EP4466729A1 - Procédé de fabrication d'un substrat donneur pour le transfert d'une couche piézoélectrique et procédé de transfert d'une couche piézoélectrique sur un substrat support - Google Patents

Procédé de fabrication d'un substrat donneur pour le transfert d'une couche piézoélectrique et procédé de transfert d'une couche piézoélectrique sur un substrat support

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Publication number
EP4466729A1
EP4466729A1 EP23700213.4A EP23700213A EP4466729A1 EP 4466729 A1 EP4466729 A1 EP 4466729A1 EP 23700213 A EP23700213 A EP 23700213A EP 4466729 A1 EP4466729 A1 EP 4466729A1
Authority
EP
European Patent Office
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substrate
piezoelectric
layer
donor
donor substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP23700213.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marcel Broekaart
Cedric Charles-Alfred
Luciana Capello
Morgane Logiou
Thierry Barge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of EP4466729A1 publication Critical patent/EP4466729A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H10W10/181—Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer, a donor substrate and a method for transferring such a piezoelectric layer onto a support substrate.
  • a piezoelectric on insulator (POI) substrate comprises a thin layer of piezoelectric material on a substrate.
  • the method used comprises the transfer of the thin piezoelectric layer onto a support substrate from a thicker substrate of piezoelectric material.
  • a donor substrate is used in which a bulk substrate of piezoelectric material is assembled to a manipulation substrate by bonding using a polymer layer. Then, the donor substrate undergoes a step of thinning the bulk piezoelectric substrate to form a thinner piezoelectric layer before being assembled to the support substrate. Finally, the transfer of the piezoelectric layer on the support substrate is carried out mechanically or thermally at the level of a fracturing zone created beforehand in the thinned piezoelectric layer.
  • the donor substrate is introduced into the process to limit the negative impact of the difference in thermal expansion coefficients between the piezoelectric material and the POI support substrate. Indeed, to reinforce the bonding interface between the different substrates and the transfer of the thin layer, heat treatments are carried out. An example of this type of method is described in WO 2019/186032 A1.
  • An object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks and in particular to design a donor substrate for the transfer of a piezoelectric layer from a substrate of piezoelectric material onto a support substrate which has better mechanical strength.
  • the object of the invention is achieved by a process for manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer onto a support substrate comprising the steps of providing a handling substrate, in particular a silicon-based substrate, providing a piezoelectric substrate, forming an intermediate layer on a free surface of the piezoelectric substrate, depositing a polymer layer on the intermediate layer of the substrate piezoelectric, and assembling the piezoelectric substrate on the handling substrate to form the donor substrate.
  • an intermediate layer between the piezoelectric substrate and the polymer layer makes it possible to obtain a more stable bond between the piezoelectric material and the polymer layer, by choosing an intermediate layer which has good adhesion to the piezoelectric substrate as well as to the polymer layer.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a donor substrate having improved mechanical stability between the piezoelectric substrate and the polymer layer of the manipulation substrate compared to the state of the art.
  • the object of the invention is also achieved by a method of manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer onto a support substrate comprising the steps of providing a handling substrate, in particular a silicon-based substrate ; depositing a polymer layer on a free face of the handling substrate, providing a piezoelectric substrate, forming an intermediate layer on a free surface of the piezoelectric substrate, assembling the piezoelectric substrate on the handling substrate in such a way that the intermediate layer formed on the substrate piezoelectric is sandwiched between the polymer layer of the manipulation substrate and the piezoelectric substrate to form the donor substrate.
  • the formation of an intermediate layer between the piezoelectric substrate and the polymer layer of the manipulation substrate makes it possible to obtain a more stable bond between the piezoelectric material and the polymer layer, by choosing an intermediate layer which has good adhesion to the piezoelectric substrate as well than to the polymer layer.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a donor substrate having improved mechanical stability between the piezoelectric substrate and the polymer layer of the manipulation substrate compared to the state of the art.
  • the formation of the intermediate layer can comprise the formation of a single layer or of several sub-layers.
  • the formation of the intermediate layer may comprise at least the formation of a dielectric layer, in particular a layer based on silicon oxide or nitride oxide or a combination of oxide nitride SiO x N y .
  • a dielectric layer formed on a piezoelectric material makes it possible to assemble the piezoelectric substrate to another substrate to form a donor substrate via this dielectric layer. Thanks to the presence of the dielectric layer making the connection between the piezoelectric substrate and the handling substrate, the donor substrate obtained has improved mechanical stability for the various process steps that the donor substrate will then undergo.
  • a surface treatment step of the intermediate layer can be carried out, in particular a plasma treatment, even more in particular an oxygen O2 plasma.
  • a plasma treatment is a dry treatment which allows the functionalization and/or the activation of the surface.
  • Plasma surface treatment consists of a very strong oxidation of the surface of a material. The oxidation of surface molecules makes it possible to increase the surface tension of a support.
  • the plasma treatment allows the creation of free radicals on the surface which promote the successive adhesion of a thin layer in contact with these free radicals.
  • the plasma surface treatment makes it possible to improve the chemical characteristics of the material for better adhesion to a coating layer.
  • the plasma treatment step of the method according to the invention makes it possible to improve the adhesion between the dielectric layer formed on the piezoelectric substrate and the polymer layer of the donor substrate, and results in a mechanical stability of the donor substrate improved by compared to the state of the art.
  • a step of thinning the piezoelectric substrate of the donor substrate can be carried out, so as to obtain either a thinned piezoelectric substrate with a thickness t less than ti of the piezoelectric substrate, or a piezoelectric layer of a lower thickness to the thickness ti of the piezoelectric substrate.
  • the thinning step can be carried out by a grinding process or else by a chemical etching process of the piezoelectric substrate.
  • a thinner piezoelectric substrate or a piezoelectric layer of a thinner desired thickness is obtained and the donor substrate thus manufactured by the method according to the invention can be used as a donor substrate in a subsequent layer transfer process to transfer a thin layer of the piezoelectric material onto a support substrate to thereby form a piezoelectric on insulator (POI) substrate.
  • POI piezoelectric on insulator
  • the assembly step of the method of manufacturing a donor substrate may comprise a step of processing the polymer layer to obtain a crosslinked polymer layer to bond the manipulation substrate to the piezoelectric substrate.
  • the formation of a crosslinked polymer layer by a stage of treatment of the polymer layer is simple to set up and allows an adhesion which satisfies the conditions of the process.
  • a donor substrate for the transfer of a piezoelectric layer comprising a handling substrate, in particular a silicon-based substrate, a piezoelectric substrate, a polymer layer sandwiched between the manipulation and the piezoelectric substrate, and characterized in that the donor substrate further includes an intermediate layer sandwiched between the piezoelectric substrate and the polymer layer. Thanks to the presence of the intermediate layer sandwiched between the piezoelectric substrate and the polymer layer, a better bond is achieved between the piezoelectric substrate and the polymer layer. This bonding results in a donor substrate having improved mechanical stability and makes it possible to use this donor substrate in a posteriori processes without encountering problems of separation at the level of the polymer-piezoelectric interface.
  • the intermediate layer can comprise a single layer or several sub-layers.
  • the intermediate layer may comprise at least one dielectric layer, in particular a layer based on silicon oxide and/or silicon nitride or a combination of nitride and silicon oxide SiO x N y .
  • a dielectric layer formed on a piezoelectric material subsequently makes it possible to use the piezoelectric substrate for assembly with another substrate to form a donor substrate via this dielectric layer in a solid and stable manner for the various stages of process that the donor substrate will then undergo.
  • the dielectric layer of the intermediate layer can be in direct contact with the polymer layer of the donor substrate.
  • the connection between the piezoelectric substrate and the polymer layer of the donor substrate takes place via the dielectric layer, which makes it possible to obtain a stable connection so that the donor substrate subsequently undergoes thermal and/or mechanical process steps without suffer from degradation at the piezoelectric-polymer bond.
  • the polymer layer may be a polymerized adhesive layer for bonding the piezoelectric substrate to the handling substrate via the intermediate layer of the piezoelectric substrate.
  • the presence of a cross-linked polymer layer makes it possible to obtain a stable bond with the intermediate layer of the piezoelectric substrate.
  • the piezoelectric substrate can be a lithium tantalate (LTO), lithium niobate (LNO), aluminum nitride (AIN), lead titano-circonate (PZT), langasite or Langatate.
