FR2995444A1 - Procede de detachement d'une couche - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de détachement d'une couche à détacher (12) d'un substrat donneur (11), comprenant les étapes suivantes : a) Assembler le substrat donneur (11) et un substrat poreux (13), b) Application d'un traitement (E) de modification chimique des cristallites, la modification chimique étant adaptée pour générer une variation de volume des cristallites, ladite variation de volume génère une déformation en compression ou en tension du substrat poreux (13), ladite déformation en compression ou en tension génère une contrainte en tension ou en compression dans le substrat donneur (11), ce qui provoque une fracture selon un plan de fracture (14), ledit plan de fracture (14) délimitant la couche à détacher (12), ladite contrainte conduisant au détachement de la couche à détacher (12) du substrat donneur (11).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de détachement d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un procédé de détachement d'une couche à détacher 2 d'un substrat donneur 1 connu de l'état de la technique, illustré à la figure 1, et décrit dans la demande de brevet US 2007/024914 (A1), est un procédé de détachement d'une couche à détacher 2 d'un substrat donneur 1, comprenant les étapes suivantes : a0) dépôt d'une couche métallique 3 sur le substrat donneur 1 à une température supérieure à 750°C, b0) Refroidissement jusqu'à température ambiante de l'ensemble substrat donneur 1 et couche métallique 3, ledit refroidissement provoque, par différence de coefficient d'expansion thermique, une déformation en compression ou en tension de la couche métallique 3, ladite déformation de la couche 3 génère une contrainte en compression ou en tension dans le substrat donneur 1. Cette contrainte provoque une fracture selon un plan de fracture 4, ledit plan de fracture 4 délimitant la couche à détacher 2, ladite contrainte conduisant au détachement de la couche à détacher 2 du substrat donneur 1 selon le plan de fracture 4. A l'issue de l'étape a0), une étape b0) de refroidissement est appliquée au substrat donneur 1 recouvert de la couche métallique 3. Ledit refroidissement conduit à l'établissement d'une contrainte de clivage dans le substrat donneur 1 liée à la différence de coefficient d'expansion thermique entre la couche métallique 3 et le substrat donneur 1. Cependant, le dépôt d'une couche métallique 3 sur le substrat donneur 1 risque de contaminer la couche à détacher 2, ce qui est préjudiciable au fonctionnement du dispositif fabriqué à partir de cette couche.
Par ailleurs, l'épaisseur de la couche à détacher 2 dépend de la contrainte de clivage exercée par la couche métallique 3. Il en résulte que la gamme d'épaisseurs accessibles de la couche à détacher 2 est nécessairement limité par les caractéristiques des matériaux métalliques disponibles. En outre, un procédé de détachement impliquant des différences de coefficient de dilatation thermique trop faible nécessitent des températures de procédé trop importante. L'invention propose donc un procédé de détachement d'une couche à détacher 2 d'un substrat donneur 1 sans risquer de contaminer le matériau du substrat donneur 1, à rendre fracture indépendante de la différence de coefficient de dilatation thermique. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités, et concerne un procédé détachement d'une couche à détacher d'un substrat donneur, comprenant les étapes suivantes : a) Assembler le substrat donneur et un substrat poreux, le substrat poreux comprenant des pores et des cristallites, b) Application à l'assemblage d'un traitement de modification chimique d'au moins la surface des cristallites compris dans le substrat poreux, la modification chimique étant adaptée pour générer une variation de volume des cristallites, ladite variation de volume génère une déformation en compression ou en tension du substrat poreux, ladite déformation en compression ou en tension du substrat poreux génère une contrainte en tension ou en compression dans le substrat donneur, ce qui provoque une fracture selon un plan de fracture, ledit plan de fracture délimitant la couche à détacher, ladite contrainte conduisant au détachement de la couche à détacher du substrat donneur selon le plan de fracture. Par substrat poreux, on entend un substrat d'un matériau micro structuré comprenant des pores et des cristallites. Les pores constituent du vide entre les cristallites du matériau. La porosité du matériau est définie 30 comme la fraction de volume inoccupé (pores) au sein du matériau.
