FR3144486A1 - Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium - Google Patents
Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium Download PDFInfo
- Publication number
- FR3144486A1 FR3144486A1 FR2214037A FR2214037A FR3144486A1 FR 3144486 A1 FR3144486 A1 FR 3144486A1 FR 2214037 A FR2214037 A FR 2214037A FR 2214037 A FR2214037 A FR 2214037A FR 3144486 A1 FR3144486 A1 FR 3144486A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- treatment
- lithium
- carried out
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
- H10N30/073—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10P90/00—Preparation of wafers not covered by a single main group of this subclass, e.g. wafer reinforcement
- H10P90/19—Preparing inhomogeneous wafers
- H10P90/1904—Preparing vertically inhomogeneous wafers
- H10P90/1906—Preparing SOI wafers
- H10P90/1914—Preparing SOI wafers using bonding
- H10P90/1916—Preparing SOI wafers using bonding with separation or delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W10/00—Isolation regions in semiconductor bodies between components of integrated devices
- H10W10/10—Isolation regions comprising dielectric materials
- H10W10/181—Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
L’invention porte sur un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine (4) en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, le procédé comprenant la fourniture d’une première couche (8) présentant une surface libre (9). Selon l’invention, le procédé de préparation comprend un traitement de surface exposant la face libre (9) de la première couche (8) à une atmosphère de traitement comprenant au moins 0,02% de dioxyde de carbone pour former une couche de passivation riche en lithium et un traitement d’élimination de la couche de passivation riche en lithium.
Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2
Description
L'invention concerne une structure du type piézoélectrique sur isolant (POI). Une telle structure trouve son application notamment dans les domaines de la microélectronique, des microsystèmes, de la photonique. Elle peut notamment être exploitée pour former des composants radiofréquences (RF) ou pour constituer de tels composants, en particulier des filtres ou des résonateurs à base de composants à ondes élastiques, par exemple à ondes élastiques de surface.
En référence aux figures 1a et 1b qui représentent des structures POI de l’état de la technique, une structure POI est typiquement formée d’une couche mince piézoélectrique 4 reportée sur une première face d’un support 2. Une couche diélectrique intercalaire 3 est disposée entre, et en contact avec, le support 2 et la couche mince 4.
La couche mince 4 est constituée d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium. Ces matériaux présentent également des propriétés ferroélectriques. On rappelle qu’un matériau ferroélectrique est un matériau qui possède une polarisation électrique spontanée à l'état naturel. La couche mince 4 d’une structure POI se doit de présenter une polarisation uniforme, c’est-à-dire que tous les moments dipolaires sont alignés parallèlement les uns aux autres suivant une direction donnée.
Le support 2 est préférentiellement choisi, quant à lui, en silicium. Il peut s’agir d’un support constitué d’un substrat de base en silicium monocristallin qui peut présenter une résistivité supérieure à 1000 Ohms.cm. Alternativement, et comme cela est représenté sur la , le support 2 peut être formé d’un substrat de base 2a sur lequel est disposée une couche de piégeage de charges électriques 2b. Dans cette alternative, la couche diélectrique intercalaire 3 est disposée en contact avec la couche de piégeage 2b.
Le document WO2020200986A1 propose un procédé de fabrication d’un tel substrat POI permettant de préserver le caractère monodomaine de la couche mince. Ce document prévoit de transférer sur le support 2 une couche prélevée d’un substrat donneur comprenant un matériau piézoélectrique, par l’intermédiaire d’une étape d’implantation d’espèces légères conformément aux principes de la technologie Smart Cut™. Suite à ce transfert, la couche prélevée est traitée au cours d’une séquence de finition comprenant un traitement thermique suivi d’une étape de polissage, cette séquence de finition conduisant à former la couche mince 4 piézoélectrique, monocristalline et monodomaine. Au cours de cette séquence, il a été observé que le traitement thermique conduisait à former une portion superficielle multidomaine sur la couche prélevée, cette portion superficielle multidomaine étant ensuite éliminée par le traitement suivant de polissage, ce qui conduit à fournir la couche mince 4 présentant la qualité monodomaine requise.
Or, dans certaines conditions, notamment lorsque l’implantation des espèces légères est réalisée à forte dose et/ou à fort courant dans le but d’accroitre les cadences de production, il a été observé la présence de défectuosités dans la couche mince 4. Un premier type de défectuosités observées, en référence à la , consiste en la présence de dépressions ou de protubérances, qui peuvent parfois prendre la forme d’un volcan, en surface de la couche mince, ces dépressions/protubérances D1 rendant l’épaisseur de la couche mince 4 non uniforme. Ces défauts D1, désignés par « défaut de type dépression » par simplicité d’expression, visibles sur l’insert de gauche de la , sont de formes générales circulaires ou elliptiques dont la dimension (le diamètre ou le grand axe) est de l’ordre de 1 micron à 100 microns, et qui peuvent présenter parfois un fort rapport de forme. Ils présentent une profondeur ou une élévation typiquement comprise entre 1 à 30 nanomètres par rapport à la surface exposée de la couche mince 4.
