FR2851259A1 - Procede de fabrication de monocristaux hexagonaux et leur utilisation comme substrat pour des composants semi-conducteurs. - Google Patents

Abstract

Il est décrit un procédé de fabrication de monocristaux pauvres en tensions et à structure hexagonale, qui présentent un axe cristallographique c perpendiculaire à une face [0001]. Un monocristal maintenu à une température inférieure au point de fusion de la matière cristalline brute est plongé dans un bain de cette matière fondue avec formation d'une limite de phase solide-liquide. Le cristal est ensuite cultivé selon le procédé Czochralski par un mouvement de tirage dirigé vers le haut. Le procédé est caractérisé par le fait que le cristal est tiré le long de l'axe c, que sur le cristal à l'intérieur du premier centimètre à partir de la limite de phase est réglé un gradient de température d'au moins 30°K, le cristal ainsi fabriqué étant soumis ensuite à un traitement de recuit. Le procédé convient particulièrement à la fabrication de cristaux de corindon tels que des saphirs, qui sont utilisés comme substrats pour des éléments semi-conducteurs tels que des LEDs par exemple.

Description

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Procédé de fabrication de monocristaux hexagonaux et leur utilisation comme substrats pour des composants semi-conducteurs L'invention a pour objet un procédé de fabrication de monocristaux à structure hexagonale, particulièrement dépourvus de tensions, notamment des monocristaux de corindon en mettant en oeuvre le procédé de Czochralski et un procédé de recuit lui faisant suite, les cristaux dépourvus de tension obtenus de 5 cette manière, ainsi que l'utilisation de tels cristaux pour fabriquer des composants électriques et électroniques.

C'est seulement la fabrication de composants semi-conducteurs à base de nitrure III qui a rendu possible le développement d'un grand nombre de composants électroniques dans les domaines techniques de la haute température, 10 de la haute énergie, ainsi que dans des utilisations du laser. Mais avant tout, ce sont les diodes électroluminescentes à forte lumière bleue et blanche (LED) qui ont pu être réalisées avec ces éléments à l'échelon industriel. Le problème principal, ici est de disposer suffisamment du matériau de substrat approprié. Un substrat approprié doit avant tout présenter une transparence élevée et une résistance 15 suffisante aux contraintes de corrosion lors de la fabrication des composants semiconducteurs. Il doit, à des températures dépassant 13000 K, présenter une stabilité de forme suffisante pour permettre un développement homogène d'une couche semi-conductrice.

Les propriétés thermiques, telles que la dilatation et la conductibilité 20 thermique, doivent présenter également des valeurs appropriées. De plus, il faut que soit aussi faible que possible ce qu'on appelle une discordance entre le réseau cristallin du substrat et celui de la couche cristalline de nitrure de gallium, afin de pouvoir déposer cette couche de manière épitaxiale sur le substrat. Actuellement, on utilise comme substrat le saphir dont les propriétés physiques se rapprochent du 25 GaN et des variantes semi-conductrices utilisées avec, telles que par exemple AIN, GaN, InGaN ou InGaAL. Comme substrat on utilise ce qu'on appelle des wafers.

Ce sont de minces disques de substrat dont le diamètre est de quelques pouces (24"). La plus faible discordance entre le saphir et le GaN a lieu quand on utilise un substrat dans l'orientation <0001>. Avec cette orientation, la discordance de la 30 constante du réseau du saphir est particulièrement faible par rapport à la constante du GaN. Dans cette orientation <0001>, la face [0001] est la surface du wafer, et l'axe cristallographique c est perpendiculaire aux faces du wafer.

