WO1991008323A1 - Tunnel de deposition cvd pour reacteur epitaxial a cycle continu - Google Patents

Tunnel de deposition cvd pour reacteur epitaxial a cycle continu Download PDF

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Abstract

1) Tunnel de déposition CVD pour réacteur épitaxial à cycle continu composé de cinq enceintes indépendantes étanches, à transfert électromagnétique et à recirculation de l'écoulement de réactifs; 2) Tunnel de forme rectangulaire dont les petits côtés sont cintrés ou de forme ovale; 3) Suscepteurs en graphite à forme de disques; 4) Support de substrats en quartz à forme de disques; 5) Système de transfert électromagnétique; 6) Principe de recirculation des gaz réactifs; 7) Chauffage par induction motorisé; 8) Séparation des enceintes avec pompage interstitiel; 9) Lecture directe de la température sur substrats; 10) Tunnel de déposition CVD à base pression; 11) Tunnel de déposition CVD mono-wafer; 12) Tunnel de déposition CVD bi-wafers.

Description

Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial à cycle continu
La présente invention concerne le tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial à cycle continu composé d'un tunnel séparé par des cloisons à écluses . Son but est d 'augmenter la productivité tenant compte de plusieurs facteurs importants tels le rendement , la qualité cristalline et le temps nécessaire à la réalisation du principe de déposition épitaxiale .
Dans l ' état actuel de l ' évolution technique , les réacteurs à régime continu sont encore rares et non suffisamment productifs ou présentent des défauts de qualit é cristalline :
. Method of manufacturing a semiconductor devise - inventeurs
JAN BLOEM CORNELIS et H.J . VAN DEN BREKEL - Brevet n° 4.389.273
. System for producing semiconductor layer structures by way of epitaxial growth - inventeurs RICHARD LINNE3ACH et BERNARD GOHIS
Brevet n° 2.162.367 A
. Film forcing apparatus - inventeur OHI.URA MASANORI - Patent
License and quality standars Dept. Nippon Kokan - Brevet
n° 0 325 663 Al.
Les réacteurs épitaxiaux connus sont fortement limités quant à leur productivité : réacteurs du type Barrel par exemple.
Le problème le plus important étant le rendement qui est extrêmement bas (environ 11%). Ceci est dû au système d'écoulement de gaz réactifs lesquels ne passent qu'une seule fois devant la surface du substrat. Voir l'ouvrage de G.W. GULLEN et C.C. WANG "Etéro-épitaxial semi-conductors for electronics devices" - SPRINGERVERLAG 1976, Annexe 2.
Ces réacteurs sont par ailleurs peu fiables quant à la qualité cristalline du produit: défauts d'homogénéité, dispersion et autres défauts dus à des facteurs polluants, provenant de mécanismes non appropriés à l'intérieur de l'enceinte de réaction.
En outre, leur prix est élevé. Le but de la présente invention est d'augmenter de façon essentielle la productivité, de réduire les risques de pollution dans les enceintes du tunnel, de remédier efficacement au défaut de dispersion, d'améliorer la qualité cristalline des dépôts. Tout ceci en garantissant une simplicité de construction qui limite le coût de la réalisation. Le tunnel de déposition pour réacteur à cycle continu, peut contenir des substrats de 8" (200 mm) sans problèmes particuliers, étant déjà prédisposé. La réalisation de réacteurs du type mono-wafer ou bi-wafer est facile grâce à sa conception modulaire. En conséquence, son coût de construction est approprié.
Dans ce qui suit, l'invention est décrite et se base sur les figures suivantes:
fig. 1 Section du tunnel montrant les principes de fonctionnement et sa composition
fig. 2 plan du tunnel expliquant la composition
fig. 3 coupes latérales montrant le cycle de fonctionnement fig. 4 placement des substrats sur les suscepteurs
fig. 5 système de transport des chariots porteurs de substrats fig. 6 ensemble de fonctionnement des cloisons écluses
fig. 7 système de lecture de température sur substrat
fig. 8 tunnel d'épitaxie mono-wafer et bi-wafer
fig. 9 système d'équilibre électromagnétique des chariots
