FR2963024A1 - Reacteur de depot chimique en phase gazeuse ameliore - Google Patents

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Abstract

Un réacteur (1) comprend : - une enceinte (3) présentant une paroi inférieure (15), une paroi supérieure (17) et une paroi latérale (19) reliant la paroi inférieure (15) à la paroi supérieure (17); - une plaque-support (9) pour un ou plusieurs éléments de substrat, montée à l'intérieur de l'enceinte (3); - au moins une première ligne d'alimentation destinée à un gaz d'un premier type, et au moins une seconde ligne d'alimentation, distincte de la première ligne d'alimentation, destinée à un gaz d'un second type; - un dispositif d'injection de gaz (5) et un collecteur de gaz (7); Dans ce réacteur (1) : - le dispositif d'injection de gaz (5) comprend au moins un injecteur relié à la première ligne d'alimentation et au moins un injecteur relié à la seconde ligne d'alimentation, ces injecteurs débouchant dans l'enceinte (3) au travers d'au moins un orifice d'entrée, ménagé dans la paroi latérale (19); que l'ensemble des injecteurs de la première ligne d'alimentation et l'ensemble des injecteurs de la seconde ligne d'alimentation débouchent les unes au-dessus des autres; et que - le collecteur (7) comprend au moins un orifice de sortie ménagé dans la paroi latérale (19), en un lieu opposé audit orifice d'entrée par rapport à la plaque-support (9), et sensiblement au niveau de cet orifice d entrée

Description

ALTATECH8.FRD 1 Réacteur de dépôt chimique en phase gazeuse amélioré De manière générale, l'invention a trait aux procédés de dépôt chimique en phase gazeuse, souvent désignés dans la technique par le terme anglais équivalent de procédé "CVD", pour "chemical vapor deposition". Conformément aux procédés CVD, des matériaux en phase gazeuse, appelés précurseurs, réagissent à la surface d'un substrat pour former une ou plusieurs couches de produit, en général de très faible épaisseur. De manière non limitative, l'invention s'inscrit dans le cadre de procédés CVD dans lesquels les précurseurs sont de type organo-métalliques. Ces procédés particuliers sont généralement désignés par le terme anglais de procédés
"MOVCD", pour "métal-organic chemical vapor deposition", ou
"dépôt d'agents chimiques organo-métalliques en phase gazeuse" en français.
Les procédés MOVCD sont notamment employés lorsqu'il s'agit de produire des dispositifs semi-conducteurs de type "III-V".
Ces semi-conducteurs III-V sont largement utilisés dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques, tels que les transistors à effet de champs à grande mobilité électronique, ou transistors dits "HEMFET", les diodes électroluminescentes à forte luminescence, ou diodes LED, ou encore les diodes laser, ou diodes LD. L'invention s'intéresse encore plus particulièrement à la production de semi-conducteurs du type dit "à nitrure de gallium", GaN. Les semi-conducteurs GaN, de la famille des semi-conducteurs du type III-V, sont les plus fabriqués à ce jour, du fait de leur application dans les diodes LED et LD à courte longueur d'onde. Bien entendu, l'invention ne saurait être limitée à cette application particulière.
Dans cette application particulière, le procédé MOVCD autorise en outre l'emploi combiné du gallium (Ga) et d'un ou plusieurs autres éléments du groupe III de la classification périodique de Mendeleïev, tels que l'aluminium (Al) ou l'indium (In). De minces couches d'alliage peuvent alors être réalisées, lesquelles sont couramment employées dans des structures hétérogènes à usage dans les LED.
De manière générale, l'amélioration de la productivité en éléments semi-conducteurs nécessite de mettre en oeuvre les procédés MOVCD simultanément sur des substrats très étendus et/ou sur de multiples substrats, éventuellement de taille plus réduite.
Dans l'une et l'autre optique, on utilise un équipement de production par lots appelé "réacteur". Un réacteur comprend ce que l'on appelle un "suscepteur" dans la technique, c'est-à-dire un support pour le ou les substrats, logé dans une enceinte. Dans cette enceinte, on assure une circulation d'un ou plusieurs agents chimiques en phase gazeuse de telle manière que le flux de matière "balaie" le substrat.
Pour la production de semi-conducteurs GaN, on utilise principalement des substrats en saphir cristallin (Al2O3) ou en carbure de silicium (SiC). Mais les substrats de ce type ne peuvent pas, à ce jour du moins, être produits avec des étendues suffisamment grandes, ou alors difficilement. En pratique, les tailles couramment produites sont 2 et 4 pouces de diamètre.
Pour améliorer la productivité, on préfère donc utiliser des réacteurs à grande capacité de chargement, dans lesquels plusieurs substrats sont chargés simultanément, sous la forme d'une plaquette, appelée "gaufre" dans la technique.
Pour garantir des performances de bonne qualité dans les semi-conducteurs produits, il est indispensable que l'épaisseur de la couche GaN et/ou la composition des structures hétérogènes soient minutieusement contrôlées. En particulier, la réalisation d'une couche uniforme est conditionnée par un écoulement laminaire des agents gazeux sur l'ensemble de l'étendue des substrats de la plaquette.
En outre, le procédé MOVCD - GaN doit être mis en oeuvre dans des conditions de pression telles - de l'ordre de plusieurs centaines de Torr - que certains des gaz peuvent réagir entre eux en formant des particules solides sur/dans la couche en formation. C'est le cas notamment du nitrure de gallium (GaN) et de ceux des précurseurs qui comprennent de l'azote (N), par exemple l'ammoniac. Le même phénomène nuisible peut se produire avec les nitrures d'aluminium-gallium (AlGaN) et d'indium-gallium (InGaN).