Un procédé approprié, et développé pour l'élevage du saphir, est par exemple le procédé dit de Czochralski dans lequel un cristal d'inoculation est plongé dans du matériau brut fondu et extrait lentement par traction de ce matériau 5 fondu. Ce procédé a, par rapport aux autres procédés de culture de cristaux connus, l'avantage de permettre une croissance du cristal orientée et donc une structure organisée du matériau. Mais évidemment ici, le problème est qu'un monocristal de haute qualité peut être fabriqué par le procédé de Czochralski seulement si le cristal d'inoculation est extrait du matériau brut fondu par une traction exercée 10 parallèlement à la direction cristallographique m du saphir. Cette direction m fait avec l'axe c un angle de 900. On peut même cultiver un cristal par le procédé de Czochralski dans lequel la direction de traction fait un angle de 60 avec l'axe c (direction r). L'inconvénient ici est que les wafers désirés selon l'orientation <0001> doivent être obtenus à partir des monocristaux ainsi cultivés par des 15 coupes obliques coteuses. Cela réduit le rendement et nécessite précisément avec le saphir du fait de la grande dureté de celui-ci, un cot d'usinage élevé. De plus, les wafers ainsi obtenus présentent un comportement de relaxation asymétrique de la tension intrinsèque, et donc une déformation asymétrique du wafer lors du traitement thermique ultérieur. Ce comportement se révèle gênant lors de la 20 croissance épitaxiale ultérieure, par exemple de GaN sur le wafer, car lors du processus épitaxial il se produit des températures élevées et, de ce fait le wafer s'écarte de sa planéité nécessaire. Avec le procédé Czochralski on obtient, en tirant les cristaux selon la direction m, une relativement grande consommation de matière mesurée par le volume cristallin déposé par rapport à la surface de wafer 25 obtenue. De plus, la qualité du wafer est, du fait de la déformation faisant suite au relâchement des tensions, défavorablement influencée à des températures dépassant 1270'K. La déformation due au relâchement des tensions apparaît même déjà lors de la fabrication du wafer, dans les processus de rectification et de polissage.

Jusqu'à présent, avec le procédé Czochralski, on n'a pas pu obtenir de bons résultats en ce qui concerne la qualité cristalline dans la direction axiale c. La vitesse de culture a été minimisée en fonction des gradients axiaux de température appliqués en limite de phase, de sorte qu'à cause de la vitesse de croissance alors limitée, on n'a pas pu fabriquer économiquement des cristaux de saphir par ce 35 procédé. La mauvaise qualité du matériau a ici pour cause le fait que la croissance s'effectue sur la face atomiquement lisse <0001>. Mais sur cette face, déjà avec les énergies superficielles plus faibles du système cristallin, il se dépose des inclusions et il se crée de faibles angles intercristallins, de sorte que le matériau de substrat ne peut être utilisé pour réaliser des composants électroniques de haute valeur.

Le document DD-A 202 901 décrit la fabrication de monocristaux oxydiques 5 dépourvus de tensions, les plus homogènes possibles. Dans un système de chauffage à haute fréquence, on établit dans l'ensemble de l'espace de culture un gradient de température très plat. Mais il s'est révélé que ce procédé ne convenait pas à la fabrication de produits de série tels que des substrats pour des éléments semi-conducteurs.

L'objectif de l'invention est d'indiquer un procédé permettant de fabriquer simplement et avec un rendement élevé, des monocristaux à partir desquels on peut obtenir ensuite des substrats monocristalllins, selon l'orientation <0001>, de manière économique et avec une qualité élevée, en particulier sans tensions.

Cet objectif est atteint par le procédé indiqué dans les revendications. Il est 15 apparu de manière surprenante, qu'avec un procédé du genre indiqué à l'entrée, le gradient de température axiale dans la zone y (à environ l cm à l'intérieur du cristal cultivé jusqu'au produit fondu) est réglé à au moins 30'/cm, de sorte que des vitesses de croissance d'au moins 40mm par jour sont atteintes et que le monocristal est ensuite soumis à un traitement thermique avec un gradient de 20 température symétrique radialement le plus faible possible et un gradient axial également aussi peu faible que possible.

Le développement cristallin selon l'invention a lieu le long de l'axe cristallographique c. Ici, il est apparu que le développement doit s'effectuer de préférence avec un écart par rapport à l'axe c qui ne dépasse pas 50. Mais en 25 particulier, l'écart est inférieur à 2, 5 . De manière générale, on cherche à cultiver le cristal aussi exactement que possible selon la direction cristallographique c.

La forme de la limite de phase entre le cristal et le bain de fusion, influencée par la vitesse de tirage, par les gradients de température qui, selon l'invention, sont élevés dans le cristal à i cm de la limite de phase, et enfin par la vitesse de 30 rotation, est réglée selon l'invention de manière que la surface délimitante présente une courbure convexe par rapport au produit fondu. Ainsi, cette courbure présente usuellement un rayon d'au moins 0,05m, de préférence un rayon d'au moins 0,2m.