La Fig. 1 développe le principe de fonctionnement de l'écoulement des gaz. Les gaz réactifs entrent dans l'enceinte par le tube 10 placé sur la partie supérieure du tunnel, dans ce tube, les gaz sont préchauffés et se détendent avant de sortir par les diffuseurs 11. L'écoulement gazeux 14 est dirigé de haut en bas entre la paroi du tunnel et le substrat comme dans le réacteur du type "Barrel". En théorie, les gaz arrivés sous la partie basse du substrat devraient, par effet thermodynamique, remonter par la partie libre existant entre les substrats 2 placés dos à dos. Si ce phénomène n'a pas lieu pour garantir la recirculation de l'écoulement, deux tubes 12 symétriques à l'axe vertical serviront d'entrée auxiliaire de gaz et seront orientables de sorte à provoquer une remontée 15 efficace de l'écoulement.. Une partie des gaz descendants est évacuée par le tube 13 servant de sortie de gaz exsaust.
La recirculation de l'écoulement de réactifs a pour but
d'augmenter de manière essentielle le rendement défini par le rapport entre le poids des gaz réactifs déposés sur substrats et le poids transporté par le gaz vecteur H2.
Le tunnel de déposition CVD pour réacteur à cycle continu se compose de quatre cloisons intermédiaires 3, de deux cloisons d'extrémité 20 enfermant cinq tubes en quartz 1 dont les longueurs sont définies par la respective enceinte. A l'intérieur, cinq "rails" en quartz 6 portent les chariots 5 sur lesquels sont placés les suscepteurs porteurs de substrats 2. L'enceinte A reçoit les substrats, on effectue une purge N2 et le début de chauffage. Ils sont alors transférés dans l'enceinte B dans laquelle on complète le chauffage sous ambiance H2. A chauffage terminé, les substrats passent dans l'enceinte de réaction C.
L'opération terminée, ils sont transférés dans l'enceinte D où a lieu le début de refroidissement sous ambiance H2. Les substrats passent enfin dans l'enceinte E où ils sont refroidis sous ambiance N2 puis sortent du tunnel et sont évacués (Fig. 2).
La figure 3 montre le cycle de transfert des chariots porteurs de substrats. Le mécanisme comprend 1 moteur linéaire 46 (fig.5) avec 7 chariots indépendants (F, G, H, J, K, L, M). Ces chariots entraînent par électromagnétisme les chariots intérieurs du tunnel numérotés de 1 à 10. Le retour des chariots G, H, K se fait toujours après interruption de l'entraînement électromagnétique. Les mouvements de transfert sont synchronisés avec les ouvertures de cloison Z. Le lavage du tunnel sera exécuté sans le démonter en ouvrant toutes les cloisons. Le refroidissement des tubes en quartz composant le tunnel sera effectué par un flux d'air contrôlé.
Les avantages du système sont les suivants: réduire la
maintenance et permettre une haute productivité.
Tableau de production horaire :
Ce tableau ne tient pas compte du facteur recirculation de l'écoulement qui devrait réduire le temps de dépôt.
Temps témoin: 10 minutes
Un chariot portant 2 ou plusieurs substrats (voir fig. 4) sort du tunnel toutes les 2 minutes..
Figure imgf000006_0001
soit environ 5 fois la production du réacteur du type Barrel. N.B. Les substrats de ∅ 150mm peuvent être placés sur un suscepteur rectangulaire en contenant deux.
Selon une exécution préférée de l'invention, les suscepteurs en graphite pour le cas de chauffage par induction sont par leur forme à disque de construction simple. Leur faible épaisseur réduit la masse à chauffer. La fig. 4 montre la disposition du placement des diverses
grandeurs de substrats, cette disposition des substrats étant valable pour les supports utilisés dans le cas de chauffage par rayonnement et peuvent être dotés d'un mouvement en
rotation.
Les avantages du système sont: le coût peu élevé des suscepteurs par rapport au système Barrel et un gain d'énergie
pour le chauffage.
Selon une exécution préférée de l'invention, le système de transfert d'une enceinte à l'autre Fig. 5, les chariots porteurs de substrats 5 se déplacent sur les "rails" 6 en quartz refroidis par un circuit de gaz N2 préservant le système de sustentation magnétique transversale 43.42.41.45 qui a pour but d'éliminer les frottements durant les mouvements de transfert. Le moteur linéaire 46 assure le transport par les flux électromagnétiques 47 (fig. 9) de F1 à F6. Tel que F1+F8+F5 soit supérieur à F2+F4+F6+ poids à transporter 90 . 91 de sorte qu'il n'y ait pas frottement pendant le transport.
