Corrélation entre la répartition de température du substrat de silicium et celle du hublot

Dans l’état de l’art du chapitre I, on a vu que le hublot chaud est l’une des causes principales de la non-uniformité de température du substrat de silicium lors d’un procédé thermique rapide. Pour mieux comprendre l’effet du hublot, la modélisation en deux dimensions va être utilisée. L’objectif de cette étude est de mettre en évidence la relation entre la répartition de la température du substrat et celle du hublot. Pour cela, des simulations de la modélisation en deux dimensions du système rapide thermique AS-One 150 sont effectuées. Certains paramètres de la modélisation vont être modifiés pour apprécier l’influence du hublot sur la température du substrat et inversement. Différentes situations, difficiles à envisager dans la réalité, sont envisagées. Les calculs sont tous réalisés en régime permanent pour les mêmes puissances (10 à 30%). Dans un premier temps, la répartition de température du substrat et celle du hublot sont comparées. Puis, l’influence du substrat sur la température du hublot est appréciée. L’inverse est ensuite réalisé. Les constatations obtenues seront récapitulées dans la conclusion. Les profils de température calculés à la surface du substrat et au niveau du hublot sont comparés pour les puissances considérées. La Figure VI-1 montre l’exemple de 15% de puissance. Des résultats de la même forme sont obtenus pour les autres puissances.

La Figure VI-3 donne les écarts de la température entre le centre et le bord du substrat et du hublot suivant la puissance de chauffage. Ces écarts augmentent tous les deux de manière linéaire suivant la puissance. Le système AS-One 150 est simulé sans la présence du substrat. Dans le modèle, le substrat est remplacé par de l’azote à la pression de 300 Pa comme dans le reste du réacteur. Cette augmentation est relativement faible pour deux raisons. Les parois du réacteur sont très réfléchissantes. De plus, les simulations sont effectuées en régime permanent, c’est-à-dire pour une durée de chauffage infinie. Le hublot a suffisamment de temps pour accumuler une partie importante des rayonnements présents dans le système. Pour compléter ce résultat, les simulations du système thermique rapide sont réalisées en modifiant les propriétés radiatives du substrat. Autrement dit, les propriétés en volume sont conservées mais les propriétés radiatives en surface sont modifiées. L’objectif est de savoir si les propriétés radiatives du substrat contribuent à l’élévation de la température du hublot. Les ordres de grandeur de l’émissivité, de l’absorptivité et de la réflectivité sont indiqués dans le Tableau VI-1. On rappelle que l’émissivité est égale à l’absorptivité par la loi de Kirchhoff (relations III-26 et III-27).

Corrélation entre la répartition de température du substrat de silicium et celle du hublot

Le substrat et le hublot sont les plus chauds dans le cas où le substrat a la propriété d’un corps noir. Les températures du substrat et du hublot suivent donc les propriétés d’absorption et d’émission du substrat. Plus elles ont des coefficients élevés, plus les températures seront grandes. Le hublot est donc chauffé par le rayonnement émis par le substrat. Lorsque le substrat a la propriété d’un réflecteur parfait, sa température est d’environ 520 K. Comme le substrat réfléchit dans tout le domaine spectral, on s’attendait à obtenir une température proche de 300 K. Le substrat est chauffé par convection car il y a de l’azote chaud dans le réacteur. La température du hublot est plus élevée que dans le cas où il n’y a pas de substrat car la réflectivité est plus importante. La réflectivité du substrat a une influence sur la température du hublot : plus elle est importante et plus la température du hublot sera élevée. On se place dans le cas contraire au précédent. Le système est simulé sans la présence du hublot afin d’apprécier son influence sur la température du substrat (Logerais et al. 2006). Le hublot a été remplacé par un volume contenant de l’azote dans le modèle en deux dimensions. Le réacteur est mis en commun avec le four. L’intérieur du système contient de l’azote à la pression de 300 Pa. Cette configuration n’est pas applicable en réalité car le hublot assure l’étanchéité du réacteur.