L'invention repose sur le fait connu que des états de tension dits anisotropiques du wafer sont responsables de la déformation des cristaux fabriqués 35 par le procédé de Czochralski et des wafers en résultant, selon la direction usuelle m ou r lors du traitement thermique qui suit. Quand on cultive selon la direction m ou r, il s'établit effectivement des tensions radialement symétriques résultant du profil de température radialement symétrique existant dans le cristal, mais ces tensions, lorsqu'on extrait par sciage oblique des cristaux orientés selon l'axe c, se traduisent par une image de tension qui est radialement symétrique. Le tracé des 5 lignes de tension va d'une extrémité du wafer à l'autre. Ces états de tension anisotropes dans le cristal ne peuvent jamais être relâchés complètement dans un processus de recuit, de sorte que chaque traitement thermique ultérieur produit des déformations du wafer.

Ces états anisotropes de tension n'existent pas dans les wafers qui sont 10 produits à partir des monocristaux fabriqués par le procédé selon l'invention, étant donné que les cristaux sont cultivés dans un champ de températures radialement symétrique. Effectivement, il s'établit également des tensions sensibles dans le cristal, dues aux gradients de température axiaux, mais ces tensions sont symétriques en rotation et peuvent, de manière surprenante, être réduites au cours 15 du traitement qui suit avec un gradient de température symétrique radialement, plus fortement que dans le même matériau fabriqué selon l'état de la technique.

Il est apparu qu'avec les caractéristiques du procédé selon l'invention, des monocristaux hexagonaux pouvaient être obtenus par tirage particulièrement rapidement, des vitesses de tirage d'au moins 30mm par jour, et en particulier d'au 20 moins 40mm par jour, étant possibles. Dans de nombreux cas, il est apparu qu'une vitesse de tirage maximale de 200mm par jour était appropriée. Mais de manière usuelle cette vitesse est au maximum de 150mm par jour, une vitesse maximale de 130mm ou de 120mm par jour étant particulièrement préférée. Seule l'augmentation rendue possible par élévation de la vitesse d'élevage permet de 25 fabriquer économiquement des monocristaux particulièrement dépourvus de tension.

Le traitement de recuit peut après le processus d'élevage être réalisé dans une zone de post-chauffage prévue dans l'installation au-dessus du creuset d'élevage. Dans cette zone de post-chauffage le monocristal peut se former 30 simplement. Il s'est révélé avantageux, lors du traitement thermique, de maintenir le monocristal pendant une durée d'au moins 1 heure, de préférence d'au moins deux heures à la même température et/ou à une température de traitement d'au moins 1750'K.

De préférence, lors de la culture du cristal, il faut régler un gradient de 35 température axial par rapport à l'axe c, qui est d'au moins 30'K par cm sur le cristal dans la zone de la limite de phase, c'est-à-dire à l'intérieur du premier cm entre la limite de phase et le monocristal déjà fabriqué. Des valeurs préférées sont d'au moins 350K/cm, et en particulier d'au moins 40'K/cm, la valeur de 50'K/cm étant spécialement préférée. Un gradient maximal préféré atteint 210'K/cm, notamment 150'K/cm.

Au moyen de ces gradients de température on ne peut effectivement pas encore obtenir des monocristaux totalement dépourvus de tensions, mais l'état de tension est symétrique radialement de manière homogène et peut, selon l'invention par des processus ultérieurs de recuit se situant dans une plage de températures de 200 à 500'K plus basse que le processus de croissance effectué à environ 2300'K, 10 avec un gradient de température axial et/ou radial petit, être relâché de manière pratiquement isotrope par rapport à l'axe c.

On doit veiller à ce que, au moins lors du traitement thermique des cristaux dans une installation de culture ou dans le processus qui suit, un gradient de température constant, symétrique en rotation et/ou axial soit réglé sur toute la 15 longueur du monocristal. Ce gradient constant de température réduit les états anisotropes de tension dans le monocristal.

Dans une forme de réalisation spécifique préférée, la température peut être modifiée linéairement et/ou par étapes pendant le traitement thermique, c'est-àdire le recuit. En faisant varier par étapes la température, on peut par exemple lors 20 des passages des états métastables y et n à la forme a thermodynamiquement stable du saphir, faire des pauses, par exemple, à 1400 250K et/ou 1000 250K.

Les pauses ont avantageusement une durée d'au moins 1 heure, en particulier 2 heures.