  • LTO lithium tantalate
  • LNO lithium niobate
  • AIN aluminum nitride
  • PZT lead titano-circonate
  • langasite langasite
  • Langatate The donor substrate according to the invention may comprise these materials, which play a major role in devices exploiting the piezoelectric effect.
  • the object of the invention can also be achieved by a method of transferring a piezoelectric layer onto a support substrate comprising the steps of supplying a donor substrate as described previously with a piezoelectric substrate thinned or obtained by placing implementation of the manufacturing process as described before, forming a zone of weakness inside the piezoelectric substrate, providing a support substrate, in particular a silicon-based substrate, attaching the donor substrate to the support substrate, to obtain a substrate assembly donor - support substrate, and making the fracture along the embrittlement zone to separate a piezoelectric layer from the rest of the donor substrate.
  • FIG. 1a schematically represents a process for manufacturing a donor substrate and a donor substrate according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 1b schematically represents a process for manufacturing a donor substrate and a donor substrate according to a first variant of the first embodiment of the invention.
  • Figure 2 schematically represents a method of manufacturing a donor substrate and a donor substrate according to a second variant of the first embodiment of the invention.
  • Figure 3 schematically represents a process for manufacturing a donor substrate and a donor substrate according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 schematically represents a method for transferring a piezoelectric layer according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1a schematically illustrates a method of manufacturing a donor substrate used for transferring a piezoelectric layer from the donor substrate onto a support substrate according to a first embodiment of the invention.
  • the method of manufacturing a donor substrate begins with step I) of providing a manipulation substrate 100, in particular a bulk substrate.
  • a solid substrate is a substrate based on a single material typically with a thickness of between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m, in particular between 350 ⁇ m and 800 ⁇ m.
  • the manipulation substrate 100 is made of a material whose coefficient of thermal expansion is close to that of the material of the support substrate on which the piezoelectric layer is intended to be transferred.
  • close is meant a difference in coefficient of thermal expansion between the material of the manipulation substrate 100 and the material of the support substrate less than or equal to 5%, and preferably equal to or close to 0%.
  • the manipulation substrate 100 can be a substrate based on silicon, sapphire, aluminum nitride (AIN), silicon carbide (SiC) or even gallium arsenide (GaAs). Handling substrate 100 can be a crystalline or polycrystalline substrate.
  • a piezoelectric substrate 106 is provided. It is preferably a solid substrate formed from a single piezoelectric material, the thickness of which is typically of the order of at least 300 ⁇ m, preferably at least 350 ⁇ m. According to a variant, the substrate of piezoelectric material 106 can also be a thick layer of piezoelectric material between 25 ⁇ m and 50 ⁇ m, formed on another substrate.
  • the piezoelectric material can, for example, be Lithium Tantalate (LTO), Lithium Niobate (LNO), Aluminum Nitride (AIN), Lead Titano-Circonate (PZT), Langasite or Langatate .
  • LTO Lithium Tantalate
  • LNO Lithium Niobate
  • AIN Aluminum Nitride
  • PZT Lead Titano-Circonate
  • a step III) of forming an intermediate layer 108 on a free surface 110 of the piezoelectric substrate 106 is carried out.
  • the formation of the intermediate layer 108 on the free surface 110 of the piezoelectric substrate can be carried out by deposition by spin coating, or “spin coating” in English terminology, or by a thermal or plasma-assisted growth technique such as PECVD or PVD.
  • the intermediate layer 108 formed on the piezoelectric substrate 106 is a dielectric layer, for example a layer based on silicon oxide, or based on silicon nitride SisISk, or even a layer comprising a combination of nitride and silicon oxide SiO x N y .
  • a step 118 of activating the surface of the intermediate layer 108 formed on the piezoelectric substrate 106 can be carried out to activate the free surface 120 of the intermediate layer 108.
  • this treatment of activation 118 may be a plasma treatment, even more particularly an oxygen-based plasma treatment.
  • a plasma treatment is a dry treatment that allows the functionalization, activation or cleaning of the surface, or a combination of these effects by oxidation.
  • the oxidation of surface molecules increases the surface tension of a support creating dangling bonds on the surface.
  • the plasma treatment allows the creation of free radicals on the surface which promote the successive adhesion of a thin layer in contact with these free radicals.
  • the plasma surface treatment makes it possible to improve the chemical characteristics of the surface 120 of the dielectric layer 108 of the piezoelectric substrate 106 by creating dangling bond sites for better adhesion to a layer which is formed or placed in contact with the surface 120 of layer 108 of piezoelectric substrate 106 during the rest of the method.
  • a step IV) of depositing a polymer layer 104 on the intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106 is carried out.
  • the polymer layer 104 is thus in direct contact with the intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106 at the interface 126.
  • the presence of the intermediate layer 108 between the piezoelectric substrate 106 and the polymer layer 104 results in better adhesion with the polymer layer. 104, and thus, with the piezoelectric substrate 106, compared to a direct connection between the polymer layer 104 and the piezoelectric substrate 106 of the state of the art. Indeed, it is possible to choose an intermediate layer 108 which has good adhesion to the piezoelectric substrate 106 as well as to the polymer layer 104.
  • the deposition of the polymer layer 104 is advantageously carried out by spin coating, or "spin coating" in English terminology.
  • This technique consists in rotating the substrate on which the deposition of the polymer layer 104 is provided on itself at a given speed, in order to spread said polymer layer 104 uniformly over the entire surface of the piezoelectric substrate 106 by centrifugal force.
  • the piezoelectric substrate 106 is typically placed and held by drawing a vacuum on a turntable.
  • the thickness of the polymer layer 104 obtained depends on the parameters used during the deposition of the layer, that is to say, for example, the speed and duration of rotation of the substrate and the volume of the polymer solution deposited on the surface of the substrate 106.
  • the thickness of the polymer layer 104 is typically between 1 ⁇ m and 6 ⁇ m, preferably 3.5 ⁇ m.
  • the polymer layer 104 can be a photo-polymerizable layer, in particular based on thiol-ene resin.
  • the layer marketed under the reference "NOA 61" by the company NORLAND PRODUCTS can be used in the present invention as polymer layer 104.
  • a heat treatment can be carried out to improve the adhesion of the polymer layer 104 to the activated surface 120 of the intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106.
  • the step of depositing the polymer layer 104 is carried out after the step of activating 118 the surface 120 of the intermediate layer 108.
  • the deposition of the polymer layer 104 is carried out on the activated surface 120 of the intermediate layer 108, in direct contact with the activated surface 120.
  • the piezoelectric substrate 106 obtained after step IV is then assembled to the manipulation substrate 100 obtained in step I) during an assembly step V) to form the donor substrate 124.
  • the assembly of the piezoelectric substrate 106 on the manipulation substrate 100 is made such that the polymer layer 104 is positioned in contact with the layer 108 of the piezoelectric substrate 106 and the manipulation substrate 100.
  • a bonding step VI) is carried out to bond the piezoelectric substrate 106 to the handling substrate 100 to form a stable donor substrate 128.
  • Polymer layer 104 undergoes cross-linking treatment 130 to modify the mechanical properties of polymer layer 104.
  • Cross-linking is the general term for the process of forming covalent bonds or relatively short sequences of chemical bonds to join two polymer chains. When the polymer chains are cross-linked, the polymer layer 104 becomes stiffer. Covalent chemical crosslinks are mechanically and thermally stable, so once formed they are difficult to break.
  • a crosslinking treatment 130 can be carried out by using heat, pressure, by a change in pH or by irradiation. According to the invention, the crosslinking treatment 130 can be carried out by irradiation by a luminous flux 130 of the polymer layer 104. The irradiation 130 is carried out through the piezoelectric substrate 106 or the substrate 100 to crosslink the polymer layer 104 and obtain a crosslinked polymer layer 132 or also called polymerized layer 132 .
  • the irradiation 130 can be carried out using a light source, preferably a laser.
  • the light radiation 130, or light flux is preferably ultra-violet (UV) radiation, preferably with a wavelength between 320 nm and 365 nm.
  • UV ultra-violet
  • the thickness of the crosslinked polymer layer 132 is preferably between 1 ⁇ m and 6 ⁇ m, in particular around 3.5 ⁇ m. This thickness depends in particular on the material of the polymer layer 104 deposited before bonding, on the thickness of said polymer layer 104 and on the irradiation conditions.