Un second type de défectuosités observé consiste en la présence de « défauts triangles » D2. Ces défauts se présentent sous la forme de barreaux d’inversion de domaines ferroélectriques présentant des sections triangulaires de 0,1 micron à 10 microns de côté, comme cela est visible sur l’insert de droite de la . Les barreaux émergent en surface de la couche mince 4 et s’étendent dans l’épaisseur de la couche mince 4 pour, dans certains cas, la traverser. Ils sont orientés dans une direction antiparallèle à la direction de polarisation spontanée Ps de la couche mince 4 piézoélectrique. Ces défauts triangles peuvent présenter une densité supérieure à 10^3/cm² sur la surface exposée de la couche mince 4.
Ces deux formes de défectuosités, de type dépression et défauts triangles, ont un impact significatif sur les performances des dispositifs, par exemple les filtres acoustiques, formés sur et dans les substrats POI.
Un but de l’invention est de remédier, au moins en partie, à ce problème. Plus précisément, un but de l’invention est de proposer une structure du type piézoélectrique sur isolant dont la couche mince piézoélectrique soit dépourvue de défectuosités de type dépression ou de défauts triangles ou, pour le moins, qui présente ces défectuosités dans une densité moindre qu’une couche mince piézoélectrique obtenue par un procédé de l’état de la technique.
En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, le procédé comprenant :
- une étape d’implantation d’espèces légères dans une première face d’un substrat donneur ferroélectrique comprenant du lithium pour former un plan de fragilisation et définir une première couche entre le plan de fragilisation et la première face du substrat donneur;
- une étape d’assemblage de la première face du substrat donneur au support, de préférence par l’intermédiaire d’une couche diélectrique intercalaire pour former un assemblage intermédiaire ;
- une étape de fracture de l’assemblage intermédiaire, comprenant un premier traitement thermique, cette étape conduisant à la fracture du substrat donneur au niveau du plan de fragilisation et à la formation d’une face libre de la première couche;
- une séquence de finition de la première couche comprenant une étape de recuit comportant un deuxième traitement thermique et, après l’étape de recuit, une étape d’amincissement de la première couche pour former la couche mince monodomaine.
Selon l’invention, le procédé de préparation comprend :
- un traitement de surface exposant la face libre (9) de la première couche (8) à une atmosphère de traitement comprenant au moins 0,02% de dioxyde de carbone pour former une couche de passivation riche en lithium ;
- un traitement d’élimination de la couche de passivation riche en lithium.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- l’atmosphère de traitement présente une température comprise entre 100°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche ;
- le traitement d’élimination est réalisé par nettoyage de la face libre de la première couche par voie humide ;
- le nettoyage comprend le brossage de la face libre de la première couche ;
- le brossage est conduit tout en dispensant de l’eau désionisée sur la face libre de la première couche ;
- le traitement de surface et le traitement d’élimination sont réalisés au cours d’une étape intermédiaire disposée entre l’étape de fracture et la séquence de finition ;
- le traitement de surface est réalisé pendant l’étape de fracture, l’exposition de la face libre de la première couche à l’atmosphère de traitement étant conduit pendant le premier traitement thermique ou directement à l’issue de celui-ci ;
- l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote, le premier traitement thermique étant conduit à une température comprise entre 100°C et 700°C ;
- le traitement de surface est réalisé pendant l’étape de recuit de la séquence de finition, l’exposition de la face libre de la première couche à l’atmosphère de traitement étant conduit pendant le deuxième traitement thermique ;
- l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans de l’oxygène ou dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote, le deuxième traitement thermique étant conduit à une température comprise entre et 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche ;
- l’atmosphère de traitement comprend plus de 0,05% de dioxyde de carbone ;
- le support est formé d’un substrat massif électriquement conducteur ou semi-conducteur ;
- le support comprend un substrat de base et une couche de piégeage, la couche de piégeage étant disposée entre la couche diélectrique intercalaire et le substrat de base ;
- la première couche et la couche mince sont constituées d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium ;
- la couche diélectrique intercalaire comprend au moins une couche d’oxyde de silicium, d’oxynitrure de silicium ou de nitrure de silicium.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
On rappelle tout d’abord les étapes d’un procédé de fabrication d’une structure POI 1 présentée dans la partie introductive de cette demande et représentée sur les figures 1a, 1b.