Une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention se distingue par 25 le fait qu'un traitement thermique en deux étapes est réalisé, à savoir une première étape de traitement dans laquelle le monocristal est refroidi avec un premier taux de refroidissement à partir d'une première température de traitement, et une seconde étape de traitement au cours de laquelle le monocristal, ou un produit fabriqué à partir de celui-ci, est refroidi à partir d'une seconde température de 30 traitement avec un second taux de refroidissement plus faible. Un premier refroidissement, assez rapide mais commandé, suivi par une seconde étape de traitement dans laquelle le refroidissement est plus lent, s'est révélé très efficace.

Le monocristal peut, dans la première étape de traitement, être refroidi isothermiquement dans la zone de poste de chauffage. Cela peut être réalisé 35 facilement après la fabrication du monocristal.

Dans une configuration avantageuse, le monocristal, après son développement dans le four de culture, est refroidi lors d'une première étape de traitement avec un taux de refroidissement ne dépassant pas de préférence 50'K par heure, et en particulier inférieur à 20'K par heure. Avec ce refroidissement relativement rapide mais commandé, on peut déjà fabriquer des monocristaux 5 relativement pauvres en tensions, celles-ci pouvant être réduites davantage au cours de la seconde étape de traitement qui suit.

La première température de traitement ou même dans un procédé à une étape, la température unique de traitement atteint de préférence 2100'K. En particulier l'écart maximal par rapport à cette température est de 500K. A cette 10 température, les états de tension sont particulièrement bien relâchés.

Dans la seconde étape de traitement, le monocristal doit être refroidi avec un taux de refroidissement d'au moins 15'K par heure. Ce refroidissement plus lent prend en compte le plus grand volume d'un cristal complet par rapport à un wafer d'une épaisseur inférieure à lmm, et facilite la formation d'un monocristal 15 largement dépourvu de tensions, sans effets de déformation.

Dans une autre configuration avantageuse, un cristal refroidi dans l'installation de culture ou au cours d'un processus thermique ultérieur, est fabriqué en tant que préproduit de wafers ayant des épaisseurs de matière inférieures à lmm, puis est soumis à un second traitement thermique à des 20 températures d'au plus 2100 et d'au moins 1850'K avec des taux de refroidissement inférieurs à 20'K par heure. Ainsi, on peut avec le procédé selon l'invention, fabriquer usuellement des wafers à peu près dépourvus de tensions et donc résistants à la déformation lors des processus thermiques ultérieurs, comme cela est usuel lors d'utilisation de LEDs.

Le procédé présentant les caractéristiques de l'invention lors des traitements thermiques qui, après le processus de culture, ont lieu audessus du creuset de fusion, doit, afin de protéger de l'oxydation la surface du métal fondu dans une zone de température dépassant 1950'K, être réalisé en atmosphère protectrice telle que de l'azote ou de l'argon, ou sous vide. Ainsi, sont largement évités des 30 souillures ainsi que des effets indéfinis de conductibilité thermique et les défauts cristallins qui en résultent.

Dans une forme préférée de l'invention, avec une température de traitement au-dessus d'une installation de culture atteignant au plus 1950'K, on règle une pression ambiante prédéfinie proche de la pression normale avec un taux 35 d'oxygène allant jusqu'à 50 %, les éléments constructifs en contact avec le gaz étant réalisés en un alliage de platine et de rhodium, cet alliage étant rendu nécessaire à de telles températures par l'atmosphère oxydante. On peut obtenir ainsi de bons produits. Les composants en métal noble sont nécessaires pour fixer et/ou pour déposer et/ou pour protéger le produit recuit dans le four.

Une autre forme de réalisation de l'invention, permettant également 5 d'obtenir de bons résultats, est réalisée en réglant, pour une température de traitement atteignant au plus 2150'K, une pression ambiante prédéfinie utilisant un gaz inerte proche de la pression normale et constituant avec utilisation d'iridium pour les éléments constitutifs en contact avec le gaz. Comme gaz inerte on peut utiliser de l'argon, de l'azote ou même un mélange de ces gaz. La teneur maximale 10 en oxygène du gaz inerte ou du mélange de gaz ne peut dépasser 2 % du fait de la sensibilité à l'oxydation de l'iridium.

Une troisième forme de réalisation est un procédé à deux étapes qui combine les deux variantes décrites précédemment, et dans lequel au passage à la température la plus élevée, il faut d'abord échanger complètement le gaz contenant 15 50 % d'oxygène avec le gaz inerte nécessaire pour la plage de températures plus élevées et qui présente une teneur en oxygène très fortement réduite.