Outre la dégradation des performances des semi-conducteurs produits, ces phénomènes, qui ne sont ni contrôlables, ni reproductibles, engendrent des lots hétérogènes en qualité.
Enfin, il se trouve que les agents chimiques peuvent se déposer sur les parois de l'enceinte du réacteur : les caractéristiques d'émission thermique s'en trouvent localement modifiées/altérées. L'environnement thermique dans l'enceinte devient alors inhomogène, et, finalement, les semi-conducteurs produits présentent des caractéristiques de performances potentiellement différentes les uns des autres.
L'invention cherche à améliorer la situation.
L'invention vise un réacteur comprenant : - une enceinte présentant une paroi inférieure, une paroi supérieure et une paroi latérale reliant la paroi 15 inférieure (15) à la paroi supérieure ; - une plaque-support pour un ou plusieurs éléments de substrat, montée à l'intérieur de l'enceinte ; - au moins une première ligne d'alimentation destinée à un gaz d'un premier type, et au moins une seconde ligne 20 d'alimentation, distincte de la première ligne d'alimentation, destinée à un gaz d'un second type ; - un dispositif d'injection de gaz et un collecteur de gaz.
Dans ce réacteur : 25 - le dispositif d'injection de gaz comprend au moins un injecteur relié à la première ligne d'alimentation et au moins un injecteur relié à la seconde ligne d'alimentation, ces injecteurs débouchant dans l'enceinte au travers d'au moins un orifice d'entrée, ménagé dans la paroi latérale ; 30 - l'ensemble des injecteurs de la première ligne d'alimentation et l'ensemble des injecteurs de la seconde ligne d'alimentation débouchent les unes au-dessus des autres; et que - le collecteur comprend au moins un orifice de sortie ménagé dans la paroi latérale, en un lieu opposé audit orifice d'entrée par rapport à la plaque-support, et sensiblement au niveau de cet orifice d'entrée.
Le réacteur proposé permet d'obtenir des écoulements de gaz laminaires, sur une large gamme de pressions et de températures, y compris dans un réacteur de taille importante, du type des réacteurs travaillant par lot. En particulier, les flux gazeux sont laminaires au-dessus de l'ensemble des substrats placés sur la plaque-support. En outre, le champ de vitesse de ces flux est sensiblement uniforme sur l'ensemble de la surface de cette plaque-support, en sorte qu'on obtient une bonne uniformité des différentes couches de matière.
Le réacteur proposé permet également d'éviter des réactions chimiques non souhaitables entre éléments se trouvant en phase gazeuse. Il permet notamment de séparer le ou les alkylhydrides des autres gaz à faire réagir. En particulier, les précurseurs de la colonne III de la classification des éléments peuvent être séparés de ceux de la colonne V.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente un réacteur CVD, vu en 30 perspective;
- la figure 2 représente le réacteur de la figure 1, en coupe selon un plan vertical médian; - la figure 3 représente le réacteur de la figure 1, en plan et en coupe selon un plan horizontal passant par un point référencé III sur la figure 2;
- la figure 4 représente un détail IV de la figure 2;
- la figure 5 est analogue à la figure 2, le réacteur étant représenté en plan;
- la figure 6 représente une partie du réacteur de la figure 1 en coupe selon un plan vertical, orthogonal au plan de coupe de la figure 2; et
15 - la figure 7 représente un détail VII de la figure 2.
Les dessins annexés comprennent des éléments de caractère certain. Ils pourront donc, non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa 20 définition, le cas échéant.
Les figures, en particulier les figures 1, 2, 3 et 5, montrent un réacteur 1 de dépôt d'agents chimiques sous forme gazeuse. 25 Le réacteur 1 comprend une enceinte 3, qui peut aussi être appelée "chambre" dans la technique, un dispositif d'injection 5 d'agents chimiques sous forme gazeuse, lequel débouche dans l'enceinte 3, et un collecteur 7 pour les 30 agents chimiques se trouvant dans l'enceinte 3. 10 Le réacteur 1 comprend en outre ce que l'on appelle dans la technique un suscepteur 9, monté à l'intérieur de l'enceinte 3.
Le suscepteur 9 est destiné à supporter un ou plusieurs substrats, y compris sous la forme d'une plaquette comprenant plusieurs substrats, sur lesquels vont s'initier des dépôts d'éléments qui se trouvent à l'état gazeux dans l'enceinte 3.
Le suscepteur 9 est réalisé sous la forme d'une plaque, qui présente ici une forme de disque.
Le dispositif d'injection 5 et le collecteur 7 sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon qu'il se crée à l'intérieur de l'enceinte 3, du dispositif d'injection 5 au collecteur 7, un écoulement gazeux, représenté par la flèche 8 (figure 3), dont le parcours passe par le suscepteur 9, au-dessus de celui-ci et en affleurement de la surface supérieure du suscepteur 9.
Ici, le dispositif d'injection 5 et le collecteur 7 sont généralement opposés l'un à l'autre par rapport au centre du suscepteur 9.
Le réacteur 1 comprend encore un dispositif d'échauffement du suscepteur 9, qui est désigné de manière générale par la référence 11 sur les dessins. Le dispositif d'échauffement est disposé en dessous du suscepteur 9, dans l'enceinte 3.