Par plan de fracture, on entend un plan compris dans le substrat donneur, essentiellement parallèle aux faces du substrat donneur, et délimitant la couche à transférer du substrat donneur. Ainsi, la modification chimique d'au moins la surface des cristallites 5 transforme le matériau composant les cristallites en un matériau présentant un volume plus important. Il en résulte une modification du volume, donc une déformation, du substrat poreux. La déformation en compression ou en tension du substrat poreux permet de générer une contrainte au niveau du plan de fracture délimitant la couche à transférer. Ladite contrainte étant 10 ajustée de sorte à être supérieure à la résistance mécanique du substrat donneur, une fracture se produit au niveau du plan de fracture. Par ailleurs, il est possible d'ajuster le niveau de contrainte exercé par le substrat poreux par le biais de son degré de porosité, son épaisseur ou encore sa contrainte avant assemblage. Un matériau poreux donné donne 15 alors accès à une large gamme d'épaisseurs de couche à transférer. En outre, la fracture est indépendante de la différence de coefficient de dilatation thermique du substrat donneur et du substrat poreux. Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement est un traitement thermique. 20 Ainsi, un traitement thermique permet de générer une déformation du substrat poreux par modification chimique d'au moins la surface des cristallites. La déformation est essentiellement liée à la variation de volume des cristallites du substrat poreux, et induit une contrainte capable d'initier une fracture dans le substrat donneur. 25 Par ailleurs, la différence des coefficients d'expansion thermique n'est pas prise en compte pour générer la fracture et le substrat donneur et le substrat poreux peuvent avoir la même composition chimique et donc le même coefficient d'expansion thermique. Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement thermique est un 30 traitement d'oxydation thermique.
Ainsi, un tel traitement thermique permet de déformer en tension le substrat poreux. Notamment, appliqué au silicium poreux, ce traitement permet d'oxyder les cristallites et augmenter leur volume.
En outre, le taux d'oxydation des cristallites permet de moduler la déformation du substrat poreux Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement est exécuté par l'action d'une solution chimique à une température inférieure à 100°C. Ainsi, une déformation en tension ou en compression du substrat 10 poreux peut être effectuée sans risquer d'endommager la couche à transférer. Notamment, ce traitement chimique est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de transférer une couche à transférer comprenant des espèces susceptible de diffuser sous l'effet d'une élévation de température, 15 et ou comprenant des dispositifs micro-électroniques. Selon un mode de mise en oeuvre, la solution chimique comprend de l'acide fluorhydrique, et le substrat poreux comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium. 20 Selon un mode de mise en oeuvre, comprend une étape a') exécutée avant l'étape a) consistant à déformer le substrat poreux en tension ou en compression. Ainsi, la déformation du substrat poreux exécutée avant l'étape d'assemblage a), confère au substrat poreux un potentiel de déformation 25 lors de l'étape b) de plus grande amplitude. La contrainte résultante dans le plan de fracture est alors plus importante. Selon un mode de mise en oeuvre, le substrat donneur et le substrat poreux ont la même composition chimique. Ainsi, la fracture n'est pas perturbée par les différences de coefficient 30 de dilatation thermique.
Par ailleurs, le fait de considérer des matériaux de même composition chimique limite les problèmes de contamination. Selon un mode de mise en oeuvre, une couche de diélectrique est formée sur le substrat poreux avant l'étape a).
