FR2527838A1

FR2527838A1 - Dispositif et procede de transfert thermique entre solides, avec assistance par un gaz, pour une tranche de semi-conducteur

Info

Publication number: FR2527838A1
Application number: FR8308510A
Authority: FR
Inventors: Holden Scott Carleton
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1983-12-02
Also published as: JPH0329170B2; DE3317967C2; GB2121603B; NL8301847A; DE3317967A1; FR2527838B1; GB2121603A; GB8306938D0; JPS58213434A; NL194455C; NL194455B; US4457359A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES SEMI-CONDUCTEURS. UN DISPOSITIF DE TRANSFERT THERMIQUE POUR UNE TRANCHE DE SEMI-CONDUCTEUR 41 UTILISE UNE PLATINE 36 EN METAL AYANT UNE SURFACE DE FORME CONVEXE SUR LAQUELLE LA TRANCHE EST APPLIQUEE PAR DES MOYENS 42 QUI ETABLISSENT UNE PRE-CHARGE A LA PERIPHERIE DE LA TRANCHE. CETTE CONFIGURATION PERMET D'INTRODUIRE UN GAZ SOUS UNE PRESSION NOTABLE DANS LES VIDES MICROSCOPIQUES SITUES ENTRE LA TRANCHE ET LA PLATINE, GRACE A QUOI LA CONDUCTION THERMIQUE ENTRE SOLIDES EST ASSISTEE PAR UNE CONDUCTION PAR LE GAZ, CE QUI REDUIT LA RESISTANCE THERMIQUE GLOBALE ENTRE LA TRANCHE ET LA PLATINE. APPLICATION A LA FABRICATION DES CIRCUITS INTEGRES.

Description

La présente invention concerne un dispositif desti-

né à assurer un transfert thermique avec une tranche de semi-

conducteur, et elle porte plus particulièrement sur un dispo-

sitif destiné à assurer un transfert thermique d'un solide à un autre avec une tranche de semiconducteur, dans lequel un gaz est introduit dans des vides microscopiques entre la

tranche et une platine sous-jacente, pour améliorer la conduc-

tion thermique.

Dans le traitement de tranches de semiconducteur, par exemple pour fabriquer des circuits intégrés, il arrive

quelquefois que les tranches soient soumises à des températu-

res élevées De telles températures élevées sont souhaitables

pour la diffusion d'impuretés, la croissance de couches épita-

xiales, l'application de couches métalliques de haute qualité

ou le recuit de contacts métal-semiconducteur Dans ces situa-

tions, il est souhaitable d'appliquer de l'énergie thermique d'une manière définie et uniforme Dans d'autres applications,

comme l'attaque et l'implantation ioniques, l'énergie thermi-

que est un sous-produit indésirable Dans ces dernières appli-

cations, il peut être souhaitable de ne pas laisser les tran-

ches demeurer à des températures élevées, du fait, par exem-

ple, qu'on ne désire pas une diffusion spontanée au-delà de limites fixées, de même qu'une ségrégation d'impuretés aux niveaux d'interfaces épitaxiales De plus, des couches de matière de réserve peuvent être affectées par ces températures élevées Ce problème devient plus grave dans la fabrication de dispositifs à haut niveau d'intégration et à très haut niveau d'intégration, du fait qu'un grand nombre d'opérations de

traitement doivent être effectuées en succession; en particu-

lier, près de la fin de la séquence de traitement, de grands

nombres de régions dopées, de couches conductrices ou de cou-

ches isolantes sont en place, et il n'est pas souhaitable de

perturber ces éléments physiques par un traitement thermique.

Dans ces situations, on désire refroidir les tranches de semi-

conducteur d'une manière définie et uniforme Ainsi, on désire

porter des Franczhes de semiconducteur à des températures éle-

vées lcrsqu'une opération de traitement l'exige effective-

ment et, au contraire, on désire refroidir une tranche de semiconducteur pour éviter que des températures élevées soient atteintes, lorsque de la chaleur indésirable est pro- duite.