En référence à la , ce procédé prévoit généralement de reporter une première couche ferroélectrique 8 sur un support 2, la première couche 8 étant prélevée d'un substrat donneur 5 ferroélectrique monodomaine par une technique de transfert fondée sur l'implantation d’espèces légères telles que des espèces d'hydrogène et/ou d’hélium. Dans le cadre de la présente divulgation, le matériau ferroélectrique du substrat donneur 5 comprend du lithium. Il peut s’agir par exemple de tantalate de lithium ou du niobate de lithium. Outre les propriétés ferroélectriques, le matériau du substrat donneur présente également des propriétés piézoélectriques. Le matériau ferroélectrique du substrat présente avantageusement une direction cristalline comprise entre 30° et 60°RY, sans toutefois exclure d’autres directions cristallines. Le substrat donneur 5 peut correspondre à un substrat massif constitué entièrement du matériau ferroélectrique et piézoélectrique, comme cela est représenté sur la , ou il peut s’agir d’un substrat composite formé d’une partie massive, par exemple en silicium, sur lequel repose une couche épaisse en matériau ferroélectrique et piézoélectrique dans lequel peut être prélevée la première couche 8.
Dans certains modes de mise en œuvre, le support 2 est constitué d’un substrat massif conducteur ou semi-conducteur. Dans d’autres modes de mise en œuvre, le support 2 comprend un substrat de base 2a muni d'une couche de piégeage de charges électriques 2b superficielle. Cette couche de piégeage 2b est disposée du côté de la première face du support 2, qui est destinée à recevoir la couche mince 4. Dans ces modes de mise en œuvre, une couche diélectrique intercalaire est en contact avec la couche de piégeage 2b et avec la couche mince 4.
Selon la technique de transfert fondée sur l'implantation d’espèces légères, et par référence à la figure 3b, on implante de l'hydrogène et/ou de l’hélium dans une première face 6 du substrat donneur 5 pour y former un plan de fragilisation enterré 7. Avantageusement, la dose d’implantation est supérieure à 8E16 at/cm^2 et/ou le courant d’implantation est supérieur à 20 mA, afin d’augmenter la cadence de production. Mais le courant d’implantation peut également être plus conventionnelle, par exemple comprise entre 10mA et 15mA. On définit de la sorte la première couche 8 entre le plan de fragilisation 7 et la première face 6 du substrat donneur 1. Puis, comme cela est représenté sur la figure 3c, et au cours d’une étape d’assemblage, on assemble la première face 6 du substrat donneur à un face exposée 6’ du support 2 pour former un assemblage intermédiaire. On peut prévoir une couche diélectrique intercalaire entre le support 2 et le substrat donneur 5, cette couche diélectrique ayant été formée sur l’un et/ou sur l’autre des deux substrats 2, 5,. A titre d’exemple, la couche diélectrique intercalaire peut comprendre ou être constituée en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium ou en nitrure de silicium.
Au cours d’une étape suivante de fracture, on fracture ensuite le substrat donneur 5 au niveau du plan de fragilisation 7, par exemple à l'aide d'un premier traitement thermique modéré, de l’ordre de 200°C dans une atmosphère formée d’un gaz neutre, appliqué à l’assemblage intermédiaire et/ou l'application d'un effort mécanique. On libère alors la première couche 8 du substrat donneur 5 pour exposer une face libre 9 de la première couche 8, l'autre face 4 de la première couche 8 étant directement en contact avec le support 2 ou avec la couche diélectrique intercalaire si une telle couche est présente.
Une portion restante 5’ du substrat donneur 5, après le prélèvement de la première couche 8, peut être reconditionnée afin d’y prélever une nouvelle couche, dans un cycle de prélèvement similaire à celui qui vient d’être décrit.
Il est généralement nécessaire de prévoir la finition de la première couche 8 transférée et reportée sur le support 2, pour former la couche mince 4 de la structure POI 1. Cette finition peut comprendre une séquence d’étapes visant généralement à améliorer la qualité cristalline de la première couche 8, ajuster son épaisseur à une épaisseur désirée et améliorer son état de surface (par exemple sa rugosité).
Comme cela a été rapporté en introduction de cette demande, cette séquence de finition comprend une étape de recuit comportant un deuxième traitement thermique de la face libre 9 de la première couche 8, suivi d’une étape d’amincissement de la première couche 8 pour former la couche mince monodomaine 4.
Le deuxième traitement thermique de la face libre 9 de la première couche 8 peut correspondre à exposer cette couche à une atmosphère neutre ou comprenant de l’oxygène portée à une température comprise entre 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche 8, et pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures. Cette température de Curie, à titre d’exemple est de l’ordre de 600°C pour le tantalate de lithium, et de l’ordre de 1210°C pour le niobate de lithium.
L’étape d’amincissement peut par exemple être mise en œuvre par polissage mécanochimique ou par gravure.
A l’issue de ces étapes, on dispose d’un substrat composé de la couche mince 4 en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, sur et en contact avec la couche intercalaire 3, elle-même sur et en contact avec le support 2.