L'enceinte 3 est délimitée par une paroi inférieure 15, une paroi supérieure 17, et une paroi latérale 19, qui relie la paroi inférieure 15 à la paroi supérieure 17. 30 L'enceinte 3 présente ici une allure de cylindre à section circulaire. Autrement dit, la paroi inférieure 15 et la paroi supérieure 17 présentent une allure analogue, en forme générale de disque, tandis que la paroi latérale 19 relie le bord périphérique de la paroi inférieure 15 au bord périphérique de la paroi supérieure 17. La paroi latérale 19 s'étend ainsi suivant un contour en correspondance de forme avec le contour du suscepteur 9.
Les parois inférieure 15, supérieure 17 et latérale 19, et plus généralement la plupart des composants logés, au moins partiellement, à l'intérieur de l'enceinte 3, sont réalisés, lorsque cela est possible, en acier inoxydable, de préférence de type 316L.
Une vanne à fente 21 pénètre dans l'enceinte 3 à travers la paroi latérale 19. Cette vanne à fente 21 est conformée de manière à permettre le retrait du suscepteur 9 de l'enceinte 3 et son introduction dans celle-ci.
La paroi supérieure 17 présente au moins un hublot (non référencé) à travers lequel des instruments optiques de surveillance, génériquement référencés 23, peuvent travailler.
En particulier, ces instruments 23 surveillent la température des substrats et la réflectance des surfaces déposées. On contrôle ainsi la température du suscepteur 9 et la croissance des différentes couches, notamment dans le cas de structures hétérogènes.
Le réacteur 1 comprend encore une pièce formant support pour le suscepteur 9, ou "porte-suscepteur" 25, qui est montée dans l'enceinte 3 avec possibilité de rotation par rapport à cette dernière autour d'un axe s'étendant suivant la hauteur de l'enceinte 3. Ici, cet axe de rotation passe pratiquement par le centre du suscepteur 9.
Le porte-suscepteur 25 se présente généralement sous la forme d'une portion de cylindre creux dont une extrémité repose sur la paroi inférieure 25, de manière centrée par rapport à celle-ci, tandis que l'extrémité opposée supporte le suscepteur 9. Le diamètre intérieur du portesuscepteur 25 est sensiblement supérieur au diamètre du suscepteur 9, ce qui permet de loger le dispositif d'échauffement 11 à l'intérieur du cylindre creux. Au voisinage de son extrémité supportant le suscepteur 9, le cylindre formant le porte-suscepteur 25 se rétrécit en section de façon à présenter un bord d'extrémité 26 qui supporte le suscepteur 9 par la face inférieure de ce dernier, sur une portion de bordure.
Le porte-suscepteur 25 peut être magnétiquement couplé à un dispositif d'entraînement (non représenté), placé à l'extérieur de l'enceinte 3, à travers la paroi inférieure 15, par exemple. La rotation du suscepteur 9 permet d'obtenir une homogénéité en température à la surface de ce dernier.
Avantageusement, le dispositif d'entraînement est capable de faire pivoter le porte-suscepteur 25 à une vitesse comprise entre 1 à 200 tours/minute. Cette vitesse de rotation est fixée en fonction de la vitesse d'écoulement des gaz sur le suscepteur 9, du diamètre du ou des substrats, et de la vitesse de dépôt requise/souhaitée.
Chacune des parois inférieure 15, supérieure 17 et latérale 19 est refroidie grâce à un ou plusieurs refroidisseurs (non représentés) capables de maintenir la température de ces parois en dessous de 60° C.
Ici, chacune des parois inférieure 15, supérieure 17 et latérale 19 est doublée, au moins partiellement, d'une paroi respective, à savoir une paroi inférieure de doublure 15B, une paroi de doublure supérieure 17B, et une paroi de doublure latérale 19B. À chaque fois, un ou plusieurs canaux (non représentés) adaptés à la circulation d'un fluide réfrigérant, par exemple conformés en serpentins, peuvent être logés dans l'espace séparant une paroi de sa paroi de doublure pour refroidissement de ladite paroi.
En remplacement, ou en complément, des canaux adaptés à la circulation de fluide réfrigérant peuvent être ménagés dans l'épaisseur des parois inférieure 15, supérieure 17 et/ou latérale 19.
Le refroidissement des parois délimitant l'enceinte 3 minimise les dépôts en éléments III-V sur ces parois. Le temps nécessaire au nettoyage de l'enceinte 3 s'en trouve réduit. Et la productivité du réacteur 1 est améliorée en conséquence.
Un diffuseur 27, réalisé sous la forme d'une plaque en forme de disque, peut être disposé dans l'enceinte 3, au voisinage de la paroi inférieure 15, de manière centrée par rapport au suscepteur 9, et en dessous de ce dernier. Le diffuseur 27 permet de diffuser un gaz neutre, de type argon (Ar) par exemple, de façon homogène sous le suscepteur 9.
La figure 4, notamment, montre qu'un orifice de purge 28 peut être agencé à travers la paroi inférieure 15, sous le suscepteur 9, ici sous le diffuseur 27. On évite ainsi que des gaz s'écoulant sous le suscepteur 9 ne réagissent, c'est-à-dire y forment des dépôts.
Au cours du processus de croissance d'une structure hétérogène ou d'un matériau III-V, les gaz de réaction s'écoulent sur le substrat et les surfaces du suscepteur 9, du dispositif d'injection 5 au collecteur 7. Le flux gazeux est essentiellement parallèle aux surfaces du substrat et du suscepteur 9 et présente un régime laminaire. On garantit ainsi une épaisseur uniforme de dépôt pour tous les substrats s'appuyant sur le suscepteur 9.
Optionnellement, un limiteur de convection, sur lequel on reviendra plus avant, peut être disposé à l'intérieur de l'enceinte 3 pour éviter, ou du moins limiter, les phénomènes de convection sur les gaz à déposer lorsque ceux-ci passent au-dessus de la surface supérieure du suscepteur 9.