Les techniques antérieures pour assurer le trans-

fert thermicue avec une tranche de semiconducteur ont fait appel à l'ut ilisation de moyens rayonnants, convecteurs et conducteurs On a chauffé des tranches par l'application d'un rayonnement infrarouge à la surface supérieure à nu et on a laissé refroidir des tranches par rayonnement On a porté des tranches à des températures élevées au moyen de

courants de gaz chauffés On a également chauffé par induc-

tion des tranches reposant sur des suscepteurs On a égale-

ment maintenu des tranches froides en soumettant à un balaya-

ge intermittent soit le faisceau d'ionssoit la tranche, soit

les deux (ce qui limite la capacité de fabrication), en uti-

lisant une plaque de métal refroidie de façon active, revêtue

de graisse cu d'huile, sur laquelle on fait reposer la tran-

che de semiconducteur, ou en appliquant une force électrosta-

tique pour maintenir une tranche contre une surface légèrement compressible d'une plaque refroidie de façon active On pourra voir par exemple l'article de L D Bollinger intitulé "Ion Milling for Semiconductor Production Processes", Solid State Technclogy, novembre 1977 Ces techniques et dispositifs de l'art antérieur ne se sont pas avérés totalement efficaces pour refroidir des tranches de semiconducteur lorsqu'elles sont soumises à des flux ioniques élevés ou des niveaux d'énergie é 2 evés; Le brevet US 4 282 924 décrit une platine ayant une courbure convexe sur laquelle est fixée-une tranche

de semiconducteur Le rendement de refroidissement de ce dis-

positif est limité par l'étendue sur laquelle la face arrière de la tranche vient réellement en contact avec la surface thermiquement conductrice, du fait qu'au niveau microscopique,

seules de petites zones des deux surfaces (de façon caracté-

ristique moins de 5 %) viennent réellement en contact.

On sait que la technique de conduction dans un gaz permet d'établir un couplage thermique entre deux surfaces opposées Cette technique a été largement utilisée Par exem- ple, dans le brevet US 3 062 507, un gaz (ou un liquide) est

placé entre des couches d'un récipient pour obtenir un trans-

fert thermique optimal Le transfert de chaleur par conduc-

tion dans un gaz pour produire une commutation dans des pompes cryogéniques est décrit par exemple dans les brevets US 3 525 229, 3 717 201, 3 430 455 et 3 421 331 Dans chaque cas, le transfert thermique entre des surfaces opposées est obtenu

par conduction dans un gaz.

Le brevet US 3 566 960 envisage le problème du mau-

vais contact entre des surfaces solides (voir la colonne 3,

ligne 2 et suivantes), et il décrit un milieu gazeux ou liqui-

de en circulation pour refroidir la pièce dans la chambre à

vide Dans le même ordre d'idée, l'utilisation de la conduc-

tion par un gaz pour refroidir une pièce, de préférence une tranche de semiconducteur, dans le vide est décrite dans le document de M King et P H Rose, intitulé "Experiments on

Gas Cooling of Wafers", Proceedings, Third International Con-

ference on Ion Implantation Equipement and Techniques, Queens University, Kingston, Ontario (mai, 1980), et dans le brevet US 4 264 762 Dans ce dispositif, un gaz est introduit au

milieu d'une cavité située derrière une tranche de semiconduc-

teur Le couplage thermique entre une plaque de support et la tranche est obtenu au moyen d'un gaz, de la manière utilisée de façon caractéristique dans la technique de conduction par un gaz Cependant, en pratique, il existe une vitesse de fuite finie due à des joints imparfaits, ce qui fait qu'un gradient

de pression existe entre le milieu de la cavité et la périphé-

rie Du fait que la conductivité thermique dans un gaz est proportionnelle à la pression, une plus grande quantité de chaleur est transférée au centre, o existe une pression plus élevée, et un gradient de température existe sur l'étendue de la tranche Pcur certains traitements, comme le revêtement

par un métal, ce gradient de température conduit à un traite-

ment non unifcrme qui peut être à proscrire De plus, du fait que la tranche n'est pas pressée contre une platine, elle peut se déplacer librement comme une membrane chaque fois qu'une pression appréciable est introduite dans l'espace situé entre la plaque de support et la tranche Le mouvemen: vers l'extérieur de la tranche-membrane augmente l'espace, ce qui diminue la conduction thermique, et réduit ainsi tout

gain de conduction dû à l'augmentation de la pression du gaz.