Dans le but de comprendre l’origine de la défectuosité de la couche mince 4 qui a été présentée en introduction, la demanderesse a effectué une analyse très minutieuse de la première couche 8 obtenue à l’issue du procédé présenté sur la , c’est-à-dire précédent la finition de cette première couche 8 en vue de préparer la couche mince 4 monodomaine.
En référence à la , la demanderesse a ainsi observé la présence d’une épaisseur superficielle 11 riche en lithium sur la première couche 8 obtenue directement après l’étape de fracture. Cette épaisseur superficielle 11 est constituée de Li2CO3. Sa formation semble être favorisée par les conditions particulières dans lesquelles s’effectue cette étape de fracture. La présence des espèces légères, hydrogène et/ou hélium, et la température modérée à laquelle intervient la fracture semblent rendre le lithium de la première couche 8 particulièrement mobile et la surface de cette couche 8 particulièrement réactive. Lorsque la première couche 8 est libérée du substrat donneur au moment de sa fracture, pour exposer la face libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère du premier traitement thermique ou dans l’atmosphère ambiante, cette surface réagit avec le dioxyde de carbone, les hydrocarbures et l’oxygène présent naturellement dans ces atmosphères, pour former l’épaisseur superficielle 11 en Li2CO3. Cette épaisseur superficielle, en recouvrement de la première couche 8, est de l’ordre du nanomètre. Elle est stable dans le temps, c’est-à-dire qu’elle n’évolue pas en consistance ou en épaisseur lorsque la première couche est maintenue exposée à l’atmosphère.
Cette épaisseur superficielle 11 est toutefois relativement fragile, et la demanderesse a observé qu’elle pouvait être éliminée par un nettoyage par voie humide de la première couche 8.
La demanderesse a également observé que la première couche 8, dépourvue de son épaisseur superficielle 11 riche en lithium, restait particulièrement réactive. En maintenant la face libre 9 de cette première couche 8 exposée à l’atmosphère ambiante pendant une durée de temps étendu, des dendrites 12 amorphes, riches en lithium et en hydrogène (et d’autres espèces présentes dans l’atmosphère tel que du carbone, du chlore ou du fluor) nucléent et se développent sur la surface libre 9 de la première couche 8. Ce développement est particulièrement notable à l’issue d’une période pouvant s’étendre, à l’ambiante, entre 50h et 75h. Comme cela est illustré sur la , ces dendrites 12 sont réparties de manière non uniforme à la surface de la première couche 8 : ils s’accumulent densément dans certaines zones à la surface de la couche 8, en particulier au niveau de certaines topologies de cette surface, tel qu’une rugosité locale ou de topologies provoquées par l’émergence de dislocations, alors que d’autres zones en sont entièrement dépourvues.
La demanderesse a appliqué le deuxième traitement thermique de la séquence de finition à la première couche 8 pourvue de ces zones denses en dendrites 12 et de ces autres zones dépourvues de ces dendrites.
La première couche 8 présentait ( ), à l’issue de ce traitement thermique, une couche superficielle 13 multidomaine, comme cela est documenté dans la référence citée en introduction de cette demande. Les dendrites 12 avaient disparu de la première couche 8, certainement dissous au cours du traitement thermique. Toutefois, dans les zones de la première couche 8 qui étaient initialement denses en dendrites 12, la couche superficielle multidomaine présentait une morphologie atypique 14, et distincte de la morphologie de cette couche superficielle 13 multidomaine dans les zones initialement dépourvues de dendrites. Cette morphologie atypique 14 est caractérisée par une épaisseur de couche superficielle multidomaine moindre, comme si la présence de dendrites 12 dans les zones denses avait limité le phénomène de génération de cette couche 13. Par ailleurs, la demanderesse a observé la présence de défauts triangles 15 dans la première couche, dans une densité supérieure à 10^4/cm².
La demanderesse a ensuite appliqué l’étape d’amincissement, par polissage mécanochimique, à la première couche 8 obtenue à l’issue du traitement thermique et ainsi fournir la couche mince 4, représentée sur la . On notera que les défauts triangles 15 sont rendus visibles à la surface de la couche mince 4, après que la première couche 8 ait été traitée par polissage mécano-chimique afin d’éliminer la couche multidomaine superficielle 13. Ces défauts 15 étaient toutefois présents dans la première couche 8 avant l’étape d’amincissement.
La couche mince 4 obtenue présentait également des défectuosités de type dépression 16 au niveau des zones à la morphologie atypique 14 de la couche superficielle multidomaine 13.