On fait maintenant plus particulièrement référence aux figures 3, 5, 6, et 7 pour décrire le dispositif 30 d'injection 5 en détail.
Le dispositif d'injection 5 comprend une pluralité de lignes d'alimentation en gaz, génériquement référencées 29.
Chaque ligne d'alimentation 29 est destinée au transport d'un gaz d'un certain type.
L'ensemble des lignes d'alimentation 29 se compose : - d'un premier sous-ensemble, noté 29-1, constitué de lignes d'alimentation destinées au transport d'un gaz d'un premier type, par exemple de l'azote (NH3); - d'un second sous-ensemble, noté 29-2, constitué de lignes d'alimentation destinées au transport d'un gaz d'un second type, par exemple un précurseur de la colonne III de la classification périodique des éléments (Alkyl); - d'un troisième sous-ensemble, noté 29-3, constitué de lignes d'alimentation destinées au transport d'un gaz d'un troisième type, par exemple d'un mélange de diazote (N2) et de dihydrogène (H2).
Chaque ligne d'alimentation 29 est reliée à un ou plusieurs injecteurs, référencés génériquement 30, qui débouchent dans l'enceinte 3 au travers d'un ou plusieurs orifices d'entrée, ménagés dans la paroi latérale 19, et génériquement référencés 31.
Les injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29 appartenant à un même sous-ensemble sont agencés de manière àdéboucher sensiblement dans un plan commun, parallèle au plan général du suscepteur 9. Autrement dit, l'ensemble des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29 d'un même sous-ensemble débouche à un même niveau de l'enceinte 3.
Les plans communs aux différents sous-ensembles de lignes d'alimentation 29 sont superposés les uns aux autres.
Autrement dit encore, les lignes d'alimentation 29 débouchent à différents niveaux (hauteur) de l'enceinte 3, suivant le type de gaz qu'elles amènent.
Les lignes d'alimentation du premier sous-ensemble 29-1 peuvent être qualifiées de "lignes inférieures", celles du second sous-ensemble 29-2 de "lignes médianes", et celles du troisième sous-ensemble 29-3 de "lignes supérieures".
10 Les injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimention supérieures 29-3-1, 29-3-2, 29-3-3 injectent une couche de gaz qui agit en tant que couche de confinement pour l'alkyle et l'ammoniaque favorisant ainsi la diffusion du premier dans le second en direction de la surface du 15 substrat.
Les injecteurs 30 reliés à une même ligne d'alimentation 29 sont à chaque fois répartis symétriquement par rapport à un diamètre du suscepteur 9. Chaque ligne d'alimentation 20 débouche ainsi de part et d'autre de ce diamètre sur des portions différentes et symétriques de la surface du suscepteur 9.
Le diamètre du suscepteur 9 qui forme l'axe de symétrie 25 pour la disposition des injecteurs 30 reliés à une même ligne d'alimentation 29 est commun à l'ensemble des injecteurs 30 reliés aux différentes lignes d'alimentation 29. Cet axe de symétrie est repéré 28 (figure 3).
30 À une même ligne d'alimentation 29, il est préférable de relier un nombre pair d'injecteurs 30, par soucis de symétrie. Par exemple, chaque ligne d'alimentation 29 est ici reliée à deux injecteurs 30.
Toujours à titre d'exemple, chaque sous-ensemble 29-i présente trois lignes d'alimentation 29-i-1, 29-i-2 et 29-i-3 (i entier compris entre 1 et 3).
L'ensemble des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29-1-1, 29-1-2, 29-1-3 du premier sous-ensemble 29-1 débouche au-dessus de l'ensemble des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29-2-1, 29- 2-2, 29-2-3 du second sous-ensemble 29-2. Et l'ensemble des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29-3-1, 29-3-2, 29-3-3 du troisième sous-ensemble 29-3 débouche au-dessus des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation 29-2-1, 29-2-2, 29-2-3 du second sous-ensemble 29-2.
Chaque sous-ensemble 29-i de lignes d'alimentation présente alors six zones d'injection, correspondant chacune à un injecteur. Chaque flux gazeux se trouve ainsi réparti sur l'ensemble de la surface du suscepteur 9, symétriquement par rapport à l'axe 28.
À chaque sous-ensemble de lignes d'alimentation 29-i correspond ainsi une zone d'injection centrale, comprenant les injecteurs proches de l'axe 28, une zone d'injection périphérique, comprenant les injecteurs éloignés de l'axe 28, et une zone d'injection intermédiaire, entre la zone centrale et la zone périphérique, comprenant les injecteurs intercalés respectivement entre les injecteurs de la zone centrale et ceux de la zone périphérique.
Chaque ligne d'alimentation 29 est associée à un contrôleur de flux massique (non représenté) capable de garantir un mélange précis des flux et des conditions d'écoulement laminaires dans l'enceinte 3.
L'écoulement dans chacune des lignes d'alimentation 29 peut ainsi être contrôlé indépendamment de l'écoulement dans les autres lignes 29. Des conditions d'écoulement laminaires peuvent être établies, tout en empêchant pratiquement toutes réactions en phases gazeuses parasitaires.
Les injecteurs 30 correspondant aux lignes d'alimentation inférieures 29-1 débouchent au-dessus de la surface supérieure du substrat, de préférence sensiblement au niveau de la surface supérieure du substrat, en affleurement de cette surface.