Ainsi, après détachement de la couche à détacher, une structure du type silicium sur isolant est obtenue. Selon un mode de mise en oeuvre, le substrat donneur et le substrat poreux ont la même composition chimique. En outre, le substrat donneur et le substrat poreux peuvent être de 10 même nature. Par exemple, le substrat poreux et le substrat donneur sont tous les deux des substrats de silicium. Ainsi, il n'y a aucun risque de contamination métallique. Par ailleurs, la fracture n'est pas influencée par les différences de coefficient de dilatation thermique du substrat donneur et du substrat 15 poreux. Selon un mode de mise en oeuvre, comprend une étape a") exécutée avant l'étape a) consistant à fragiliser le plan de fracture. Ainsi, l'étape a") consistant à fragiliser le plan de fracture avant assemblage de la structure permet de mieux contrôler et de mieux localiser 20 le plan de fracture, et donc l'épaisseur de la couche. Par ailleurs, la fragilisation du plan de fracture permet de considérer une déformation moins importante du substrat poreux lors de l'étape b). Selon un mode de mise en oeuvre, l'étape a") comprend successivement : 25 l'implantation d'espèces atomiques dans le plan de fracture du substrat donneur, un traitement thermique à une température inférieure à 400°C sous atmosphère réductrice du substrat donneur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 30 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre de deux modes de mise en oeuvre d'un procédé de transfert selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la Figure 1 est une représentation schématique d'un procédé de détachement selon les techniques connues de l'art antérieur ; la Figure 2 est une représentation schématique d'un procédé de détachement selon les techniques selon l'invention ; la Figure 3 est une représentation schématique d'un procédé de détachement selon les techniques selon l'invention ; - la Figure 4 est une représentation schématique d'un procédé d'anodisation électrochimique ; DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Pour les différents modes de mise en oeuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. Le procédé de détachement, illustré aux figures 2 et 3, est un procédé de détachement d'une couche à détacher 12 d'un substrat donneur 11, comprenant les étapes suivantes : a) Assembler le substrat donneur 11 et un substrat poreux 13, le substrat 20 poreux 13 comprenant des pores et des cristallites, b) Application à l'assemblage d'un traitement E de modification chimique d'au moins la surface des cristallites compris dans le substrat poreux 13, la modification chimique étant adaptée pour générer une variation de volume des cristallites, ladite variation de volume génère une déformation en 25 compression ou en tension du substrat poreux 13, ladite déformation en compression ou en tension du substrat poreux 13 génère une contrainte en tension ou en compression dans le substrat donneur 11, ce qui provoque une fracture selon un plan de fracture 14, ledit plan de fracture 14 délimitant la couche à détacher 12, ladite contrainte conduisant au détachement de la 30 couche à détacher 12 du substrat donneur 11 selon le plan de fracture 14.
Le substrat donneur 11 peut être constitué de tous les matériaux utilisés habituellement dans l'industrie de la micro-électronique, de l'optique, l'opto-électronique et le photovoltaïque. Notamment, le substrat donneur 11 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium. Selon un mode particulier de réalisation, la couche à détacher 12 du substrat donneur 11 est une couche active formée d'une pluralité de matériaux semi-conducteurs superposés et/ou elle comprend des dispositifs électroniques.
Lesdits dispositifs sont formés dans ou sur la couche à détacher 12 avant l'étape d'assemblage a). Le substrat poreux 13 peut être constitué de tous les matériaux utilisés habituellement dans l'industrie de la micro-électronique, de l'optique, l'opto-électronique et le photovoltaïque. Notamment, le substrat poreux 13 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium. De manière particulièrement avantageuse, le substrat donneur 11 et le substrat poreux 13 ont la même composition chimique. La porosité du matériau est définie comme la fraction de volume inoccupé (pores) au sein du matériau. D'autres paramètres peuvent être utilisés pour caractériser la couche poreuse (taille des pores, morphologie, épaisseur, diamètre des pores, taille des cristallites, surface spécifique, etc.). Par exemple, dans le cas où le matériau est du silicium, il s'agit de 25 silicium poreux, généralement classé en trois catégories par l'homme du métier: - le silicium macroporeux, généralement obtenu à partir de silicium de type n, et faiblement dopé ; - le silicium mésoporeux, généralement obtenu à partir de silicium p+ 30 fortement dopé, et - le silicium nanoporeux, généralement obtenu à partir de silicium de type p, et faiblement dopé. La porosité P d'une couche poreuse de semi-conducteur est définie comme la fraction de volume inoccupé au sein de la couche poreuse. Elle s'écrit P =P-PP° , avec p la densité du matériau non poreux et ppo la densité du matériau poreux. Elle varie la plupart du temps entre 10 et 90%. Le substrat poreux 13 peut être obtenu de diverses manières. Avantageusement, le substrat poreux 13 est obtenu par d'une étape d'anodisation électrochimique d'un substrat 13'.
Un mode de réalisation d'une telle anodisation électrochimique est illustré en Figure 4. Le substrat 13' est placé dans une enceinte 17 comprenant un électrolyte 18. L'électrolyte 18 est par exemple une solution comprenant de l'acide fluorhydrique (HF). Une anode 19 et une cathode 20, plongées dans l'électrolyte 18, sont alimentées par une source de courant électrique 21. Un courant électrique est appliqué entre l'anode 19 et la cathode 20 par l'intermédiaire de la source de courant électrique 21.