A partir de ces résultats et observations, la demanderesse a établi un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine 4 en matériau ferroélectrique comprenant du lithium permettant d’obtenir une couche mince 4 ne présentant pas, ou de manière très réduite, les défectuosités relevées ci-dessus. La demanderesse a notamment eu l’intuition que la réduction ou l’élimination des espèces rendues très mobiles à la surface de la première couche 8 par l’étape de fracture, et notamment du lithium, pourrait prévenir l’apparition de ces défauts dans la couche mince 4.
A cet effet, la demanderesse propose d’introduire, dans le procédé de préparation d’une couche mince monodomaine qui vient d’être rappelé, un traitement de surface exposant la face libre 9 de la première couche 8 à une atmosphère de traitement formée de dioxyde de carbone.
Ce traitement de surface vise à incorporer dans une couche de passivation un maximum d’espèces mobiles à la surface de la première couche 8, et notamment le lithium, qui rendent cette surface si réactive. Cette couche de passivation (constituée ou comprenant du Li2CO3) est donc riche en lithium. Elle présente une épaisseur au moins égale à 2 nm et qui peut être comprise entre 5 nm et 10 nm. Cette épaisseur est bien plus importante que celle de la couche superficielle riche en lithium qui se forme nativement à partir des traces d’oxyde de carbone présent dans les atmosphères auxquelles la première couche 8 peut être exposée dans le procédé conventionnel (de l’ordre de 1nm).
Le procédé de préparation conforme à l’invention comprend également un traitement d’élimination de la couche de passivation, par exemple à l’aide d’une étape de nettoyage ou au cours de l’étape d’amincissement de la première couche 8, selon le mode de réalisation choisi.
Le traitement de surface permet donc, par incorporation du lithium mobile présent superficiellement dans la première couche 8 dans une couche de passivation, et par élimination de cette couche de passivation, de réduire voire même d’éliminer ce lithium mobile de la première couche. De la sorte, on rend la surface moins réactive et on prévient ou on limite l’apparition des dendrites 12 amorphes sur la première couche qui semblent être à l’origine des défauts présentés en introduction de cette demande.
En limitant ainsi la quantité de lithium mobile présente superficiellement dans la première couche 8, on limite également la quantité de lithium apte à diffuser dans le reste du substrat, et notamment dans le support 2, ce qui pourrait affecter les caractéristiques électriques de ce support 2, notamment sa résistivité.
On note qu’il est parfois envisagé de placer une couche barrière à la diffusion dans le substrat 1, afin de limiter la quantité de lithium atteignant, par diffusion, le support 2. Cette barrière peut consister en une couche de nitrure de silicium incorporée dans la couche diélectrique intercalaire 3 ou en enrichissant une telle couche diélectrique intercalaire 3 en oxyde de silicium d’une proportion d’azote. Un substrat ayant reçu le traitement de surface conforme à l’invention ne nécessite pas une telle couche barrière ou, si elle est malgré tout prévue, il n'est pas nécessaire que l’effet barrière de cette couche soit particulièrement élevé. Par exemple, la proportion d’azote dans la couche diélectrique intercalaire 3 peut être réduite, en comparaison avec l’approche conventionnelle, sans prendre le risque d’une contamination excessive du support 2 par le lithium.
Pour obtenir les bénéfices du traitement de surface qui viennent d’être présentés, l’atmosphère de traitement est choisie pour présenter une quantité de dioxyde de carbone qui excède les traces de dioxyde de carbone présentes dans les atmosphères auxquelles la première couche 8 est exposée dans le procédé conventionnel. Cette atmosphère de traitement peut ainsi comprendre au moins 0,02% (en volume) de dioxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone peut être incorporé dans un gaz neutre, par exemple d’argon ou d’azote, ou dans un gaz oxydant, comme cela sera précisé ultérieurement dans l’exposé des différents modes de mise en œuvre. Avantageusement, l’atmosphère de traitement comprend plus de 0,05%, en volume, de dioxyde de carbone.
Le traitement de surface peut être réalisé en portant l’atmosphère de traitement en température, afin de favoriser la réaction se produisant sur la surface libre 9 de la première couche 8, et accélérer la formation de la couche de passivation. Cette température peut être par exemple comprise entre 100°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche 8.
La durée de l’exposition de la surface libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère de traitement est préférentiellement choisie supérieure à 5 minutes et typiquement comprise entre 10 minutes et 90 minutes.
D’une manière générale, on choisira la durée de cette exposition, la température à laquelle l’atmosphère de traitement est portée et la proportion de dioxyde de carbone présent dans cette atmosphère pour former une couche de passivation suffisamment épaisse et incorporant donc une proportion importante du lithium mobile présent dans une épaisseur superficielle de la première couche 8. Comme on l’a dit, on vise généralement à former une couche de passivation présentant une épaisseur au moins égale à 2 nm.
La formation de la couche de passivation peut être mise en œuvre dans une chambre, par exemple la chambre d’un four, dans lequel on aura placé le substrat comportant la première couche 8. On introduit l’atmosphère de traitement dans la chambre afin d’exposer la face libre 9 de la première couche 8 à cette atmosphère.