La répartition des différentes lignes d'alimentation 29, et de leurs injecteurs 30 respectifs, en hauteur dans l'enceinte 3, et la répartition des différents précurseurs dans des lignes d'alimentation 29 respectives, a pour conséquence une séparation physique des injecteurs 30 et une minimisation des réactions en phase gazeuse.
Plusieurs orifices sont ménagés dans la paroi latérale 19. À chaque fois, un injecteur 30 débouche dans l'enceinte 3 25 au travers d'un orifice, dit d'entrée.
Ici, chaque injecteur 30 est réalisé sous la forme d'une partie au moins d'un passage d'injection 31 et de l'extrémité d'une ligne d'alimentation respective 30 débouchant dans le passage en question. Chaque passage d'injection 31 se termine par un orifice d'entrée de la paroi latérale 19. Ici, chaque passage d'injection 31 présente une allure évasée, du lieu où débouche une ligne d'alimentation respective à l'orifice d'entrée. Chaque passage d'injection forme ce que l'on peut appeler un "cône diffuseur".
Chaque injecteur 30 peut être vu comme une buse d'injection. Et l'on peut réaliser les injecteurs 30 sous une forme différente de ce qui est décrit ici. En particulier, on peut imaginer que les extrémités de certaines au moins des lignes d'alimentation débouchent directement dans l'enceinte 3 au travers d'un orifice d'entrée ménagé dans la paroi latérale 19, formant ainsi un injecteur dépourvu de ce l'on a ici appelé un passage d'injection 31. En outre, des éléments actifs en termes d'injection ou de diffusion pourraient être intégrés aux injecteurs 30, par exemple intercalés entre une extrémité de ligne d'alimentation respective et le passage d'injection 31 correspondant. Le cas échéant, un passage 31 pourrait être commun à plusieurs injecteurs.
Les passages d'injection 31 sont disposés en correspondance des injecteurs 30.
Chaque passage d'injection 31 s'étend transversalement sur un secteur angulaire de l'enceinte 3, ce qui permet de répartir de manière optimale le flux gazeux sur une partie ciblée du suscepteur 9.
Sur la figure 7, par exemple, la ligne d'injection 29-1-3 débouche dans l'enceinte 3 au travers d'un passage référencé 31-1-2 proche de l'axe 28 (et au travers d'un passage, non représenté sur la figure 7, symétrique du passage 31-1-2 par rapport à l'axe 28), la ligne d'injection 29-1-1 au travers d'un passage 31-1-4 éloigné de l'axe 28, et la ligne d'injection 29-1-2 au travers d'un passage 31-1-6 disposé au même niveau que les passages 31-1-2 et 31-1-4, et entre ceux-ci. La ligne d'injection 29-2-2 débouche dans l'enceinte 3 au travers d'un passage 31-2-6 disposé au-dessus du passage 31-1-6 correspondant à la ligne d'injection 29-1-2. En outre ces passages 31-1-6 et 31-2-6 sont conformés de manière analogue l'un à l'autre. Il en est de même du passage 31-3-6, qui correspond à la ligne d'alimentation 29-3-2. De la même manière, la position et la forme des passages 31-2-2 et 31-3-2 correspondant respectivement aux lignes d'alimentation 29-2-3 et 29-3-3, d'une part, et, d'autre part, des passages 31-2-4 et 31-3-4 correspondant respectivement aux lignes d'alimentation 29-2-1 et 29-3-1 se déduisent de ce qui a été dit plus haut en relation avec les passages 31-1-6, 31-2-6 et 31-3-6.
Le collecteur 7 est ici pourvu d'un orifice de sortie 33, ou d'aspiration, ménagé dans la paroi latérale 19, en un lieu opposé aux passages d'injection 31 par rapport au suscepteur 9.
En variante, le collecteur 7 peut être muni de plusieurs orifices de sortie, par exemple un orifice par sous- ensemble de lignes d'alimentation 29. Dans ce cas, chaque orifice peut s'étendre de manière à couvrir un secteur angulaire de la paroi latérale 19 correspondant à la projection, sur cette paroi, du diamètre du suscepteur 9, et, en hauteur, à une épaisseur de flux gazeux. Le collecteur 7 pourrait également présenter une ouverture en correspondance, de forme et/ou de position, de chacun des passages 31 du dispositif d'injection 5.
Autrement dit, le collecteur 7 pourrait comprendre une pluralité d'orifices d'aspiration de gaz, chacun d'eux étant disposé en regard d'un orifice d'injection de gaz du dispositif d'injection 5. Ceci pourrait permettre d'améliorer encore l'écoulement laminaire des différents gaz au-dessus du suscepteur 9.
Une chemise 37, sous la forme d'une couronne annulaire, est disposée dans l'enceinte 3 de manière à combler l'espace 10 s'étendant radialement entre la paroi latérale 19 et le bord périphérique du suscepteur 9, au niveau de la surface supérieure de ce suscepteur 9.
Ici, la chemise 37 présente une étendue radiale de quelques 15 centimètres.
La chemise 37 présente une surface supérieure disposée au niveau à la fois du bas des injecteurs 30 reliés aux lignes d'alimentation inférieures 29-1 et de la surface supérieure 20 du suscepteur 9.
La chemise 37 forme une zone où les gaz précurseurs, délivrés à une température inférieure à la température du processus de croissance, sont échauffés avant d'atteindre 25 le suscepteur 9 et d'y être déposés sur le ou les substrats.
La chemise 37 offre également une zone où le flux des précurseurs peut s'établir de manière laminaire. On obtient 30 ainsi une plus grande uniformité du processus de croissance, en particulier pour les substrats disposés au voisinage du bord périphérique du suscepteur 9.
