Étude du chauffage d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process)

Abstract

Le procédé thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process) est très utilisé dans la fabrication des composants de microélectronique. Il correspond à plusieurs étapes clés comme les recuits d'implantation, de siliciuration, d'oxydation, de nitruration et le dépôt de couches minces par CVD (Chemical Vapor Deposition). Il consiste à chauffer un nombre restreint de substrats de silicium par des lampes infrarouges permettant ainsi des durées de traitement très courtes. L'enjeu majeur est d'obtenir une température uniforme à la surface du substrat.Le but de cette étude est de mieux comprendre les relations entre le chauffage par les lampes infrarouges et le profil de température d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide, le système AS-One 150, en vue d'améliorer l'uniformité de la température du substrat de silicium. La modélisation du système est réalisée en deux et trois dimensions. La modélisation approfondie d'une lampe infrarouge est aussi effectuée pour mieux cerner les paramètres des lampes à entrer dans les modèles en deux et trois dimensions. Les modélisations ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD'ACE. Les équations de conservation de la masse et de la chaleur ont été considérées et l'équation de transfert radiatif est résolue selon un schéma utilisant la méthode Monte-Carlo. Les modèles sont validés en confrontant les profils de température du substrat et les températures des filaments à des mesures expérimentales. Des simulations avec le modèle en deux dimensions sont par la suite réalisées pour mettre en évidence l'influence du hublot en quartz sur le profil de température du substrat et inversement. Différents paramètres du modèle sont modifiés comme les propriétés radiatives du substrat et du hublot ou la diffusivité. Cette corrélation est ensuite expliquée par les propriétés d'émission, d'absorption, de réflexion et de transmission du substrat de silicium et du hublot en quartz et par l'influence des parois froides du réacteur à 300 K. Les différents phénomènes expliquant la forme du profil de température du substrat sont alors posés dans un schéma en quatre phases. La discussion de ce schéma permet d'aboutir à deux idées pour améliorer l'uniformité de la température du substrat. Ces dernières consistent à modifier les propriétés radiatives au niveau de la surface inférieure du hublot pour laisser passer le rayonnement des lampes et éviter l'absorption du rayonnement émis par le substrat de silicium selon deux configurations. Ces idées sont alors vérifiées par des simulations numériques en deux dimensions. Une future mise en œuvre expérimentale est finalement envisagée.