L’élimination de la couche de passivation typiquement formée de Li2CO3 peut être mise en œuvre par un simple nettoyage, par exemple par voie humide, de la face libre 9 de la première couche 8. Ce nettoyage peut comprendre ou consister à brosser la face libre de la première couche 8 tout en dispensant de l’eau désionisée sur cette face libre. Les expérimentations menées par la demanderesse ont montré que ce nettoyage est tout à fait apte à éliminer une couche de passivation en Li2CO3. On peut bien entendu prévoir d’autres techniques pour procéder à l’enlèvement de cette couche, par exemple par gravure ou par polissage.
Dans un premier mode de mis en œuvre représenté schématiquement sur la , le traitement de surface est réalisé au cours d’une étape intermédiaire disposée entre l’étape de fracture et la séquence de finition. Cette étape intermédiaire comprend donc, comme on vient de l’exposer, le traitement de surface exposant la face libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère de traitement, puis le traitement d’élimination de la couche de passivation, par exemple par un simple nettoyage. On peut ensuite appliquer la séquence de finition (le recuit suivi de l’amincissement de la première couche 8) au substrat ainsi traité.
D’autres modes de mis en œuvre proposent d’intégrer au moins le traitement de surface aux étapes préexistantes du procédé, afin d’éviter d’introduire une étape additionnelle comme dans le premier mode de mis en œuvre.
Ainsi, dans un deuxième mode de mise en œuvre représenté sur la , le traitement de surface est réalisé pendant l’étape de fracture. L’exposition de la face libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère de traitement est alors conduite pendant le premier traitement thermique de cette étape ou directement à l’issue de celui-ci.
Dans ce deuxième mode de mise en œuvre, l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote. Le premier traitement thermique est conduit à une température comprise entre 100°C et 700°C, et l’atmosphère de traitement est donc portée à cette température.
Dans une première variante de ce deuxième mode de mise en œuvre, la fracture du substrat donneur intervient au cours du premier traitement thermique lui-même. Celui-ci est typiquement réalisé dans un four de fracture. Dans cette variante, on peut introduire l’atmosphère de traitement dans le four de fracture pendant toute la durée du premier traitement thermique ou en fin de ce premier traitement thermique. Lorsque la fracture intervient et que la première couche 8 est libérée du substrat donneur, la surface libre 9 de cette couche 8 est alors exposée à l’atmosphère de traitement, et on forme la couche de passivation. Dans cette variante, on réalise donc le traitement de surface conforme à l’invention « in situ » dans le four de fracture, c’est-à-dire au cours d’une unique étape du procédé et sans déplacer le substrat d’un équipement à un autre.
Dans une seconde variante de ce deuxième mode de mise en œuvre, la fracture du substrat donneur 5 intervient directement à la suite du premier traitement thermique, par exemple par application d’effort mécanique sur l’assemblage intermédiaire formé du substrat donneur 5 et du support 2. Dans cette variante, l’application de l’effort mécanique, si elle n’est pas réalisée dans le four de fracture, peut être réalisée dans une chambre d’un équipement dédiée emplie de l’atmosphère de traitement. Dans cette variante également, lorsque la fracture intervient et que la première couche 8 est libérée du substrat donneur 5, la surface libre 9 de cette couche 8 est exposée à l’atmosphère de traitement, et on forme la couche de passivation.
Que le procédé de préparation soit conduit selon la première ou selon la seconde variante, on prévoit dans tous les cas l’enlèvement de la couche de passivation, par exemple à l’aide d’un simple nettoyage comme cela a été présenté précédemment.
Dans un troisième mode de mise en œuvre représenté sur la , le traitement de surface est réalisé pendant la séquence de finition, et plus précisément pendant le deuxième traitement thermique de l’étape de recuit de cette séquence. L’exposition de la face libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère de traitement est alors conduite pendant le deuxième traitement thermique compris dans cette séquence ou directement à l’issue de celui-ci, en introduisant l’atmosphère de traitement dans le four mettant en œuvre ce deuxième traitement thermique. Dans ce mode de réalisation, on réalise donc le traitement de surface « in situ » dans le four de recuit, c’est-à-dire au cours d’une unique étape du procédé et sans déplacer le substrat d’un équipement à un autre.
Dans ce troisième mode de mise en œuvre, l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans de l’oxygène ou dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote. Le deuxième traitement thermique est conduit à une température comprise entre et 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche 8. L’atmosphère de traitement est donc portée à cette température.
Dans ce troisième mode de mise en œuvre, l’enlèvement de la couche de passivation ne nécessite pas de mettre en œuvre une étape dédiée, par exemple un nettoyage de surface. Cet enlèvement peut intervenir au cours de l’étape d’amincissement de la séquence de finition. On peut toutefois prévoir un tel nettoyage, si cela apparaissait utile pour d’autres raisons que l’enlèvement de la couche de passivation.
