Le procédé thermique rapide

Le schéma de la Figure I-1 montre les différents éléments qui entrent dans ce procédé. Le substrat de silicium est placé dans une enceinte appelée « réacteur ». Le réacteur peut être maintenu à basse pression grâce à un système de pompage. Le substrat est chauffé par le rayonnement infrarouge émis par un ou plusieurs bancs de lampes placés dans le four. Le hublot en quartz assure l’étanchéité du réacteur tout en laissant passer le rayonnement émis par les lampes. Les parois du réacteur sont maintenues à environ 300 K pour éviter de contaminer le substrat. La température du substrat est contrôlée par l’intermédiaire d’un régulateur relié à une mesure pyrométrique. La Figure I-2 montre un exemple d’évolution typique de la température du substrat. La montée en température du substrat est de l’ordre de quelques secondes. Puis, le substrat est maintenu à la température du recuit pendant la durée requise. La puissance des lampes est ensuite coupée pour laisser le substrat revenir à sa température initiale. avec le chauffage réalisé dans les fours résistifs conventionnels. La configuration d’un tel four est présentée par la Figure I-3. Les substrats de silicium sont placés en grand nombre à l’intérieur d’un tube en quartz. La pression peut être maintenue basse à l’intérieur du tube grâce à un système de pompage. Une résistance chauffante est placée autour du tube. Une bonne uniformité de la température des substrats est obtenue.

Le procédé thermique rapide présente de nombreux avantages par rapport au four conventionnel. Il permet de diminuer le budget thermique des substrats car les durées de montée et de descente pour un four résistif sont très longues. Ces dernières se comptent en heures contre quelques secondes pour le procédé thermique rapide. Les substrats sont traités dans de meilleures conditions de pureté car les parois du réacteur sont maintenues à basse température, environ 300 K, pour limiter leur « mémoire ». Les parois chaudes du tube de quartz du four conventionnel se recouvrent progressivement d’un dépôt qui finit par se détacher et polluer les substrats. Il présente aussi l’avantage d’avoir une flexibilité dans le traitement des substrats. Il permet également de limiter les pertes en cas de problème puisqu’un nombre restreint de substrats est traité à la fois. uniformité de la température à la surface des substrats. Elle est due à la présence de gradients de température importants au sein des systèmes thermiques rapides. Le contrôle de la température des substrats avec une grande précision est une autre difficulté. D’autres difficultés peuvent être répertoriées comme :

Il existe plusieurs types de procédés thermiques rapides. Ils entrent dans les étapes de fabrication de différents composants de microélectronique. De nombreux exemples d’applications sont donnés dans l’ouvrage Rapid thermal processing of semiconductors (Borisenko et Hesketh 1997). Concernant la durée des procédés thermiques rapides, elle va de quelques secondes à 1000 secondes comme l’illustre le schéma de la Figure I-4 (Mattson 2001). Ce schéma indique aussi les températures des substrats. Les applications les plus retrouvées sont commentées ci-après. la diffusion de dopants implantés en surface. Il permet également d’activer des dopants ou encore de réaliser des recristallisations pour guérir les endommagements dus à l’implantation ionique des dopants. Réalisé sur des substrats mono ou polycristallin, ce type de recuit intervient dans la fabrication de diodes, de transistors MOS (Metal Oxide Semi- conductor), de cellules solaires … Il peut être utilisé dans la fabrication des diodes lasers sur des substrats d’arséniure de gallium GaAs (matériaux III-V). la siliciuration se fait aux alentours de 250°C. Il consiste à faire diffuser des atomes métalliques (titane, tungstène, nickel, molybdène …) dans une matrice de silicium. Il entre dans la fabrication des circuits intégrés de type VLSI (Very Large Scale Integration), les contacts ohmiques, les interconnexions, les barrières de diffusion …

D’autres types d’applications peuvent être rencontrés comme le dépôt chimique à partir de la phase vapeur (Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition : RTCVD). Il consiste à envoyer des espèces gazeuses qui réagissent sur la surface du substrat préalablement chauffé à une température pouvant aller de 200°C à plus de 1000°C. Au contact de la surface chaude, les gaz aboutissent à la formation d’un composé solide qui se dépose sur le substrat. Une couche mince est alors formée. Les co-produits gazeux de la réaction sont évacués. Le procédé RTCVD entre notamment dans la fabrication des transistors CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) des microprocesseurs. Cette partie permet de situer dans un contexte général la recherche effectuée dans le présent travail. Afin de ne pas alourdir la thèse qui se focalise sur l’étude physique d’un système thermique rapide, on ne s’attardera pas sur cet aspect. Les fabricants et l’évolution du marché des équipements RTP sont présentés ici en quelques lignes.