Le procédé selon l'invention convient particulièrement à la fabrication de cristaux de corindon tels que des saphirs ou des rubis.

Le procédé selon l'invention va être exposé en détail sous la forme d'un 20 exemple d'un dispositif de fabrication de monocristaux.

La Fig. 1 représente un dispositif de culture de monocristaux La Fig. 2 représente la biréfringence par compression (SDB) de cristaux à une certaine distance de l'axe médian du cristal La Fig. 3 représente schématiquement la construction d'un dispositif de 25 mesure de flexion de wafers La Fig. 4 représente la flexion des wafers en inm.

La Fig. 1 est une représentation schématique d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif comprend un chauffage 1 et un creuset 3 qui est isolé de l'environnement par un écran 2. Le chauffage 1 est, dans le dispositif 30 représenté, la bobine d'induction 1 d'un chauffage à induction. L'alimentation en courant de cette bobine n'est pas représentée. L'écran 2 peut servir d'écran thermique ou même être luimême couplé par induction à la bobine 1 et, ainsi servir à chauffer indirectement le creuset 3. Celui-ci peut aussi être chauffé directement par la bobine d'induction 1.

Le creuset 3 contient la matière brute 4 amenée à l'état fondu par le chauffage 1. Dans le dispositif figuré, la matière brute est de l'oxyde d'aluminium 4 fondu dans le creuset 3.

On voit à la figure, au-dessus de la matière brute fondue, une tige de traction qui se déplace à une grande vitesse de traction dépassant 40mm par jour, dans la direction caractéristique. En même temps, la tige tourne autour de son axe. Les 5 vitesses typiques de rotation pour le procédé selon l'invention se situent entre 10 et tours par minute, la tige tournant avec le germe et le corps cristallin qui se développe. A la figure, ne sont pas représentés les moyens d'entraînement et de commande pour entraîner la tige 5 et pour commander son mouvement.

A l'extrémité de la tige 5 située du côté du creuset 3 se trouve un cristal 10 d'inoculation 6, à savoir un cristal de saphir. Ce cristal d'inoculation 6 est orienté de manière que son axe cristallographique c est dirigé vers la matière brute fondue qui se trouve dans le creuset 3. A la Fig. 1 l'axe cristallographique c du cristal d'inoculation 6 est disposé verticalement vers le bas.

A l'extrémité du cristal d'inoculation 6 située du côté de la matière brute 15 fondue 4 se trouve un monocristal 7, notamment un cristal de saphir. Ce monocristal 7 forme avec la matière brute fondue 4 une surface de limite de phase 8. Le creuset, la matière fondue et le cristal brut tiré se trouvent dans une atmosphère protectrice constituée par exemple d'argon avec un taux d'oxygène maximal inférieur à 1 % dans les conditions normales.

Pour fabriquer un monocristal 7 avec le dispositif représenté à la Fig. 1, on introduit d'abord la matière brute, en particulier l'oxyde d'aluminium 4, dans le creuset 3 et on la fait fondre au moyen du chauffage 1. Le cristal d'inoculation monté à l'extrémité de la tige de traction 5 située du côté de la matière brute fondue 4, de préférence un cristal de corindon tel qu'un cristal de saphir 6, est 25 plongé dans la matière brute fondue 4, et son diamètre grandit lentement. Une fois que le diamètre désiré est atteint, la tige de traction est tirée dans la direction caractéristique d'environ 40 à 120mm par jour, tout en tournant dans le sens indiqué par la flèche autour de son propre axe de rotation à une vitesse de 10 à 40 tours par minute.

Dans le procédé selon l'invention, les cristaux sont fabriqués dans la direction d'axe c qui est inhabituelle pour la culture de cristaux à structure hexagonale. Pour cela, on règle un gradient de température axiale inhabituellement élevé pour ce procédé sur la surface de limite de phase, ce gradient se manifestant usuellement par une élévation des tensions dans le cristal, mais cela peut permettre 35 de réaliser des vitesses de culture élevées. Avec le procédé selon l'invention, des tensions radialement symétriques dans les cristaux peuvent être presque totalement éliminées au cours d'un processus de recuit qui fait suite.