Bien entendu l’invention n’est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
Claims (15)
- Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine (4) en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, le procédé comprenant :
- une étape d’implantation d’espèces légères dans une première face (6) d’un substrat donneur (5) ferroélectrique comprenant du lithium pour former un plan de fragilisation (7) et définir une première couche (8) entre le plan de fragilisation (7) et la première face (6) du substrat donneur (5) ;
- une étape d’assemblage de la première face (6) du substrat donneur (5) au support (2), de préférence par l’intermédiaire d’une couche diélectrique intercalaire (3) pour former un assemblage intermédiaire ;
- une étape de fracture de l’assemblage intermédiaire, comprenant un premier traitement thermique, cette étape conduisant à la fracture du substrat donneur (5) au niveau du plan de fragilisation (7) et à la formation d’une face libre (9) de la première couche (8) ;
- une séquence de finition de la première couche (8) comprenant une étape de recuit comportant un deuxième traitement thermique et, après l’étape de recuit, une étape d’amincissement de la première couche (8) pour former la couche mince monodomaine (4) ;
- un traitement de surface exposant la face libre (9) de la première couche (8) à une atmosphère de traitement comprenant au moins 0,02% de dioxyde de carbone pour former une couche de passivation riche en lithium ;
- un traitement d’élimination de la couche de passivation riche en lithium.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel l’atmosphère de traitement présente une température comprise entre 100°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche (8).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le traitement d’élimination est réalisé par nettoyage de la face libre (9) de la première couche (8) par voie humide.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel le nettoyage comprend le brossage de la face libre (9) de la première couche (8).
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel le brossage est conduit tout en dispensant de l’eau désionisée sur la face libre (9) de la première couche (8).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le traitement de surface et le traitement d’élimination sont réalisés au cours d’une étape intermédiaire disposée entre l’étape de fracture et la séquence de finition.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le traitement de surface est réalisé pendant l’étape de fracture, l’exposition de la face libre (9) de la première couche (8) à l’atmosphère de traitement étant conduit pendant le premier traitement thermique ou directement à l’issue de celui-ci.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote, le premier traitement thermique étant conduit à une température comprise entre 100°C et 700°C.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le traitement de surface est réalisé pendant l’étape de recuit de la séquence de finition, l’exposition de la face libre (9) de la première couche (8) à l’atmosphère de traitement étant conduit pendant le deuxième traitement thermique.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel l’atmosphère de traitement comprend au moins 0,02% de dioxyde de carbone dans de l’oxygène ou dans un gaz neutre, tel que de l’argon ou de l’azote, le deuxième traitement thermique étant conduit à une température comprise entre et 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche (8).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’atmosphère de traitement comprend plus de 0,05% de dioxyde de carbone.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le support (2) est formé d’un substrat massif électriquement conducteur ou semi-conducteur.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le support (2) comprend un substrat de base (2a) et une couche de piégeage (2b), la couche de piégeage (2b) étant disposée entre la couche diélectrique intercalaire (3) et le substrat de base (2a).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première couche (8) et la couche mince (4) sont constituées d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la couche diélectrique intercalaire (3) comprend au moins une couche d’oxyde de silicium, d’oxynitrure de silicium ou de nitrure de silicium.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2214037A FR3144486B1 (fr) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
| TW112147148A TW202442112A (zh) | 2022-12-21 | 2023-12-05 | 用於製備含鋰鐵電材料單域薄層之方法 |
| PCT/EP2023/085516 WO2024132750A1 (fr) | 2022-12-21 | 2023-12-13 | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
| CN202380084897.8A CN120345398A (zh) | 2022-12-21 | 2023-12-13 | 用于制备由含锂铁电材料制成的单畴薄层的方法 |
| KR1020257019355A KR20250126718A (ko) | 2022-12-21 | 2023-12-13 | 리튬을 포함하는 강유전체 물질로 형성된 단일 도메인 박층의 제조 방법 |
| JP2025536036A JP2025540430A (ja) | 2022-12-21 | 2023-12-13 | リチウム含有強誘電体材料からなる薄いモノドメイン層を調製するためのプロセス |
| EP23828169.5A EP4640023A1 (fr) | 2022-12-21 | 2023-12-13 | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2214037 | 2022-12-21 | ||