Cette construction a pour but d'éliminer les mécanismes à l'intérieur des enceintes du tunnel afin de réduire les risques de pollution.
Selon une exécution préférée de l'invention, le système de séparation des enceintes Fig. 6 est composé d'une partie fixe 3 en inox 416, sans soudure qui porte deux tubes en quartz composant le tunnel 1, le joint OR 63 assure l'étanchéité, le joint OR 52 et l'anneau de compensation 51 garantit l'étanchéité et préserve d'un éventuel contact entre quartz et inox. Un pompage interjoints peut être effectué et sera nécessaire dans le cas d'enceinte basse pression.. Le circuit de refroidissement des joints est réalisé par perçage 53 pour éviter les soudures. La partie intérieure fixe de la cloison en quartz 57 pour des raisons de température. Les parties mobiles 58 . 60 de la cloison réalisées en quartz à double paroi permettent un pompage interstitiel 50 . 59.
La mécanisation des cloisons mobiles est réalisée par un
système mécanique 62 placé d'un seul côté de la partie fixe de la séparation 3 et protégé par tenue OR 64.
Les avantages de cette construction sont: l'absence de soudures dans l'exécution des circuits de refroidissement, le pompage interstitiel pour garantir l'étanchéité et les pièces en quartz dans les zones de température élevée.
Selon une exécution préférée de l'invention, un système de lecture directe de la température du substrat sera effectué par senseurs à fibre optique (fig.7).71. La position des points de lecture en aval et en amont de l'enceinte de réaction (fig.2) 28 . 29. Dans le cas de substrats de grandes dimensions 8", la lecture de la température en amont se fera sur 3 points (fig.7) 70 . 71 . 72.
Les avantages de ce système sont: une lecture efficace de la température, la constance de la température durant le parcours des substrats dans l'enceinte de réaction et possibilité de connaître l'homogénéité de température sur toute la surface du substrat.
Selon une exécution préférée de l'invention, la réalisation d'un tunnel de déposition à basse pression ne se différencie que par deux fermeture supplémentaires ajoutées à chaque extrémité du tunnel (fig. 2) 21 . La construction mécanique est différenciée par un pompage interstitiel compatible avec les exigences Vaccum et éventuellement par des tubes en quartz de forme ovale pour des raisons de résistance.
L'avantage de ce système est la modularité. Selon une exécution préférée de l ' invention, la réalisation d'un tunnel de déposition pour système mono-wafer (fig.8) est possible en simplifiant le système . Le tunnel se compose alors de trois enceintes égales et indépendantes A.B. C . Un seul
chariot porteur d'un seul wafer 80 passe dans l 'enceinte de réaction, le temps de déposition étant tel qu' il permet de sommer dans l ' enceinte A le temps de purge , autres opérations et chauffage ainsi que purge et refroidissement dans l 'enceinte de sortie C , compte tenu des volumes réduits des enceintes du tunnel environ 18 litres .
Les avantages de cette construction sont : simplification du système compatible avec le rapport productivité/prix. Le tunnel contient tous les paramètres tendant à réaliser un produit de haute qualité , condit ion maj eure pour l 'utilisation du système monowafers . La c onsommat ion réduite des gaz par rapport aux systèmes actuels .
Selon une exécution préférée de l ' invention, la réalisation d 'un tunnel de déposition pour système bi-wafers (fig.8) 81 est possible et avantageuse . Ce système comprend tous les éléments du système mono-wafers et ne se différencie que par le transport de 2 wafers comme dans le réacteur de production.
L' avantage de ce système est la production doublée .
EXEMPLE d ' exécution indiquée sur la fig. 5, les paramètres
caractéristiques étant :
. un moteur linéaire DC Motors. Peut être fourni par: ANORAD CORP.
110 oser Ave - Hauppauge N.Y.11788 - Fax. 516.435.16.12
. les tubes en quartz formant le tunnel peuvent être fournis par
QUARTZ ET SILICE . Les Miroirs . Défense 3 .. 92096 Paris La Défense
Te . 47.62.46.00
. les chariots en quartz intérieurs aux enceintes du tunnel peuvent être fournis par SERVIN QUARTZ - 152 av. F.Roosevelt - 59120 Vauxen-Velin - Tel . 849.73.11