L'ensemble du procédé, avec un processus de post-chauffage réglé de manière définie à l'intérieur de l'installation de culture ou au choix sous la forme d'un processus de recuit réalisé ensuite à l'extérieur de l'installation de culture, 5 conduit d'une manière étonnante à la différence de ce qui se passe dans l'état de la technique, à des cristaux pauvres en tensions internes, et donc appropriés particulièrement à donner des substrats.

Avec le procédé qui a été décrit précédemment, on peut cultiver des cristaux de saphir qui en diamètre ne doivent être que faiblement supérieurs aux wafers en 10 vue du revêtement ultérieur, par exemple pour fabriquer une LED. Quand les étapes de façonnage ultérieures telles que coupe, rodage, rectification ou polissage, appliquées à des substrats minces d'épaisseur inférieure à lmm ont provoqué des tensions mécaniques, un traitement thermique effectué ensuite selon l'exemple 1 ou 2 est avantageux, mais une adaptation aux volumes plus faibles doit être 15 effectuée. Des volumes plus faibles des cristaux et des wafers autorisent, pour équilibrer la température, des temps de séjour plus courts aux niveaux fixes de température ainsi que des temps de refroidissement plus rapides inférieurs à 15'K par heure, sans qu'il soit porté atteinte à l'exigence des gradients maximaux prescrits, inférieurs à 40K par heure. Avec le procédé décrit ci-dessus, on peut 20 obtenir des wafers nettement plus plans et plus résistants à la déformation lors des processus thermiques à haute température qui suivent, comme cela a lieu par exemple dans le revêtement au GaN, ces traitements satisfaisant aussi l'exigence de peu de défauts dans les processus à haute température utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. En détail, la planéité c'est-à-dire l'écart de la surface du 25 wafer par rapport à un plan idéal a été améliorée par un facteur supérieur à 2. Les monocristaux de saphir fabriqués selon le procédé décrit présentant les caractéristiques de l'invention, ainsi que les substrats obtenus à partir de ces cristaux, conviennent particulièrement bien pour le revêtement MOCVD des semiconducteurs par du nitrure m1 pour la fabrication par exemple de LEDS. 30 L'invention est décrite en détail à l'aide des exemples suivants.

Exemple 1

Après la fabrication du cristal de saphir 7 de la manière décrite précédemment avec une vitesse de culture de 48mm par jour, et un gradient axial de température de 50'K par cm dans la zone de limite de phase et en atmosphère 35 protectrice, ce cristal de saphir 7 est d'abord refroidi dans la zone de postchauffage, de manière isotherme à la température d'environ 2100'K. Le refroidissement supplémentaire du cristal de saphir s'effectue à un taux de 40'K par heure. De cette manière, les faibles angles inter-cristallins peuvent être largement évités.

Ensuite, des wafers avec une orientation <0001> sont fabriqués à partir du 5 monocristal 7. Ces wafers sont alors chauffés à une température d'environ 1950'K dans un four dont les composants sont en alliage platinerhodium et dans une atmosphère air-oxygène présentant jusqu'à 50 % d'oxygène à la pression normale, puis refroidis avec un taux de refroidissement de 15'K par heure. Dans cette seconde étape de traitement, un gradient radial de température inférieur à 40K par 10 centimètre est maintenu dans la matière.

Exemple 2

Selon l'exemple 1, un cristal de saphir 7 est fabriqué, refroidi et divisé en wafers. Ensuite, les wafers sont chauffés à une température d'environ 21000K et en atmosphère inerte, dans un four dont les composants sont en iridium, puis sont 15 ramenés à la température de la pièce avec un taux de refroidissement de 15'K par heure. L'atmosphère inerte est constituée par de l'azote sous la pression normale.

Le refroidissement est chaque fois interrompu lorsque sont atteintes les températures de 1400'K 250K et 1000K 250K qui correspondent aux passages des états métastables y et n à la forme a thermodynamiquement stables du saphir. 20 Chacune de ces températures est maintenue constante pendant deux heures avant un nouveau refroidissement.

Exemple 3

Un monocristal de saphir 7 est fabriqué et refroidi selon l'exemple 1. Ce cristal est ensuite chauffé à une température d'environ 2100'K en atmosphère 25 inerte, dans un four dont les constituants sont en iridium, puis il est maintenu à une température constante pendant 24 heures et refroidi jusqu'à la température ambiante avec un taux de refroidissement de 10'K par heure. Ici, lors du refroidissement du cristal brut, il est tenu compte du plus grand volume par rapport aux substrats. L'atmosphère inerte est constituée d'azote sous pression normale.

