en référence à un équipement de traitement thermique de structure verticale 30 (c'est-à-dire dont la dimension principale de l'enceinte est positionnée verticalement) à titre d'exemple. L'invention peut également former un équipement de traitement thermique de structure horizontale. 3057391 13 Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini 5 par les revendications. REVENDICATIONS1.Equipement de traitement thermique (100) comprenant une enceinte (2) apte à recevoir une pluralité de substrats (10), une voie d'entrée (5) d'un gaz dans une partie distale de l'enceinte (2) et une voie de sortie (6) du gaz et/ou d'espèces volatiles générées au cours du traitement thermique, dans une partie proximale de l'enceinte (2) ; l'équipement de traitement thermique (100) étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif collecteur (200), dans la partie proximale de l'enceinte (2), définissant un compartiment (201) en communication avec la voie de sortie (6) et dans lequel le gaz et les espèces volatiles sont destinés à circuler. 2.Equipement de traitement thermique (100) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif collecteur (200) présente une forme générale de portion de cylindre creux à section annulaire, ladite section annulaire formant une section du compartiment (201). 3.Equipement de traitement thermique (100) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif collecteur (200) présente une forme générale de cylindre creux à section annulaire, ladite section annulaire formant une section du compartiment (201). 4.Equipement de traitement thermique (100) selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel la section du compartiment (201) présente une largeur de 1 à 10mm. 5.Equipement de traitement thermique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif 3057391 15 collecteur (200) présente une ouverture de confinement (202) orientée vers la partie distale de l'enceinte (2). 6.Equipement de traitement thermique (100) selon la 5 revendication précédente, dans lequel l'ouverture de confinement (202) est située à une position dans l'enceinte (2) où la température est supérieure à la température critique de condensation des espèces volatiles. 10 7.Equipement de traitement thermique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le compartiment (201) comprend une première paroi cylindrique, disposée contre une paroi interne de l'enceinte (2), et une 15 deuxième paroi cylindrique, la deuxième paroi cylindrique présentant au moins un trou de purge (204). 8.Equipement de traitement thermique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif 20 collecteur (200) comprend un embout (203) apte à s'insérer dans la voie de sortie (6), une extrémité de l'embout (203) étant en communication avec le compartiment (201). 25 9.Equipement de traitement thermique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif collecteur (200) est amovible. 10. Equipement de traitement thermique (100) selon l'une 30 des revendications précédentes, dans lequel le dispositif collecteur (200) est formé d'un matériau choisi parmi le quartz, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure d'aluminium, l'alumine.