Appareil pour la fabrication d'une matière semi-conductrice
Certaines chambres de réaction connues permettant de fabriquer des couches épitaxiales par la croissance à partir d'une solution sur des disques semi-conducteurs comprennent un canot réfracteur exposé à une atmosphère choisie à l'intérieur d'une chambre chauffée et contenant un disque semi-conducteur et une source d'un solvant, qui sont séparés en disposant convenablement le canot sur son axe. Le disque est immergé dans le solvant en inclinant le canot, afin que le solvant entre en contact avec le disque. Ce type de chambre de réaction présente des inconvénients, car le solvant entre habituellement en contact avec la surface supérieure du disque et l'inclinaison du canot d'un angle limité ne provoque pas habituellement le recul total du solvant du disque.
La morphologie et l'épaisseur de la couche épitaxiale ainsi formée sur le disque laissent à désirer et elles sont soumises à des variations non contrôlables.
L'invention vise à éviter ces inconvénients.
L'appareil selon l'invention pour la fabrication d'une matière semi-conductrice par la croissance épitaxiale à partir d'une solution est caractérisé par une chambre de réaction pouvant tourner autour d'un axe horizontal et capable de contenir une solution, des premiers moyens agencés pour maintenir solidaire de la paroi intérieure de la chambre au moins un corps destiné à supporter une couche épitaxiale et des seconds moyens destinés à faire tourner la chambre autour de l'axe pour amener ledit corps en contact temporaire avec la solution.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de la présente invention.
La figure unique du dessin représente une vue en perspective et en coupe de l'appareil selon l'invention.
Une chambre de réaction 9 est disposée à l'intérieur d'un tube 11 entouré par des bobines 13 chauffantes à résistance ou à induction et à haute fréquence. La chambre de réaction comprend une coquille cylindrique 15 et une paire de plaques d'extrémité 17, 19 montées sur un axe 21 pouvant tourner, qui est creux au moins à l'une de ses extrémités 23. L'une des plaques 17 est amovible et maintenue en position au moyen d'un bouton fileté de blocage 25, de sorte que la chambre 9 peut être chargée ou entretenue au moins à partir d'une extrémité. Plusieurs disques semi-conducteurs 27 peuvent être montés dans la moitié longitudinale supérieure de la chambre au-dessus d'un solvant 29. Une arête de chaque disque est disposée contre la paroi intérieure cylindrique dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la chambre de réaction 9.
Une source 39, ayant la forme d'un disque, qui alimente le solvant 29, est de même disposée dans la moitié inférieure longitudinale de la chambre 9 en contact avec le solvant 29. Les disques 27 et 39 sont distants les uns des autres, et ils sont bloqués dans leurs positions, au moyen de différents anneaux 31 situés entre les disques. Ces anneaux sont serrés suffisamment contre les disques 27 au moyen de la plaque d'extrémité 17 et du bouton de blocage 25 pour maintenir les disques 27 en position après la charge et l'assemblage de la chambre 9. Tous les éléments de la chambre de réaction 9, y compris la coquille cylindrique 15, les plaques 17, 19, I'axe 21, le bouton de blocage 25 et les anneaux de blocage 31 sont en graphite pour éliminer les sources de contamination et pour éviter les difficultés dues au coefficient d'expansion correspondant aux différences des températures.
La température de la chambre 9 peut être soigneusement contrôlée au moyen d'un chauffage par induction, grâce à la conductibilité des éléments en graphite. La température de la chambre peut être contrôlée au moyen d'un thermocouple 33 disposé à l'intérieur de l'axe 21 et connecté à un élément sensible convenable 35. L'élément sensible 35 peut indiquer la température ou il peut être utilisé pour contrôler l'énergie fournie aux bobines 13 par la source de chauffage 37. Un chauffage par résistance extérieure peut de même être utilisé et, dans ce cas, les bobines 13 et le tube 11 sont maintenus à une température élevée nécessaire. Des courants de convection à l'intérieur du tube 11 peuvent être réduits au minimum en fixant la proximité des plaques d'extrémité 17, 19 des brides radiales sur l'axe 21, ayant la forme de chicanes à gaz.
La chambre de réaction décrite permet de fabriquer des matières semi-conductrices telles que le silicium, l'arséniure de gallium, etc., par la croissance épitaxiale à partir d'une solution.
Un ou plusieurs disques 27 peuvent être montés de manière qu'ils soient distants les uns des autres le long de la paroi supérieure cylindrique 15, comme décrit auparavant. Ces disques constituent les corps de support des couches épitaxiales. Lorsque seulement un côté du disque doit être exposé au solvant 29, on peut prévoir des anneaux alternants 31 ayant une épaisseur pratiquement égale à celle du disque. Une source de la matière formant le solvant 29 peut être introduite dans la chambre 9 pendant le chargement. La chambre chargée est ensuite placée dans l'appareil de chauffage et elle est portée à une température de fonctionnement prédéterminée. Ainsi, des disques 27, en arséniure de gallium, peuvent être chargés dans la chambre 9, comme décrit auparavant, avec une source de gallium 29 constituant le solvant.
