EP4399738A1 - Procede de transfert d'une couche utile sur une face avant d'un substrat support - Google Patents

Procede de transfert d'une couche utile sur une face avant d'un substrat support

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EP4399738A1
EP4399738A1 EP22765845.7A EP22765845A EP4399738A1 EP 4399738 A1 EP4399738 A1 EP 4399738A1 EP 22765845 A EP22765845 A EP 22765845A EP 4399738 A1 EP4399738 A1 EP 4399738A1
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EP
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substrate
temperature
layer
donor
phase
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Pending
Application number
EP22765845.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Cédric CHARLES-ALFRED
Nadia Ben Mohamed
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Definitions

  • the present invention relates to the field of heterogeneous structures.
  • the present invention relates to a process for transferring a useful layer onto a support substrate involving SmartCutTM technology.
  • the method according to the present invention relates to a method making it possible to limit the fracture temperature in order to reduce the risk of the appearance of cracks and/or delamination.
  • the method according to the present invention is then advantageously implemented for the manufacture of piezoelectric substrate on insulator.
  • Document FR3068508A1 discloses a process for transferring a useful layer onto a support substrate.
  • the document FR3068508A1 discloses a process allowing the transfer, according to a SmartCutTM process, of a useful layer onto a support substrate.
  • a0 a step of providing a donor substrate which comprises, from a front face to a back face, a donor layer resting on one face of a manipulator substrate;
  • a heat treatment step intended to initiate the propagation of a fracture wave within the embrittlement zone and thus transfer the useful layer to the main face of the support substrate.
  • This method is advantageously implemented when the materials forming the useful layer and the support substrate have different coefficients of thermal expansion. More particularly, the method disclosed in the document FR3068508A1, in order to limit the risks of an uncontrolled fracture or of a partial and/or defective transfer of the useful layer, proposes to consider a manipulator substrate made of a material having a coefficient thermal expansion similar to that of the material forming the support substrate.
  • the interface formed between the donor layer and the manipulator substrate is sensitive to heat treatment.
  • this interface can be the site of the appearance of cracks and/or delamination of the donor layer.
  • an object of the present invention is to propose a process for transferring a useful layer onto a donor substrate making it possible to prevent the appearance of cracks at the interface formed between the donor layer and the manipulator substrate and the delamination of the donor layer.
  • the object of the invention is achieved by a process for transferring a useful layer onto a support substrate, the process comprising the following steps:
  • a donor substrate which comprises, starting from a main face, a donor layer formed of a piezoelectric material, and a manipulator substrate, the donor layer resting on one face of the manipulator substrate;
  • a heat treatment which comprises, in order, a first phase and a second phase, the first phase, of a first duration, comprises a temperature rise to a first temperature, and is adapted on the one hand to allow a maturation of defects, generated by the species, in the zone of weakness, and on the other hand to prevent the initiation of a fracture in said zone of weakness
  • the second phase, of a second duration comprises a plateau at a second temperature, lower than the first temperature, and is suitable for initiating a fracture along the embrittlement zone and thus transferring the useful layer to the front face
  • an absolute difference between the first temperature and the second temperature is less than 40°C, and is greater than 30°C.
  • step d) also comprises a reinforcement phase preceding the first phase and carried out at a temperature, called reinforcement temperature, lower than the first temperature, the reinforcement phase being intended to reinforce an energy bonding an interface formed between the support substrate and the donor substrate during the execution of step c).
  • the first phase comprises in order: a temperature rise, a plateau at the first temperature, and a temperature drop to the second temperature.
  • the first phase is adjusted according to the conditions of establishment of the species during the execution of step b).
  • the relative difference between the coefficients of thermal expansion of the materials forming, respectively, the manipulator substrate and the support substrate is less than 10%.
  • the manipulator substrate comprises a solid substrate on one face of which rests an intermediate layer, the intermediate layer being interposed between the donor layer and the solid substrate, advantageously, the intermediate layer comprises a polymer material.
  • the first temperature is less than 300°C, advantageously less than 250°C, even more advantageously less than 220°C.
  • the absolute difference between the first temperature and the second temperature is less than 40° C., and is greater than 30° C.
  • the second duration is less than 6 hours, advantageously less than 4 hours.
  • the second temperature is less than 180°C, advantageously less than 170°C.
  • the species comprise at least one of the elements chosen from: hydrogen ions, helium ions.
  • the piezoelectric material comprises at least one of the elements chosen from: LiTaO 3 , LiNbO 3 , LiAlO 3 , BaTiO 3 , PbZrTiO 3 , KNbO 3 , BaZrO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 , KTaO 3 .
  • step c) of assembly is preceded by a step of forming a layer of dielectric material on the donor layer and/or on a front face of the support substrate.
  • step c) of assembly comprises molecular bonding.
