FR2837620A1 - Procede de transfert d'elements de substrat a substrat - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de transfert d'au moins un élément depuis un substrat donneur vers un substrat cible (40). Conformément à l'invention, on rend un élément à transférer solidaire d'un substrat-poignée (30) par l'intermédiaire d'une couche de colle (32) susceptible d'être dégradée et dans lequel on procède à une dégradation de la couche de colle lors d'une étape de libération de l'élément à transférer.Application au report de composants.

Description

constitué par un propulseur à effet Thomson.
PROCEDE DE TRANSFERT D' ELEMENTS DE SUBSTRAT A SUBSTRAT.
Domaine technique La présente invention concerne un procédé de transfert d'au moins un élément, tel qu'une couche de matériau ou un composant, d'un substrat donneur vers un substrat cible. Il s'agit, plus précisément, d'un procédé de transfert utilisant un substrat
intermédiaire, encore désigné par substrat-poignée.
L' invention trouve des applications dans la fabrication de structures composites associant des semi-conducteurs de type III-V et du silicium. D'autres applications peuvent être trouvées dans la fabrication de substrats à couche mince ou dans le report de composants sur des supports quelcouques, et notamment
sur des plaquettes en matière plastique.
Etat de la technique antérieure.
Les techniques de transfert d'une couche mince de substrat à substrat sont en soi bien connues. On peut se reporter à titre d' illustration aux documents (1) à (4) dont les références sont précisées à la fin
de la présente description.
Les techniques de transfert d'éléments fragiles, tels que des couches minces, font généralement appel à des substrats-poignce qui garantissent le maintien des couches minces lors du transfert (référence 4). Le substrat poignée est d'abord mis en adhérence avec un substrat donneur, et, plus précisément, avec une partie du substrat donneur qui doit être transLérée. Il s'agit par exemple de la couche mince. Cette partie est ensuite détachée du substrat donneur et mise en adhérence avec un substrat
cible. Elle est enfin libérée du substrat-poignée.
Avant le report sur le substrat cible, la partie à transtérer est solidaire du substrat-poignée
et peut subir différents traitements.
Dans le procédé de transtert tel que décrit, une difficulté apparaît dans le choix des moyens d'adhérence mis en _uvre pour fixer la partie à transférer sur le substrat poignée. Les moyens d'adhérence doivent notamment être suffisamment fermes pour récister aux contraintes imposéss par les traitements de la partie à transférer. Ils doivent aussi être suffisamment lâches pour pouvoir être vaincus lorsque la partie à transférer doit être détachée du substrat-poignée. Les impératifs de résiscarlce et de réversibili_é d_ l'adbérence sont antagonistes et impliquent des difficultés de compromis. Des solutions ont été envisagées en utilisant un substrat-poignce susceptible d'être clivé, ou en éliminant le substrat-poignce par abrasion. Ces solutions sont cependant complexes et augmentent les
contraintes subies par l'élément devant être transféré.
Exposé de l' invention La présente invention a pour but de proposer un procédé ne présentant pas les difficultés et
limitations indiquées ci-dessus.
Un but est en particulier de proposer un procédé permettant de répondre à la fois aux exigences d'une adhérence ferme entre un élément à transférer et un substrat-poignée, et d'une adhérence réversible pour
le détachement final du substrat-poignce.
Un but est encore de proposer un procédé dont la mise en _uvre soit simple, peu coûteuse et
compatible avec une production industrielle.
Pour atteindre ces buts, l' invention a plus précisément pour objet un procédé de transfert d' au moins un élément depuis un- substrat donneur vers un substrat cible. Conformément à l'invention, on rend l'élément à transférer solidaire d'un substrat-poignée, par l'intermédiaire d'une couche de colle susceptible d'être dégradée. Puis, en vue d'une libération de l'élément à transférer, on procède à une dégradation de la couche de colle. La dogradation de la couche de colle peut avoir lieu avant ou pendant une étape de
libération de l'élément à transférer.
L'exposé qui suit se réfère à un seul élément à transférer. Il convient toutefois de noter qu'une pluralité d'éléments à transférer peuvent l'être au
moyen d'un unique ou de plusieurs substrats-poignée.
On considère, au sens de l' invention, que la couche de colle est susceptible dêtre dégradée lorsqu'elle peut être dégradée par des moyens non
destructifs pour l'élément à transférer.