La chemise 37 est supportée par une pièce 38 en forme de portion de cylindre creux, qui repose sur la paroi inférieure 15. Ici, la chemise 37 et la pièce 38 sont réalisées d'un seul tenant.
Le suscepteur 9 présente une forme générale de disque. Il est réalisé en un matériau thermiquement très conducteur, choisi de manière à supporter des températures supérieures à 1300°C, à être compatible avec les environnements de croissance des processus III-V, à maintenir son intégrité dans des ambiances hautement réductrices comme c'est le cas en présence de dihydrogène et d'ammoniac, et à présenter une inertie thermique aussi faible que possible pour lui permettre de rapidement monter et descendre en température durant les différentes phases de croissance.
Par exemple, le suscepteur 9 peut être réalisé en graphite revêtu d'un carbure de silicium, en sorte que le suscepteur 9 présente une résistance accrue aux environnements chimiques.
Le suscepteur 9 présente une ou plusieurs poches 39, sous la forme d'évidements ménagés à la surface supérieure de celui-ci. En cours de processus de croissance, les poches 39 logent le ou les substrats.
Chaque poche 39 présente une profondeur supérieure à 30 l'épaisseur du substrat utilisé pour la croissance, et de préférence sensiblement égale.25 Il est préférable que les poches 39 soient réalisées préalablement à l'opération de revêtement du suscepteur 9 par le carbure de silicium.
Sur la figure 4, on peut apercevoir le dispositif d'échauffement 11 en détail.
Le dispositif d'échauffement 11 comprend un élément chauffant plat 41, en forme de disque, disposé en regard du suscepteur 9, de manière à échauffer ce dernier sur l'ensemble de son étendue.
L'élément chauffant est disposé à quelques millimètres en dessous du suscepteur 9. Cette distance est choisie de manière à maximiser l'effet de chauffe du suscepteur 9, tout en autorisant la mise en rotation de ce dernier sans risque de contact avec des parties fixes de l'enceinte 3.
Cette distance peut être choisie entre 4 et 8 millimètres. L'élément chauffant 41 est alimenté en courant électrique par des fiches de connexion 45 qui traversent la paroi inférieure 15 de l'enceinte 3 au moyen de passages étanches 47 prévus au travers de cette paroi. 25 Le courant électrique alimentant l'élément chauffant 41 est contrôlé en fonction de signaux provenant des instruments 23 (pyromètres), disposés au-dessus de la paroi supérieure 17 de l'enceinte 3, qui lisent la température 30 des différents substrats en différents lieux du suscepteur 9.20 Typiquement, les lieux d'intérêt se situent à proximité du centre de suscepteur 9, à proximité d'un demi-rayon du suscepteur 9 et à proximité du bord de ce suscepteur 9.
Le contrôleur de l'élément chauffant 41 est conçu de telle manière que la température mesurée par des pyromètres différents diffère au plus de 1°C à une température de consigne de 1200°C.
Bien que l'on ait représenté ici un dispositif d'échauffement 11 à un unique élément chauffant, un tel dispositif pourrait comprendre deux éléments chauffants, ou plus.
Par exemple, le dispositif d'échauffement 11 pourrait comprendre deux éléments chauffants plats, à savoir un élément central, en forme de disque, disposé en regard d'une partie centrale du suscepteur 9 et un élément périphérique, annulaire, disposé de manière à échauffer la couronne extérieure de ce suscepteur 9.
En remplacement, le dispositif d'échauffement 11 peut comprendre une ou plusieurs rangées de lampes à infrarouge, réparties radialement sous le suscepteur 9. Dans ce cas, la chaleur provenant des lampes rayonne sur le suscepteur 9. Pour blinder les lampes par rapport au milieu ambiant dans l'enceinte 3, une vitre transparente, par exemple faite de quartz, peut-être intercalée entre les lampes et le suscepteur 9.
Ici, l'élément chauffant 41 dépasse radialement du bord périphérique du suscepteur 9. On minimise ainsi les pertes de chaleur dans le suscepteur 9 et l'on favorise l'uniformité en température de l'ensemble de la surface du suscepteur 9.
L'élément chauffant 41 peut être réalisé en graphite pyrolytique revêtu de silicium carburé SiC, de nitrure de bore pyrolytique, aussi désigné PNB pour "pyrolitic boron nitrade", de graphite encapsulé ou d'un ou plusieurs autres matériaux réfractaires, tels que, de manière non limitative, le tungstène ou l'uranium,.
Sur la figure 5 notamment, on aperçoit le limiteur de convection, qui porte la référence 49.
Le limiteur 49 comprend, à titre principal, un disque 15 plat 50 situé au-dessus du suscepteur 9 et en dessous de la paroi supérieure 17 de l'enceinte 3.
La distance séparant une surface inférieure 51 du limiteur 49 de la surface supérieure du suscepteur 9 est 20 telle qu'un flux laminaire est maintenu le long du parcours entre l'injecteur 5 et le collecteur 7. Ceci limite l'effet du gradient de convection vertical, habituellement dû à l'écart de température entre le suscepteur 9 et la paroi supérieure 17. Typiquement, cette distance est comprise 25 entre 20 et 50 millimètres.
La surface inférieure 51 du disque 50 se trouve au-dessus des injecteurs reliés aux lignes d'alimentation supérieures 29-3, de préférence au niveau de ces injecteurs, c'est-à- 30 dire ici au niveau du bord supérieur des passages 31 correspondant à ces injecteurs.
Le disque 50 présente un diamètre supérieur au diamètre du suscepteur 9, de préférence sensiblement identique.
