Dans certaines utilisations industrielles du chauffage par induction, et en particulier dans les réacteurs à épitaxie pour la formation de couches semiconductrices, on désire régler individuellement les puissances de chauffage obtenues en divers endroits du ou des objets à chauffer. Ce problème est particulièrement important lors des phases transitoires d'échauffement dans un réacteur à épitaxie, pendant lesquelles un contrôle dynamique du profil de température dans la direction principale du courant gazeux est essentiel pour éviter des gradients de température indésirables dans le matériau à chauffer sans allonger exagérément le temps de préchauffage.
Un système de chauffage usuel pour les réacteurs à épitaxie est constitué par un chauffage par induction comportant plusieurs boucles conductrices disposées autour du récipient contenant le matériau à chauffer et échelonnées dans la direction générale du courant gazeux à l'intérieur de ce récipient. Un générateur de courant alternatif alimente ces boucles, qui sont en général branchées en parallèle sur deux barres de distribution de courant disposées à peu près parallèlement à l'axe principal du récipient, à l'extérieur de celui-ci, les extrémités amont (dans le sens du courant gazeux dans le récipient) des barres de distribution étant connectées au générateur. Les points de branchement des différentes boucles d'induction sont ainsi échelonnés le long des barres.
Il est connu de faire diverger celle-ci en direction aval, afin de délivrer - grâce aux forces électromagnétiques produites par les forts courants alternatifs mis en jeu - différentes puissances électromagnétiques aux diverses boucles, en fonction des besoins. Toutefois cette solution ne permet ni des différences de puissance suffisamment fortes, ni une variation rapide de ces différences pendant le fonctionnement du réacteur. On a aussi songé à remplacer chaque barre de distribution rigide par un empilage de courtes pièces conductrices, ce qui permettrait, par un décalage réciproque des pièces successives, d'obtenir l'équivalent de barres courbes dont l'éloignement réciproque en chaque point peut être déterminé de manière à délivrer les puissances désirées aux différentes boucles.
Toutefois, même cette dernière solution ne peut, malgré sa complication, fournir la flexibilité désirée pour l'alimentation des diverses boucles. De plus, tout changement du rapport des puissances délivrées aux différentes boucles nécessite une modification de la forme géométrique obtenue par l'empilement des pièces conductrices, c'est-à-dire une modification mécanique lente à réaliser et ne pouvant pas être effectuée pendant la marche de l'appareil. Or, les conditions thermiques dans un réacteur à épitaxie pendant la montée en température de celui-ci sont telles que pour y obtenir les faibles gradients thermiques désirés il est presque impératif de régler rapidement, c'est-à-dire de préférence par des moyens purement électriques et de façon parfois très différente d'une boucle à l'autre, les puissances de chauffage délivrées par les diverses boucles.
L'invention vise à réaliser cet objectif. A cet effet, elle est définie comme il est dit aux revendications 1 et 6.
L'invention sera maintenant illustrée par la description d'un mode de réalisation et à l'aide du dessin, dans lequel la figure unique montre de manière très schématique un mode de réalisation de l'invention.
Dans la figure unique du dessin, le chiffre 1 désigne un récipient sensiblement cylindrique dans lequel se trouve le corps 2 qu'il s'agit de chauffer. Dans le cas d'un réacteur à épitaxie, le corps 2 sera en général un support tronconique creux en graphite, appelé suscepteur et servant de support à des plaquettes (non représentées au dessin), sur lesquelles une mince couche semi-conductrice doit être déposée par épitaxie. Ceci exige le passage à travers le récipient 1 d'un gaz adéquat qui y entre généralement par le haut (comme indiqué par les flèches G) et en ressort par le bas (comme indiqué par les flèches H). Pour mener à bien le dépôt par épitaxie, ce gaz doit être amené à des températures avoisinant et dépassant 1000 DEG C, tout au moins à proximité des surfaces sur lesquelles doit s'effectuer le dépôt.
A cet effet, il es prévu un chauffage par induction au moyen de plusieurs éléments d'induction 4a, 4b, 4c entourant le récipient et alimentés par un générateur de courant alternatif 3 ayant par exemple une fréquence de 15 à 20 kHz. Dans le dessin le chauffage comporte trois éléments d'induction 4a, 4b et 4c, dont chacun forme autour du récipient une double boucle dont chaque extrémité est connectée à une des barres d'une paire de barres distributrices 5a, 5b alimentée par le générateur 3. Il est toutefois évident que le nombre d'éléments d'induction, ainsi que le nombre de boucles de chacun de ces éléments, c'est-à-dire le nombre de tours qu'il fait autour du récipient, peuvent varier dans de larges limites. De plus, le nombre de tours des différents éléments peut n'être pas le même.