Les éléments susceptibles d'être transférés par le procédé de l 'invention, englobent les couches de matériau, les parties de couches, les composants, les parties de composants et, de fac,on plus générale, tout élément relevant des techniques de la microélectronique, de la micromacanique ou de l'optique intégrce. Le procédé de l' invention peut comporter de façon plus précise les étapes suivantes: a) le collage de l'élément à transférer sur le support poignce par l'intermédiaire de la couche de colle, b) le traitement du substrat donneur et/ou de l'élément à transférer, c) le report de l'élément à transférer sur le substrat cible, d) dégradation de la couche de colle, e) la séparation de l'élément à transférer et
du substrat poignée.
Par dégradation, on entend toute modiication physique ou chimique de la colle qui entraîne une modification de sa tenue mécanique compatible avec une
séparation ultérieure.
Il convient de souligner que l'étape de collage fait appel, comme indiqué ci-dessus, à une couche de colle. Elle exclut ainsi tout collage moléculaire direct. La colle peut être choisie parmi une colle époxy, une colle à durcissement par rayonnement ultraviolet, une colle à base de polymère, ou une colle
à base de cire.
Les étapes c) et d) peuvent être exéautées dans l'ordre indiqué ou dans un ordre inverse. Par ailleurs, les étapes d) et e) peuvent être réalisces de façon
concomitante ou non.
L'étape de collage de l'élément à transférer sur le support poignse peut être précédée par la
fabrication de cet élément sur le substrat donneur.
Elle peut encore être précédée par la préparation du substrat donneur pour favoriser le détachement de l'élément à transférer, ou encore par la préparation de l' interface entre le substrat donneur et l'élément à transférer afin d'obtenir une interface d'énergie contrôlée. Une couche darrêt de gravure peut également
être prévue dans le substrat.
A titre d'exemple, une zone fragilisée peut être formoe dans le substrat donneur par implantation d' ions. Cette zone est alors utilisable ultérieurement pour un clivage afin de détacher l'élément à transférer. Le clivage peut aussi servir à amincir le substrat donneur. La technique de formation d'une zone fragilisse en vue d'un clivage est en soi connue. A titre d' alternative, le substrat donneur peut aussi r pourvu d'une couche sacrificielle enterrse susceptible d' être éliminée pour obtenir l' élément à transférer. Lors de l'étape b), et grâce à la présence du substrat poignée, on peut effectuer, par exemple, une ou plusieurs des opérations suivantes: - un amincissement du substrat donneur, - une séparation de la couche à transférer et du substrat donneur, - un découpage du substrat donneur, - un découpage de l'élément à transférer, un amincissement de l'élément à transtérer, - une séparation de l'élément à transférer et d'une partie restante du substrat donneur, - la préparation d'une face de report de
l'élément à transférer.
La séparation de la couche contenant l'élément à transférer du substrat donneur ou de l'élément à transférer et d'une partie restante du substrat donneur, peut avoir lieu par clivage ou arrachement selon une zone fragilisée, si une telle zone a été prévue de la façon indiquée ci-dessus. La séparation peut encore avoir lieu par découpage, par exemple à la scie. De fa,con plus simple, le substrat donneur, ou même une partie de l'élément à transférer peut être découpé ou aminci. L'amincissement est. par exemple, un amincissement par polissage ou par abrasion. L' abrasion
peut être mécanique et/ou chimique.
Un découpage perpend.culaire à une face libre de l'élément à transférer peut aussi être pratiqué pour isoler ou délimiter des composants de l'élément à transférer. Les gorges ou les flancs résultant du découpage peuvent être alors mis à profit ultérieurement pour faciliter la dogradation de la
couche de colle.
Les traitements éventuels, ont lieu de préférence lorsque l'élément à transférer est déjà collé sur le substrat-poignée. Le substrat-poignce permet ainsi de rigidifier l'élément à transférer et éventuellement d' en conserver la cohésion. Il permet tout au moins de lui conférer une résistance mécanique suffisante pour supporter les contraintes engendrées par le traitement. Il convient de noter qu'un découpage éventuel de l'élément à transférer peut s'étendre à travers le substrat-poignce pour délimiter plusieurs éléments à transférer plus petits. Ces éléments se trouvent alors associés chacun à un substrat-poignce de taille adaptée, obtenu par découpage du substrat
poignée initial.