  • step a) of the method according to the present invention there is a schematic representation of step a) of the method according to the present invention, in particular, the represents the donor substrate according to a section plane perpendicular to a main face of said donor substrate;
  • step b) of the method according to the present invention in particular the represents the donor substrate according to a section plane perpendicular to a main face of said donor substrate and the arrows symbolize the implantation of the species by the main face in order to form the zone of weakness;
  • step c) of the method according to the present invention in particular the represents an assembly formed by the donor substrate and the support substrate, along a section plane perpendicular to the main face of said donor substrate;
  • step d) of the method according to the present invention there is a schematic representation of the first phase of step d) of the method according to the present invention, in particular the represents the maturation of the defects at the level of the zone of weakening of the assembly formed by the donor substrate and the support substrate and according to a section plane perpendicular to the main face of the said donor substrate;
  • step d) of the method according to the present invention there is a schematic representation of the second phase of step d) of the method according to the present invention, in particular the represents the fracture leading to the detachment of the useful layer from the donor layer with a view to transferring it to the front face of the support substrate;
  • the manipulator substrate comprises a solid substrate on one face of which rests an intermediate layer, so that said intermediate layer is interposed between the bulk substrate and the donor layer;
  • step d There is a graphic representation of a heat treatment, said first treatment, likely to be implemented for the determination of parameters relating to the execution of step d), in particular the horizontal axis represents the time in hours, and the vertical axis represents the temperature in degrees Celsius;
  • step d There is a graphic representation of a heat treatment, called second treatment, capable of being implemented for the determination of parameters relating to the execution of step d), in particular the horizontal axis represents the time in hours, and the vertical axis represents the temperature in degrees Celsius;
  • step d There is a graphic representation of a heat treatment, called third treatment, capable of being implemented for the determination of parameters relating to the execution of step d), in particular the horizontal axis represents the time in hours, and the vertical axis represents the temperature in degrees Celsius;
  • donor substrate which comprises a layer of dielectric materials, called the first layer, resting on the donor layer;
  • a support substrate which comprises a layer of dielectric materials (for example silicon dioxide), called the second layer, resting on the front face of the support substrate.
  • dielectric materials for example silicon dioxide
  • the figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not to scale.
  • the thicknesses of the layers are not to scale with respect to the lateral dimensions of these layers.
  • the present invention relates to a method for transferring a useful layer onto a front face of a support substrate.
  • step a) comprises the supply of a donor substrate.
  • the latter is provided, from a main face, a donor layer formed of a piezoelectric material, and a manipulator substrate.
  • Step b) comprises the formation of a weakened zone, by implantation of species, in the donor layer, which extends parallel to the main face and which delimits with the latter a useful layer.
  • Step c) comprises the assembly of the donor layer with a front face of a support substrate.
  • Step d) comprises a heat treatment which comprises, in order, a first phase and a second phase.
  • the first phase of a first duration, comprises a temperature rise up to a first temperature, and is adapted on the one hand to initiate a maturation of defects, generated by the species, in the embrittlement zone, and on the other hand to prevent the initiation of a fracture in said zone of weakness.
  • the second phase comprises a plateau at a second temperature, lower than the first temperature, and is of a second duration so as to initiate a fracture along the embrittlement zone and thus transfer the useful layer to the front face.
  • FIGS. 1A to 1E are schematic representations of the various steps implemented in the process for transferring a useful layer onto the front face of a support substrate according to the present invention.
  • the donor substrate 10 comprises, from a main face 11, a donor layer 12 formed of a piezoelectric material, and a manipulator substrate 13.
  • the donor layer 12 rests on one side of the manipulator substrate 13.
  • the formation of the donor substrate 10 can for example comprise, in order, a step of bonding a piezoelectric substrate to one face of a manipulator substrate, and a step of thinning the piezoelectric substrate in order to form the donor layer .
  • the formation of the donor substrate 10 can also comprise a heat treatment step intended to reinforce the bonding interface formed between the donor layer and the manipulator substrate 13.
  • the formation of the donor substrate 10 stated above is given only at by way of example and is therefore not of a nature to limit the scope of the present invention.
  • the piezoelectric material forming the donor layer 12 can comprise at least one of the elements chosen from: LiTaO 3 , LiNbO 3 , LiAlO 3 , BaTiO 3 , PbZrTiO 3 , KNbO 3 , BaZrO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 , KTaO 3 .
  • the manipulator substrate 13 can comprise any type of material, and more particularly a semiconductor material such as silicon, or an insulating material such as glass.
  • the manipulator substrate may comprise a solid substrate 13a (“bulk substrate” according to Anglo-Saxon terminology) on one face of which rests an intermediate layer 13b. More particularly, the intermediate layer 13b is, according to this particular embodiment, interposed between the solid substrate 13a and the donor layer 12.
  • the solid substrate 13a can comprise any type of material, and more particularly a semiconductor material such as silicon, or an insulating material such as glass.
  • the intermediate layer 13b can comprise an insulating material, and more particularly a polymer material, which performs an adhesion function between the solid substrate 13a and the donor layer 12.
  • the relative difference between the coefficients of thermal expansion of the materials forming, respectively, the manipulator substrate and the support substrate may be less than 10%. Such a consideration will make it possible to limit the constraints likely to appear during the execution of a heat treatment of step d) described in the remainder of the statement.
  • Step a) is followed by a step b) shown in .
  • step b) comprises the formation of a zone of weakness 14, by implantation of species in the donor layer 12. More particularly, the zone of weakness extends in a plane parallel to the main face 11 and delimits with the latter a useful layer 15.
  • weakening zone is meant a zone along which a fracture wave is likely to propagate in order to cause the detachment of the useful layer 15 from the donor layer 12.
  • the implanted species are chosen so as to be able to cause, by thermal activation, on the one hand a maturation of defects within the embrittlement zone and on the other hand the propagation of a fracture wave along the embrittlement zone.
  • the implantation of species can in particular implement an ion implantation, and more particularly, an implantation of hydrogen ions and/or helium ions.