L'invention a donc pour but de procurer un dispos tif et un procédé pour accomplir un transfert thermique d'un solide à un autre, assisté par un gaz, avec une tranche de

semiconducteur.

L'invention a également pour but de procurer un dispositif et un procédé qui combinent les avantages du

transfert thermique par contact entre solides avec les avan-

tages du transfert thermique par conduction dans un gaz.

Un autre but de l'invention est de procurer un dis-

positif et un procédé pour accomplir un transfert thermique d'un solide à un autre, assisté par un gaz, avec une tranche de semiconducteur, cette dernière étant pré-chargée sur une platine profilée, pour permettre l'emploi de pressions de

gaz élevées, sans que la tranche ne se courbe, ce qui optimi-

se la composante assistée par un gaz du transfert thermique.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se

référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une représentation d'un dispositif de l'art antérieur pour accomplir un transfert thermique par contact entre solides avec des tranches de semiconducteur; La figure 2 est une représentation d'un dispositif de l'art antérieur pour le refroidissement par conduction dans un gaz;

La figure 3 est une coupe du d spc Stif de l'in-

vertion; La figure 4 est une vue en plan du dispositif de la figure 3; La figure 5 est une représentatincr graphique du transfert thermique dans diverses zones de pression de gaz La figure 6 est une courbe montrar N la déviation du point central pour une tranche de silicium, en fonction de la pression du gaz; O La figure 7 est une courbe montrant la capacité de transfert thermique de l'azote en fonction de la pression de ce gaz, pour une tranche de semiconducteur caractéristique qui peut se déformer librement sous l'influence de la pression du gaz; La figure 8 est une courbe montrant le transfert thermique avec le dispositif de l'invention, en fonction de la pression du gaz; et

La figure 9 est une courbe montrant les contribu-

tions à la conduction thermique résultante par rapport à une

0 tranche de semiconducteur, qui sont apportées par la composan-

te de transfert thermique d'un solide à un autre et par la

composante de conduction dans un gaz.

L'invention procure un dispositif et un procédé pour accomplir un transfert thermique d'un solide à un autre,

assisté par un gaz, par rapport à une tranche de semiconduc-

teur Une tranche de semiconducteur est chargée à sa périphé-

rie de façon à être appliquée sur une platine profilée La charge produit une pression de contact suffisante sur toute la tranche pour qu'une pression de gaz s'élevant jusqu'à la valeur de la charge initiale puisse être appliquée contre la face arrière de la tranche sans que cette dernière se décolle de la platine Un gaz sous une pression notable est introduit dans les vides microscopiques situés entre la tranche et la

platine, tandis que l'espace entre ces éléments demeure pra-

tiquement constant Du fait que l'espace demeure étroit, même

à 527838

à des pressions élevées allant jusqu'au niveau de précharge,

la résistance thermique est réduite et le transfert thermi-

que est renforcé.

La conduction de la chaleur d'un solide vers un autre est un phénomène de transfert thermique fondamental. La terminologie employée dépend de conventions, mais une

telle conduction englobe le transfert dans les deux direc-

tions, c'est-à-dire qu'elle englobe à la fois le chauffage et le refroidissement On pourra voir par exemple l'ouvrage de H Grober, et col intitulé Fundamentals of Heat Transfer,

Part I, "Conduction of Heat in Solids" ( 1961) De façon idéa-

le, les deux surfaces des solides respectifs qui viennent en

contact sont en contact complet sur toute leur étendue.

Cependant, dans des systèmes qu'on rencontre en pratique, comme celui consistant en une tranche de semiconducteur

pressée contre la surface d'une platine, il y a des irrégula-

rités dans les deux surfaces, à une échelle microscopique Il en résulte que dans le domaine du matériel de fabrication des semiconducteurs, bien qu'une tranche de semiconducteur soit pressée fermement contre une platine, l'aire réelle qui est

en contact à une échelle microscopique est notablement infé-

rieure à 10 % de l'aire totale de la surface Ceci fait que le transfert thermique d'un solide à un autre est inférieur à l'optimum, en particulier pour des tranches de semiconducteur

qui sont traitées de façon caractéristique dans des condi-

tions de vide dans lesquelles les contributions au transfert qui résultent de la convection ou de la conduction n'existent pas Les facteurs qui déterminent l'efficacité du transfert thermique d'un solide à un autre dans le vide sont décrits dans l'article de M G Cooper, et col intitulé "Thermal Contact Conductance", Int J Heat Mass Transfer, volume 12,

page 279 ( 1969).