Le disque 50 peut être réalisé en un matériau identique au 5 matériau utilisé pour la fabrication du suscepteur 9, par exemple un graphite revêtu de silicium (SiC).
Le disque 50 est supporté par des pieds (non représentés) en appui sur le suscepteur 9, à proximité de la périphérie 10 de celui-ci.
Le limiteur de convection 49 peut être mû en rotation conjointement au suscepteur 9 pendant le processus de croissance, par exemple au moyen d'un couplage magnétique 15 avec le dispositif entraînant le porte-suscepteur 25. En outre, le limiteur de convection 49 peut être introduit dans l'enceinte 3 et retiré de celle-ci conjointement au suscepteur 9, en particulier au travers de la vanne à fente 21. 20 Le disque 50 présente une pluralité de trous 53 en correspondance des hublots de l'enceinte 3 pour permettre la surveillance de la température du substrat et du processus de croissance par les instruments optiques 23. 25 En remplacement, le disque 50 peut être relié à la paroi supérieure 17 de l'enceinte 3 en sorte qu'il reste à demeure dans cette enceinte y compris lors de l'insertion du suscepteur 9 dans l'enceinte 3 ou de son retrait hors de 30 celle-ci.
Dans ce cas, le disque 50 est nettoyé en même temps que le reste de l'enceinte 3, au cours d'opérations de maintenance préventive.
Au cours du processus de croissance, le disque 50 atteint une température proche de la température du suscepteur 9 et limite ainsi le gradient de température entre ces deux éléments. Lorsque les gaz de réaction s'écoulent entre le suscepteur 9 et le disque 50, ils ne subissent pratiquement aucune convection naturelle.
On évite ainsi le déplacement en espèce active dans la région des bords de sortie et l'on évite également la condensation des gaz de réaction dans la partie supérieure de l'enceinte 3. Cette condensation produit, dans les réacteurs classiques, des particules solides, qui peuvent, lorsqu'elles tombent sur le substrat, dégrader les propriétés du film et du dispositif. À tout le moins, cette condensation produit des incohérences dans le processus de croissance et nuit ainsi à la répétitivité (reproductibilité) du processus.
Bien que non représenté, le réacteur 1 peut être relié à un système comprenant une plateforme de transport sous vide pour le transport du suscepteur 9 entre un poste de rechargement et le réacteur 1 dans des conditions de pression réduite, dans un environnement de nitrogène et/ou d'un autre gaz inerte.
On vient de décrire un réacteur 1 innovant, en particulier en ce que les injecteurs destinés à un même gaz sont agencés de manière à déboucher dans un même plan et de manière symétriquement répartie par rapport à un même axe de symétrie du suscepteur 9 au travers d'un ou plusieurs orifices d'entrée.
Le réacteur 1 a été décrit avec trois ensembles de trois 5 lignes d'alimentation chacun, reliées chacune à deux injecteurs.
Cependant, il est clair que le caractère innovant du réacteur 1 se manifeste dès lors que deux lignes 10 d'alimentation sont chacune munies d'un injecteur, ces deux injecteurs débouchant, dans l'enceinte 3, l'un au-dessus de l'autre et de manière sensiblement parallèle au suscepteur 9.
15 Ce caractère innovant ne saurait être limité par le nombre de lignes d'alimentation, le nombre de sous-ensemble de ces lignes d'alimentations, le nombre de lignes d'alimentation comprises dans un même sous-ensemble ou le nombre d'injecteurs reliés à une même ligne d'alimentation. 20 Sur ce point, l'injection d'un gaz particulier peut être réalisée par plus ou moins de six injecteurs, bien que ce nombre offre pour l'heure un mode de réalisation particulièrement avantageux. 25 Le nombre de lignes d'alimentation destinées à un même gaz et/ou de nombre d'injecteurs reliés à ces lignes peut être choisi en tenant compte de l'étendue du suscepteur 9. Plus le nombre d'injecteurs est important, plus le contrôle du 30 processus peut être réalisé finement.
Le réacteur 1 est particulièrement adapté pour un fonctionnement avec des substrats dont la taille est comprise entre 2 à 4 pouces. Pour autant, l'invention n'est pas limitée à de tels substrats.
Le réacteur 1 peut être adapté, en particulier en forme et 5 en taille, en fonction du suscepteur 9, lequel pourrait par exemple prendre une forme carrée, rectangulaire ou autre.