  • the implantation conditions in terms of dose of implanted species and implantation energy, condition the thickness of the useful layer 15.
  • a dose of hydrogen ions comprised between 1 E 16 at/cm2 and 5 E 17 at/cm2, with an implantation energy comprised between 30keV and 300keV make it possible to form a useful layer 15 with a thickness comprised between 200 nm and 2000 n.
  • the method according to the present invention also comprises the execution of a step c) ( ).
  • Step c) comprises assembling the donor substrate 10 and the support substrate 20 so as to insert the donor layer 12 between the support substrate 20 and the manipulator substrate 13.
  • step c) comprises the assembly comprises bringing the main face 11 into contact with a front face 21 of a support substrate 20.
  • the invention is however not limited to this aspect, and it is possible to consider a step of forming a layer of dielectric material on the donor layer and/or on the front face of the support substrate preceding step c) .
  • dielectric materials for example silicon dioxide
  • the layer of dielectric material can be formed on the front face of the support substrate 20.
  • the first layer 17 and/or the second layer 22 finds itself, at the end of the execution of step c), interposed between the donor layer and the support substrate.
  • Step c) of assembly may comprise molecular bonding which results, when the free faces of the donor and support substrates come into contact, by the propagation of a bonding wave and consequently by an adhesion between said faces.
  • the invention is not limited to the sole implementation of molecular bonding. In this respect, it is possible to consider bonding by compression or by thermocompression, bonding by means of an adhesive layer.
  • Step c) is then followed by a heat treatment step d) intended to initiate a fracture wave along the embrittlement zone in order to cause the detachment of the useful layer 15 and consequently to transfer the latter onto the front face 21 of the support substrate 20.
  • the heat treatment is carried out in such a way that the initiation of the fracture wave to occur at the lowest possible temperature.
  • the heat treatment comprises two phases called, respectively, first phase and second phase.
  • step d There graphically represents an example of heat treatment likely to be implemented during the execution of step d).
  • the represents along the horizontal axis the time and along the vertical axis the temperature imposed on the assembly formed by the donor substrate 10 and the support substrate 20.
  • the first phase comprises in order: a rise in temperature A, a plateau at the first temperature B, and a drop in temperature C to the second temperature.
  • the first phase (shown in ), of a first duration d1 comprises a temperature rise up to the first temperature T1, and is adapted on the one hand to allow a maturation of defects 16, generated by the species, in the embrittlement zone, and d on the other hand to prevent the initiation of a fracture in said zone of weakness.
  • defect maturation is meant the formation and growth of bubbles in the plane of the embrittlement zone. This maturation is activated by the supply of thermal energy.
  • the second phase (shown in ), of a second duration d2, comprises a plateau at the second temperature T2, lower than the first temperature T1, and is suitable for initiating a fracture along the embrittlement zone and thus transferring the useful layer to the front face.
  • Step d) can in particular be carried out in a batch oven (“Batch oven” according to Anglo-Saxon terminology), under a controlled and more particularly inert atmosphere.
  • the invention is not limited to the implementation of a batch processing oven.
  • a fast annealing furnace can also be considered.
  • the first phase can be preceded by a phase for reinforcing the interface formed during the assembly of the donor substrate and the support substrate.
  • the reinforcement phase is in this respect carried out at a temperature, called reinforcement temperature Tr, lower than the first temperature.
  • the first phase is adjusted according to the conditions of implantation of the species during the execution of step b).
  • the heat treatment conditions and more particularly the first temperature T1, the second temperature T2, the first duration d1 and the second duration d2 can be determined empirically.
  • FIGS. 4A to 4C are graphic representations of various heat treatments imposed on batches of 25 assemblies obtained at the end of step c). During the execution of each of these heat treatments, the inventors identified the instants of detection of the initiation of a fracture likely to occur within each of the assemblies.
  • the graphically represents a heat treatment, called first heat treatment, for which the first and second temperatures are equal to, respectively, 200°C and 160°C, while the first and second durations are equal to, respectively, 7 min and 6 hours.
  • second heat treatment there graphically represents a heat treatment, called second heat treatment, and which differs from the first heat treatment in that the second temperature and the second duration are equal, respectively, to 170°C and 4 hours.
  • third heat treatment which differs from the first heat treatment in that the first and second durations are equal to, respectively, 20 min and 4 hours.
  • the first temperature T1 is less than 300°C, advantageously less than 250°C, even more advantageously less than 220°C.
  • the absolute difference between the first temperature T1 and the second temperature T2 is less than 40°C, and is greater than 30°C.
  • the second temperature T2 is less than 180°C, advantageously less than 170°C.
  • the second duration d2 is less than 6 hours, advantageously less than 4 hours.
  • step d) makes it possible to limit the temperature of the bearing during which the initiation of a fracture wave and likely to occur. This aspect makes it possible to limit the constraints at the level of the interface formed between the donor layer and the manipulator substrate, and possibly in the intermediate layer if it is considered.
  • the heat treatment limits the appearance of cracks and/or delamination as described in the section "TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION".