Le dépôt d'une couche épitaxiale régulière sur les plaquettes (non représentées) disposée sur le suscepteur 2 requiert une température extrêmement homogène à la surface du suscepteur lors du fonctionnement en continu du réacteur, ainsi qu'une limitation extrêmement stricte des gradients de température lors de son fonctionnement transient, c'est-à-dire principalement lors de la montée en température de l'appareillage au début d'un processus d'épitaxie, mais éventuellement aussi à sa fin, durant la phase de refroidissement. Pour obtenir ce résultat, les courants dans chacun des éléments d'induction 4a, 4b, 4c peuvent être réglés individuellement, malgré leur alimentation commune par les barres de distribution 5a, 5b, elles-mêmes connectées au générateur 3.
A cette fin, chacun des conducteurs formant les éléments d'induction est entouré par un organe en ferrite 6a, 6b, 6c portant un bobinage 7a, 7b, 7c. Bien que représentés au dessin par des anneaux prismatiques, les organes 6 peuvent évidemment être de forme différente, par exemple torique. De même, ils peuvent être en un autre matériau à haute perméabilité que le ferrite, nommé uniquement à titre d'exemple, et leur emplacement sur chaque élément d'induction dans le dessin n'a été choisi que pour la clarté de celui-ci, d'autres emplacements étant possible.
Lorsqu'un bobinage est parcouru par un courant de même fréquence que celui délivré à l'élément d'induction associé par les barres 5a, 5b, mais déphasé par rapport au courant d'induction parcourant cet élément, le courant d'induction sera modifié par les forces électromagnétiques dues à la bobine et à son anneau de ferrite. Ceci permet de régler individuellement les puissances de chauffage délivrées par les éléments d'induction 4a, 4b, 4c, malgré leur alimentation commune par un générateur unique.
A cet effet, un déphaseur 8 synchronisé avec le générateur 3 et comportant une sortie séparée A, B, C pour chaque bobinage délivre aux bobinages des courants de même fréquence que les courants d'induction parcourant les éléments 4a, 4b, 4c, mais déphasés par rapport à ces courants d'induction. Le déphaseur peut être alimenté par le générateur avec un courant de même fréquence que celui délivré aux barres de distribution mais il peut également être alimenté de manière indépendante et produire lui-même un courant synchronisé et déphasé de façon réglable par rapport à celui délivré par le générateur. Dans ce dernier cas ce dernier ne livrera au déphaseur que les signaux nécessaires à la synchronisa tion, ce qui peut se faire soit directement, soit par l'intermédiaire des barres de distribution.
Lorsque le courant d'alimentation du déphaseur provient du générateur, ceci peut se faire soit par une ligne d'alimentation joignant directement le générateur au déphaseur, soit par l'intermédiaire des barres de distribution, comme indiqué en pointillé dans le dessin. Dans ce dernier cas le courant d'alimentation sera nécessairement en phase avec celui fourni aux éléments d'induction.
Le déphaseur 8 est agencé pour produire à ses sorties A, B, C des courants déphasés individuellement par rapport au courant délivré par le générateur, le déphasage de chaque courant de sortie pouvant être réglé séparément en fonction de signaux de commande émis par une unité de contrôle 11. Celle-ci comportera en général des circuits digitaux commandés par un programme et par des capteurs (non représentés) qui mesurent des paramètres du réacteur en fonctionnement, tels que des températures, des flux de gaz, des compositions de gaz, etc.
L'unité de contrôle 11 calcule en fonction du programme et des valeurs mesurées les déphasages qu'il faut appliquer aux courants des bobinages 7a, 7b, 7c pour influencer les courants dans les éléments d'induction 4a, 4b, 4c de manière à ce que chacun d'entre eux délivre exactement la puissance de chauffage requise pour obtenir la distribution de température désirée dans le réacteur. Une fois ces valeurs de déphasage déterminées, l'unité de contrôle 11 envoie des signaux de commande adéquats au déphaseur 8, ce qui permet un réglage à la fois rapide et précis de la température en différents endroits du réacteur.
In certain industrial uses of induction heating, and in particular in epitaxy reactors for the formation of semiconductor layers, it is desired to individually adjust the heating powers obtained in various locations of the object or objects to be heated. This problem is particularly important during the transient heating phases in an epitaxy reactor, during which dynamic control of the temperature profile in the main direction of the gas stream is essential to avoid undesirable temperature gradients in the material to be heated without elongating. excessively warm-up time.
A conventional heating system for epitaxy reactors consists of induction heating comprising several conductive loops arranged around the container containing the material to be heated and staggered in the general direction of the gas stream inside this container. An alternating current generator supplies these loops, which are generally connected in parallel to two current distribution bars arranged roughly parallel to the main axis of the container, outside of it, the upstream ends (in the direction of the gas flow in the container) of the distribution bars being connected to the generator. The connection points of the different induction loops are thus staggered along the bars.
It is known to diverge it downstream, in order to deliver - thanks to the electromagnetic forces produced by the strong alternating currents involved - different electromagnetic powers to the various loops, according to needs. However, this solution does not allow sufficiently large power differences, nor a rapid variation of these differences during the operation of the reactor. We have also thought of replacing each rigid distribution bar with a stack of short conductive parts, which would allow, by a reciprocal shift of successive parts, to obtain the equivalent of curved bars whose reciprocal distance at each point can be determined so as to deliver the desired powers to the different loops.