La Fig 1 illustre un appareil 10 de refroidisse-

ment de tranches disposé à l'intérieur d'une chambre d'implanta-

tion d'ions En position non verrouillée, l'appareil 10 de re-

froidissement de tranches est disposé pour accepter une tran-

che semiconductrice 13 comme représenté à la partie gauche de la Fig 1, cette tranche étant introduite par gravité dans une fente 11 L'appareil 10 est tourné comme indiqué par la flèche au moyen d'une tige de support 12 pour être placé en position verticale représentée dans la partie centrale de la Fig 1, sur le trajet d'un faisceau d'électrons Pendant le processus de positionnement, la tranche 13 est verrouillée en place par une bague de blocage et courbée sous tension contre la plaque incurvée de façon convexe Lorsque l'implantation est terminée, l'appareil 10 de refroidissement de tranches est tourné comme indiqué par la flèche, au moyen de la tige de support 12, dans la position représentée sur la partie de droite de la Fig 1, afin de permettre à la tranche 13 d'être éjectée soit sous

l'effet de la gravité soit par un doigt d'éjection.

La technique de conduction dans un gaz appliquée

aux tranches de semiconducteur est illustrée par le disposi-

tif et le procédé de M King et P H Rose, décrits dans

"Experiments on Gas Cooling of Wafers", Proceedings, Third.

International Conference on Ion Implantation Equipment and Techniques, Queens University,Kingston, Ontario (mai 1980), et dans le brevet US 4264762 Camme représenté à la Fig 2, on place une tranche de semiconducteur 21 au-dessus d'une plaque de support 23 avec, entre elles un espace dans lequel on introduit un gaz par un canal 22 par des moyens , 26,27 La chaleur est conduite dans le gaz entre la tranche 21 et la plaque de support 23 La pression du gaz est nécessairement inférieure à

celle qui éjecterait la tranche 21 par rapport à la plaque de sup-

port 23, s'opposant ainsi au but sous-jacent qui est le transfert thermique Même si la tranche 21 est fixée fermement

sur la plaquede supçort 23, la pression de gaz maximale admis-

sible est la pression à laquelle la tranche 21 qui est une mem-

brane mince, commencerait à se déformer notablement en s'écartant de la plaquede support 23 Comme le montre la figure

6, dans une tranche de 100 mm, cette déformation devient con-

sidérable à une pression de 130 Pa Une telle déformation seras: ainsi intolérable, du fait que le transfert thermique

serai fortement dégradé du fait de l'augmentation de l'espa-

S een:re la plaque de support et la tranche Ceci apparaît lrsqu'cn examine la courbe a sur la figure 7, sur laquelle le transfert thermique est représenté en fonction de la pressicn pour la tranche déformée de la figure 6 Lorsque la Franche commence à se déformer au centre, la conductivité ther m que de la tranche se dégrade rapidement Ainsi, la

capacité de transfert thermique d'une technique pure de con-

ducticn dans un gaz est limitée à celle qu'on peut obtenir à

des pressions inférieures à environ 260 Pa.

Dans le mode de réalisation du dispositif de l'in-

venticn qui est représenté en coupe sur la figure 3 et en plan sur la figure 4, un gaz est introduit par un conduit 44 dans une indentation annulaire 37 qui entoure la surface

d'une platine profilée 36 L'indentation annulaire 37 intro-

duit le gaz à la périphérie de la tranche, en position adja-

cente à l'emplacement auquel la tranche est fixée sur le côté supérieur, avec un joint hermétique établi du caté inférieur par l'élément 45 La pression de contact entre la surface de

la platine profilée 36 et l'arrière de la tranche 41 est pro-

duice par l'application d'une force de fixation par des

moyens 42 Cette pression est choisie de façon à être infé-

rieure à celle qui briserait la tranche 41, mais elle est suffisamment importante pour permettre d'accepter une pression