  • the crosslinking of the polymer layer 104 by UV irradiation 130 makes it possible to release radicals which will trigger the polymerization of the polymer layer 104.
  • the polymerization of the polymer layer 104 results in chemical bonds which are mechanically and thermally stable, so that once formed, they are difficult to break.
  • the bond between the polymerized layer 132 and the dielectric intermediate layer 108 thus ensures the mechanical cohesion of the donor substrate 128, by maintaining glued together the handling substrate 100 and the piezoelectric substrate 106 which form the donor substrate 128.
  • the adhesion between the crosslinked polymer layer 132 and the dielectric layer 108 of the piezoelectric substrate 106 at the interface 126 is improved due to to the activated surface of the intermediate layer 108.
  • the dangling bonds present on the activated surface of the dielectric intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106 will form covalent bonds with the dangling bonds present at the surface of the polymer layer 104.
  • the contact interface 126 between the intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106 and the polymer layer 104 is consolidated/reinforced thanks to the surface activation treatment of the intermediate layer 108 and results in a mechanical stability of the donor substrate 124 improved compared to the state of the art.
  • step III) of the method for forming an intermediate layer 108 is replaced by the formation of a plurality 112 of sub-layers 114, each sub-layer layers 114 of the plurality 112 of sub-layers 114 being the same or being different by their material or by their properties or else by their thicknesses. All other steps I to II and IV to VI are the same as described for Figure 1a. Thus, for a detailed description of these steps, reference is made to the description of Figure 1a.
  • At least one layer 116 of the sub-layers 114 of the plurality 112 of sub-layers is a dielectric layer 116, in particular a layer based on silicon oxide, or SisN4 nitride oxide or a combination of oxide SiO x N y .
  • the upper layer 116 which corresponds to the last layer of the plurality 112 of sub-layers 114 starting from the piezoelectric substrate 106 is a layer based on silicon oxide, or silicon nitride SisN4 or a combination of nitride and silicon oxide SiO x N y .
  • the plurality 112 of sub-layers 114 can be a superposition of a layer of silicon oxide and a layer of SisN4 silicon nitride.
  • the deposition of the polymer layer 104 is done on the upper layer 116 of the plurality 112 of sub-layers 114.
  • the upper layer 116 is sandwiched between the polymer layer 104 and the rest of the sub-layers 114 of the plurality 112 of sub-layers 114 of the piezoelectric substrate 106.
  • the assembly of the piezoelectric substrate 106 on the manipulation substrate 100 is made at the interface 136 between the free surface 102 of the manipulation substrate 100 and the polymer layer 104 formed on the upper layer 116 of the piezoelectric substrate 106.
  • the upper layer 116 is sandwiched between the polymer layer 104 of the manipulation substrate and the rest of the sub-layers 114 of the plurality 112 of sub-layers 114 of the piezoelectric substrate 106 to form the heterostructure 134 which becomes after the step VI) the donor substrate 138.
  • a surface activation treatment 118 can be carried out as in the method described with respect to FIG. 1a.
  • the plasma treatment 118 is performed on the free surface 122 of the upper layer 116 of the plurality 112 of sub-layers 114.
  • FIG. 2 schematically represents a method of manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer onto a support substrate according to a variant of the first embodiment of the invention.
  • the method illustrated in Figure 2 comprises, after step VI) illustrated in Figure 1a, a step VII) of thinning the piezoelectric substrate 106 of the donor substrate 128 obtained according to the method of the first embodiment and its first variant.
  • the donor substrate 138 could be used.
  • the thinning step VII) can be carried out by a grinding process or else by a chemical etching process of the piezoelectric substrate 106 to reduce the thickness ti of the substrate of piezoelectric material 106 of the donor substrate 128 to obtain either a piezoelectric substrate thinned 140 with a thickness t less than ti, ie a piezoelectric layer 140 with a thickness t2 of the order of 20 ⁇ m, or else between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • a treatment of the free surface 142 of the piezoelectric layer 140 obtained can be carried out once the thinning step VII) has been completed to improve the quality of the free surface 142 of the piezoelectric layer 140.
  • FIG. 3 illustrates the second embodiment of the invention in which the step of depositing the polymer layer 154 is carried out on the manipulation substrate 100, instead of being carried out on the piezoelectric substrate 106. All the other steps I, II, III and V to VII are the same as in the first embodiment and its variants. All the characteristics common with the first embodiment and its variants and using the same reference number as above will not be described again, but reference is made to their detailed description above.
  • step IV) of depositing the polymer layer 154 the polymer layer 154 is deposited directly in contact with the free surface 102 of the handling substrate 100.
  • the handling substrate 100 can first be subjected to one or more steps of cleaning, brushing or polishing its free surface 102 to reduce the presence of particles or dust before depositing the polymer layer 154.
  • the polymer layer 154 of the handling substrate 100 is placed in direct contact with the intermediate layer 108 of the piezoelectric substrate 106.
  • the contact interface 126 between the polymer layer 154 and the intermediate layer 108 of the substrate piezoelectric 106 also has better adhesion. Indeed, in the same way as previously described, it is possible to choose an intermediate layer 108 which exhibits good adhesion to the piezoelectric substrate 106 as well as to the polymer layer 154.
  • the contact interface 126 between the piezoelectric substrate 106 and the polymer layer 154 via the intermediate layer 108 is consolidated/reinforced and results in an improved mechanical stability of the donor substrate 124 compared to the state of the art.
  • FIG. 4 schematically represents a method for transferring a piezoelectric layer according to a second embodiment of the invention using the donor substrate 144.
  • the method can be carried out with the donor substrate 128, 138 obtained according to the other variants described in relation to Figures 1a, 1b or 2.
  • the donor substrate 144 and a support substrate 156 are provided.
  • the support substrate 156 can be a solid substrate based on silicon, sapphire, aluminum nitride (AIN), silicon carbide (SiC) or even gallium arsenide (GaAs).
  • Support substrate 156 can be a crystalline or polycrystalline substrate.
  • the donor substrate 144 exhibits a mechanical stability which allows it to be used in the process of transferring the piezoelectric layer 152 onto the support substrate 156.
  • support substrate 156 may comprise a dielectric layer 158 previously formed on free surface 160 of support substrate 156, for example by centrifuge deposition or by a deposition technique such as plasma or evaporation deposition or thermal growth.
  • the dielectric layer 158 is for example a layer of silicon oxide, a layer of silicon nitride SisN ⁇ or a layer comprising a combination of nitride and silicon oxide also called silicon oxynitride SiO x N y , or a superposition an oxide layer and a nitride layer.
  • the formation of the dielectric layer 158 can be followed by a heat treatment to improve the adhesion of the dielectric layer 158 to the support substrate 156.
  • a surface treatment to improve the quality of the surface of the dielectric layer 158 formed can also be achieved.
  • the dielectric layer 158 can also be a layer of natural oxide which is formed on the free surface 160 of the support substrate 156.
  • the support substrate 156 is provided without a dielectric layer 158 and/or without a natural oxide layer.
  • a dielectric layer may be provided on piezoelectric layer 140 of donor substrate 144 instead of or in addition to dielectric layer 158 formed on support substrate 156.
  • support substrate 156 may also include other layers.
  • layers to produce a Bragg mirror or a trapping layer may/may be present on the support substrate 156.
  • a trapping layer of polycrystalline, amorphous or porous silicon type may be present, thickness varying between 500nm and 5pm.
  • a step B) of forming a zone of weakness 146 in the piezoelectric layer 140 of the donor substrate 144 is carried out so as to delimit the piezoelectric layer 152 to be transferred from the remainder 162 of the piezoelectric layer 140.
  • This step of forming an embrittlement zone 140 is carried out by an implantation 150 of atomic or ionic species in the piezoelectric layer 140 of the donor substrate 144.
  • the atomic or ion implantation 150 is carried out in such a way that the embrittlement zone 140 is located inside the piezoelectric layer 140 and separates a piezoelectric layer 152 from the rest 162 of the piezoelectric layer 140.
  • the atomic or ionic species are implanted at a determined depth of the piezoelectric layer 140 which determines the thickness of the piezoelectric layer 152 to be transferred and the thickness t4 of the rest 148 of the piezoelectric layer 140.