Le report de l'élément à transférer sur le substrat cible et la dégradation de la couche de colle
peuvent avoir lieu dans un ordre indifférent.
Toutefois, si la dogradation de la colle peut conduire à une séparation prématurce accidentelle, il est préférable de d'abord reporter l'élément sur le
substrat cible en le rendant solidaire de ce substrat.
Selon le type de colle utilisée, la dégradation de la couche de colle peut être provoquce, en la soumettant à un traitement chimique et/ou un traitement par rayonnement et/ou un traitement par plasma et/ou un
traitement thermique.
Le traitement chimique assisté par rayonnerment est. par exemple, un traitement du type W-O3 (Ozone obtenu grâce aux W). Pour une dégradation de la colle par rayonnement, le substrat-poignce peut avantageusement être réalisé en un matériau transparent au rayonnement. Le rayonnement est ainsi appliqué à la
couche de colle à travers le substrat poignce.
De la même façon, lorsque la dégradation a lieu par voie chimique, il est avantageux de pourvoir le substrat-poignce de canaux d'adduction de l' agent chimique. Les canaux traversent le substrat-support depuis sa face libre jusqu'à sa face en contact avec la
couche de colle.
La dégradation de la couche de colle a pour effet de la fragiliser. Toutefois, comme indiqué ci dessus, la dégradation de la couche de colle ne conduit pas, ou tout au moins pas nocessairement, à la séparation de l'élément à transférer et du substrat poignée. Le report de l'élément à transférer sur le substrat cible comprend sa mise en contact adhérent avec ce substrat. Il peut s'agir, là encore, d'un collage faisant appel à une couche de colle intermédiaire. L'assemblage peut toutefois être obtenu également par adhérence moléaulaire directe. Dans ce dernier cas, la face libre de l'élément à transférer est préparce et nettoyée de fa, con appropriée, pour lui
conférer un caractère lisse et hydrophile.
Après le report, et après la dégradation de la couche de colle qui relie l'élément à transférer au substrat-poignée, on procède au détachement de ce dernier. Le détachement peut avoir lieu pendant l'é'_ape de dégradation. Il peut être provoqué ou assisté par l'exercice de forces de traction, de pression, de cisaillement, de pelage, de flexion, ou toute combinaison de ces forces. Un jet de fluide et/ou un objet effilé peuvent aussi être appliqués ou insérés entre l'élément à transférer et le substrat-poignce ou même à travers le substrat- poignce si celui-ci a été conditionné. Le composant peut être également séparé du substrat-poignce pendant son report sur le substrat cible. C'est par exemple le cas lorsque est utilisé un
pointeau à travers un substrat poignée troué.
Une autre variante consiste à séparer le composant du substrat-poignée avant son report sur le support. On utilise alors un manipulateur (par exemple
une micropipette à vide) pour reporter l'élément.
Le transfert des éléments peut être collectif ou sélectif. Il peut même s'agir d'un transfert de la plaque entière. Les opérations de collage sur le substrat-poignce et le traitement peuvent être réalisés collectivement pour un ensemble d'éléments. Le report puis la séparation des éléments peut avoir lieu ensuite pour un plus petit sous-ensemble d'éléments. Ces dernières opérations sont alors répétées pour chaque sous-ensemble d'éléments. Dans une application particulière des composants peuvent ainsi être
transférés un à un.
D'autres caractérisiques et avantages de
l' invention ressortiront de la description qui va
suivre, en référence aux figures des dessins annexés.
Cette descript-on est dornée à itre purement
illustratif et non limitatif.
Brève description des fiqures.
- La figure 1 est une coupe schématique simplifiée d'un substrat donneur comprenant des
éléments à transférer.
- La figure 2 est une coupe schématique d'une structure comprenant le substrat donneur de la figure 1
et un substrat-poignée.
- Les figures 3 et 4 sont des coupes schématiques de la structure de la figure 2 et
illustrent des étapes de traitement et de dogradation.
- La figure 5 est une coupe schématique d'une nouvelle structure obtenue par l'assemblage de la structure de la figure 4 avec un substrat cible. Des flèches F schématisant le détachement - La figure 6 est une coupe schématique de la
structure de la figure 5 après élimination du substrat-
poignée.