de gaz notable derrière la tranche Lorsque le gaz est intro-

duit sous pression à partir de la source 43, par la valve 40 et le conduit 44 vers le canal annulaire 37, il emplit les vides microscopiques à l'interface entre l'arrière de la tranche 41 et la surface de la platine 36 Lorsque le gaz est introduit, une partie de la pression qui maintient la tranche avec son profil courbe est maintenant produite par le gaz Lorsque la pression augmente, une partie encore plus grande de la force appliquée à la tranche provient du gaz situé à l'intérieur des vides microscopiques, et une partie moindre de la force provient du contact entre solides de la tranche avec la surface de la platine Même avec une pression de? gaz accrue, la tranche demeure en place, et ceci jusqu'à ce que la pression du gaz soit égale à la pression de pré- charge Ensuite, la tranche cesse d'être supportée par la

platine avec un contact entre solides, et la tranche se sou-

lève par rapport aux crêtes de la surface solide La tranche commence à se comporter comme une membrane qui se courbe sous l'action du gaz appliqué Fondamentalement, la pression du gaz compense la fçrce appliquée par les moyens 42 et la tranche flotte au-dessus de la surface de la platine Toute

augmentation de pression au-dessus de ce niveau est compara-

ble à l'application d'une augmentation semblable à une tran-

che qui n'est pas pré-chargée Ainsi, comme le montre la figu-

re 6, sous l'effet d'une application d'une surpression de ou 260 Pa seulement, la tranche commence à se déformer et la conductivité thermique se dégrade considérablement Ceci est indiqué par la partie c de la figure 8, qui montre que la

conduction thermique résultante par le dispositif de l'in-

vention diminue rapidement lorsque la pression dépasse la

pression de contact de pré-charge.

La détermination ultime des possibilités de trans-

fert thermique de la platine 36 repose sur la capacité calo-

rifique du fluide chauffé ou refroidi qui circule dans des

conduits 38 La masse thermique de la platine 36 est suffi-

sarnment grande pour que cette platine apparaisse comme une source ou un récepteur de chaleur de grande capacité pour la tranche 41 (la tranche a de façon caractéristique une

masse d'environ 4 grammes).

Le dispositif et le procédé de l'invention combi-

nent les avantages du transfert thermique entre solides avec une assistance au transfert thermique par conduction dans un gaz L'assistance par conduction dans un gaz peut être importante du fait qu'on peut atteindre des pressions de gaz très importantes Comme le montre la figure 8, pour une pr'-ss:c Gn de pré-charge de 4600 Pa, la pression derrière la trar che peut presque atteindre 4600 Pa sans soulever la Iran ne Le dispositif de l'invention produit un contact

sre solides entre la tranche de semiconducteur et une pla-

tine, en pré-chargeant la tranche de façon à l'appliquer con- ure -a platine, pour obtenir une pression de contact notable, de préférence uniforme, sur toute la tranche Cette pression est de façGn caractéristique de l'ordre de 4000 à 6600 Pa,

nais elle peut être inférieure ou supérieure La limite supé-

r eure d'une telle précharge est la pression à laquelle cer-

taines tranches se briseraient Un examen visuel externe mon-

treraît que la tranche est étroitement appliquée sur la pla-

ine Cependant, à une échelle microscopique, l'aire en con-

tact demeure notablement inférieure à 10 % de l'aire totale disponible Ceci est vrai aussi bien lorsque la platine a

une surface métallique que lorsqu'elle a une surface en poly-

mère élastique On introduit le gaz sous pression dans ces vides microscopiques On peut augmenter la pression jusqu'au niveau de la précharge, du fait que la pression du gaz dans les vides se substitue à la force de soulèvement produite par les crêtes à la surface de la platine Fondamentalement,

l'espace entre la platine et la tranche demeure presque cons-

tant lorsqu'on augmente la pression du gaz, ce qui permet d'obtenir une pression de gaz notable sans que la tranche ne

se courbe ou se soulève.