Claims

REVENDICATIONS
1. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial à cycle continu caractérisé par au moine cinq enceintes indépendantes composées par un tunnel séparé par des cloisons-écluses permettant de ne pas sommer les temps des diverses opérations nécessaires au principe de la déposition épitaxiale ..Un système de recirculation de l'écoulenent des gaz réactifs ayant le but d'augmenter le rendement du réacteur. Un système électromagnétique de transfert des substrats asservie de l'extérieur des enceintes ayant pour but d'éliminer les risques de pollution pouvant résulter de mécanismes ou de mouvements obtenus par l'utilisation de gaz, placés à l'intérieur des enceintes de déposition.
2. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, avec tubes en quartz, de forme rectangulaire, dont les petits côtés sont cintrés,et placés verticalement. Les tubes peuvent être plus résistants si leur forme est légèrement ovale.
3. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial , à cycle continu, avec suscepteur en graphite pour chuaffage inductif caractérisé par sa forme à disque dont l'épaisseur est typiquement le 1/50ème du diamètre, et placé orienté de 2° environ par rapport à la paroi verticale des tubes en quartz composants le tunnel et doté de rotation si nécessaire.
4. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, aveα support en quartz pour chauffage par rayonnement caractérisé par sa forme à disque dont l'épaisseur est typiquement le 1/100ème du diamètre, et placé orienté de 2° environ par rapport à la paroi verticale du tube en quartz composant le tunnel.
5. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial avec transport électromagnétique des chariots porteurs de substrats caractérisé par un système de sustentation magnétique et par un moteur linéaire DC placé hors des enceintes composant le tunnel.
6. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, avec dispositif de recirculation de l'écoulement des réactifs caractérisé par une entrée principale placée sur la partie supérieure du tunnel et deux entrées, de portée inférieure, placées sur la partie basse du tunnel et symétriques à l'exe vertical.
7. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, avec chauffage inductif caractérisé par un inducteur à spirales plates placé parallèlement à l'axe vertical du tunnel et d'un seul cδté du tunnel. L'inducteur assure le chauffage simultané des deux suscepteurs placés sur chaque chariot durant leur avancenent dans le tunnel. L'inducteur sera monté sur un support mécanisé de façon à avoir un mouvement oscillatoire par rapport à l'axe longitudinal du tunnel et de manière à rendre plus homogène le chauffage des substrats.
8. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, avec dispositif de séparation entre les diverses enceintes caractérisé par des cloisons à écluses composées de plaques fixes en inox 416, sans soudures, et porteuses des tubes en quartz qui composent le tunnel.. Le circuit de refroidissèment des joints de tenue est réalisé par perçage. La partie mobile à mouvement transversal composé de deux parois avec pompage interstitiel créant une dépression. La commande de ce mécanisme étant placée d'un seul côté du tunnel et plus précisément du côté opposé à l'inducteur.
9. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, avec système de lecteure directe de la température sur substrat, caractérisé par au moins deux senseurs à fibre optique dont l'un est placé sur la partie fixe de la cloison en amont de l'enceinte de réaction, et l'autre sur la partie fixe de la cloison, en aval de l'enceinte de réaction.
10. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial, à cycle continu, adapté à la basse pression, caractérisé par deux fermetures additionnelles d'étanαhéité à l'entrée et à la sortie du tunnel et d'un pompage interstitiel approprié aux exigences caecum.
11. Tunnel de déposition CVD pour réacteur epitaxial à cycle continu, adapté au système mono-wafer caractérisé par trois enceintes égales indépendantes et ne pouvant accepter qu'un seul chariot porteur d'un wafer dans chaque enceinte.
12. Tunnel de déposition CVD pour réacteur à cycle continu, adapté à un système Bi-wafer, caractérisé par le passage de deux wafers dans chaque enceinte, la disposition des wafers sur le chariot de transfert le permettant avantageusement.
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