Description détaillée de modes de mise en _uvre de
l' invention
Dans la description qui suit des parties
identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées par les mêmes signes de référence pour faciliter le report entre les figures. Par ailleurs, et dans un souci de clarté des figures, tous les éléments ne sont pas représentés selon une échelle
uniforme.
La figure 1 montre un substrat donneur 10 dans lequel sont formés "es ccmposGnts 12. Ceu:-ci affleurent à une face 14 du substrat. Dans l'exemple illustré, le substrat donneur 10 est un substrat massif. Il peut toutefois être remplacé par un substrat
composite de type silicium sur isolant (SOI) ou autre.
La rétérence 16 désigne une zone de fragilité éventuellement formée dans le substrat au moyen d'une implantation d' ions d'une espèce gazeuse. La technique consistant à former une zone de fragilité par implantation est bien connue en soi et n'est donc pas détaillée ici. Cette zone de fragilité peut également correspondre à une interface de collage dont l'énergie est contrôlée. La zone de fragilité 16 délimite une partie superficielle 18 du substrat comprenant les composants 12 et une partie massive restante 20
dépourvue de composants.
La figure 2 montre l' assemblage du substrat 10 avec un substrat-poignée 30. L'assemblage a lieu par collage en utilisant une couche intermédiaire de colle 32. La colle est. par exemple, une colle de type cyanoacrylate, polymérisable sous l' action d'un rayonnement ultraviolet. Dans l'exemple décrit, le substrat-poignce 30 est à cet effet en un verre transparent au rayonnement. La colle cyanoacrylate présente l'avantage de pouvoir être déposce à la tournette en une couche particulièrement homogène. De plus, en raison du caractère photo-polymérisable de la colle, l'assemblage ne nécessite aucun exercice de
pression.
La colle cyancacrylate peut être remplacce par une cire (wax) GU ul!e résine (durir.-de) ou une résine du type de celles employées pour la lithographie en micrcélectronique ou par toute autre colle susceptible
d'être dégradée.
L'épaisseur et la nature du substrat-poignée 30 sont choisies de fac,on à assurer une, bonne rigidité et pour protoger les composants 12. L'épaisseur est également suffisante pour autoriser une manipulation
aisée.
La figure 3 montre un traitement d'amincissement du substrat donneur 10. Le traitement d'amincissement comprend un clivage du substrat selon la zone fragilisoe pour en détacher la partie massive 20. La partie superficielle 18 subit aussi un amincissement par abrasion. L' abrasion, indiquée
sommairement par de petites flèches, a lieu sur la face
libérce de la partie superficielle 18, c'est-à-dire la face opposée à celle en contact avec la couche de colle 32. Un autre moyen damincissement consiste à consommer le substrat par exemple par polissage mécano-chimique,
rectification ou encore par attaque chimique.
Lors de ce traitement la partie superficielle 18, et les composants 12 ne sont pas détruits en dépit de leur éventuelle minceur. Ils sont en effet maintenus fermement par le substrat-poignée 30. La partie superficielle amincie 18 et les composants constituent
les éléments à transférer au sens de l' invention.
La figure 4 illustre un traitement supplémentaire qui comprend un découpage de la couche superficielle 18 en y pratiquant des tranchées 19. Les tranchées 19 traversent la couche 18 de part en part et
permettent d'indivicualiser les ccmposan s 12.
La figure 4 illustre également la dégradation de la couche de colle 32. Un traitement thermique à une température de l'ordre de 300 C, ou un traitement ultraviolet W couplé ou non avec un agent gazeux tel que O3 permet de réduire de 50t, ou plus, la résistance de la couche de colle 32. La dégradation peut aussi être provoquse en soumettant la couche de colle à une action chimique d'un solvant liquide (acétone, trichlo) ou gazeux ou d'un agent de gravure ou encore d'un fluide supercritique tel que CO2 par exemple. L' action chimique est indiquce par de petites flèches. A cet effet, les tranchées 19 fournissent d'excellents accès à la couche de colle 32. Des canaux 34, indiqués en trait discontinu peuvent aussi être prévus dans le substrat-poignce 30 pour une application du solvant depuis la face libre de ce substrat. La dégradation est poursuivie de préférence jusqu'à obtenir une adbérence inférieure à une adhérence établie ultérieurement entre les éléments à transférer et le substrat cible. La figure 5 montre le report des éléments à transférer sur un substrat cible 40. Le substrat cible peut être un substrat souple ou rigide. Il s'agit,
par exemple, d'une carte à puce en matière plastique.