Une autre solution, complémentaire ou alternative, consiste à ajuster la densité de courant électrique appliqué par la source de courant électrique 21. L'enceinte 17 est en général une cuve en Téflon®. Deux électrodes 19 et 20, par exemple en platine, constituent l'anode 25 et la cathode, et sont alimentées par une source de courant électrique 21. L'ajustement de la densité de courant électrique, et/ou le choix approprié du dopage du substrat 13', permet d'obtenir un substrat poreux 13. En fin d'anodisation, le substrat poreux 13 est rincé.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le substrat poreux 13 peut être déformé en tension ou en compression lors d'une étape a'), avant assemblage, en vue de générer une contrainte de plus grande amplitude lors de l'étape b).
De manière particulièrement avantageuse, l'étape a') comprend une d'oxydation thermique. Si le substrat poreux 13 est du silicium poreux, l'oxydation thermique peut par exemple être effectuée à une température comprise entre 650°C et 1100°C, dans une atmosphère oxydante afin de déformer en tension le substrat poreux 13. Lors de l'étape a') d'oxydation thermique du silicium poreux, les cristallites de silicium compris dans le silicium poreux s'oxydent au moins en leur surface. L'oxyde de silicium étant plus volumineux que le silicium, le volume desdits cristallites augmente lors de l'étape d'oxydation thermique.
De manière particulièrement avantageuse, une couche de diélectrique 16 est formée sur le substrat poreux 13 avant l'étape a). La couche de diélectrique 16 est avantageusement formée par une technique de déposition, de préférence selon la technique CVD ou LPCVD ou PECVD.
La couche de diélectrique 16 comporte au moins un matériau choisi parmi les matériaux suivant : oxyde de silicium, le nitrure de silicium ou oxynitrure, le nitrure d'aluminium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium, l'oxyde d'hafnium. De manière particulièrement avantageuse, une étape a") consistant à fragiliser le plan de fracture 14 est exécutée avant l'étape a). L'étape a") comprend avantageusement les étapes suivantes : l'implantation d'espèces atomiques dans le plan de fracture 14 du substrat donneur, un traitement thermique à une température inférieure à 400°C sous atmosphère réductrice du substrat donneur 11.
Les espèces implantées sont, par exemple, et de manière non limitative, des ions hydrogène à une dose inférieure à 5*1016 Atomes / cm3. Lors du traitement thermique à une température inférieure à 400°C sous atmosphère réductrice, les ions implantés créent des cavités qui vont coalescer, sans toutefois provoquer de fracture dans le plan de fracture. L'étape a) peut être réalisée par un collage de type adhésion moléculaire ou par un collage anodique. L'étape a) peut être précédée de tout traitement du substrat poreux 13 et du substrat donneur 11 visant à renforcer l'énergie de collage tel qu'un nettoyage ou une activation plasma. 10 De manière particulièrement avantageuse, le substrat donneur 11 et le substrat poreux 13 sont soumis à un traitement thermique comprenant une élévation de la température à l'issue de l'étape a). Des températures typiques de traitement thermique sont comprises entre 200°C et 700°C, et de préférence inférieures à 400°C sous 15 atmosphère inerte. La fonction de ce traitement thermique est de renforcer l'énergie de collage entre le substrat donneur 11 et le substrat poreux 13. De manière avantageuse, le substrat poreux 13 est déformé en compression ou en tension lors d'un traitement E. Lors du traitement E, les 20 cristallites compris dans le substrat poreux voient leur volume varier. Ainsi, le substrat poreux 13 se déforme en compression ou en tension. Cette déformation génère dans le substrat donneur 11 une contrainte qui permet de détacher la couche à détacher 12 au niveau du plan de fracture 14. De manière particulièrement avantageuse, le traitement E est un 25 traitement thermique. Encore plus particulièrement avantageux, ce traitement thermique comprend un traitement d'oxydation thermique. Notamment, l'oxydation thermique d'un substrat poreux 13 comprenant du silicium poreux à des températures comprises en 200 et 800°C sous atmosphère oxydante, permet de déformer en tension le 30 substrat poreux.
