Brevet FR3064731A1 — publié le 20181005

Four d'oxydation La présente invention se rapporte au domaine de traitement d'oxydation pour plaques semiconductrices et plus particulièrement au four d'oxydation utilisé pour ce procédé d'oxydation de plaques semiconductrices. Dans la microfabrication, l'oxydation thermique est un moyen de produire une mince couche d'oxyde, habituellement du dioxyde de silicium Si02, sur la surface d'une plaque semiconductrice, généralement sur un substrat de silicium. Mais l'oxydation thermique peut être appliquée à différents matériaux. L'oxydation thermique du silicium s'effectue habituellement dans un four à une température comprise entre 800 et 1200°C. Elle peut utiliser soit de la vapeur d'eau (habituellement de la vapeur UHP), soit de l'oxygène moléculaire comme oxydant; elle est donc appelée oxydation humide ou sèche. L'oxydation humide est préférée à l'oxydation sèche pour la croissance d'oxydes épais, en raison du taux de croissance plus élevé, par exemple pour des couches d'isolation et/ou de passivation. Dans le cas d'oxydation humide, la formation d'oxyde est due à une réaction entre le silicium et les molécules d'eau provenant de la vapeur d'eau H20. Les molécules d'eau peuvent être fournies au four de plusieurs façons différentes. Dans le cas d'un système de distribution de vapeur pyrogène, l'hydrogène et l'oxygène sont fournies à une torche où ils sont brulés pour produire des molécules d'eau. Un système de distribution de vapeur pyrogène peut comprendre une torche interne, qui est située à l'embouchure du four, ou bien il peut comporter une torche externe, dans ce cas, la torche est située loin de l'entrée du four, ainsi l'hydrogène et l'oxygène sont brulés hors du four et la vapeur d'eau est introduite dans le four. L'avantage du système de torche externe est que le processus d'allumage de la torche ne perturbe pas la température du four. Un seul four d'oxydation accepte en même temps de nombreuses plaques, soit dans un bateau horizontal, où les plaques sont tenues verticalement, l'une à côté de l'autre, soit dans un bateau vertical, où les plaques tiennent horizontalement, au-dessus 30 et au-dessous les unes des autres. Cependant les plaques semiconductrices 3064731 2 introduites dans le four d'oxydation présentent des problèmes de non-uniformité de la couche d'oxyde fabriquée. Ces problèmes de non-uniformité de l'oxyde fabriquée sont notamment dus à une différence de température existante entre le flux de gaz provenant de la torche et la 5 température du tube de four pour le procédé d'oxydation. En règle générale, le flux de gaz sortant de la torche se trouve à une température plus faible que la température du tube de four. Ainsi, l'insertion du flux de gaz dans le tube de four crée une variation de température qui affecte le procédé d'oxydation et par conséquent la couche d'oxyde fabriquée. Cet effet de variation de température est plus important lorsque le flux de 1.0 gaz entrant dans le tube de four est élevé. Ce problème de non-uniformité de la couche d'oxyde fabriquée limite la capacité de charge de plaques pour un lot dans le four, par exemple pour croitre une couche d'oxyde de 400nm d'épaisseur, la charge est limitée à 50 plaques pour un lot. Au maximum, un lot de charge du four peut contenir jusqu'à 100 plaques. 15 Pour améliorer l'uniformité de la couche d'oxyde fabriquée, il a été proposé de réduire le flux de gaz entrant dans le tube de four, pour diminuer l'effet de la différence de température sur la fabrication de la couche d'oxyde. Cependant, la possibilité de réduire le flux de gaz provenant de la torche est limitée par la conception de la torche, étant donné que les torches standards ne présentent pas un fonctionnement stable 20 pour obtenir un flux de gaz/vapeur faible. Il existe pour cela des torches ajustables, c.a.d une torche avec un tube variant en dimension, pour ajuster le flux de gaz/vapeur sortant de la torche. Cependant ces torches ajustables sont onéreuses et rendent le procédé d'oxydation couteux. De plus, l'ajustement des paramètres du procédé d'oxydation avec l'usage d'une torche ajustable reste insuffisant dû à une stabilité 25 imparfaite. L'objet de l'invention est donc de surmonter les inconvénients décrit ci-dessus en fournissant un four d'oxydation qui peut améliorer l'uniformité de la couche d'oxyde fabriquée d'une plaque à l'autre, permettant d'augmenter le nombre de plaques par charge pour un lot d'oxydation. L'objet