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Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile (15) sur un substrat support (20), le procédé comprenant : a) la fourniture d'un substrat donneur (10) qui comprend une couche donneuse (12); b) la formation d'une zone de fragilisation (14), par implantation d'espèces dans la couche donneuse (12), qui délimite avec cette dernière une couche utile (15); c) l'assemblage du substrat support (20) avec le substrat donneur (10); d) un traitement thermique qui comprend une première et une deuxième phase, la première phase, d'une première durée, comprend une élévation à une première température, et est adaptée pour permettre une maturation de défauts, et prévenir l'initiation d'une fracture dans ladite zone (14), la deuxième phase, d'une deuxième durée, comprend un palier à une deuxième température, inférieure à la première température, et est adaptée pour initier une fracture le long de la zone de fragilisation.

Description

    PROCEDE DE TRANSFERT D’UNE COUCHE UTILE SUR UNE FACE AVANT D’UN SUBSTRAT SUPPORT DOMAINE DE L’INVENTION
  • La présente invention concerne le domaine des structures hétérogènes.
  • En particulier, la présente invention concerne un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support impliquant la technologie SmartCut ™.
  • Notamment, le procédé selon la présente invention concerne un procédé permettant de limiter la température de fracture afin de réduire le risque d’apparition de fissures et/ou de délamination.
  • Le procédé selon la présente invention est alors avantageusement mis en œuvre pour la fabrication de substrat de piézoélectrique sur isolant.
    • ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
  • Le document FR3068508A1 divulgue un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support. En particulier, le document FR3068508A1 divulgue un procédé permettant le report, selon un procédé SmartCut™, d’une couche utile sur un substrat support.
  • Le procédé de transfert décrit dans le document FR3068508A1 comprend, à cet égard, les étapes suivantes :
  • a0) une étape de fourniture d’un substrat donneur qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche donneuse reposant sur une face d’un substrat manipulateur ;
  • b0) une étape d’implantation d’espèces par la face avant dans la couche donneuse de manière à former une zone de fragilisation qui s’étend selon un plan parallèle à la face avant et qui délimite avec ladite face avant une couche utile ;
  • c0) une étape d’assemblage de la face avant du substrat donneur avec une face principale d’un substrat support ;
  • d0) une étape de traitement thermique destinée à initier la propagation d’une onde de fracture au sein de la zone de fragilisation et ainsi transférer la couche utile sur la face principale du substrat support.
  • Ce procédé est avantageusement mis en œuvre dès lors que les matériaux formant la couche utile et le substrat support présentent des coefficients de dilatation thermique différents. Plus particulièrement, le procédé divulgué dans le document FR3068508A1, afin de limiter les risques d’une fracture incontrôlée ou d’un report partiel et/ou défectueux de la couche utile, propose de considérer un substrat manipulateur fait d’un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du matériau formant le substrat support.
  • Néanmoins, la considération d’un tel substrat donneur reste problématique.
  • En effet, l’interface formée entre la couche donneuse et le substrat manipulateur est sensible au traitement thermique. Notamment, cette interface peut être le lieu de l’apparition de fissures et/ou d’une délamination de la couche donneuse.
  • Ainsi, un but de la présente invention est de proposer un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat donneur permettant de prévenir l’apparition de fissures au niveau de l’interface formée entre la couche donneuse et le substrat manipulateur et la délamination de la couche donneuse.
    • BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
  • Le but de l’invention est atteint par un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support, le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • a) la fourniture d’un substrat donneur qui comprend, à partir d’une face principale, une couche donneuse formée d’un matériau piézoélectrique, et un substrat manipulateur, la couche donneuse reposant sur une face du substrat manipulateur ;
  • b) la formation d’une zone de fragilisation, par implantation d’espèces dans la couche donneuse, parallèle à la face principale et qui délimite avec cette dernière une couche utile ;
  • c) l’assemblage du substrat support avec le substrat donneur de manière à intercaler la couche donneuse entre le substrat manipulateur et le substrat support ;
  • d) un traitement thermique qui comprend, dans l’ordre, une première phase et une deuxième phase, la première phase, d’une première durée, comprend une élévation de température jusqu’à une première température, et est adaptée d’une part pour permettre une maturation de défauts, générées par les espèces, dans la zone de fragilisation, et d’autre part pour prévenir l’initiation d’une fracture dans ladite zone de fragilisation, la deuxième phase, d’une deuxième durée, comprend un palier à une deuxième température, inférieure à la première température, et est adaptée pour initier une fracture le long de la zone de fragilisation et ainsi transférer la couche utile sur la face avant, et
  • dans lequel un écart absolu entre la première température et la deuxième température est inférieur à 40°C, et est supérieur à 30°C.
  • Selon un mode de mise en œuvre, l’étape d) comprend également une phase de renforcement précédant la première phase et exécutée à une température, dite température de renforcement, inférieure à la première température, la phase de renforcement étant destinée en renforcer une énergie de collage d’une interface formée entre le substrat support et le substrat donneur lors de l’exécution de l’étape c).
  • Selon un mode de mise en œuvre, la première phase comprend dans l’ordre : une montée en température, un palier à la première température, et une descente en température jusqu’à la deuxième température.
  • Selon un mode de mise en œuvre, la première phase est ajustée en fonction des conditions d’implantation des espèces lors de l’exécution de l’étape b).
  • Selon un mode de mise en œuvre, l’écart relatif entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux formant, respectivement, le substrat manipulateur et le substrat support est inférieur à 10%.
  • Selon un mode de mise en œuvre, le substrat manipulateur comprend un substrat massif sur une face duquel repose une couche intermédiaire, la couche intermédiaire étant intercalée entre la couche donneuse et le substrat massif, avantageusement, la couche intermédiaire comprend un matériau polymère.