Pour apprécier pleinement le caractère hybride de

l'invention (transfert thermique entre solides en associa-

tion avec la conduction dans un gaz), il est utile d'examiner le mécanisme de transfert thermique par conduction dans un gaz Comme on le voit sur la figure 5, aux pressions faibles la vitesse de transfert thermique par conduction dans un gaz augmente en fonction linéaire de la pression Dans ce cas, la densité du gaz augmente avec la pression croissante et le libre parcours moyen demeure suffisamment long pour que les collisions du gaz aient lieu de façon prépondérante avec la tranche de semiconducteur ou avec la platine Les molécules il de gaz font essentiellement des aller et retour entre la zranene et la platine Cette condition de pression est ce qu'cn appelle l'écoulement moléculaire Dans cette zone, plus La pression est élevée, plus la vitesse de transfert thcrmique entre la tranche de semiconducteur et la platine est élevée Pour la plupart des gaz présentant un intérêt dans le cadre de la fabrication de semiconducteurs, la zone

d'écculement moléculaire est inférieure à environ 130 Pa.

Pour des pressions suffisamment élevées ou des écartements sutffisamment grands entre la tranche de semiconducteur et la platine, les collisions du gaz commencent à avoir lieu de façon prépondérante entre les molécules de gaz et non avec la tranche de semiconducteur ou avec la platine Cette condition est ce qu'on appelle la zone d'écoulement laminaire Entre les zones d'écoulement moléculaire et d'écoulement laminaire,

se trouve une zone de transition dans laquelle les caracté-

ristiques des deux zones sont présentes La zone dans laquelle

certaines caractéristiques d'écoulement laminaire sont pré-

senzes se trouve au-dessus d'environ 660 Pa pour la plupart

de S gaz présentant un intérêt dans le cadre de la fabrica-

icr des semiconducteurs Dans cette zone, le gaz commence à se crporter au moins en partie comme un-fluide, dans lequel

la conductivité thermique est indépendante de la pression.

Ainsi, une fois que cette condition est atteinte, on nr'obzient aucun avantage en augmentant la pression pour un espace donné On ne réduit la résistance thermique qu'en réduisant l'espace entre la tranche de semiconducteur et la

pla:ine La transition de l'écoulement moléculaire à l'écou-

lemer t laminaire est progressive et se produit à différents

op:r zns, en fonction de l'espace entre la platine et la tran-

che dans le système.

Dans la zone d'écoulement laminaire, la résistance à la conductivité thermique est indépendante de la pression

et dépendante de l'espace entre la tranche et la platine.

cecte dépendance apparaît sur la figure 5 La zone d'écoule-

ment laminaire ou la zone de transition comportant des compo-

santes d'écoulement laminaire produit les courbes horizonta-

les pour lesquelles la capacité de transfert thermique est D cp'ndante de la pression La zone de transition (voir la figure 5; se présente ici sous la forme d'un coude faisant pas:;cr dans la zone d'écoulement laminaire pur Lorsque les On: d transition ou d'écoulement laminaire pur sont -1 e::t CS la capacité de transfert thermique devient cons-

%an e pour un écartement donné entre la tranche de semicon-

du C_-gur et la platine Cette relation est bien établie dans le dainre du transfert thermique Voir par exemple les u'.u:ages suivants: H Grober, et col, "Fundamentals of I}ea' ?ransfer", chapitre 7, 'Conduction in Rarefied Gases', pages 1 _ O et suivantes 1196 l) et S Dushman, "Scientific v_ 2ndatlons of Vacuum Technique", 2 ième édition, page 43

z 962 ' Le dispositif et le procédé de l'invention fonction-

nent dans cette condition de pression dans laquelle l'écoule-

ment laminaire est présent Pour obtenir le fonctionnement

dans cette condition, la tranche de semiconducteur est-char-

gée a sa périphérie par une force de fixation périphérique, anme Le montre schématiquement la figure 3 Cette fixation est similaire à celle du dispositif de fixation 10 de l'art an:eéreur représenté sur la figure 1, mais elle remplit une fcnciocn supplémentaire Dans l'art antérieur, la tranche 13 est maantenue contre une platine à courbure convexe par un anneau de fixation périphérique 36, de façon à obtenir un bon ccntact solide contre solide sur toute l'aire de la tranche Dans le cas de l'invention, on obtient le contact solide contre solide et, de plus, la force de charge établit en moyenne un espace étroit entre la platine et la tranche, de façon à optimiser l'assistance obtenue par la conduction dans un gaz Il y a ainsi présence de la composante de