  • the thickness is typically between 50 nm and 1 ⁇ m, in particular around 600 nm.
  • a dielectric layer can be formed on the piezoelectric layer 140 obtained from the donor substrate 144.
  • This dielectric layer is for example a layer of silicon oxide, a layer of silicon nitride SisN4, or even a layer comprising a combination of nitride and silicon oxide also called silicon oxynitride SiO x N y , or a superposition of an oxide layer and a nitride layer.
  • the formation of this dielectric layer can be followed by a heat treatment to improve the adhesion of the dielectric layer to the piezoelectric layer 140.
  • a surface treatment to improve the quality of the surface of this formed dielectric layer can also be carried out, in particular after the implantation step 150 and before step C) mentioned below.
  • the donor substrate 144 is assembled with the support substrate 156 to obtain a support substrate-donor substrate 170 assembly.
  • the assembly 170 of the donor substrate 144 with the support substrate 156 is made at the level of the dielectric layer 158, such that the piezoelectric layer 140 of the donor substrate 144 is in direct contact with the dielectric layer 158 and the piezoelectric layer 152 to be transferred is sandwiched between the support substrate 156 and the remainder 162 of the donor substrate 144.
  • the assembly 170 of the donor substrate 144 with the support substrate 156 takes place between the dielectric layer 158 and a dielectric layer formed on the donor substrate 144 as mentioned above.
  • the assembly is done by molecular adhesion between the two substrates, at the piezoelectric interface - support substrate in a known manner.
  • a step D) of fracturing along the zone of weakness 140 of the donor substrate 144 is carried out by supplying thermal and/or mechanical energy to separate the piezoelectric layer 152 from the remainder 162 of the donor substrate 144.
  • the POI substrate 174 comprising the support substrate 156, the dielectric layer 158 and the piezoelectric layer 152 transferred is obtained.
  • the use of the donor substrate 144 manufactured according to the invention allows the manufacture of a POI substrate 174 with a better yield.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat donneur pour le transfert d'une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de fournir un substrat de manipulation, en particulier un substrat à base de silicium, fournir un substrat piézoélectrique, déposer une couche polymère sur le substrat de manipulation ou le substrat piézoélectrique, former une couche intermédiaire sur une surface libre du substrat piézoélectrique, assembler le substrat piézoélectrique sur le substrat de manipulation de telle manière que la couche intermédiaire formée sur le substrat piézoélectrique est en sandwich entre la couche polymère et le substrat piézoélectrique pour former le substrat donneur. L'invention concerne aussi un substrat donneur fabriqué par un tel procédé et un procédé de transfert d'une couche piézoélectrique utilisant un tel substrat donneur.

Description

Procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique et procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique, un substrat donneur et un procédé de transfert d’une telle couche piézoélectrique sur un substrat support.
Un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) comprend une couche mince de matériau piézoélectrique sur un substrat. Pour fabriquer un tel substrat POI, le procédé utilisé comprend le transfert de la couche mince piézoélectrique sur un substrat support à partir d’un substrat plus épais de matériau piézoélectrique.
Pour cela, d’abord un substrat donneur est utilisé dans lequel un substrat massif de matériau piézoélectrique est assemblé à un substrat de manipulation par collage en utilisant une couche polymère. Ensuite, le substrat donneur subit une étape d’amincissement du substrat massif piézoélectrique pour former une couche piézoélectrique plus mince avant d’être assemblé au substrat support. Finalement, le transfert de la couche piézoélectrique sur le substrat support est réalisé de manière mécanique ou thermique au niveau d’une zone de fracturation crée au préalable dans la couche piézoélectrique amincie. Le substrat donneur est introduit dans le procédé pour limiter l’impact négative de la différence des coefficients de dilatation thermique entre le matériau piézoélectrique et le substrat support du POI. En effet, pour renforcer l’interface de collage entre les différents substrats et le transfert de la couche mince, des traitements thermiques sont réalisés. Un exemple de ce type de procédé est décrit dans WO 2019/186032 A1.
Or, comme le substrat donneur doit subir plusieurs étapes de traitements thermiques et/ou mécaniques un décollage au niveau de l’interface de collage entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère peut se produire.
Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et notamment de concevoir un substrat donneur pour le transfert d'une couche piézoélectrique d'un substrat de matériau piézoélectrique sur un substrat support qui présente une meilleure tenue mécanique.
L’objet de l’invention est réalisé par un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de fournir un substrat de manipulation, en particulier un substrat à base de silicium, fournir un substrat piézoélectrique, former une couche intermédiaire sur une surface libre du substrat piézoélectrique, déposer une couche polymère sur la couche intermédiaire du substrat piézoélectrique, et assembler le substrat piézoélectrique sur le substrat de manipulation pour former le substrat donneur.
La formation d’une couche intermédiaire entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère permet d’obtenir une liaison plus stable entre le matériau piézoélectrique et la couche polymère, en choisissant une couche intermédiaire qui présente une bonne adhérence au substrat piézoélectrique ainsi qu’à la couche polymère. Ainsi, le procédé selon l’invention permet d’obtenir un substrat donneur ayant une stabilité mécanique améliorée entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère du substrat de manipulation par rapport à l’état de l’art.
L’objet de l’invention est aussi réalisé par un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de fournir un substrat de manipulation, en particulier un substrat à base de silicium; déposer une couche polymère sur une face libre du substrat de manipulation, fournir un substrat piézoélectrique, former une couche intermédiaire sur une surface libre du substrat piézoélectrique, assembler le substrat piézoélectrique sur le substrat de manipulation de telle manière que la couche intermédiaire formée sur le substrat piézoélectrique est en sandwich entre la couche polymère du substrat de manipulation et le substrat piézoélectrique pour former le substrat donneur.
La formation d’une couche intermédiaire entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère du substrat de manipulation permet d’obtenir une liaison plus stable entre le matériau piézoélectrique et la couche polymère, en choisissant une couche intermédiaire qui présente une bonne adhérence au substrat piézoélectrique ainsi qu’à la couche polymère. Ainsi, le procédé selon l’invention permet d’obtenir un substrat donneur ayant une stabilité mécanique améliorée entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère du substrat de manipulation par rapport à l’état de l’art.
Selon un mode de réalisation, la formation de la couche intermédiaire peut comprendre la formation d’une seule couche ou de plusieurs sous-couches.
Selon un mode de réalisation, la formation de la couche intermédiaire peut comprendre au moins la formation d’une couche diélectrique, en particulier une couche à base d’oxyde de silicium ou d’oxyde de nitrure ou une combinaison de nitrure d’oxyde SiOxNy. L’utilisation d’une couche diélectrique formée sur un matériau piézoélectrique permet d’assembler le substrat piézoélectrique à un autre substrat pour former un substrat donneur via cette couche diélectrique. Grace à la présence de la couche diélectrique réalisant la connexion entre le substrat piézoélectrique et le substrat de manipulation, le substrat donneur obtenu à une stabilité mécanique améliorée pour les différentes étapes de procédé que va ensuite subir le substrat donneur. Selon un mode de réalisation, une étape de traitement de surface de la couche intermédiaire peut être réalisée, en particulier un traitement par plasma, encore plus en particulier un plasma d’oxygène O2. Un traitement par plasma est un traitement par voie sèche qui permet la fonctionnalisation et/ou l’activation de la surface. Le traitement de surface plasma consiste en une très forte oxydation de la surface d'un matériau. L'oxydation des molécules de surface permet d'augmenter la tension de surface d'un support. Le traitement de plasma permet la création de radicaux libres en surface qui favorisent l’adhésion successive d’une couche mince en contact avec ces radicaux libres. Ainsi, le traitement de surface plasma permet d'améliorer les caractéristiques chimiques du matériau pour une meilleure adhésion à une couche de revêtement. Ainsi, l’étape de traitement par plasma du procédé selon l’invention permet d’améliorer l’adhérence entre la couche diélectrique formée sur le substrat piézoélectrique et la couche polymère du substrat donneur, et résulte en une stabilité mécanique du substrat donneur améliorée par rapport à l’état de l’art.