  • Selon un mode de mise en œuvre, la première température est inférieure à 300°C, avantageusement inférieure à 250°C, encore plus avantageusement inférieure à 220°C.
  • Selon un mode de mise en œuvre, l’écart absolu entre la première température et la deuxième température est inférieur à 40°C, et est supérieur à 30°C.
  • Selon un mode de mise en œuvre, la deuxième durée est inférieure à 6 heures, avantageusement inférieure à 4 heures.
  • Selon un mode de mise en œuvre, la deuxième température est inférieure à 180°C , avantageusement inférieure à 170°C.
  • Selon un mode de mise en œuvre, les espèces comprennent au moins un des éléments choisis parmi : ions hydrogène, ions hélium.
  • Selon un mode de mise en œuvre, le matériau piézoélectrique comprend au moins un des éléments choisi parmi : LiTaO3, LiNbO3, LiAlO3, BaTiO3, PbZrTiO3, KNbO3, BaZrO3, CaTiO3, PbTiO3, KTaO3.
  • Selon un mode de mise en œuvre, l’étape c) d’assemblage est précédée d’une étape de formation d’une couche de matériau diélectrique sur la couche donneuse et/ou sur une face avant du substrat support.
  • Selon un mode de mise en œuvre, l’étape c) d’assemblage comprend un collage moléculaire.
    •
  • D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence à la figure annexée dans laquelle :
  • La est une représentation schématique de l’étape a) du procédé selon la présente invention, notamment, la représente le substrat donneur selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale dudit substrat donneur ;
  • La est une représentation schématique de l’étape b) du procédé selon la présente invention, notamment la représente le substrat donneur selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale dudit substrat donneur et les flèches symbolisent l’implantation des espèces par la face principale afin de former la zone de fragilisation ;
  • La est une représentation schématique de l’étape c) du procédé selon la présente invention, notamment la représente un assemblage formé par le substrat donneur et le substrat support, selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale dudit substrat donneur ;
  • La est une représentation schématique de la première phase de l’étape d) du procédé selon la présente invention, notamment la représente la maturation des défauts au niveau de la zone de fragilisation de l’assemblage formé par le substrat donneur et le substrat support et selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale dudit substrat donneur ;
  • La est une représentation schématique de la deuxième phase de l’étape d) du procédé selon la présente invention, notamment la représente la fracture conduisant au détachement de la couche utile de la couche donneuse en vue de son report sur la face avant du substrat support ;
  • La est une représentation schématique du substrat donneur selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale dudit substrat donneur et selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, notamment, selon ce mode de réalisation, le substrat manipulateur comprend un substrat massif sur une face duquel repose une couche intermédiaire, de sorte que ladite couche intermédiaire soit intercalée entre le substrat massif et la couche donneuse ;
  • La est une représentation graphique d’un traitement thermique susceptible d’être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention, notamment l’axe horizontal représente le temps t en heures, et l’axe vertical représente la température T° en degrés Celcius ;
  • La est une représentation graphique d’un traitement thermique, dit premier traitement, susceptible d’être mis en œuvre pour la détermination de paramètres relatifs à l’exécution de l’étape d), notamment l’axe horizontal représente le temps en heures, et l’axe vertical représente la température en degrés Celcius ;
  • La est une représentation graphique d’un traitement thermique, dit deuxième traitement, susceptible d’être mis en œuvre pour la détermination de paramètres relatifs à l’exécution de l’étape d), notamment l’axe horizontal représente le temps en heures, et l’axe vertical représente la température en degrés Celcius ;
  • La est une représentation graphique d’un traitement thermique, dit troisième traitement, susceptible d’être mis en œuvre pour la détermination de paramètres relatifs à l’exécution de l’étape d), notamment l’axe horizontal représente le temps en heures, et l’axe vertical représente la température en degrés Celcius ;
  • La illustre un substrat donneur qui comprend une couche de matériaux diélectrique, dite première couche, reposant sur la couche donneuse ;
  • La illustre un substrat support qui comprend une couche de matériaux diélectrique (par exemple du dioxyde de silicium), dite deuxième couche, reposant sur la face avant du substrat support.
    •  DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
  • Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans l’état de la technique ou dans les différents modes de mise en œuvre exposés du procédé
  • Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales de ces couches.
  • La présente invention concerne un procédé de transfert d’une couche utile sur une face avant d’un substrat support.
  • En particulier, le procédé comprend l’exécution des étapes a) à d). Notamment, l’étape a) comprend la fourniture d’un substrat donneur. Ce dernier est pourvu, à partir d’une face principale, une couche donneuse formée d’un matériau piézoélectrique, et un substrat manipulateur.
  • L’étape b) comprend la formation d’une zone de fragilisation, par implantation d’espèces, dans la couche donneuse, qui s’étend parallèlement à la face principale et qui délimite avec cette dernière une couche utile.
  • L’étape c) comprend l’assemblage de la couche donneuse avec une face avant d’un substrat support.
  • L’étape d) comprend un traitement thermique qui comprend, dans l’ordre, une première phase et une deuxième phase. La première phase, d’une première durée, comprend une élévation de température jusqu’à une première température, et est adaptée d’une part pour initier une maturation de défauts, générées par les espèces, dans la zone de fragilisation, et d’autre part pour prévenir l’initiation d’une fracture dans ladite zone de fragilisation. La deuxième phase comprend un palier à une deuxième température, inférieure à la première température, et est d’une deuxième durée de manière à initier une fracture le long de la zone de fragilisation et ainsi transférer la couche utile sur la face avant.