transfert thermique entre solides, ainsi que de la composan-

te de transfert assisté par un gaz La combinaison de ces

deux composantes est représentée sur la figure 9, sur laquel-

le la courbe a représente la composante de conduction due au

contact entre la platine et la tranche, la courbe b représen-

te la contribution due à la conducticn dans un gaz et la courbe c représente la conduction résultante Lorsque la pressicn est augmentée jusqu'à la pression de pré-charge, la ccmousante de contact entre solides est réduite jusqu'à ce

que la tranche se soulève ou perde le contact avec la plati-

ne La-composante de conduction dans un gaz, correspondant à la courbe b, augmente avec la pression jusqu'à ce que la zcne d'écoulement laminaire pur soit atteinte, après quoi

elle est pratiquement constante par rapport à la pression.

Avec le dispositif de l'invention, on a trouvé qu'on pouvait facilement atteindre des pressions de contact de pré-charge de 4600 Pa ou plus, permettant ainsi d'obtenir des pressions de gaz correspondantes tout en conservant l'espace étroit Ces pressions sont largement suffisantes

pour établir des caractéristiques d'écoulement laminaire.

E:; mrême temps qu'elle permet d'obtenir des pressions de gaz ::u 2 fisamment élevées, la charge minimise l'écartement entre ranche de semiconducteur et la platine, ce qui augmente -a capacité de transfert thermique du gaz à l'intérieur des

vides microscopiques entre la platine et la tranche de semi-

conducteur La platine a de façon générale une forme convexe.

Elle a de préférence une surface métallique polie, par exem-

ple en aluminium tendre On a trouvé qu'une telle surface métallique solide produit le contact thermique solide contre

solide préféré, c'est-à-dire qu'elle produit un meilleur con-

tact qu'un revêtement de polymère élastique La qualité du

contact thermique est directement proportionnelle à la con-

ductivité du métal, inversement proportionnelle à sa dureté et proportionnelle à la fréquence des crêtes qui-s'élèvent

au-dessus des aspérités dans la surface Voir les considéra-

tions développées dans l'article de M G Cooper, et col.

intitulé "Thermal Contact Conductance", Int J Heat Mass Transfer, volume 12, page 279 ( 1969) On peut utiliser des polymères souples et conducteurs de la chaleur, mais ils n'cnt généralement pas un facteur de mérite aussi élevé.

Dans un mode de réalisation préféré, on choisit la courbure

2527838-

de la platine de façon à produire une pression de contact.

unfur -e sur toute la tranche lorsque cette dernière est pré-

ch-r; Q.

L'examen de la figure 8 permet de voir le fonction-

rne -n U du dispositif de l'invention, par opposition à l'art a:.zrîeur utilisant exclusivement le transfert thermique par ccnduczion dans un gaz Le dispositif de refroidissement par cc.nduczion dans un gaz de type classique, de l'art antérieur, qui est représenté sur la figure 2, comporte un espace fini 21 entre la tranche 20 et la plaque de support 23 Du fait qu'il n'y a pas de pré-charge sur une platine profilée, la :ranche commence à se déformer sous une pression de quelques

cen taines de pascals, ce qui augmente cet espace La conduc-

tizi thermique décroît de façon abrupte, comme le montre la courbe b Au contraire, la conductivité thermique pour le d_,p(siuif de l'invention s'élève comme le montre la courbe,

jusqu'à ce que la zone d'écoulement laminaire soit atteinte.

Lorsque la pression de pré-charge de 4600 Pa est dépassée,

la tranche commence à se déformer et, ici également, la con-

ductivité thermique diminue de façon abrupte, comme le montre

a ccurbe c.

On a fait la preuve des performances que permet d'obtenir le procédé de l'invention en implantant une tranche

de silicium de 7,6 cm revêtue de matière de réserve photosen-

sible, avec un faisceau d'ions As+ de 2 m A à 180 ke V On a

fixé la tranche de silicium sur le dispositif de l'invention.