Un disque poly- ou monocristallin 39, en arséniure de gallium, est de même chargé dans la moitié inférieure de la chambre 9, qui constitue une source d'arséniure de gallium pour la couche épitaxiale devant être déposée par la croissance sur le disque 27. Alternativement, le trychlorure d'arsenic (AsCl3) ou des arsines (AsHs) peuvent être introduits dans la chambre à travers l'axe creux 21 et les ouvertures 41 pour fournir l'arsenic nécessaire dans le solvant 29.
Lorsque la chambre 9 et son contenu sont équilibrés à la température de fonctionnement (c'est-à-dire 7500 C pour la croissance de l'arséniure de gallium à partir de la solution), le solvant 29 est saturé avec l'arséniure de gallium (à partir de la vapeur d'arsenic ou d'une source solide de l'arséniure de gallium). Un gaz réducteur tel que Hydrogène est introduit dans la chambre à travers l'axe 21 et les ouvertures 41 en proximité de la plaque 17 et il est évacué de la chambre 9 à travers les orifices de sortie 43 dans la plaque d'extrémité 19.
La chambre de réaction 9 peut être basculée doucement autour de l'axe 21 au moyen d'un mécanisme de commande 45 couplé avec celle-ci, pour agiter le solvant 29 et fortement réduire le temps nécessaire pour saturer le solvant 29 par rapport au temps normalement nécessaire pour saturer le solvant seulement au moyen d'une diffusion à travers le solvant.
Après la saturation du solvant 29, le mécanisme de commande 45 fait tourner la chambre 9 approximativement de 1800, de sorte que les disques 27 sont immergés dans le solvant 29. On peut continuer à faire basculer doucement la chambre, afin que le solvant 29 reste agité pour améliorer la morphologie de la surface et l'uniformité de l'épaisseur des couches épitaxiales. En même temps, les moyens de chauffage 13, 37 sont réglés pour réduire la température de fonctionnement de la chambre 9 de quelques degrés, afin de précipiter l'arséniure de gallium dans le solvant 29 sur les surfaces des disques 27.
Lorsque la couche épitaxiale ainsi formée sur les disques 27 est suffisamment épaisse, ce qui est normalement déterminé par le temps et la température utilisée pour la croissance, le mécanisme de commande 45 fait tourner de nouveau la chambre 9 pour retirer les disques 27 du solvant 29. Des arsines à l'état gazeux peuvent être introduites dans la chambre pour maintenir une surpression de l'arsenic dans l'atmosphère intérieure et pour empêcher ainsi la détérioration des couches épitaxiales ainsi formées par la sublimation de l'arsenic à partir de la structure cristalline.
Lorsqu'on veut obtenir par la croissance plusieurs couches successives ayant de différentes compositions, le solvant 29 peut être dopé avec des impuretés choisies et on peut de nouveau faire tourner la chambre de réaction pour immerger les disques 27 dans le solvant dopé 29. Cela peut être répété en changeant les constituants ou les concentrations de la matière de dopage entre les immersions jusqu'à ce qu'on obtienne plusieurs couches.
On peut refroidir la chambre de réaction en l'éloignant des moyens de chauffage et la chambre peut être très désassemblée pour décharger les disques achevés 27.
Il est évident que la chambre de réaction décrite peut être utilisée pour d'autres réactions avec d'autres matières semi-conductrices, gaz, impuretés de dopage, et températures, que celles décrites auparavant. Par exempie, le solvant 29 peut être constitué par l'étain pour obtenir par la croissance des couches épitaxiales de l'arséniure de gallium à partir d'une solution dans lesquelles on désire avoir un dopage à l'étain.
Apparatus for the manufacture of a semiconductor material
Some known reaction chambers for making epitaxial layers by growth from solution on semiconductor disks include a refractor canoe exposed to a selected atmosphere within a heated chamber and containing a semiconductor disk. conductor and a source of a solvent, which are separated by properly arranging the boat on its axis. The disc is immersed in the solvent by tilting the canoe, so that the solvent comes into contact with the disc. This type of reaction chamber has drawbacks, as the solvent usually comes into contact with the top surface of the disc and tilting the canoe to a limited angle does not usually cause the solvent to recede completely from the disc.
The morphology and the thickness of the epitaxial layer thus formed on the disc leave much to be desired and they are subject to uncontrollable variations.
The invention aims to avoid these drawbacks.
The apparatus according to the invention for the manufacture of a semiconductor material by epitaxial growth from a solution is characterized by a reaction chamber rotatable about a horizontal axis and capable of containing a solution, first means arranged to maintain integral with the interior wall of the chamber at least one body intended to support an epitaxial layer and second means intended to rotate the chamber around the axis to bring said body into temporary contact with the solution.
The accompanying drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the present invention.
The single figure of the drawing represents a perspective and sectional view of the apparatus according to the invention.