  • Les figures 1A à 1E sont des représentations schématiques des différentes étapes mises en œuvre dans le procédé de transfert d’une couche utile sur la face avant d’un substrat support selon la présente invention.
  • La est une illustration d’une étape a) qui comprend la fourniture d’un substrat donneur 10. A cet égard, le substrat donneur 10 comprend, à partir d’une face principale 11, une couche donneuse 12 formée d’un matériau piézoélectrique, et un substrat manipulateur 13. En d’autres termes, la couche donneuse 12 repose sur une face du substrat manipulateur 13.
  • La formation du substrat donneur 10 peut par exemple comprendre, dans l’ordre, une étape de collage d’un substrat piézoélectrique sur une face d’un substrat manipulateur, et une étape d’amincissement du substrat piézoélectrique afin de former de la couche donneuse. La formation du substrat donneur 10 peut également comprendre une étape de traitement thermique destinée à renforcer l’interface de collage formée entre la couche donneuse et le substrat manipulateur 13. La formation du substrat donneur 10 énoncée ci-avant n’est donnée qu’à titre d’exemple et n’est donc pas de nature à limiter la portée de la présente invention.
  • Le matériau piézoélectrique formant la couche donneuse 12 peut comprendre au moins un des éléments choisi parmi : LiTaO3, LiNbO3, LiAlO3, BaTiO3, PbZrTiO3, KNbO3, BaZrO3, CaTiO3, PbTiO3, KTaO3.
  • Le substrat manipulateur 13 peut comprendre tout type de matériau, et plus particulièrement un matériau semi-conducteur tel que du silicium, ou un matériau isolant tel qu’un verre.
  • Selon un mode de réalisation particulier, et tel qu’illustré à la , le substrat manipulateur peut comprendre un substrat massif 13a (« bulk substrate » selon la terminologie Anglo-Saxonne) sur une face duquel repose une couche intermédiaire 13b. Plus particulièrement, la couche intermédiaire 13b est, selon ce mode de réalisation particulier, intercalée entre le substrat massif 13a et la couche donneuse 12.
  • Le substrat massif 13a peut comprendre tout type de matériau, et plus particulièrement un matériau semi-conducteur tel que du silicium, ou un matériau isolant tel qu’un verre.
  • La couche intermédiaire 13b peut comprendre un matériau isolant, et plus particulièrement un matériau polymère, qui assure une fonction d’adhésion entre le substrat massif 13a et la couche donneuse 12.
  • L’écart relatif entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux formant, respectivement, le substrat manipulateur et le substrat support peut être inférieur à 10%. Une telle considération, permettra de limiter les contraintes susceptibles d’apparaître lors de l’exécution d’un traitement thermique de l’étape d) décrite dans la suite de l’énoncé.
  • L’étape a) est suivie d’une étape b) représentée à la .
  • Notamment, l’étape b) comprend la formation d’une zone de fragilisation 14, par implantation d’espèces dans la couche donneuse 12. Plus particulièrement, la zone de fragilisation s’étend dans un plan parallèle à la face principale 11 et délimite avec cette dernière une couche utile 15.
  • Par « zone de fragilisation », on entend une zone le long de laquelle une onde de fracture est susceptible de se propager afin de provoquer le détachement de la couche utile 15 de la couche donneuse 12.
  • Il est par ailleurs entendu, sans qu’il soit nécessaire de le préciser, que les espèces implantées sont choisies de manière à pouvoir provoquer, par activation thermique, d’une part une maturation de défauts au sein de la zone de fragilisation et d’autre part la propagation d’une onde de fracture le long de la zone de fragilisation.
  • L’implantation d’espèces peut notamment mettre en œuvre une implantation ionique, et plus particulièrement, une implantation d’ions hydrogène et/ou d’ions hélium.
  • Les conditions d’implantation, en termes de dose d’espèces implantées et d’énergie d’implantation, conditionnent l’épaisseur de la couche utile 15. A titre d’exemple, et pour une couche donneuse 12 faite LiTaO3, une dose d’ions d’hydrogène comprise entre 1E16 at/cm² et 5E17 at/cm² , avec une énergie d’implantation comprise entre 30keV et 300keV permettent de former une couche utile 15 d’une épaisseur comprise entre 200 nm et 2000 nm.
  • Le procédé selon la présente invention comprend également l’exécution d’une étape c) ( ).
  • L’étape c) comprend l’assemblage du substrat donneur 10 et du substrat support 20 de manière à intercaler la couche donneuse 12 entre le substrat support 20 et le substrat manipulateur 13.
  • Ainsi, et tel qu’illustré à la , l’étape c) comprend l’assemblage comprend la mise en contact de la face principale 11 avec une face avant 21 d’un substrat support 20.
  • L’invention n’est toutefois pas limitée à cet aspect, et il est possible de considérer une étape de formation d’une couche de matériau diélectrique sur la couche donneuse et/ou sur la face avant du substrat support précédant l’étape c).
  • A cet égard, la illustre un substrat donneur 10 qui comprend une couche de matériaux diélectrique (par exemple du dioxyde de silicium), dites première couche 17 reposant sur la couche donneuse.