On a introduit de l'air entre la platine et la tranche sous une pression inférieure à 4000 Pa On a implanté une aire de 51 cm La densité de puissance incidente était supérieure à 6 W/cm 2 On n'a observé aucune détérioration de la matière de réserve photosensible sur la totalité de la surface de la tranche. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits

et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique avec une tranche de semiconducteur ( 41), caractérisé en ce qu'il comprend: une platine ( 36) destinée à recevoir la tranche ( 41) et à établir un contact solide ccn:re solide

avec la face arrière de la tranche; des moyens ( 42) desti-

nés à charger la tranche à sa périphérie contre la platine ( 36), avec une force suffisante-pour produire une pression de ccntact de pré-charge entre la platine et la tranche d'une valeur telle que lorsqu'elle est presque équilibrée par la pression du gaz dans les vides microscopiques entre la platine et la tranche, ce gaz ait au moins en partie un caractère d'écoulement laminaire; une source de gaz sous pression ( 43); des moyens ( 37, 44) branchés entre la source de gaz sous pression et la région de la zone de contact entre la platine et la tranche, grâce auxquels le gaz est introduit dans les vides microscopiques entre la platine ( 36) et la tranche ( 41), ce gaz ayant au moins en partie un

caractère d'écoulement laminaire.

2 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la

platine ( 41) a une surface courbée de façon convexe.

3 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la

surface de la platine courbée de façon convexe est une sur-

face métallique polie destinée à recevoir la tranche de

semiconducteur ( 41).

4 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sur-

face métallique polie est une surface métallique polie en aluminium. Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une cou-

che de surface consistant en un polymère élastique et conduc-

teur de la chaleur est fixée sur la platine ( 36) courbée de façcn convexe, pour recevoir la trarnche de semiconducteur

( 41).

6 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens branchés entre la source de gaz sous pression '43) et la région de vides microscopiques du contact solide contre

solide comprennent un conduit '44) à l'intérieur de la plati-

ne ( 36) qui est relié de façon externe à la source ( 43) et qui se termine dans un canal circulaire ouvert ( 37) situé à

la surface de la platine et ayant un rayon légèrement infé-

rieur à celui de la tranche ( 41) qui est chargée sur-la pla-

tine. 7 Dispositif pour assurer un transfert thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend,

en combinaison, des moyens ( 45) établissant un joint hermé-

tique qui sont encastrés dans la surface de la platine ( 36) à l'extérieur du canal circulaire ouvert ( 37) pour empêcher

l'entrée du gaz dans la chambre de traitement.

8 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la platine ( 36) comprend en outre un second réseau de conduits

( 38) destiné à faire circuler un fluide de transfert thermi-

que.

9 Dispositif destiné à assurer un transfert ther-

mique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 42) qui chargent la tranche ( 41) appliquent une force de pré-charge pour permettre à la tranche de supporter une pression de gaz sur sa face arrière dans la plage de 660 Pa

à 13000 Pa, sans que la tranche ne se soulève ou ne se courbe.

Procédé pour assurer un transfert thermique entre une tranche desemiconducteur ( 41) et une platine ( 36), caractérisé en ce que: on établit une platine ( 36) ayant un

profil de forme convexe; on force la périphérie de la tran-

che ( 41) contre cette platine ( 36) pour produire une pression de contact de la platine contre la tranche ayant une valeur qui, lorsqu'elle est presque équilibrée par la pression du gaz situé dans les vides microscopiques entre la platine et la tranche, fait en sorte que ce gaz ait au moins en partie un caractère d'écoulement laminaire; on produit un gaz scus- pression; et on introduit ce gaz sous pression dans la région des vides microscopiques entre la platine ( 36) et la tranche de semiconducteur ( 41), ce gaz ayant au moins en

partie un caractère d'écoulement laminaire.

11 Procédé pour assurer un transfert thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'opération consistant à introduire le gaz dans la région des vides microscopiques s'effectue en faisant circuler ce gaz dans un conduit ( 44) formé dans la platine, vers la surface de cette

dernière.

12 Procédé pour assurer un transfert thermique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'opération consistant à faire circuler le gaz dans un conduit dans la platine ( 36) vers la surface de cette dernière s'effectue en faisant circuler le gaz dans un conduit ( 44) formé dans la platine ( 36), vers une ouverture annulaire ( 37) à la surface de la platine, cette ouverture annulaire ayant un rayon

légèrement inférieur au rayon de la tranche ( 41).