Selon un mode de réalisation, une étape d’amincissement du substrat piézoélectrique du substrat donneur peut être réalisée, de manière à obtenir soit un substrat piézoélectrique aminci avec une épaisseur t inférieure à ti du substrat piézoélectrique, soit une couche piézoélectrique d’une épaisseur inférieure à l’épaisseur ti du substrat piézoélectrique. L’étape d’amincissement peut être réalisée par un procédé de meulage ou bien par un procédé de gravure chimique du substrat piézoélectrique. Ainsi, à partir d’un substrat épais piézoélectrique, un substrat piézoélectrique plus mince ou une couche piézoélectrique d’une épaisseur voulue plus mince est obtenu/e et le substrat donneur ainsi fabriqué par le procédé selon l’invention peut être utilisé comme substrat donneur dans un processus ultérieur de transfert de couche pour transférer une fine couche du matériau piézoélectrique sur un substrat support pour former ainsi un substrat piézoélectrique sur isolant (POI). L'utilisation d'un substrat piézoélectrique plus fin permet de réduire les problèmes ultérieurs dus à une non-symétrie des coefficients de dilatation thermique et ainsi de minimiser la déformation de l'assemblage lors de l'application d’étapes ultérieures de procédé.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’assemblage du procédé de fabrication d’un substrat donneur peut comprendre une étape de traitement de la couche polymère pour obtenir une couche polymère réticulée pour coller le substrat de manipulation au substrat piézoélectrique. La formation d’une couche polymère réticulée par une étape de traitement de la couche polymère est simple à mettre en place et permet une adhésion qui satisfait les conditions du procédé.
L’objet de l’invention est aussi réalisé par un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique comprenant un substrat de manipulation, en particulier un substrat à base de silicium, un substrat piézoélectrique, une couche polymère en sandwich entre le substrat de manipulation et le substrat piézoélectrique, et caractérisé en ce que le substrat donneur comprend en outre une couche intermédiaire en sandwich entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère. Grace à la présence de la couche intermédiaire en sandwich entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère, une meilleure liaison est réalisée entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère. Cette liaison résulte en un substrat donneur ayant une stabilité mécanique améliorée et permet d’utiliser ce substrat donneur dans des procédés à posteriori sans rencontrer des problèmes de décollage au niveau de l’interface polymère - piézoélectrique.
Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire peut comprendre une seule couche ou plusieurs sous-couches.
Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire peut comprendre au moins une couche diélectrique, en particulier une couche à base d’oxyde de silicium et/ou de nitrure de silicium ou une combinaison de nitrure et d’oxyde de silicium SiOxNy. L’utilisation d’une couche diélectrique formée sur un matériau piézoélectrique permet par la suite d’utiliser le substrat piézoélectrique pour assemblage à un autre substrat pour former un substrat donneur via cette couche diélectrique d’une manière solide et stable pour les différentes étapes de procédé que va ensuite subir le substrat donneur.
Selon un mode de réalisation, la couche diélectrique de la couche intermédiaire peut être en contact direct avec la couche polymère du substrat donneur. Ainsi, la liaison entre le substrat piézoélectrique et la couche polymère du substrat donneur se fait via la couche diélectrique, ce qui permet d’obtenir une liaison stable pour que le substrat donneur subisse par la suite des étapes de procédé thermiques et/ou mécanique sans souffrir de dégradation au niveau de la liaison piézoélectrique - polymère.
Selon un mode de réalisation, la couche polymère peut être une couche adhésive polymérisée pour coller le substrat piézoélectrique au substrat de manipulation via la couche intermédiaire du substrat piézoélectrique. La présence d’une couche polymère réticulée permet d’obtenir une liaison stable avec la couche intermédiaire du substrat piézoélectrique.
Selon un mode de réalisation, le substrat piézoélectrique peut être un substrat de Tantalate de Lithium (LTO), de Niobate de Lithium (LNO), de Nitrure d’Aluminium (AIN), de Titano-Circonate de Plomb (PZT), de Langasite ou de Langatate. Le substrat donneur selon l’invention peut comprendre ces matériaux, qui jouent un rôle majeur dans les dispositifs exploitant l'effet piézoélectrique.
L’objet de l’invention peut aussi être réalisé par un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de fournir un substrat donneur comme décrit auparavant avec un substrat piézoélectrique aminci ou obtenu par la mise en œuvre du procédé de fabrication comme décrit auparavant, former une zone de fragilisation à l’intérieur du substrat piézoélectrique, fournir un substrat support, en particulier un substrat à base de silicium, attacher le substrat donneur sur le substrat support, pour obtenir un assemblage substrat donneur - substrat support, et réaliser la fracture le long de la zone de fragilisation pour séparer une couche piézoélectrique du restant du substrat donneur.
Dans un tel procédé, grâce à l’usage d’un substrat donneur obtenu selon le procédé de fabrication décrit plus tôt, qui présente une meilleure stabilité mécanique au niveau de la liaison du matériau piézoélectrique avec la couche polymère grâce à la présence de la couche intermédiaire, le risque de décollement du matériau piézoélectrique dans l’assemblage substrat support - substrat donneur lors de la réalisation des différentes étapes de procédé appliquées à posteriori à l’assemblage substrat donneur - substrat support et qui est dû aux différences dans les coefficients de dilatation thermique est réduit. Ainsi, l’utilisation de substrats donneurs fabriqués selon l’invention permet la fabrication de substrats POI avec un meilleur rendement.
L’invention et ses avantages seront expliqués plus en détail dans la suite au moyen de modes de réalisation préférés et en s’appuyant notamment sur les figures d’accompagnement suivantes, dans lesquelles les numéros de référence identifient des caractéristiques de l’invention.
[Figure 1a] représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur et un substrat donneur selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[Figure 1b] représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur et un substrat donneur selon une première variante du premier mode de réalisation de l’invention.
[Figure 2] représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur et un substrat donneur selon une deuxième variante du premier mode de réalisation de l’invention.
[Figure 3] représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur et un substrat donneur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Figure 4] représente schématiquement un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
L'invention va être décrite plus en détail en utilisant des modes de réalisation avantageux d'une manière exemplaire et en référence aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles et il faut garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles telles que décrites ci-dessus peuvent être fournies indépendamment les unes des autres ou peuvent être omises tout à fait lors de la mise en œuvre de la présente invention. La Figure 1a illustre schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur utilisé pour le transfert d’une couche piézoélectrique du substrat donneur sur un substrat support selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le procédé de fabrication d’un substrat donneur commence par l’étape I) de fournir un substrat de manipulation 100, en particulier un substrat massif. Un substrat massif est un substrat à base d’un seul matériau typiquement d’une épaisseur comprise entre 300 pm et 800 pm, en particulier entre 350pm et 800pm. Le substrat de manipulation 100 est d’un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du matériau du substrat support sur lequel la couche piézoélectrique est destinée à être transférée. Par « proche », on entend une différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau du substrat de manipulation 100 et le matériau du substrat support inférieure ou égale à 5%, et de préférence égale ou voisine de 0%.
Le substrat de manipulation 100 peut être un substrat à base de silicium, de saphir, de nitrure d'aluminium (AIN), de carbure de silicium (SiC) ou encore d'arséniure de gallium (GaAs). Le substrat de manipulation 100 peut être un substrat cristallin ou poly cristallin.
Lors de l’étape II) un substrat piézoélectrique 106 est fourni. Il s’agit de préférence d’un substrat massif formé d’un seul matériau piézoélectrique dont l’épaisseur est typiquement de l’ordre d’au moins 300pm, de préférence d’au moins 350pm. Selon une variante, le substrat de matériau piézoélectrique 106 peut aussi être une couche épaisse de matériau piézoélectrique entre 25pm et 50pm, formée sur un autre substrat.
Le matériau piézoélectrique peut, par exemple, être du Tantalate de Lithium (LTO), du Niobate de Lithium (LNO), du Nitrure d’Aluminium (AIN), du Titano-Circonate de Plomb (PZT), de la Langasite ou du Langatate.
Selon l’invention, une étape III) de formation d’une couche intermédiaire 108 sur une surface libre 110 du substrat piézoélectrique 106 est réalisée. La formation de la couche intermédiaire 108 sur la surface libre 110 du substrat piézoélectrique peut être réalisée par un dépôt par enduction centrifuge, ou « spin coating » en terminologie anglosaxonne ou par une technique de croissance thermique ou assisté par plasma telle que PECVD or PVD.