de l'invention est réalisé par un four d'oxydation de plaques semiconductrices, comprenant une torche connectée à un tube de four par une 3064731 3 connection fluidique, et un moyen pour ajuster un flux de gaz ou vapeur en aval de la torche en direction du tube de four. Ainsi, il est possible d'ajuster le flux de gaz ou de vapeur entrant dans le tube de four, en particulier, il est possible de réduire le flux de gaz entrant dans le tube de four, sans devoir intervenir au niveau de la torche. En 5 effet, il est ainsi possible d'utiliser une torche en fonctionnement stable et sécurisé, c'est-à-dire pour un flux de gaz élevé provenant de la torche, tout en réduisant le flux de gaz entrant dans le tube de four. De la sorte, le nombre de plaques semiconductrices introduites par charge peut être augmenté pour un lot d'oxydation. Selon une variante de l'invention, le moyen pour ajuster le flux de gaz ou vapeur 10 dans le tube de four comprend un tuyau d'échappement connecté à la connection fluidique, entre la torche et le tube de four, pour pouvoir ajuster le flux de gaz entrant dans le tube de four. Ainsi, avec des moyens techniques simples, le flux de gaz produit par la torche peut être élevé et une partie de ce flux de gaz passe dans le tuyau d'échappement, ce qui résulte en une diminution du flux de gaz entrant dans le tube de 15 four. Selon une autre variante de l'invention, le tuyau d'échappement de gaz comprend un moyen d'ajustement du débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz. Par exemple, le débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz peut être ajusté d'une manière simple et peu onéreuse, en 20 utilisant un manchon de tuyau. Selon une autre variante de l'invention, un régulateur de débit massique, peut aussi être utilisé pour ajuster le débit de flux de gaz passant par le tuyau d'échappement. Selon une alternative de l'invention, le moyen d'ajustement est placé au niveau du branchement entre la connexion fluidique et le tuyau d'échappement de gaz. Ainsi, 25 le manchon de tuyau ajuste le débit de gaz dans le tuyau d'échappement de gaz, à l'entrée du tuyau d'échappement de gaz. Selon une autre alternative de l'invention, le moyen d'ajustement est placé à l'intérieur du tuyau d'échappement de gaz. Ainsi, le moyen d'ajustement peut être facilement introduit et échangé pour modifier le débit du flux de gaz passant par le 30 tuyau d'échappement de gaz. 3064731 4 Selon une autre variante de l'invention, le moyen d'ajustement peut comprendre un orifice central de dimension fixe. Lorsque le flux de gaz voulu dans le tube de four est connu, cela permet de choisir le moyen d'ajustement adéquat au flux de gaz voulu. De fait, le moyen d'ajustement peut être un simple manchon de tuyau par exemple, 5 dont la dimension de l'orifice central a été definie par rapport aux paramètres d'oxydation voulus. Cela permet d'utiliser un moyen d'ajustement peu couteux et permet une utilisation versatile et peu couteuse du four d'oxydation. Selon une autre variante de l'invention, le moyen d'ajustement peut comprendre un orifice central de dimension ajustable, en particulier un régulateur de débit 10 massique. Ainsi, le débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz peut être changé sans avoir à échanger manuellement des pièces dans le système. Selon une variante, le débit de flux de gaz peut être ajusté de manière à ce que le débit de flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz soit compris entre 50% et 95% du flux de gaz sortant de la torche, en particulier entre 60% et 80%. Ainsi, 15 il devient possible de réduire le flux de gaz dans le tube de four, de sorte qu'avec une torche stable, il est néanmoins possible d'obtenir une stabilité améliorée de l'épaisseur d'oxyde. Selon une variante de l'invention, le four d'oxydation de plaques semiconductrices comprend une torche à flux fixe. Ainsi le four d'oxydation permet un 20 ajustement du débit de flux de gaz tout en utilisant une torche standard, ce qui permet d'éviter l'usage d'une torche à flux ajustable et donc d'éviter d'augmenter le cout du procédé d'oxydation. De plus, cela permet d'utiliser une torche standard dans des conditions de fonctionnement stable, c'est-à-dire à haut débit de flux de gaz et de réduire le débit de flux de gaz aprés la torche et avant l'entrée dans le tube de four. 25 Selon une variante de l'invention, le tuyau d'échappement de gaz peut être, en aval, connecté à un tuyau d'évacuation de gaz, le tuyau d'évacuation de gaz étant en connexion directe avec le tube de four. Ainsi, le flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz situé entre la torche et le tube de four rejoint le tuyau d'évacuation de gaz du four d'oxydation. Cela permet un fonctionnement sécurisé du 30 four au niveau de l'échappement des gaz, ainsi qu'une conception simple du four d'oxydation. 