Bien que l'on ait représenté une pluralité de passages d'injection 31, il faut comprendre que l'ensemble des 10 injecteurs 30 du dispositif d'injection 5 pourrait, selon une variante de réalisation, déboucher dans l'enceinte 3 au travers d'un orifice commun, ou encore de deux orifices disposés symétriquement par rapport à l'axe 28 communs chacun aux injecteurs disposés d'un même côté d'un plan 15 vertical contenant cet axe 28.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art. 20

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS1. Réacteur (1) comprenant : - une enceinte (3) présentant une paroi inférieure (15), une paroi supérieure (17) et une paroi latérale (19) reliant la paroi inférieure (15) à la paroi supérieure (17); - une plaque-support (9) pour un ou plusieurs éléments de substrat, montée à l'intérieur de l'enceinte (3); - au moins une première ligne d'alimentation (29-1) destinée à un gaz d'un premier type, et au moins une seconde ligne d'alimentation (29-2), distincte de la première ligne d'alimentation, destinée à un gaz d'un second type; - un dispositif d'injection de gaz (5) et un collecteur de gaz (7); caractérisé en ce que: - le dispositif d'injection de gaz (5) comprend au moins un injecteur relié à la première ligne d'alimentation (29-1) et au moins un injecteur (30) relié à la seconde ligne d'alimentation (29-2), ces injecteurs débouchant dans l'enceinte (3) au travers d'au moins un orifice d'entrée (31), ménagé dans la paroi latérale (19); que - l'ensemble des injecteurs (30) de la première ligne d'alimentation (29-1) et l'ensemble des injecteurs (30) de la seconde ligne d'alimentation (29-2) débouchent les unes au-dessus des autres; et que - le collecteur (7) comprend au moins un orifice de sortie ménagé dans la paroi latérale (19), en un lieu opposé audit orifice d'entrée (31) par rapport à la plaque-support (9), et sensiblement au niveau de cet orifice d'entrée (31). 27
  2. 2. Réacteur selon la revendication 1 comprenant en outre au moins une troisième ligne d'alimentation (29-3) destinée à un gaz d'un troisième type, dans lequel le dispositif d'injection de gaz (5) comprend au moins un injecteur (30) relié à la troisième ligne d'alimentation (29-3) et débouchant dans l'enceinte (3) au travers d'au moins un orifice d'entrée (31), ménagé dans la paroi latérale (19), le ou les injecteurs (30) de la troisième ligne d'alimentation (29-3) débouchant au-dessus des injecteurs (30) reliés à la première ligne d'alimentation (29-1) et au-dessus des injecteurs reliés à la seconde ligne d'alimentation (29-2), de manière généralement parallèle à ladite plaque-support (9).
  3. 3. Réacteur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les injecteurs débouchent de manière sensiblement parallèle à la plaque-support (9).
  4. 4. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'orifice d'entrée, ou les orifices d'entrée (31) qui se trouvent le plus bas par rapport à la plaque-support (9), sont situés à une hauteur par rapport à la plaque-support (9) déterminée en fonction de l'épaisseur du ou des éléments de substrat, de manière telle que les orifices débouchent au niveau de la surface supérieure de ces éléments de substrat.
  5. 5. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d'injection (5) comprend plusieurs injecteurs (30) reliés à une ligne d'alimentation commune (29) et débouchant généralement dans un même plan, parallèle au plan de la plaque-support (9).
  6. 6. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque injecteur (30) débouche dans l'enceinte (3) au travers d'un orifice d'entrée respectif (31).
  7. 7. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque orifice d'entrée (31) présente une allure généralement plane et s'étend selon un plan parallèle au plan de la plaque-support (9).
  8. 8. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque orifice d'entrée (31) de la première ligne d'alimentation (29-1) se trouve au-dessus d'un orifice d'entrée (31) de la seconde ligne d'alimentation (29-2).
  9. 9. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les injecteurs (30) et/ou les orifices d'entrée (31) correspondant à une même ligne d'alimentation (29) sont agencés en symétrie mutuelle par rapport à un axe commun (28) passant au-dessus de la plaque-support (9) et par l'orifice de sortie (33) du collecteur.
  10. 10. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins une ligne d'alimentation supplémentaire (29) destinée au gaz du premier type, du second type ou du troisième type, dans lequel le dispositif d'injection (5) comprend au moins un injecteur (30) relié à la ligne d'alimentation supplémentaire débouchant dans un même plan que la ou les injecteurs reliés à la première ou la seconde ligne d'alimentation.
  11. 11. Réacteur selon la revendication 9, dans lequel l'axe commun (28) aux injecteurs (30) et/ou orifices d'entrée (31) de la première ligne d'alimentation (29-1) coïncide avec l'axe commun aux injecteurs et/ou orifices d'entrée de la seconde ligne d'alimentation (29-2) dans des plans respectifs parallèles entre eux.
  12. 12. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, 10 dans lequel chaque ligne d'alimentation est raccordée à un contrôleur de débit respectif.
  13. 13. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plaque-support (9) est supportée par un 15 porte-plaque (25) capable de rotation par rapport à l'enceinte (3) autour d'un axe s'étendant suivant une hauteur de l'enceinte (3).
  14. 14. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, 20 comprenant en outre une pièce cylindrique (50) dont la section est en correspondance de forme avec la plaque-support (9) et qui se trouve disposée au-dessus de cette plaque-support (9), en tant que limiteur de convection (49). 25
  15. 15. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une chemise (37) conformée de manière à combler l'espace compris entre la paroi latérale (19) de l'enceinte (3) et la plaque-support (9) et, en hauteur, en 30 affleurement de la hauteur du ou des substrats.
  16. 16. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif d'échauffement (11) de laplaque-support disposé (9) en dessous de celle-ci et en correspondance de forme.
  17. 17. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, 5 dans lequel la paroi latérale (19) s'étend suivant un contour en correspondance de forme avec le contour de la plaque-support (9), et les orifices d'entrée (29) sont chacun transversalement conformés en une section de cette paroi latérale (19). 10
  18. 18. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plaque-support (9) présente une allure circulaire et dans lequel chaque orifice d'entrée (31) s'étend selon un secteur angulaire centré sur cette plaque- 15 support (9).
  19. 19. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune des parois inférieure (15), supérieure (17) et latérale (19) est au moins partiellement 20 doublée d'une paroi extérieure (15B, 17B, 19B) de forme analogue, et des canaux de circulation de fluide est prévus entre chaque paroi de l'enceinte (3) et sa paroi extérieure respective. 25
  20. 20. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le collecteur (7) présente un ou plusieurs orifices de sortie (33), disposés symétriquement par rapport aux orifices d'entrée du dispositif d'injection par rapport à la plaque-support (9) et au niveau de ces 30 derniers.
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