Avant de réaliser la formation de la couche intermédiaire 108, une ou plusieurs étapes de nettoyage, de brossage ou de polissage de la surface du substrat piézoélectrique 106 peut / peuvent être réalisées pour enlever la présence de particules et de poussière pour obtenir ainsi une surface libre 110 plus propre ce qui permet l’obtention d’une couche intermédiaire 108 de meilleure qualité. Selon l’invention, la couche intermédiaire 108 formée sur le substrat piézoélectrique 106 est une couche diélectrique, par exemple une couche à base d’oxyde de silicium, ou à base de nitrure de silicium SisISk, ou encore une couche comprenant une combinaison de nitrure et d'oxyde de silicium SiOxNy.
Selon une variante de l’invention, une étape d’activation 118 de la surface de la couche intermédiaire 108 formée sur le substrat piézoélectrique 106 peut être réalisée pour activer la surface libre 120 de la couche intermédiaire 108. En particulier, ce traitement d’activation 118 peut être un traitement de plasma, encore plus en particulier un traitement de plasma à base d’oxygène.
Un traitement par plasma est un traitement par voie sèche qui permet la fonctionnalisation, l’activation ou le nettoyage de la surface, ou une combinaison de ces effets par oxydation. L'oxydation des molécules de surface permet d'augmenter la tension de surface d'un support créant des liaisons pendantes sur la surface. Le traitement de plasma permet la création de radicaux libres en surface qui favorisent l’adhésion successive d’une couche mince en contact avec ces radicaux libres. Ainsi, le traitement de surface plasma permet d'améliorer les caractéristiques chimiques de la surface 120 de la couche diélectrique 108 du substrat piézoélectrique 106 en créant des sites de liaisons pendantes pour une meilleure adhésion à une couche qui est formée ou mise en contact avec la surface 120 de la couche 108 du substrat piézoélectrique 106 lors de la suite du procédé.
Selon l’invention, une étape IV) de dépôt d’une couche polymère 104 sur la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106 est réalisée. La couche polymère 104 est ainsi en contact direct avec la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106 à l’interface 126. La présence de la couche intermédiaire 108 entre le substrat piézoélectrique 106 et la couche polymère 104 résulte en une meilleure adhésion avec la couche polymère 104, et ainsi, avec le substrat piézoélectrique 106, comparé à une liaison directe entre la couche polymère 104 et le substrat piézoélectrique 106 de l’état de l’art. En effet, il est possible de choisir une couche intermédiaire 108 qui présente une bonne adhérence au substrat piézoélectrique 106 ainsi qu’à la couche polymère 104.
Le dépôt de la couche polymère 104 est avantageusement effectué par enduction centrifuge, ou « spin coating » en terminologie anglo-saxonne. Cette technique consiste à faire tourner le substrat sur lequel est prévu le dépôt de la couche polymère 104 sur lui-même à une vitesse donnée, afin d'étaler ladite couche polymère 104 de façon uniforme sur l'ensemble de la surface du substrat piézoélectrique 106 par force centrifuge. A cet effet, le substrat piézoélectrique 106 est typiquement posé et maintenu par tirage du vide sur un plateau tournant. L’épaisseur de la couche de polymère 104 obtenue dépend des paramètres utilisés lors du dépôt de la couche, c’est à dire par exemple de la vitesse et de la durée de rotation du substrat et du volume de la solution polymère déposée sur la surface du substrat 106. L'épaisseur de la couche polymère 104 est typiquement comprise entre 1 pm et 6pm, de préférence 3.5pm.
La couche polymère 104 peut être une couche photo-polymérisable, en particulier à base de résine thiol-ène. Par exemple, la couche commercialisée sous la référence « NOA 61 » par la société NORLAND PRODUCTS peut être utilisée dans la présente invention comme couche polymère 104.
Après le dépôt par centrifugeuse de la couche polymère 104 sur le substrat piézoélectrique 106, un traitement thermique peut être réalisé pour améliorer l’adhésion de la couche polymère 104 à la surface activée 120 de la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106.
Dans la variante ou une étape d’activation 118 de la surface 120 de la couche intermédiaire 108 est réalisée, l’étape de dépôt de la couche polymère 104 est réalisée après l’étape d’activation 118 de la surface 120 de la couche intermédiaire 108. Ainsi, le dépôt de la couche polymère 104 est réalisé sur la surface activée 120 de la couche intermédiaire 108, en direct contact avec la surface activée 120.
Selon l’invention, le substrat piézoélectrique 106 obtenu après l’étape IV), est ensuite assemblé au substrat de manipulation 100 obtenu à l’étape I) durant une étape V) d’assemblage pour former le substrat donneur 124.
L’assemblage du substrat piézoélectrique 106 sur le substrat de manipulation 100 est fait telle que la couche polymère 104 est positionnée en contact avec la couche 108 du substrat piézoélectrique 106 et le substrat de manipulation 100.
Une fois les deux substrats assemblés, une étape VI) de collage est réalisée pour coller le substrat piézoélectrique 106 au substrat de manipulation 100 pour former un substrat donneur 128 stable.
La couche polymère 104 subit un traitement de réticulation 130 pour modifier les propriétés mécaniques de la couche polymère 104. La réticulation est le terme général désignant le processus de formation de liaisons covalentes ou de séquences relativement courtes de liaisons chimiques pour joindre deux chaînes polymères. Lorsque les chaînes polymères sont réticulées, la couche polymère 104 devient plus rigide. Les réticulations chimiques covalentes sont stables mécaniquement et thermiquement, de sorte qu'une fois formées, elles sont difficiles à rompre.
Un traitement de réticulation 130 peut être réalisé par usage de chaleur, de pression, par un changement de pH ou par de l'irradiation. Selon l’invention, le traitement de réticulation 130 peut être réalisé par irradiation par un flux lumineux 130 de la couche polymère 104. L’irradiation 130 est réalisée à travers le substrat piézoélectrique 106 ou le substrat 100 pour réticuler la couche polymère 104 et obtenir une couche polymère réticulée 132 ou également appelée couche polymérisée 132.
L'irradiation 130 peut être réalisée à l’aide d’une source lumineuse, de préférence un laser. Le rayonnement lumineux 130, ou flux lumineux, est de préférence un rayonnement ultra-violet (UV), de préférence d’une longueur d'onde comprise entre 320nm et 365nm.
L'épaisseur de la couche polymère réticulée 132 est de préférence comprise entre 1 pm et 6pm, en particulier environ 3.5pm. Cette épaisseur dépend notamment du matériau de la couche polymère 104 déposée avant collage, de l'épaisseur de ladite couche polymère 104 et des conditions d'irradiation.
La réticulation de la couche polymère 104 par irradiation UV 130 permet de libérer des radicaux qui vont déclencher la polymérisation de la couche polymère 104. La polymérisation de la couche polymère 104 résulte en des liaisons chimiques qui sont stables mécaniquement et thermiquement, de sorte qu'une fois formées, elles sont difficiles à rompre. La liaison entre la couche polymérisée 132 et la couche intermédiaire diélectrique 108 assure ainsi la cohésion mécanique du substrat donneur 128, en maintenant collés ensemble le substrat de manipulation 100 et le substrat piézoélectrique 106 qui forment le substrat donneur 128.
Dans la variante ou un traitement d’activation de surface 118 est réalisé à la surface 120 de la couche intermédiaire 108, l’adhésion entre la couche polymère réticulée 132 et la couche diélectrique 108 du substrat piézoélectrique 106 à l’interface 126 est améliorée due à la surface activée de la couche intermédiaire 108. En effet, les liaisons pendantes présentes sur la surface activée de la couche intermédiaire diélectrique 108 du substrat piézoélectrique 106 vont former des liaisons covalentes avec les liaisons pendantes présentes à la surface de la couche polymère 104. Ainsi, l’interface de contact 126 entre la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106 et la couche polymère 104 est consol idée/renforcée grâce au traitement d’activation de surface de la couche intermédiaire 108 et résulte en une stabilité mécanique du substrat donneur 124 améliorée par rapport à l’état de l’art.
Dans une première variante du premier mode de réalisation illustrée sur la Figure 1 b, l’étape III) du procédé de formation d’une couche intermédiaire 108 est remplacée par la formation d’une pluralité 112 de sous-couches 114, chaque sous-couches 114 de la pluralité 112 de sous-couches 114 étant les mêmes ou étant différentes de par leur matériau ou de par leurs propriétés ou encore de par leurs épaisseurs. Tous les autres étapes I à II et IV à VI sont les mêmes que celles décrites pour la Figure 1a. Ainsi, pour une description détaillée de ces étapes, référence est faite à la description de la Figure 1a.