| FR2214037A FR3144486B1 (fr) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3144486A1 true FR3144486A1 (fr) | 2024-06-28 |
| FR3144486B1 FR3144486B1 (fr) | 2024-12-13 |
Family
ID=85569977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2214037A Active FR3144486B1 (fr) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4640023A1 (fr) |
| JP (1) | JP2025540430A (fr) |
| KR (1) | KR20250126718A (fr) |
| CN (1) | CN120345398A (fr) |
| FR (1) | FR3144486B1 (fr) |
| TW (1) | TW202442112A (fr) |
| WO (1) | WO2024132750A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3068508A1 (fr) * | 2017-06-30 | 2019-01-04 | Soitec | Procede de transfert d'une couche mince sur un substrat support presentant des coefficients de dilatation thermique differents |
| FR3094573A1 (fr) * | 2019-03-29 | 2020-10-02 | Soitec | Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique |
-
2022
- 2022-12-21 FR FR2214037A patent/FR3144486B1/fr active Active
-
2023
- 2023-12-05 TW TW112147148A patent/TW202442112A/zh unknown
- 2023-12-13 EP EP23828169.5A patent/EP4640023A1/fr active Pending
- 2023-12-13 JP JP2025536036A patent/JP2025540430A/ja active Pending
- 2023-12-13 KR KR1020257019355A patent/KR20250126718A/ko active Pending
- 2023-12-13 CN CN202380084897.8A patent/CN120345398A/zh active Pending
- 2023-12-13 WO PCT/EP2023/085516 patent/WO2024132750A1/fr not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3068508A1 (fr) * | 2017-06-30 | 2019-01-04 | Soitec | Procede de transfert d'une couche mince sur un substrat support presentant des coefficients de dilatation thermique differents |
| FR3094573A1 (fr) * | 2019-03-29 | 2020-10-02 | Soitec | Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique |
| WO2020200986A1 (fr) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | Soitec | Procédé de préparation d'une couche mince de matériau ferroélectrique |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| BUTAUD ERIC ET AL: "Smart Cut(TM) Piezo On Insulator (POI) substrates for high performances SAW components", 2020 IEEE INTERNATIONAL ULTRASONICS SYMPOSIUM (IUS), IEEE, 7 September 2020 (2020-09-07), pages 1 - 4, XP033859399, DOI: 10.1109/IUS46767.2020.9251517 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4640023A1 (fr) | 2025-10-29 |
| KR20250126718A (ko) | 2025-08-25 |
| FR3144486B1 (fr) | 2024-12-13 |
| JP2025540430A (ja) | 2025-12-11 |
| WO2024132750A1 (fr) | 2024-06-27 |
| TW202442112A (zh) | 2024-10-16 |
| CN120345398A (zh) | 2025-07-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3948966B1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince de matériau ferroélectrique | |
| WO2003005434A2 (fr) | Procede de diminution de la rugosite de surface d'une tranche semicondutrice | |
| FR2983342A1 (fr) | Procede de fabrication d'une heterostructure limitant la formation de defauts et heterostructure ainsi obtenue | |
| FR3062238A1 (fr) | Support pour une structure semi-conductrice | |
| FR3104318A1 (fr) | Procédé de formation d'un support de manipulation à haute résistivité pour substrat composite | |
| FR3032555A1 (fr) | Procede de report d'une couche utile | |
| EP1879225A1 (fr) | Traitement thermique de stabilisation d'interface de collage | |
| EP4000090A1 (fr) | Procédé de collage hydrophile de substrats | |
| WO2024022723A1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium | |
| FR2907966A1 (fr) | Procede de fabrication d'un substrat. | |
| FR2851847A1 (fr) | Relaxation d'une couche mince apres transfert | |
| WO2024132750A1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium | |
| WO2021144534A1 (fr) | Procédé de fabrication d'un capteur d'image | |
| FR2851848A1 (fr) | Relaxation a haute temperature d'une couche mince apres transfert | |
| FR2933235A1 (fr) | Substrat bon marche et procede de fabrication associe | |
| EP3890003B1 (fr) | Procédé basse température de transfert et de guérison d'une couche semiconductrice | |
| EP4256606A2 (fr) | Substrat donneur pour le transfert d'une couche mince et procede de transfert associe | |
| WO2024223276A1 (fr) | Procede de preparation d'une couche mince en materiau ferroelectrique | |
| WO2025153203A1 (fr) | Support comprenant une couche de piegeage de charges electriques pour un substrat composite | |
| WO2025026902A1 (fr) | Procede de fabrication d'une couche contrainte | |
| WO2024251417A1 (fr) | Substrat comprenant une couche dielectrique enterree epaisse et procede de preparation d'un tel substrat | |
| WO2023170370A1 (fr) | Procédé de fabrication d'une structure multicouche de type semi-conducteur sur isolant | |
| WO2025108793A1 (fr) | Procédé de fabrication d'une structure soi notamment adaptée pour les applications photoniques, et substrat support pour ladite structure | |
| FR3165377A1 (fr) | Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique monodomaine | |
| FR3113184A1 (fr) | Procede de preparation d’un substrat support, et procede de report d’une couche mince sur ce substrat support |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20240628 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |