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Pro-
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2520929A1
Family ID 2077063
Probable Assignee Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title APPAREIL DE TRAITEMENT THERMIQUE DE TRANCHES DE
SEMI-CONDUCTEURS PAR CONDUCTION DANS UN GAZ, AVEC ENTREE DU GAZ PAR LA
PERIPHERIE
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES SEMI-CONDUCTEURS.
UN APPAREIL DESTINE A ACCOMPLIR UN TRAITEMENT THERMIQUE UNIFORME D'UNE
TRANCHE DE SEMI-CONDUCTEUR 20 PAR CONDUCTION DANS UN GAZ, MAINTIENT LA
TRANCHE EN PLACE SUR UNE CAVITE 21 EMPLIE DE GAZ, FACE A UNE MASSE
THERMIQUE 13 QUI EST MAINTENUE A UNE TEMPERATURE APPROPRIEE. LE GAZ
EST INTRODUIT DERRIERE LA TRANCHE DE SEMI-CONDUCTEUR PAR DES
OUVERTURES 19 SITUEES AU VOISINAGE DE LA PERIPHERIE DE LA TRANCHE,
POUR PRODUIRE UNE PRESSION DE GAZ PRESQUE CONSTANTE SUR TOUTE
L'ETENDUE DE LA FACE ARRIERE DE LA TRANCHE. CECI ASSURE UNE
CONDUCTIVITE CONSTANTE DANS LE GAZ.
APPLICATION A LA FABRICATION DES CIRCUITS INTEGRES.
Description
_________________________________________________________________
Ia presente invention concerne un appareil destine au traitement
thermique
de tranches de semiconducteur par conduction dans un gaz, et elle
porte plus particulierement
sur un appareil destine a l'obtention d'un traitement thermi-
que extremement uniforme de tranches de semiconducteur par conduction
dans un gaz, dans lequel le gaz est introduit en
position adjacente a la peripherie de la tranche.
Dans le traitement de tranches de semiconducteur, par exemple pour
fabriquer des circuits integres, il arrive
quelquefois que les tranches soient soumises a des temperatu-
res elevees De telles temperatures elevees sont souhaitables
pour la diffusion d'impuretes, la croissance de couches epi-
taxiales, l'application de pellicules de metal de haute qua-
lite ou le recuit de contacts metal-semiconducteur, etc Dans de telles
situations, il est souhaitable d'appliquer de l'energie thermique
d'une maniere definie et uniforme Pour
d'autres applications, comme l'implantation et l'attaque io-
niques, l'energie thermique est un sous-produit indesirable.
Dans ces applications, l'exposition de la tranche a des tem-
peratures elevees peut ne pas etre souhaitable, du fait qu'on ne
desire pas, par exemple, une diffusion injustifiee au-dela de limites
prescrites, ainsi que la segregation des impuretes
a des interfaces epitaxiales De plus, des couches interme-
diaires de matiere de reserve photographique peuvent etre af-
fectees a des temperatures elevees Ce probleme se manifeste de -facon
plus aigue dans la fabrication de dispositifsa haut niveau
d'integration et a tres haut niveau d'integration, du fait qu'un grand
nombre d'operations de traitement doivent etre accomplies
successivement En particulier, pres de la
fin de la sequence de traitement, de grands nombres d'impure-
tes, de couches conductrices ou de couches isolantes sont en
place et il n'est pas souhaitable de perturber ces caracte-
ristiques physiques par un traitement thermique Dans ces
Situations, on desire refroidir les tranches de semiconduc-
teur d'une maniere definie et uniforme Ainsi, on desire por-
ter les tranches de semiconducteur a des temperatures elevees
lorsqu'une operation de traitement necessite effectivement ces
temperatures et on desire au contraire refroidir une tranche de
semiconducteur pour eviter qu'elle atteigne des temperatures elevees
dans le cas d'un degagement de chaleur
non desire.
Parmi les techniques anterieures pour le chauffage de tranches de
semiconducteur, figurent le chauffage par resistance de plateaux sur
lesquels des tranches sont placees, le chauffage par infrarouge de la
surface a nu de tranches,
le chauffage par induction de tranches placees sur des suscep-
teurs, ou le chauffage par convection au moyen d'un courant de gaz
prechauffe Ces techniques n'ont pas donne entierement satisfaction du
fait que la vitesse de chauffage est souvent trop lente, que
l'uniformite de la distribution de temperature sur la tranche est
souvent tres mauvaise, et du fait que la
commande de la temperature d'equilibre de la tranche est sou-
vent impossible a realiser en fabrication.
Parmi les tentatives anterieures visant a refroidir des tranches de
semiconducteur qui subissent une attaque ou une implantation ionique
figurent l'obtention d'une exposition intermittente par balayage
portant soit sur le faisceau d'ions
soit sur la tranche, soit sur les deux (ce qui limite la ca-
pacite de traitement), l'utilisation d'une plaque de metal refroidie
de facon active, revetue de graisse ou d'huile, sur laquelle on fait
reposer la tranche de semiconducteur, ou l'application d'une force
electrostatique pour maintenir une,
tranche contre une surface legerement compressible d'une pla-
que refroidie de facon active On pourra voir par exemple
l'article de L D Bollinger, intitule "I Ion Milling for Semi-
conductor Production Processes", Solid State Technology, no-
vembre 1977 Ces techniques et dispositifs de l'art anterieur ne se
sont pas averes totalement efficaces pour refroidir des tranches de
semiconducteur lorsqu'elles sont soumises a des flux ioniques ou a des
niveaux d'energie eleves Le brevet US 4 282 924 decrit un plateau
courbe de facon convexe contre
lequel est applique une tranche de semiconducteur L'efficaci-
te du refroidissement de cet appareil est limitee par l'eten-
due sur laquelle la face arriere de la tranche vient effecti-
vement en contact avec la surface conductrice au point de vue
thermique, du fait qu'au niveau atomique, seules des aires faibles des
deux surfaces (de facon caracteristique moins
de 5 Ho) viennent reellement en contact.
On sait que la technique de conduction dans un gaz
permet l'etablissement d'un couplage thermique efficace en-
tre deux surfaces opposees Cette technique a ete largement utilisee
Par exemple, dans le brevet US 3 062 507, un gaz (ou un liquide) est
place entre des couches d'un recipient
pour obtenir un transfert thermique optimal On pourra se re-
ferer aux brevets US 3 525 229, 3 717 201, 3 430 455 et
3 421 331 en ce qui concerne la commutation du transfert ther-
mique dans les pompes cryogeniques Dans chaque cas, le trans-
fert thermique entre des surfaces opposees est obtenu par con-
duction dans un gaz Le brevet US 3 566 960 envisage le pro-
bleme d'un contact inadapte entre des surfaces solides (voir la
colonne 3, lignes 2 et suivantes) et montre l'utilisation
d'un milieu gazeux pour refroidir par conduction la piece si-
tuee dans la chambre a vide Dans le meme ordre d'idees, le
refroidissement par conduction dans un gaz d'une piece situee dans le
vide est decrit dans un article de M King et P H.
Rose, intitule "Experiments on Gas Cooling of Wafers", Pro-
ceedings, Third International Conference on ion Implantation Equipment
and Techniques, Quenns University, Kingston, Ontario (mai 1980) et
dans le brevet US 4 264 762 Dans cet appareil, on introduit un gaz au
milieu d'une cavite, derriere une tranche de semiconducteur le
couplage thermique avec le corps principal de l'appareil est obtenu
par l'intermediaire du gaz,
de la maniere utilisee de facon caracteristique dans la techni-
que de conduction dans un gaz Cependant, en pratique, il exis-
te une vitesse de fuite finie qui est due aux joints imparfaits, ce
qui conduit a l'existance d'un gradient de pression entre
le milieu de la cavite et la peripherie Du fait que la conduc-
tivite thermique dans un gaz est proportionnelle a la pression, une
plus grande quantite de chaleur est transferee au centre,
o il existe une pression plus elevee, et un gradient de tem-
perature existe sur la tranche Dans certains traitements, tels qu'un
revetement par un metal, ce gradient de temperature
conduit a un traitement non uniforme qui peut 4 tre a proscrire.
L'invention a donc pour but de procurer un appareil
pour maintenir et traiter thermiquement des tranches de se-
miconducteur qui produise un transfert thermique uniforme
par conduction dans un gaz.
L'invention a egalement pour but de procurer un appareil qui
introduise un gaz de transfert thermique derrie- re une tranche de
semiconducteur et autour de sa peripherie,
en position adjacente a des points de fuite eventuels, de fa-
con qu'aucun gradient de pression n'existe sur l'etendue de
la face arriere de la tranche.
Un autre but de l'invention est de procurer un ap-
pareil destine a l'accomplissement d'un traitement thermique uniforme
d'une tranche de semiconducteur par couplage par
conduction dans un gaz.
L'invention sera mieux comprise a la lecture de la
description qui va suivre d'un mode de realisation et en se
referant aux dessins annexes sur lesquels: la figure l est une coupe
laterale de l'appareil de l'invention; la figure 2 est une vue en plan
de l'appareil de l'invention; la figure 3 est un graphique montrant la
pression
de gaz derriere la tranche dans un appareil de refroidisse-
ment par conduction dans un gaz appartenant a l'art anterieur; ia
figure 4 est une courbe montrant la pression de
gaz derriere la tranche maintenue dans l'appareil de l'inven-
tion; et
la figure 5 est un graphique montrant la conducti-
vite thermique entre la plaque et la tranche de la figure 2,
Un appareil destine a effectuer un traitement ther-
mique uniforme de tranches de semiconducteur par corduction dans un
gaz maintient la tranche en place au-dessus d'une cavite emplie de
gaz, face a une masse thermique qui est maintenue a une temperature
appropriee Le gaz est introduit derriere la tranche de semiconducteur,
en position adjacente a sa peripherie Une pression de gaz presque
constante est
ainsi maintenue sur l'etendue de la face arriere de la tran-
che, du fait qu'il n'y a pas de sources ou d'evacuations de
gaz, sauf pres de la peripherie Par consequent, la conduc-
tion thermique est uniforme, la temperature est uniforme et un
traitement uniforme est accompli sur toute l'etendue de
la tranche.
En se reportant aux figures 1 et 2, on peut voir qu'un appareil de
refroidissement par conduction dans un gaz,, comprend un corps 13
qu'on refroidit de facon active en faisant circuler un fluide de
refroidissement dans un reseau de canaux de refroidissement
interieurs, dans ine bride 22 qui comporte une entree 14 et une sortie
15 accessibles de l'exterieur Le corps 13 peut egalement 4 tre chauffe
de facon active au moyen d'un element chauffant 6 Le corps 13, qui est
de preference en acier inoxydable, contient un conduit 16 destine a
l'introduction d'un gaz dans la region de travail dans laquelle une
tranche de semiconducteur est maintenue en place Ce conduit est
represente en position centrale dans le
corps 13, bien qu'une position centrale ne soit pas obligatoi-
re avec l'appareil de l'invention Une plaque 11 forme le bord du corps
13, et une plaque 12 est fixee a la plaque 11 avec un leger espacement
Les deux plaques sont de preference en copper ou en aluminium Les
plaques 11 et 12 sont fixees intimement l'une a l'autre et au corps 13
par brasage, pour
assurer une conductivite thermique elevee et une bonne uni-
formite de temperature L'espacement entra les plaques 11 et 12 definit
une cavite 17 dans lequel le gaz est introduit a
partir du conduit 16 La cavite 17 est representee complete-
ment ouverte dans la coupe particuliere qui est faite sur la
figure 1 Cependant, pour eviter de creer une barriere ther-
mique entre le corps 13 et la plaque 12, par l'inei;rmediaire de la
cavite 17, un mode de realisation comporte des conduits radiaux qui
s'etendent depuis un conduit central 16 vers une
cavite annulaire situee sous l'ouverture 19 Ainsi, une gran-
de partie du volume situe entre la plaque 11 du corps 13 et la plaque
12 est emplie par un prolongement de la plaque 11 pour faciliter le
transfert thermique Les conduits radiaux et la cavite annulaire sont
suffisamment grands pour assurer
une conductance suffisante par le gaz et ils sont suffisam-
ment petits pour permettre un transfert thermique approprie.
La plaque 12 comporte a sa peripherie une levre 18 contre laquelle une
tranche de semiconducteur est maintenue en place par des moyens de
maintien (non representes), par exemple par les moyens a pinces qui
sont representes sur les figures 2 et 3 du brevet US 4 306 731 A
l'interieur de la levre 18, une serie d'ouvertures 19 permettent
d'introduire le gaz dans la region 21 situee immediatement derriere
une tranche de semiconducteur 20 Du fait de la proximite entre les
ouvertures 19 et la levre 18, le gaz est necessairement introduit au
voisinage du seul endroit dans le systeme auquel une fuite de gaz peut
avoir lieu, c'est-a- dire a l'endroit o le gaz peut fuir
accidentellement vers un systeme a vide, ou
a l'endroit auquel le gaz pourrait etre introduit intentionnel-
lement dans un systeme de pulverisation cathodique, pour cons-
tituer une partie du gaz de pulverisation Dans ce dernier
cas, le gaz est introduit par des passages microscopiques si-
tues entre la tranche et la levre De tels passages existent
toujours entre deux surfaces dures placees l'une contre l'au-
tre, a moins qu'on n'utilise des moyens speciaux pour assurer
un contact hermetique entre les surfaces, comme dans la te-
-20 chnologie des valves ou des brides de raccord Du fait qu'il n'y a
pas de points de fuite a l'interieur de la plaque 12 et qu'il n'y a
pas d'autres sources internes, la pression de gaz derriere la plaque
12 est uniforme et elle diminue de facon abrupte sur la largeur de la
levre 18, comme le montre la figure 4, dont les donnees, ainsi que
celles des figures 3 et 5, sont representees en alignement avec les
regions de l'appareil qui fournissent ces donnees Le debit du gaz dans
le conduit i 6 et donc dans les ouvertures 19 de la plaque 12 est
commande par une valve externe (non representee) La pression uniforme
que l'appareil de l'invention (figure 4) produit sur toute l'etendue
de la face arriere de la tranche,
presente une difference considerable avec le profil de pres-
sion dans un appareil a conduction dans un gaz de l'art ante-
rieur, represente sur la figure 3, dans lequel le gaz est in-
troduit au centre.
Le resultat de l'introduction peripherique du gaz et de la pression
uniforme de l'invention consiste en une conductivite thermique
uniforme dans le gaz entre la plaque 12 et la tranche 20, comme le
montre la figure 5 Ce resultat est obtenu du fait de la relation entre
la pression du gaz et la conductivite thermique, comme il est indique
au chapitre 1. 10, "Thermal Conductivity at Irow Pressures" de
l'ouvrage de S Dushman, et col, intitule Scientific Poundations of
Vaccum
Technique, pages 43-53 ( 1962) la vitesse de transfert ther-
mique est uniforme sur toute l'etendue de la region centrale
de la tranche En pratique, on a obtenu des profils de tempe-
rature qui sont uniformes a quelques pour cent La vitesse de transfert
thermique s'eleve au milieu de la levre 18, du fait
de l'existence d'une contribution supplementaire due a l'ecar-
tement tres reduit entre la tranche et la plaque 12 Enfin, la vitesse
de transfert thermique tombe a zero lorsqu'on s'approche du bord
exterieur de la levre 18, du fait que la
pression du gaz tombe a zero.
On selectionne un mode de chauffage ou de refroidis-
sement en mettant sous tension l'element chauffant resistif 6, dans le
premier cas, ou en mettant hors tension l'element
chauffant resistif 6 et en laissant predominer le refroidis-
sement par la bride 5, dans le second cas Dans le mode de
chauffage, la contribution additive pres du bord de la tran-
che contribue a compenser les pertes thermiques par rayonne-
ment,accrues localement,qui sont dues au rayonnement a partir
du bord exterieur 7 de la tranche 20 Cette compensation mini-
mise le defaut d'uniformite de la temperature a la peripherie de la
tranche et constitue une amelioration importante par
rapport a l'art anterieur la tranche 20 a de facon caracte-
ristique un diametre superieur a celui de la levre 18, de facon que le
bord 7 soit en porte-a-faux Ainsi, mame si la tranche 20 est presentee
excentree a l'appareil de traitement thermique 10, le bord 7 lui-m 4
me ne repose pas sur-la levre
18, ce qui fait que cette derniere n'est pas exposee au trai-
tement qui est accompli.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportees a
l'appareil decrit et represente, sans sortir
du cadre de l'invention.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une
tranche de semiconducteur ( 20) par conduction dans un gaz,
caracterise en ce qu'il comprend: un corps ( 13) ayant une masse
thermique qui fait fonction de source princi- pale ou d'element
d'absorption principal d'energie thermique,
ce corps comprenant des moyens ( 16, 17) destines a faire cir-
culer le gaz pour le traitement thermique par conduction dans un gaz,
et le corps ayant une surface ( 11) de forme generale
plane destinee au couplage thermique avec la tranche de semi-
conducteur, par conduction dans un gaz; des moyens ( 12) fi-
xes au corps ( 13), en communication avec les moyens ( 16) des-
tines a faire circuler le gaz, grace a quoi ce gaz est intro-
duit derriere la tranche de semiconducteur ( 20), au voisinage
de sa peripherie; des moyens ( 22) en contact a faible resis-
tance thermique avec le corps ( 13) pour refroidir le corps; et des
moyens ( 6) en contact a faible resistance thermique
avec le corps ( 13), pour chauffer celui-ci.
2 Appareil pour accomplir un traitement thermique
uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica-
tion 1, caracterise en ce que les moyens fixes au corps ( 13)
comprennent une plaque ( 12) qui est fixee a la surface plane ( 11) du
corps, en etant espacee par rapport a cette surface, cette plaque
etant en contact a faible resistance thermique avec le corps et ayant
en outre une configuration prevue pour recevoir une tranche de
semiconducteur ( 20) sur sa surface externe, cette plaque comportant
des ouvertures ( 19) autour de sa peripherie, pour faire communiquer
le gaz provenant
des moyens ( 16, 17) destines a faire circuler le gaz, de fa-
con a faire passer le gaz vers la face arriere de la tranche
de semiconducteur ( 20) au voisinage de sa peripherie.
3 Appareil pour accomplir un traitement thermique
uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica-
tion 2, caracterise en ce que la plaque ( 12) comporte a sa peripherie
externe une levre ( 18) qui est destinee a recevoir
une tranche de semiconducteur ( 20).
4 Appareil pour accomplir un traitement thermique
uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica-
tion 3, caracterise en ce que les moyens destines a chauffer le corps
( 13) comprennent un element chauffant resistif ( 6)
ern contact a faible resistance thermique avec le corps.
Appareil pour accomplir un traitement thermique uniforme d'une tranche
de semiconducteur selon la revendica- tion 4, caracterise en ce que
les moyens destines a refroidir le corps ( 13) consistent en une bride
( 22) en contact a faible resistance thermique avec le corps, cette
bride comportant un canal de refroidissement interne dans lequel on
fait circuler
un fluide de refroidissement.
6 Appareil pour accomplir un traitement thermique
uniforme d'une tranche de semiconducteur selon la revendica-
tion 3, caracterise en ce que la tranche ( 20) est maintenue
en place sur la levre ( 18) et a un diametre superieur au dia-
metre de la levre, pour proteger cette derniere contre l'ex-
position au traitement du semiconducteur.
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