Au moins une couche 116 des sous-couches 114 de la pluralité 112 de sous-couches est une couche diélectrique 116, en particulier une couche à base d’oxyde de silicium, ou d’oxyde de nitrure SisN4 ou une combinaison de nitrure d’oxyde SiOxNy. En particulier, la couche supérieure 116 qui correspond à la dernière couche de la pluralité 112 de sous-couches 114 en partant du substrat piézoélectrique 106, est une couche à base d’oxyde de silicium, ou de nitrure de silicium SisN4 ou une combinaison de nitrure et d’oxyde de silicium SiOxNy. La pluralité 112 de sous- couches 114 peut être une superposition de couche d’oxyde de silicium et de couche de nitrure de silicium SisN4.
Dans cette variante, le dépôt de la couche polymère 104 se fait sur la couche supérieure 116 de la pluralité 112 de sous-couches 114. Ainsi, la couche supérieure 116 est en sandwich entre la couche polymère 104 et le reste des sous-couches 114 de la pluralité 112 de sous-couches 114 du substrat piézoélectrique 106.
Dans cette variante, l’assemblage du substrat piézoélectrique 106 sur le substrat de manipulation 100 est fait à l’interface 136 entre la surface libre 102 du substrat de manipulation 100 et la couche polymère 104 formée sur la couche supérieure 116 du substrat piézoélectrique 106. Ainsi, la couche supérieure 116 est en sandwich entre la couche polymère 104 du substrat de manipulation et le reste des sous-couches 114 de la pluralité 112 de sous-couches 114 du substrat piézoélectrique 106 pour former la hétérostructure 134 qui devient après l’étape VI) le substrat donneur 138.
Selon une variante, un traitement d’activation de surface 118 peut être réalisé comme dans le procédé décrit par rapport à la Figure 1a. Le traitement plasma 118 est réalisé sur la surface libre 122 de la couche supérieure 116 de la pluralité 112 de sous-couches 114.
L’utilisation d’une couche diélectrique 108, 116 formée sur un matériau piézoélectrique 106 permet par la suite d’assembler le substrat piézoélectrique 106 à un autre substrat de manipulation 100 via une couche polymère 104 déposée sur cette couche diélectrique 108, 116 d’une manière solide et stable pour former un substrat donneur. La stabilité mécanique du substrat donneur 128, 138 ainsi obtenu grâce à la liaison couche diélectrique - couche polymère permet à ce substrat donneur 128, 138 d’être ensuite utilisé dans d’autres procédés et de subir différentes étapes de procédé thermiques et mécaniques sans subir de déformation au niveau de l’interface du matériau piézoélectrique 106. La Figure 2 représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support selon une variante du premier mode de réalisation de l’invention.
Toutes les caractéristiques communes avec le premier mode de réalisation utilisant le même numéro de référence que ci-dessus ne seront pas décrites à nouveau, mais il est fait référence à leur description détaillée ci-dessus.
Le procédé illustré à la Figure 2 comprend après l’étape VI) illustré dans la Figure 1a, une étape d’amincissement VII) du substrat piézoélectrique 106 du substrat donneur 128 obtenu selon le procédé du premier mode de réalisation et sa première variante. De la même manière le substrat donneur 138 pourra être utilisé.
L’étape d’amincissement VII) peut être réalisée par un procédé de meulage ou bien par un procédé de gravure chimique du substrat piézoélectrique 106 pour réduire l’épaisseur ti du substrat de matériau piézoélectrique 106 du substrat donneur 128 pour obtenir soit un substrat piézoélectrique aminci 140 d’une épaisseur t inférieure à ti, soit une couche piézoélectrique 140 d’une épaisseur t2 de l’ordre de 20pm, ou encore entre 5pm et 25pm. Un traitement de la surface libre 142 de la couche piézoélectrique 140 obtenue peut être réalisé une fois l’étape d’amincissement VII) terminée pour améliorer la qualité de la surface libre 142 de la couche piézoélectrique 140.
La figure 3 illustre le second mode de réalisation de l’invention dans lequel l’étape de dépôt de la couche polymère 154 est réalisée sur le substrat de manipulation 100, au lieu d’être réalisée sur le substrat piézoélectrique 106. Toutes les autres étapes I, II, III et V à VII sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation et ses variantes. Toutes les caractéristiques communes avec le premier mode de réalisation et ses variantes et utilisant le même numéro de référence que ci- dessus ne seront pas décrites à nouveau, mais il est fait référence à leur description détaillée ci- dessus.
Lors de l’étape IV) de dépôt de la couche polymère 154, la couche polymère 154 est déposée directement en contact avec la surface libre 102 du substrat de manipulation 100. Le substrat de manipulation 100 peut d’abord être soumis à une ou plusieurs étapes de nettoyage, de brossage ou de polissage de sa surface libre 102 pour réduire la présence de particules ou de poussière avant de réaliser le dépôt de la couche polymère 154.
Lors de l’étape IV) d’assemblage, la couche polymère 154 du substrat de manipulation 100 est mise en contact direct avec la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106. Ainsi, l’interface 126 de contact entre la couche polymère 154 et la couche intermédiaire 108 du substrat piézoélectrique 106 présente aussi une meilleure adhésion. En effet, de la même façon que précédemment décrit, il est possible de choisir une couche intermédiaire 108 qui présente une bonne adhérence au substrat piézoélectrique 106 ainsi qu’à la couche polymère 154. Ainsi, l’interface de contact 126 entre le substrat piézoélectrique 106 et la couche polymère 154 via la couche intermédiaire 108 est consolidée/renforcée et résulte en une stabilité mécanique du substrat donneur 124 améliorée par rapport à l’état de l’art.
La Figure 4 représente schématiquement un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention utilisant le substrat donneur 144. Selon des variantes, le procédé peut être réalisé avec le substrat donneur 128, 138 obtenu selon les autres variantes décrites par rapport aux Figures 1a, 1b ou 2.
Lors de l’étape A) le substrat donneur 144 et un substrat support 156 sont fournis. Le substrat support 156 peut être un substrat massif à base de silicium, de saphir, de nitrure d'aluminium (AIN), de carbure de silicium (SiC) ou encore d'arséniure de gallium (GaAs). Le substrat support 156 peut être un substrat cristallin ou poly cristallin. Le substrat donneur 144 montre une stabilité mécanique qui lui permet d’être utilisé dans le procédé de transfert de couche piézoélectrique 152 sur le substrat support 156.
Comme illustré à la figure 4, le substrat support 156 peut comprendre une couche diélectrique 158 antérieurement formée sur la surface libre 160 du substrat support 156, par exemple par un dépôt par centrifugeuse ou par une technique de déposition telle que déposition plasma ou évaporation ou une croissance thermique. La couche diélectrique 158 est par exemple une couche d’oxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium SisN^ ou une couche comprenant une combinaison de nitrure et d'oxyde de silicium encore appelé oxynitrure de silicium SiOxNy, ou une superposition d'une couche d'oxyde et d'une couche de nitrure. Selon une variante, la formation de la couche diélectrique 158 peut être suivie d’un traitement thermique pour améliorer l’adhérence de la couche diélectrique 158 au substrat support 156. Un traitement de surface pour améliorer la qualité de la surface de la couche diélectrique 158 formée peut également être réalisé.
La couche diélectrique 158 peut également être une couche d’oxyde naturel qui est formée sur la surface libre 160 du substrat support 156.
Dans une variante, d’autres couches peuvent être présentes sur le substrat support 156 et/ou la couche diélectrique 158. Par exemple, des couches pour réaliser un miroir de Bragg ou une couche de piégeage. Dans encore une autre variante, le substrat support 156 est fourni sans couche diélectrique 158 et/ou sans couche d’oxyde naturel. Dans une variante, une couche diélectrique peut être fournie sur la couche piézoélectrique 140 du substrat donneur 144 au lieu ou en plus de la couche diélectrique 158 formée sur le substrat support 156.