  • De manière alternative ou complémentaire, la couche de matériau diélectrique peut être formée sur la face avant du substrat support 20. A cet égard, la illustre un substrat support 20 qui comprend une couche de matériaux diélectrique (par exemple du dioxyde de silicium), dite deuxième couche 22 reposant sur la face avant du substrat support 20.
  • Dans un tel cas de figure, la première couche 17 et/ou la deuxième couche 22 se retrouve, à l’issue de l’exécution de l’étape c), intercalée entre la couche donneuse et le substrat support.
  • L’étape c) d’assemblage peut comprendre un collage moléculaire qui se traduit, lors de la mise en contact des face libres des substrats donneur et support, par la propagation d’une onde de collage et par voie de conséquence d’une adhésion entre lesdites faces. L’invention n’est pas limitée à la seule mise en œuvre d’un collage moléculaire. Il est à cet égard possible de considérer une collage par compression ou par thermocompression, un collage au moyen d’une couche adhésive.
  • L’étape c) est alors suivi d’une étape d) de traitement thermique destinée à initier une onde de fracture le long de la zone de fragilisation afin de provoquer le détachement de la couche utile 15 et par voie de conséquence transférer cette dernière sur la face avant 21 du substrat support 20.
  • Toutefois, afin de prévenir l’apparition de fissures ou d’une délamination de la couche donneuse au niveau de l’interface formée entre ladite couche donneuse 12 et le substrat manipulateur 13, le traitement thermique est exécuté de manière à ce que l’initiation de l’onde de fracture se produise à la température la plus basse possible.
  • A cet égard, le traitement thermique comprend deux phases dites, respectivement, première phase et deuxième phase.
  • La représente graphiquement un exemple de traitement thermique susceptible d’être mis en œuvre lors de l’exécution de l’étape d).
  • Notamment, la représente selon l’axe horizontal le temps et selon l’axe vertical la température imposée à l’assemblage formé par le substrat donneur 10 et le substrat support 20. la première phase comprend dans l’ordre : une montée en température A, un palier à la première température B, et une descente en température C jusqu’à la deuxième température.
  • La première phase (illustrée à la ), d’une première durée d1, comprend une élévation de température jusqu’à la première température T1, et est adaptée d’une part pour permettre une maturation de défauts 16, générées par les espèces, dans la zone de fragilisation, et d’autre part pour prévenir l’initiation d’une fracture dans ladite zone de fragilisation.
  • Par « maturation des défauts », on entend la formation et la croissance de bulles dans le plan de zone de fragilisation. Cette maturation est activée par apport d’un énergie thermique.
  • La deuxième phase (illustrée à la ), d’une deuxième durée d2, comprend un palier à la deuxième température T2, inférieure à la première température T1, et est adaptée pour initier une fracture le long de la zone de fragilisation et ainsi transférer la couche utile sur la face avant.
  • Il est entendu, sans qu’il soit nécessaire de le préciser, que la deuxième phase est exécutée dans la continuité de la première phase.
  • L’étape d) peut notamment être exécutée dans un four de traitement par lots (« Batch oven » selon la terminologie Anglo-Saxonne), sous une atmosphère contrôlée et plus particulièrement inerte. L’invention n’est pas limitée à la mise en œuvre d’un four de traitement par lots. Notamment, un four de recuit rapide peut également être considéré.
  • La considération d’un traitement thermique en deux phases permet d’initier une onde de fracture, et par voie de conséquence un report de la couche utile 15 sur le substrat support 20, à une température plus faible que celles aujourd’hui envisagées dans l’état de la technique.
  • De manière avantageuse, la première phase peut être précédée d’une phase de renforcement de l’interface formée lors de l’assemblage du substrat donneur et du substrat support. La phase de renforcement est à cet égard exécutée à une température, dite température de renforcement Tr, inférieure à la première température.
  • Il est entendu, sans qu’il soit nécessaire de le préciser, que la première phase est ajustée en fonction des conditions d’implantation des espèces lors de l’exécution de l’étape b).
  • Notamment les conditions de traitement thermique, et plus particulièrement la première température T1, la deuxième température T2, la première durée d1 et la deuxième durée d2 peuvent être déterminées de manière empirique.
  • A cet égard, et à titre d’exemple, les figures 4A à 4C sont des représentations graphiques de différents traitements thermiques imposés à des lots de 25 assemblages obtenus à l’issue de l’étape c). Lors de l’exécution de chacun de ces traitements thermiques, les inventeurs ont repéré les instants de détection de l’initiation d’une fracture susceptible d’intervenir au sein de chacun des assemblages.
  • Ainsi, la représente graphiquement un traitement thermique, dit premier traitement thermique, pour lequel la première et la deuxième températures sont égales à, respectivement, 200 °C et 160 °C, tandis que la première et la deuxième durées sont égales à, respectivement, 7 min et 6 heures.
  • La représente graphiquement un traitement thermique, dit deuxième traitement thermique, et qui diffère du premier traitement thermique en ce que la deuxième température et la deuxième durée sont égales, respectivement, à 170 °C et 4 heures.
  • La représente graphiquement un traitement thermique, dit troisième traitement thermique, et qui diffère du premier traitement thermique en ce que la première et la deuxième durées sont égales à, respectivement, 20 min et 4 heures.
  • Lors de l’exécution du premier traitement, les inventeurs ont pu constater que 8 assemblages sur les 25 présents dans le four de traitement thermique n’ont subi aucune fracture.