Les différents niveaux de tension que produit le processus de fabrication de la matière du saphir, à partir du cristal brut jusqu'aux wafers, peuvent être définis quantitativement et in situ par le procédé qui va être décrit. En plus des mesures indiquées ici, des tensions dans le cristal et/ou dans le wafer peuvent être déterminées intégralement par spectroscopie Raman et avec sélection de 35 profondeur par diffraction de rayons X.

Exemple 4 il

Détermination des différences de chemin couplées aux tensions, par mesure au laser.

Pour évaluer la qualité de la matière des cristaux bruts de saphir cultivés à l'exemple 3, on effectue sur des échantillons de volume (cylindre de Boule: 5 diamètre 2"; hauteur 40mm) des examens en ce qui concerne la caractéristique de qualité que constitue la biréfringence par compression (SDB) et ces examens sont comparés à l'état de la technique. Le procédé de mesure utilisé repose sur la détermination de la différence de chemin (indiqué en nm) entre deux composants perpendiculaires entre eux d'un rayon laser présentant une polarisation définie 10 (longueur d'onde: 622 nm). Cette différence est proportionnelle à une valeur de différence de tension Aci = a1 - a2). Le signal de mesure à observer est le résultat de l'intégration de tous

les apports de tension latéraux le long de la hauteur des cylindres irradiés. Ici, il faut tenir compte du fait que la différence de chemin établie (grandeur de la mesure) 15 doit être normalisée sur la longueur du segment de cristal irradié. L'acquisition des données a lieu par l'intermédiaire d'un balayage linéaire effectué le long d'une droite traversant radialement le centre du cylindre de cristal. L'exécution de ce procédé est décrite à titre d'exemple dans le livre: H. Aben, C. Guillemet, Photoelasticity of Glass, Springer Verlag 1993. Les mesures ont été effectuées 20 avec un appareil de mesure RPA 2000 fabriqué par la firme Instrument Systems, à Munich, Allemagne.

Les résultats sont représentés à la Fig. 2. Trois matières cristallines selon l'état de la technique A, B, C ont été comparées à un cristal selon l'invention (correspondant à l'exemple 3). L'échantillon A de matière de comparaison selon 25 l'état de la technique est un cristal du commerce et qui a été cultivé selon le procédé de Kyropoulos, en direction m. Les échantillons B et C sont également dans le commerce et ont été fabriqués selon le procédé de Czochralski en direction m (échantillon B) et en direction r (échantillon C).

Comme le montre ce diagramme, il apparaît dans le cristal selon l'invention 30 seulement une faible différence de tension le long du bord de cristal. Par contre, la zone médiane de 5 à 45mm, essentielle pour la fabrication d'éléments semiconducteurs, est non seulement pauvre en tension mais de plus présente des valeurs constantes. Par contre les wafers selon l'état de la technique A, B, C présentent une courbe de tension nettement plus forte (courbes 2, 3 et 4) et qui de plus, du fait de 35 la culture en direction m et r, n'est pas radialement symétrique comme le montre la forme asymétrique des courbes et le décalage important des axes y. L'avantage des cristaux de saphir fabriqués selon l'invention est nettement visible en ce qui concerne la hauteur et la symétrie de l'état de tension, par rapport à l'état de la technique.

Exemple 5

Détermination de la déformation du wafer par chauffage.

Par mesure de la réflexion d'un rayon laser, la flexion/déformation de wafers de saphir est mesurée. Le wafer est soumis à une évolution de température comparable comme celle utilisée dans un processus de revêtement typique de GaN.

La mesure met en évidence comment la planéité des substrats évolue quand 10 est appliquée une température qui varie. La déformation est une mesure des tensions dans la matière cristalline. Du fait des différents procédés de culture et de traitement thermique des cristaux, les substrats présentent des flexions fortement différentes.

Chaque wafer à examiner est placé dans des conditions reproductibles sur 15 une table en quartz disposée dans un four et il est irradié latéralement par un laser.

Le rayon du laser est divisé par un diviseur de rayons en deux rayons dont chacun frappe le wafer en son milieu et près du bord de celui-ci et est alors réfléchi. Le rayonnement laser réfléchi sur le wafer est observé sur un écran situé à 3 mètres environ. Quand le substrat fléchit, la distance des trois points de réflexion du laser 20 varie et peut être déterminée sur l'écran d'observation. La constitution du système de mesure est représenté schématiquement à la Fig. 3.

Dans un tel système les wafers fabriqués selon l'invention ont été comparés à des wafers selon l'état de la technique.

Les wafers ont été fabriqués selon les procédés suivants: 25 Etat de la technique (wafer de comparaison): Ky: cultivé selon le procédé Kyropoulos en direction m CZ: cultivé selon le procédé Czochralski en direction m Wafers fabriqués selon l'invention: 1: fabriqués selon la description de l'exemple 2 30 2: fabriqués selon la description de l'exemple 1.

Les résultats de mesure sont représentés à la Fig. 4. Selon cette figure, la variation maximale relative des points de réflexion laser avec les cristaux fabriqués selon l'invention indique une flexion nettement plus faible que celle des cristaux fabriqués selon l'état de la technique. On voit aussi nettement que les cristaux 35 cultivés en direction m présentent une déformation plus forte.

Les mesures montrent des résistances différentes à la déformation des wafers fabriqués selon l'invention par rapport à ceux fabriqués selon l'état de la technique. Sont tolérées des déformations de 9 grm au plus, en particulier de 8 grm au plus, avec une préférence particulière pour des déformations ne dépassant pas 6 fim. Les déformations usuelles des wafers selon l'invention sont de 5 grm et moins, 5 de sorte que, quand on effectue le revêtement du wafer sur une plaque chauffante à par exemple 1370'K, il est sr que l'on obtient des revêtements semi-conducteurs de nitrure III sur toute la surface d'un wafer d'un diamètre de 2 à 4".

Liste des références 1 Bobine d'induction 10 2 Ecran 3 Creuset 4 Matière brute Tige de traction 6 Cristal d'inoculation 15 7 Monocristal 8 Surface de limite de phase 9 Zone de post-chauffage

Claims (11)

Revendications

1. Procédé de fabrication de monocristaux à structure hexagonale pauvres en tensions et présentant un axe cristallographique c perpendiculaire à une face cristalline [0001], à partir d'une matière brute cristalline fondue, notamment selon 5 le procédé de Czochralski, par immersion dans le bain de fusion d'un monocristal maintenu à une température inférieure au point de fusion de la matière cristalline brute, avec formation d'une limite de phase solide-liquide et culture du cristal en l'extrayant par un mouvement de traction dirigé vers le haut, caractérisé en ce que le monocristal est tiré selon la direction de l'axe c, sur le cristal à l'intérieur du 10 premier centimètre à partir de la limite de phase est établi un gradient de température d'au moins 300K et le cristal fabriqué est soumis ensuite à un traitement de recuit.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le monocristal (7) dans le traitement de recuit est maintenu à la température constante pendant au 15 moins 1 heure et/ou le cristal est traité à une température d'au moins 1750'K.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de tirage est supérieure à 40 millimètres par jour.

4. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors du refroidissement allant de plus de 17500K à la température ambiante, un 20 gradient de température axial et/ou radial est réglé à une valeur de 40K/cm au plus.

5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans un processus de recuit qui suit, le cristal et/ou les wafers fabriqués à partir de celui-ci sont chauffés à des températures d'au moins 1850'K puis sont refroidis avec des taux de refroidissement ne dépassant pas 20'K par heure, pour respecter 25 un gradient de température admissible maximal de 40K/cm en direction axiale et/ou radiale.

6. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le traitement thermique, la température varie linéairement et/ou par étapes.

7. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 30 un traitement thermique en deux étapes est réalisé avec, dans une première étape, refroidissement du monocristal (7) avec un premier taux de refroidissement à partir d'une première température de traitement, tandis que dans la deuxième étape le monocristal (7) ou un produit fabriqué à partir de celui-ci est refroidi avec un second taux de refroidissement plus petit, à partir d'une seconde température de 35 traitement.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le monocristal, traitement.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le monocristal, dans la première étape de traitement, est refroidi avec un taux de refroidissement inférieur à 10 'C (500K) par heure.

9. Procédé selon une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la première température de traitement est de 1148,8 + 100C (2100 50'K).

10. Monocristal hexagonal pauvre en tensions pouvant être obtenu selon le

procédé défini aux revendications 1 à 9.

11. Utilisation d'un monocristal hexagonal obtenu selon le procédé des revendications 1 à 9, pour fabriquer des éléments semi-conducteurs.