3064731 5 L'invention peut être comprise en se référant à la description suivante prise conjointement avec la figure annexée, dans laquelle des références numériques identifient les éléments de l'invention. La figure 1 représente un four d'oxydation de plaques semiconductrices selon une 5 alternative de l'invention. Le four d'oxydation 10 permet de fabriquer par un traitement thermique d'oxydation une mince couche d'oxyde, habituellement du dioxyde de silicium Si02, sur la surface d'une plaque semiconductrice, par exemple sur un substrat de silicium. Le four d'oxydation 10 de plaques semiconductrices peut être un four de type 10 horizontal où les plaques sont tenues verticalement dans un bateau, l'une à côté de l'autre, soit un four de type vertical, où les plaques tiennent horizontalement, au-dessus et au-dessous les unes des autres dans un bateau vertical. Le four d'oxydation 10 comprend un tube de four 11, une torche 12 et un tuyau d'échappement de gaz 13. Le tube de four 11 est connecté à la torche 12 par une 15 connection fluidique 14. Sur cette connection fluidique 14 est placé le tuyau d'échappement de gaz 13 situé en aval de la torche 12, entre la torche 12 et le tube de four 11. Ce tuyau d'échappement de gaz 13 peut comporter un moyen d'ajustement 15 placé à l'intérieur du tuyau d'échappement de gaz 13, ou à proximité de l'embouchure 16 avec la connection fluidique 14. 20 La torche 12 est alimentée en gaz par plusieurs lignes d'alimentation de gaz, ici par exemple trois lignes 17a, 17b and 17c, chacune connectée à un contenant de gaz différent 18, 19 et 20. Sur chaque ligne d'alimentation 17a, 17b et 17c, est en plus, positionné un régulateur de débit massique de gaz 21a, 21b et 21c, pour pouvoir contrôler le débit de flux de gaz sortant de chaque contenant 18, 19 et 20 et alimentant 25 la torche 12. Les gaz utilisés et stockés dans les contenants peuvent être par exemple du gaz H2, 02 et N2. Le four d'oxydation 10 comporte des éléments chauffants 22 placés a l'intérieur du tube de four 11, permettant d'atteindre une haute température dans le tube de four 11 pour procéder au traitement thermique d'oxydation. 3064731 6 Un tuyau d'évacuation de gaz 23 est relié directement au tube de four 11 et comporte une boite à feu 24. La boîte à feu 24 peut être installée sur le tuyau d'évacuation de gaz 23 du tube de four 11, pour assurer la combustion de l'excès d'hydrogène H2 si présent. 5 Le tube de four 11 comporte un sas d'entrée 25 pour pouvoir introduire les plaques semiconductrices 26, par exemple par lot de 100 plaques, à l'intérieur du tube de four 11. La connection fluidique 14 relie la torche 12 au tube de four 11 et une bride de tuyau 27 connecte la connection fluidique 14 avec le tube de four 11 et une bride de 10 tuyau 28 connecte la connection fluidique 14 avec la torche 12. De plus, le tuyau d'échappement de gaz 13 est connecté à la connection fluidique 14 par une bride de tuyau 29. Les brides de tuyau 27, 28 et 29 sont des brides de tuyau standards pour un système sous vide, qui permettent l'accès à différents endroits à l'intérieur du système sous vide. Ainsi le moyen d'ajustement 15 peut être introduit dans le tuyau 15 d'échappement de gaz 13 et peut être placé à l'embouchure 16 du tuyau d'échappement de gaz 13 avec la connection fluidique 14 grâce à la connection 29. La connection fluidique 14 reliant la torche 12 au tube de four 11 permet d'espacer la torche 12 et le tube de four 11. Ainsi, le fonctionnement de la torche 12 ne perturbe pas ou peu la température du tube de four 11. De plus, la connection fluidique 20 14, de par sa longueur, permet de choisir et/ou de varier la distance entre la torche 12 et le tube de four 11. Pour un procédé d'oxydation, un gaz 02, contenu dans le contenant de gaz 18, et un gaz H2, contenu dans le contenant de gaz 19, sont fournit à la torche 12, qui une fois allumée, brule les gaz 02 et H2 pour former une vapeur d'eau H20. Pour éviter 25 une explosion, le rapport 02: H2 est toujours supérieur à 1: 2. Cette vapeur d'eau H20 et aussi le 02 restant, passent ensuite