  • La considération d’une deuxième température plus élevée (170°C) lors de l’exécution du deuxième traitement ( ) permet pour sa part d’initier une onde de fracture au sein de chacun des 25 assemblage dans la deuxième phase dudit traitement. Toutefois, l’initiation d’une onde de fracture de deux des 25 assemblages n’est observée qu’après la fin du palier de la deuxième phase. Les conditions imposées lors de l’exécution de ce deuxième recuit ne permettent pas de conférer la stabilité requise au procédé selon la présente invention.
  • La considération d’un palier de maturation plus long (première phase) lors de l’exécution du troisième traitement conduit à l’initiation d’une onde de fracture lors de la première phase (plus particulièrement lors de la descente en température C). Un tel traitement thermique ne permet pas de stabiliser l’étape d).
  • Sur la base de ces résultats, les inventeurs estiment que les paramètres optimaux du traitement thermique pour les conditions d’implantation considérées sont les suivants :
  • - température T1= 200 °C,
  • - durée d1 = 15 min,
  • - température T2=170 °C,
  • - durée d2 = 4 heures.
  • Les principes ci-avant permettent ainsi de déterminer les conditions de traitement thermique optimal pour l’exécution de l’étape d).
  • De manière avantageuse, la première température T1 est inférieure à 300°C, avantageusement inférieure à 250°C, encore plus avantageusement inférieure à 220°C.
  • Toujours de manière avantageuse, l’écart absolu entre la première température T1 et la deuxième température T2 est inférieur à 40°C, et est supérieur à 30°C. Par exemple, la deuxième température T2 est inférieure à 180°C , avantageusement inférieure à 170°C.
  • Avantageusement, la deuxième durée d2 est inférieure à 6 heures, avantageusement inférieure à 4 heures.
  • L’exécution du traitement thermique de l’étape d) selon les termes de la présente invention, permet de limiter la température du palier au cours duquel l’initiation d’une onde de fracture et susceptible d’intervenir. Cet aspect permet de limiter les contraintes au niveau de l’interface formée entre la couche donneuse et le substrat manipulateur, et éventuellement dans la couche intermédiaire si elle est considérée.
  • En d’autres termes, le traitement thermique, tel que considéré dans la présente invention, limite l’apparition de fissures et/ou de délamination tel que de décrits dans la section « ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION ».
  • Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.

Claims (13)

  1. Procédé de transfert d’une couche utile (15) sur un substrat support (20), le procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) la fourniture d’un substrat donneur (10) qui comprend, à partir d’une face principale, une couche donneuse (12) formée d’un matériau piézoélectrique, et un substrat manipulateur (13), la couche donneuse (12) reposant sur une face du substrat manipulateur (13) ;
    b) la formation d’une zone de fragilisation (14), par implantation d’espèces dans la couche donneuse (12), parallèle à la face principale et qui délimite avec cette dernière une couche utile (15) ;
    c) l’assemblage du substrat support (20) avec le substrat donneur (10) de manière à intercaler la couche donneuse (12) entre le substrat manipulateur (13) et le substrat support (20) ;
    d) un traitement thermique qui comprend, dans l’ordre, une première phase et une deuxième phase, la première phase, d’une première durée, comprend une élévation de température jusqu’à une première température, et est adaptée d’une part pour permettre une maturation de défauts, générées par les espèces, dans la zone de fragilisation (14), et d’autre part pour prévenir l’initiation d’une fracture dans ladite zone de fragilisation (14), la deuxième phase, d’une deuxième durée, comprend un palier à une deuxième température, inférieure à la première température, et est adaptée pour initier une fracture le long de la zone de fragilisation (14) et ainsi transférer la couche utile (15) sur le substrat support (20).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape d) comprend également une phase de renforcement précédant la première phase et exécutée à une température, dite température de renforcement, inférieure à la première température, la phase de renforcement étant destinée en renforcer une énergie de collage d’une interface formée entre le substrat support (20) et le substrat donneur (10) lors de l’exécution de l’étape c).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première phase comprend dans l’ordre : une montée en température, un palier à la première température, et une descente en température jusqu’à la deuxième température.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première phase est ajustée en fonction des conditions d’implantation des espèces lors de l’exécution de l’étape b).
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’écart relatif entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux formant, respectivement, le substrat manipulateur (13) et le substrat support (20) est inférieur à 10%.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat manipulateur (13) comprend un substrat massif sur une face duquel repose une couche intermédiaire, la couche intermédiaire étant intercalée entre la couche donneuse (12) et le substrat massif, avantageusement, la couche intermédiaire comprend un matériau polymère.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la première température est inférieure à 300°C, avantageusement inférieure à 250°C, encore plus avantageusement inférieure à 220°C.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième durée est inférieure à 6 heures, avantageusement inférieure à 4 heures.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la deuxième température est inférieure à 180°C , avantageusement inférieure à 170°C.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les espèces comprennent au moins un des éléments choisis parmi : ions hydrogène, ions hélium.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le matériau piézoélectrique comprend au moins un des éléments choisi parmi : LiTaO3, LiNbO3, LiAlO3, BaTiO3, PbZrTiO3, KNbO3, BaZrO3, CaTiO3, PbTiO3, KTaO3.
  12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel l’étape c) d’assemblage est précédée d’une étape de formation d’une couche de matériau diélectrique sur la couche donneuse (12) et/ou sur une face avant (21) du substrat support (20).
  13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel l’étape c) d’assemblage comprend un collage moléculaire.
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