However, even this latter solution cannot, despite its complication, provide the desired flexibility for feeding the various loops. In addition, any change in the ratio of the powers delivered to the different loops requires a modification of the geometric shape obtained by the stacking of the conductive parts, that is to say a mechanical modification that is slow to perform and cannot be carried out during the device. However, the thermal conditions in an epitaxy reactor during the temperature rise thereof are such that to obtain the desired low thermal gradients it is almost imperative to adjust quickly, that is to say preferably by means purely electric and sometimes very different from one loop to another, the heating powers delivered by the various loops.
The invention aims to achieve this objective. To this end, it is defined as stated in claims 1 and 6.
The invention will now be illustrated by the description of an embodiment and with the aid of the drawing, in which the single figure very schematically shows an embodiment of the invention.
In the single figure of the drawing, the number 1 designates a substantially cylindrical container in which the body 2 is located which is to be heated. In the case of an epitaxy reactor, the body 2 will generally be a hollow frustoconical support in graphite, called a susceptor and serving as a support for wafers (not shown in the drawing), on which a thin semiconductor layer must be deposited. by epitaxy. This requires the passage through the container 1 of a suitable gas which generally enters there from the top (as indicated by the arrows G) and exits from the bottom (as indicated by the arrows H). To carry out the deposition by epitaxy, this gas must be brought to temperatures approaching and exceeding 1000 DEG C, at least near the surfaces on which the deposition must be carried out.
For this purpose, there is provision for induction heating by means of several induction elements 4a, 4b, 4c surrounding the container and supplied by an alternating current generator 3 having for example a frequency of 15 to 20 kHz. In the drawing, the heating comprises three induction elements 4a, 4b and 4c, each of which forms a double loop around the container, each end of which is connected to one of the bars of a pair of distributing bars 5a, 5b supplied by the generator 3 It is however obvious that the number of induction elements, as well as the number of loops of each of these elements, that is to say the number of turns it makes around the container, can vary within wide limits. In addition, the number of turns of the different elements may not be the same.
The deposition of a regular epitaxial layer on the plates (not shown) placed on the susceptor 2 requires an extremely homogeneous temperature on the surface of the susceptor during continuous operation of the reactor, as well as an extremely strict limitation of the temperature gradients during of its functioning transient, that is to say mainly during the rise in temperature of the apparatus at the start of an epitaxy process, but possibly also at its end, during the cooling phase. To obtain this result, the currents in each of the induction elements 4a, 4b, 4c can be adjusted individually, despite their common supply by the distribution bars 5a, 5b, themselves connected to the generator 3.
To this end, each of the conductors forming the induction elements is surrounded by a ferrite member 6a, 6b, 6c carrying a coil 7a, 7b, 7c. Although shown in the drawing by prismatic rings, the members 6 can obviously be of different shape, for example toroidal. Likewise, they may be made of another material with high permeability than ferrite, named only by way of example, and their location on each induction element in the drawing has been chosen only for the clarity thereof. , other locations being possible.
When a winding is traversed by a current of the same frequency as that delivered to the associated induction element by the bars 5a, 5b, but out of phase with respect to the induction current flowing through this element, the induction current will be modified by electromagnetic forces due to the coil and its ferrite ring. This makes it possible to individually adjust the heating powers delivered by the induction elements 4a, 4b, 4c, despite their common supply by a single generator.
For this purpose, a phase shifter 8 synchronized with the generator 3 and comprising a separate output A, B, C for each winding delivers to the windings currents of the same frequency as the induction currents flowing through the elements 4a, 4b, 4c, but out of phase compared to these induction currents. The phase shifter can be supplied by the generator with a current of the same frequency as that supplied to the distribution bars but it can also be supplied independently and itself produce a synchronized and phase-shifted current in an adjustable manner relative to that delivered by the generator. In the latter case, the latter will deliver to the phase shifter only the signals necessary for synchronization, which can be done either directly or via the distribution bars.
When the supply current of the phase shifter comes from the generator, this can be done either by a supply line directly joining the generator to the phase shifter, or by means of the distribution bars, as indicated in dotted lines in the drawing. In the latter case, the supply current will necessarily be in phase with that supplied to the induction elements.
The phase shifter 8 is arranged to produce at its outputs A, B, C currents individually phase-shifted with respect to the current delivered by the generator, the phase shift of each output current being able to be adjusted separately as a function of control signals emitted by a control unit. control 11. This will generally include digital circuits controlled by a program and by sensors (not shown) which measure parameters of the reactor in operation, such as temperatures, gas flows, gas compositions, etc.
The control unit 11 calculates, according to the program and the measured values, the phase shifts which must be applied to the currents of the windings 7a, 7b, 7c in order to influence the currents in the induction elements 4a, 4b, 4c so that that each of them delivers exactly the heating power required to obtain the desired temperature distribution in the reactor. Once these phase shift values have been determined, the control unit 11 sends suitable control signals to the phase shifter 8, which allows the temperature to be adjusted both quickly and precisely at different places in the reactor.