dans la connection fluidique 14 pour arriver dans le tube de four 11 où se trouvent les plaques semiconductrices 26, introduites préalablement dans le tube de four 11 par le sas d'entrée 25 du tube de four 11. Les régulateurs de débit massique de gaz 21a et 21b permettent 30 respectivement de réguler le débit de gaz 02 et le débit de gaz H2 introduit dans la 3064731 7 torche 12, et permettent donc de réguler la production de vapeur d'H20. Le contenant de gaz 20 peut par exemple contenir du gaz N2, nécessaire à la purge du tube de four 11 avant et après le procédé d'oxydation. Le tuyau d'évacuation 23 permet de purger le tube de four 11 du gaz fournit par la connection fluidique 14 pour le procédé 5 d'oxydation, lorsque le procédé d'oxydation est terminé. La présence du tuyau d'échappement 13 en aval de la torche 12, entre la torche 12 et le tube de four 11, connecté à la connection fluidique 14 permet d'ajuster le flux de gaz, en particulier de vapeur d'eau H20 et de 02 entrant dans le tube de four 11. En effet, une partie du flux de gaz sortant de la torche 12, présent dans la connection 10 fluidique 14 entre dans le tuyau d'échappement 13 controlée par le moyen d'ajustement 15. Selon une variante de l'invention, le moyen d'ajustement 15 pour ajuster le débit de flux de gaz entrant dans le tuyau d'échappement de gaz 13 peut être un manchon de tuyau. 15 Selon une autre variante de l'invention, le moyen d'ajustement 15 pour ajuster le débit de flux de gaz entrant dans le tuyau d'échappement de gaz 13 peut être un régulateur de débit massique. La forme du moyen d'ajustement 15 est de telle manière qu'il peut être installé à l'intérieur du tuyau d'échappement 13 de manière fixe et sécurisée. Pour cela, le 20 moyen d'ajustement 15 peut, par exemple, comporter deux rainures positionnées sur le coté latéral extérieur du moyen d'ajustement, de manière opposée l'une à l'autre. Les deux rainures peuvent s'encastrer sur des protubérations dans le tuyau d'échappement de gaz 13 de telle manière que le moyen d'ajustement 15 est inséré à l'intérieur du tuyau d'échappement de gaz 13 au niveau du branchement 16 entre la connexion 25 fluidique 14 et le tuyau d'échappement de gaz 13 selon la figure 1. Le moyen d'ajustement 15 peut aussi être positionné à l'intérieur du tuyau d'échappement de gaz 13 au niveau du branchement 16 entre la connexion fluidique 14 et le tuyau d'échappement de gaz 13 selon une autre variante de fixation, telle que par exemple, avec l'usage de vis de serrage ou de moyens de positionnement magnétique. 3064731 8 Dans le cas d'un manchon, le moyen d'ajustement 15 peut être de forme concentrique avec un orifice central. La dimension de l'orifice central est fixe pour un manchon donné, et pour ajuster le débit de flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz 13 on échange un manchon d'une première ouverture par un 5 autre manchon avec un orifice d'une dimension différente. Dans ce cas, on prévoit la possibilité d'interchanger les manchons de façon simple. Il suffit de choisir le moyen d'ajustement 15 avec la dimension adéquate au débit de flux de gaz voulu pour le procédé d'oxydation des plaques semiconductrices et de l'installer dans le tuyau d'échappement 13, comme représenté dans la figure 1. 10 Selon une alternative de l'invention, le moyen d'ajustement 15 peut comporter un orifice central de dimension variable, ajustable par l'utilisateur. Ainsi le débit de flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz 13 peut être ajusté, par exemple, par l'utilisation d'un régulateur de débit massique, placé à l'entrée du tuyau d'échappement de gaz 13. 15 Ainsi, le même moyen d'ajustement 15 peut permettre une variation et un ajustement du débit du flux de gaz dans le tuyau d'échappement de gaz 13, simplement en variant la dimension de l'orifice central. Dans cette variante, il n'y a pas besoin de changer le moyen d'ajustement 15 manuellement pour changer le débit du flux de gaz comme dans le cas des manchons. 