Dans une variante, le substrat support 156 peut aussi comprendre d’autres couches. Par exemple, des couches pour réaliser un miroir de Bragg ou une couche de piégeage peut/peuvent être présente sur le substrat support 156. En particulier, une couche de piégeage de type silicium poly cristallin, amorphe ou poreux peut être présente, d’une épaisseur variant entre 500nm et 5pm.
Une étape B) de former une zone de fragilisation 146 dans la couche piézoélectrique 140 du substrat donneur 144 est réalisée de manière à délimiter la couche piézoélectrique 152 à transférer du reste 162 de la couche piézoélectrique 140.
Cette étape de formation d’une zone de fragilisation 140 est réalisée par une implantation 150 d'espèces atomiques ou ioniques dans la couche piézoélectrique 140 du substrat donneur 144. L’implantation atomique ou ionique 150 est réalisée de telle manière que la zone de fragilisation 140 est située à l’intérieure de la couche piézoélectrique 140 et sépare une couche piézoélectrique 152 du reste 162 de la couche piézoélectrique 140. Les espèces atomiques ou ioniques sont implantées à une profondeur déterminée de la couche piézoélectrique 140 qui détermine l'épaisseur de la couche piézoélectrique 152 à transférer et l’épaisseur t4 du reste 148 de la couche piézoélectrique 140. L’épaisseur est typiquement entre 50nm et 1pm, en particulier de l’ordre de 600nm. De manière non-limitative, une couche diélectrique peut être formée sur la couche piézoélectrique 140 obtenue du substrat donneur 144. Cette couche diélectrique est par exemple une couche d’oxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium SisN4, ou encore une couche comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde de silicium encore appelé oxynitrure de silicium SiOxNy, ou une superposition d’une couche d’oxyde et d’une couche de nitrure. Selon une variante, la formation de cette couche diélectrique peut être suivie d’un traitement thermique pour améliorer l’adhérence de la couche diélectrique à la couche piézoélectrique 140. Un traitement de surface pour améliorer la qualité de la surface de cette couche diélectrique formée peut également être réalisé, en particulier après l’étape d’implantation 150 et avant l’étape C) mentionnée ci-dessous.
Lors de l’étape C) du procédé de transfert selon l’invention, le substrat donneur 144 est assemblé avec le substrat support 156 pour obtenir un assemblage substrat support - substrat donneur 170. L’assemblage 170 du substrat donneur 144 avec le substrat support 156 se fait au niveau de la couche diélectrique 158, de telle manière que la couche piézoélectrique 140 du substrat donneur 144 est en contact direct avec la couche diélectrique 158 et la couche piézoélectrique 152 à transférer est en sandwich entre le substrat support 156 et le restant 162 du substrat donneur 144. Dans une variante, l’assemblage 170 du substrat donneur 144 avec le substrat support 156 se fait entre la couche diélectrique 158 et une couche diélectrique formée sur le substrat donneur 144 comme mentionné ci-dessus.
L’assemblage se fait par adhésion moléculaire entre les deux substrats, à l’interface piézoélectrique - substrat support de manière connu.
Ensuite, une étape D) de fracturation le long de la zone de fragilisation 140 du substrat donneur 144 est réalisée par apport d’énergie thermique et/ou mécanique pour séparer la couche piézoélectrique 152 du restant 162 du substrat donneur 144.
Ainsi, on obtient le substrat POI 174 comprenant le substrat support 156, la couche diélectrique 158 et la couche piézoélectrique 152 transférée.
Grâce à la présence de la couche intermédiaire diélectrique 108 entre la couche piézoélectrique 140 et la couche polymère 120, 132 il devient possible de réduire le risque d’un décollement entre la couche piézoélectrique 140 et la couche polymère 120, 132 du substrat donneur 144 lors de la fracturation du substrat donneur 144. Ainsi, l’utilisation du substrat donneur 144 fabriqué selon l’invention permet la fabrication d’un substrat POI 174 avec un meilleur rendement.
Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles et il faut garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation peuvent être combinées entre elles ou fournies indépendamment les unes des autres.

Claims

Revendications Procédé de fabrication d’un substrat donneur (128, 138, 144) pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de:
- fournir un substrat de manipulation (100), en particulier un substrat à base de silicium;
- fournir un substrat piézoélectrique (106),
- former une couche intermédiaire (108) sur une surface libre du substrat piézoélectrique (106),
- déposer une couche polymère (104) sur la couche intermédiaire (108) du substrat piézoélectrique (106), et assembler le substrat piézoélectrique (106) sur le substrat de manipulation (100) pour former le substrat donneur (128, 138, 144). Procédé de fabrication d’un substrat donneur (128, 138, 144) pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de:
- fournir un substrat de manipulation (100), en particulier un substrat à base de silicium;
- déposer une couche polymère (154) sur une face libre du substrat de manipulation (100),
- fournir un substrat piézoélectrique (106),
- former une couche intermédiaire (108, 112) sur une surface libre du substrat piézoélectrique (106),
- assembler le substrat piézoélectrique (106) sur le substrat de manipulation (100) de telle manière que la couche intermédiaire (108, 112) formée sur le substrat piézoélectrique (106) est en sandwich entre la couche polymère (132, 154) du substrat de manipulation (100) et le substrat piézoélectrique (106) pour former le substrat donneur (128, 138, 144). Procédé de fabrication d’un substrat donneur (128, 138, 144) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la formation de la couche intermédiaire (108, 112) sur le substrat piézoélectrique (106) comprend au moins la formation d’une couche diélectrique, en particulier à base d’oxyde de silicium, à base de nitrure de silicium ou à base d’une combinaison d’oxyde et de nitrure de silicium SiOxNy. Procédé de fabrication d’un substrat donneur (128, 138, 144) selon une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape de traitement de surface (118) de la couche intermédiaire (108, 112), en particulier un traitement par plasma, encore plus en particulier un plasma de O2. Procédé de fabrication d’un substrat donneur (128, 138, 144) selon une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape d’amincissement du substrat piézoélectrique (106) du substrat donneur (124, 138, 144) pour obtenir un substrat piézoélectrique aminci (140) ou une couche piézoélectrique (140), en particulier par meulage. Substrat donneur (124, 138, 144) pour le transfert d’une couche piézoélectrique comprenant:
- un substrat de manipulation (100), en particulier un substrat à base de silicium,
- un substrat piézoélectrique (106, 140),
- une couche polymère (104, 154, 132) en sandwich entre le substrat de manipulation (100) et le substrat piézoélectrique (106, 140), et caractérisé en ce que le substrat donneur (124, 138, 144) comprend en outre une couche intermédiaire (108, 112) en sandwich entre le substrat piézoélectrique (106, 140) et la couche polymère (104, 154, 132). Substrat donneur (124, 138, 144) selon la revendication 6, dans lequel la couche intermédiaire (108, 112) comprend une seule couche (108) ou plusieurs sous-couches (114). Substrat donneur (124, 138, 144) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la couche intermédiaire (108, 112) comprend au moins une couche diélectrique (108, 112), en particulier une couche à base d’oxyde de silicium, à base de nitrure de silicium ou à base d’une combinaison de nitrure et d’oxyde de silicium SiOxNy. Substrat donneur (124, 138, 144) selon la revendication 6 à 8, dans lequel la couche intermédiaire (108, 112) est en contact direct avec la couche polymère (104, 154, 132). Substrat donneur (124, 138, 144) selon une des revendications 6 à 9, dans lequel le substrat piézoélectrique (106, 140) est un substrat de Tantalate de Lithium (LTO), de Niobate de Lithium (LNO), de Nitrure d’Aluminium (AIN), de Titano-Circonate de Plomb (PZT), de Langasite ou de Langatate. 17 Procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes de:
- fournir un substrat donneur (144) selon l’une quelconque des revendications 6 à 10 avec un substrat piézoélectrique aminci (140) ou obtenu par la mise en œuvre du procédé de fabrication selon la revendication 5,
- former une zone de fragilisation (146) à l’intérieur du substrat piézoélectrique (140) du substrat donneur (144),
- fournir un substrat support (156), en particulier un substrat à base de silicium,
- attacher le substrat donneur (144) sur le substrat support (156), pour obtenir un assemblage substrat donneur - substrat support (170), et
- réaliser la fracture le long de la zone de fragilisation (146) pour séparer une couche piézoélectrique (152) du restant (162) du substrat donneur (144).
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