Le choix de la tailles des cristallites, la porosité du substrat poreux 13 ou encore le degré d'oxydation sont autant de paramètres ajustables permettant d'imposer une contrainte donnée au substrat donneur 11. Ainsi, l'épaisseur de la couche à détacher 12 est déterminée par ces paramètres ajustables. De manière particulièrement avantageuse, le traitement E est exécuté par l'action d'une solution chimique 15 à une température inférieure à 100°C. Ainsi l'exécution du traitement E par l'action d'une solution chimique 15 à une température inférieure à 100°C permet de provoquer une variation de volume des cristallites compris dans le substrat poreux, sans toutefois endommager thermiquement la couche à détacher 12. Cet effet est particulièrement avantageux pour une couche à transférer comprenant des espèces dopantes susceptible de diffuser sous l'effet d'une élévation de température, et ou comprenant des dispositifs micro-électroniques. De manière particulièrement avantageuse, la solution chimique 15 comprend de l'acide fluorhydrique, et le substrat poreux 13 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium.
Notamment, un substrat poreux 13, comprenant du silicium poreux préalablement oxydé thermiquement lors d'une étape a'), pourra être déformé en compression sous l'action d'une solution chimique comprenant de l'acide fluorhydrique. L'acide fluorhydrique permet de graver chimiquement l'oxyde de silicium formé au moins en surface des cristallites de silicium et ainsi réduire le volume dédits cristallites. Ladite variation de volume induit alors une déformation en compression du substrat poreux comprenant du silicium. L'invention permet notamment de transférer des couches de semiconducteur avec une épaisseur pouvant varier de 0.1 à 100 pm.
En outre, l'invention permet de faciliter le transfert circuits formés sur la couche à détacher vers un autre substrat.
Enfin, l'invention s'applique au transfert de nombreuses couches utiles différentes, notamment des couches utiles contraintes.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de détachement d'une couche à détacher (12) d'un substrat donneur (11), comprenant les étapes suivantes : a) Assembler le substrat donneur (11) et un substrat poreux (13), le substrat poreux (13) comprenant des pores et des cristallites, b) Application à l'assemblage d'un traitement (E) de modification chimique d'au moins la surface des cristallites compris dans le substrat poreux (13), la modification chimique étant adaptée pour générer une variation de volume des cristallites, ladite variation de volume génère une déformation en compression ou en tension du substrat poreux (13), ladite déformation en compression ou en tension du substrat poreux (13) génère une contrainte en tension ou en compression dans le substrat donneur (11), ce qui provoque une fracture selon un plan de fracture (14), ledit plan de fracture (14) délimitant la couche à détacher (12), ladite contrainte conduisant au détachement de la couche à détacher (12) du substrat donneur (11) selon le plan de fracture (14).
  2. 2. Procédé de détachement selon la revendication 1, dans lequel le traitement (E) est un traitement thermique.
  3. 3. Procédé de détachement selon la revendication 2, dans lequel le traitement thermique est un traitement d'oxydation thermique.
  4. 4. Procédé de détachement selon la revendication 1, dans lequel le traitement (E) est exécuté par l'action d'une solution chimique (15) à une température inférieure à 100°C.
  5. 5. Procédé de détachement selon la revendication 4, dans lequel la solution chimique (15) comprend de l'acide fluorhydrique, et le substrat 30 poreux (13) comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium.
  6. 6. Procédé de détachement selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une étape a') exécutée avant l'étape a) consistant à déformer le substrat poreux (13) en tension ou en compression.
  7. 7. Procédé de détachement selon la revendication 6, dans lequel l'étape a') comprend une oxydation thermique.
  8. 8. Procédé de détachement selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une couche de diélectrique (16) est formée sur le substrat poreux (13) avant l'étape a).
  9. 9. Procédé de détachement selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat donneur (11) et le substrat poreux (13) ont la même composition chimique.
  10. 10. Procédé de détachement selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant une étape a") exécutée avant l'étape a) consistant à fragiliser le plan de fracture (14).
  11. 11. Procédé de détachement selon la revendication 10, dans lequel l'étape a") comprend successivement : - l'implantation d'espèces atomiques dans le plan de fracture (14) du substrat donneur, un traitement thermique à une température inférieure à 400°C sous atmosphère réductrice du substrat donneur (11).30
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