20 La dimension de l'orifice central peut, dans les deux variantes, être telle que le débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz 13 est compris entre 50% et 95% du flux de gaz sortant de la torche 12, en particulier entre 60% et 80%. Le flux de gaz restant entrera dans le tube du four 11. Le flux de gaz provenant de la torche 12 et entrant dans le tube de four 11 est à 25 la température fixée par le procédé d'ignition de la torche pour créer la vapeur d'eau H20. En règle générale, cette température est plus faible que la température de procédé d'oxydation. En effet, la température d'allumage de H2 se situe autour de 600°C et le procédé d'oxydation est normalement effectué à une température entre 30 800°C et 1200°C, en particulier autour de 1000°C. Cette différence de température crée 3064731 9 une variation de température pour les plaques soumises au procédé d'oxydation. Cette variation de température est importante au niveau de l'embouchure 30 du tube de four 11 avec la connection fluidique 14, et varie aussi avec le débit de flux de gaz entrant. Plus le débit est haut, plus la variation de température est importante et se propage 5 dans le tube de four 11. Il en résulte une non-uniformité de la couche d'oxyde fabriquée dans un lot de plaques 26 et par conséquent cela entraine une limitation de charge de plaques pour chaque procédé d'oxydation. En effet, dans les fours de l'état de l'art, seule la région dans le tube de four 11 éloignée de l'embouchure 30 par laquelle entre le flux de gaz provenant de la torche 12 est occupée par les plaques semiconductrices 10 26 pour assurer l'obtention d'une uniformité suffisante des couches d'oxydes fabriquées sur les plaques semiconductrices 26. Selon l'invention, le flux de gaz provenant de la torche 12 est diminué car une partie de ce flux de gaz passe par le tuyau d'échappement de gaz 13 situé en aval de la torche 12, entre la torche 12 et le tube de four 11. Ainsi, cet effet de variation de 15 température est donc diminué et par conséquent la non-uniformité de l'oxyde peut être réduite dans un lot de plaques semiconductrices 26 soumises au procédé d'oxydation. Cela permet ainsi de pouvoir augmenter la charge de plaques semiconductrices 26 pour chaque procédé d'oxydation. De la sorte, il serait possible d'utiliser le four d'oxydation 10 avec une charge maximale de plaques semiconductrices 26 pour 20 chaque procédé d'oxydation. Un certain nombre de modes de réalisation de l'invention ont été décrits. Néanmoins, on comprendra que diverses modifications et améliorations peuvent être apportées sans s'écarter de l'objet de l'invention. REVENDICATIONS1. Four d'oxydation de plaques semiconductrices, comprenant: une torche (12) connectée à un tube de four (11) par une connection fluidique (14); et un moyen pour ajuster un flux de gaz en aval de la torche (12) en direction du tube de four (11). 2. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon la revendication 1, dans lequel le moyen pour ajuster le flux de gaz dans le tube de four (11) comprend un tuyau d'échappement de gaz (13) connecté à la connection fluidique (14), entre la torche (12) et le tube de four (11), pour pouvoir ajuster le flux de gaz entrant dans le tube de four (11). 3. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le tuyau d'échappement de gaz (13) comprend un moyen d'ajustement (15) du débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz (13). 4. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon la revendication 3, dans lequel le moyen d'ajustement (15) est placé au niveau du branchement (16) entre la connexion fluidique (14) et le tuyau d'échappement de gaz (13). 5. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon la revendication 3, dans lequel le moyen d'ajustement (15) est placé à l'intérieur du tuyau d'échappement de gaz (13). 6. Four d'oxydation de plaques selon une des revendications 3 à 5, dans lequel le moyen d'ajustement (15) comprend un orifice central de dimension fixe. 7. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon une des revendications 3 à 5, dans lequel le moyen d'ajustement (15) comprend un orifice central de dimension ajustable, en particulier un régulateur de débit massique. 8. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon une des revendications 2 à 7, dans lequel le débit du flux de gaz passant par le tuyau d'échappement de gaz (13) 3064731 est compris entre 50% et 95% du flux de gaz sortant de la torche (12), en particulier entre 60% et 80%. 9. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon au moins une des revendications 1 à 8, dans lequel la torche (12) est une torche (12) à flux fixe. 5 10. Four d'oxydation de plaques semiconductrices selon au moins une des revendications 2 à 9, dans lequel le tuyau d'échappement de gaz (13) est, en aval, connecté à un tuyau d'évacuation de gaz (23), le tuyau d'évacuation de gaz (23) étant en connection directe avec le tube de four (11).