A reaction chamber 9 is arranged inside a tube 11 surrounded by resistance or induction heating coils 13 and at high frequency. The reaction chamber comprises a cylindrical shell 15 and a pair of end plates 17, 19 mounted on a rotatable axle 21 which is hollow at least at one of its ends 23. One of the plates 17 is removable. and held in position by means of a threaded locking knob 25, so that the chamber 9 can be loaded or serviced at least from one end. Several semiconductor disks 27 may be mounted in the upper longitudinal half of the chamber above a solvent 29. An edge of each disk is disposed against the cylindrical inner wall in a plane perpendicular to the axis of rotation of the solvent. reaction chamber 9.
A source 39, in the form of a disc, which supplies the solvent 29, is likewise arranged in the lower longitudinal half of the chamber 9 in contact with the solvent 29. The discs 27 and 39 are spaced from each other, and they are locked in their positions, by means of different rings 31 located between the discs. These rings are clamped sufficiently against the discs 27 by means of the end plate 17 and the locking button 25 to hold the discs 27 in position after loading and assembly of the chamber 9. All parts of the chamber. reaction 9, including the cylindrical shell 15, the plates 17, 19, the shaft 21, the locking button 25 and the locking rings 31 are made of graphite to eliminate sources of contamination and to avoid difficulties due to the coefficient d. expansion corresponding to temperature differences.
The temperature of the chamber 9 can be carefully controlled by means of induction heating, thanks to the conductivity of the graphite elements. The temperature of the chamber can be controlled by means of a thermocouple 33 disposed within the axis 21 and connected to a suitable sensing element 35. The sensing element 35 can indicate the temperature or it can be used to control. the energy supplied to the coils 13 by the heating source 37. An external resistance heater can also be used and, in this case, the coils 13 and the tube 11 are kept at a necessary high temperature. Convection currents inside the tube 11 can be minimized by fixing the proximity of the end plates 17, 19 of the radial flanges to the axis 21, having the form of gas baffles.
The disclosed reaction chamber enables semiconductor materials such as silicon, gallium arsenide, etc. to be made by epitaxial growth from solution.
One or more discs 27 may be mounted so that they are spaced apart from each other along the cylindrical top wall 15, as previously described. These discs constitute the support bodies of the epitaxial layers. When only one side of the disc is to be exposed to the solvent 29, alternating rings 31 may be provided having a thickness substantially equal to that of the disc. A source of the solvent-forming material 29 may be introduced into chamber 9 during charging. The charged chamber is then placed in the heater and brought to a predetermined operating temperature. Thus, disks 27, made of gallium arsenide, can be loaded into chamber 9, as previously described, with a source of gallium 29 constituting the solvent.
A poly- or monocrystalline disk 39, made of gallium arsenide, is likewise loaded in the lower half of the chamber 9, which constitutes a source of gallium arsenide for the epitaxial layer to be deposited by the growth on the disk 27. Alternatively, arsenic trychloride (AsCl3) or arsines (AsHs) can be introduced into the chamber through the hollow shaft 21 and the openings 41 to provide the necessary arsenic in the solvent 29.
When chamber 9 and its contents are equilibrated to the operating temperature (i.e. 7500 C for the growth of gallium arsenide from solution), solvent 29 is saturated with arsenide of gallium (from arsenic vapor or a solid source of gallium arsenide). A reducing gas such as Hydrogen is introduced into the chamber through the shaft 21 and the openings 41 near the plate 17 and is exhausted from the chamber 9 through the outlet ports 43 in the end plate 19.
The reaction chamber 9 can be gently rocked around the axis 21 by means of a control mechanism 45 coupled therewith, to agitate the solvent 29 and greatly reduce the time required to saturate the solvent 29 over time. normally required to saturate the solvent only by diffusion through the solvent.
After the solvent 29 is saturated, the operating mechanism 45 rotates the chamber 9 approximately 1800, so that the discs 27 are submerged in the solvent 29. The chamber can be continued to gently tilt, so that the solvent 29 remains. stirred to improve the surface morphology and the uniformity of the thickness of the epitaxial layers. At the same time, the heating means 13, 37 are adjusted to reduce the operating temperature of the chamber 9 by a few degrees, in order to precipitate the gallium arsenide in the solvent 29 on the surfaces of the discs 27.
When the epitaxial layer thus formed on the disks 27 is thick enough, which is normally determined by the time and temperature used for the growth, the operating mechanism 45 again rotates the chamber 9 to remove the disks 27 from the solvent 29. Arsines in the gaseous state can be introduced into the chamber to maintain an overpressure of arsenic in the interior atmosphere and thus to prevent deterioration of the epitaxial layers thus formed by the sublimation of arsenic from the structure. crystalline.
When it is desired to obtain by growth several successive layers having different compositions, the solvent 29 can be doped with selected impurities and the reaction chamber can again be rotated to immerse the discs 27 in the doped solvent 29. This can be done. be repeated by changing the constituents or the concentrations of the doping material between dips until several layers are obtained.
The reaction chamber can be cooled by moving it away from the heating means and the chamber can be very disassembled to unload the completed disks 27.
It is obvious that the reaction chamber described can be used for other reactions with other semiconductor materials, gases, doping impurities, and temperatures, than those previously described. For example, the solvent 29 may be constituted by tin in order to obtain, by the growth of epitaxial layers of gallium arsenide from a solution in which it is desired to have a doping with tin.