Le report des éléments à transférer peut faire appel à une colle, ou, comme dans l'exemple illustré, à un collage moléculaire direct. A cet effet la face libre de la couche 18, peut être préalablement soumise à un nettoyage chimique, un polissage ou une activation sèche de façon à favoriser ladhérence directe. Ces opérations peuvent être effectuées avant ou après la
formation des tranchées 19.
Après le report sur le substrat cible, on procède au détachement du substrat-poignée 30. Des flèches F indiquent des forces d'arrachement exercces sur le substrat poignée 30, par rapport au substrat cible 40. Comme la couche de colle 32 a précédemment été dogradée elle présente une adhérence généralement inférieure à celle existant entre les éléments à transférer et le substrat cible. Un arrachement se produit ainsi le long de la couche de colle 32. La référence L indique une lame que l'on peut insérer à la hauteur de la couche de colle 32 ou un pointeau passant à travers la poignée conditionnée. Celle-ci permet, si nécessaire, de soulager la sollicitation exercce sur l' interface d'adbérence entre les éléments à transférer
et le substrat cible.
La figure 6 illustre la structure obtenue au terme de l'arrachement et de l'élimination du substrat poignce. Un traitement complémentaire de nettoyage permet d'éliminer d'éventuels résidus de colle sur les composants. Le dispositif de la figure 6 peut aussi faire l'objet d'un conditionnement. Enfin, des prises de contact peuvent être prévues sur les composants s'il
s'agit de composants électroniques.
Bien que les figures 5 et 6 illustrent un transfert collectif des composants 12, il est possible d'envisager un transfert sélectif en faisant adhérer un nombre réduit de composants au substrat cible 40. Après amincissement du substrat donneur de façor ccllective (jusqu'à hauteur des composants), on découpe les éléments ainsi que la poignée de facor. à obtenir des objets individuels. On déDrade alors la colle (une variante consiste à dégrader la colle avant le découpage). On peut ensuite manipuler les objets individuels avec des outils standards et les reporter sur leur support final. On détache alors le bout de poignée de chaque objet transféré. Plusieurs opérations de report et d'arrachement sont alors prévues pour la
libération successive des composants.
DOCUMENTS CITES
(1)
FR-A-2 809 867
(2)
FR-A-2 781 925
(3)
FR-A-2 796 491
(I) T. Hamagushi et al. IEDM 1985 (P. 688-691)

Claims (12)

REVENDI CATIONS
1. Procédé de transfert d'au moins un élément (12) depuis un substrat donneur (10) vers un substrat cible (40), caractérisé en ce que l'on rend l'élément à transférer solidaire d'un substrat-poignée (30) par l'intermédiaire d'une couche de colle (32) susceptible d'être dégradée et que l'on procède à une dégradation de la couche de colle (32) en vue d'une libération de
l'élément à transférer (12).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise une colle choisie parmi une colle époxy, une colle à durcissement par rayonnement ultraviolet, une colle à base de polymère, ou une colle
à base de cire.
3. Procéc seor la -eve-d-cat on 1, dans lequel on procède à la dégradation de la couche de colle en la soumettant à un traitement chimique, un traitement thermique, un traitement par rayonnement
et/ou un traitement par plasma.
4. Procédé selon la revendication 1, mis en _uvre pour le transfert d'une couche de matériau (18), et comprenant une étape d'amincissement de la couche de matériau (18), l'amincissement étant réalisé lorsque la
couche de matériau (18) est solidaire du substrat-
poignée (30) et avant la dogradation de la couche de colle.
5. Procédé selon la revendication 4, comprenant un découpage de la couche de matériau (18) lorsque la
couche est solidaire du substrat-poignée.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise un substratpoignce (30) avec des voies d'accès (34) vers une face du substratpoignce susceptible d'être mise en contact avec la couche de colle.
7. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes: a) le collage de l'élément à transférer (14, 18) du substrat donneur (10) sur le support poignée (30) par l'intermédiaire de la couche de colle (32), b) le traitement du substrat donneur (10) et/ou de l'élément à transférer (12, 18), c) le report de l'élément à transférer (12, 18) sur le substrat cible (40) d) la dogradation de la couche de colle (32), et e) la séparation de l'élément à transférer et
du substrat poignce.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape b) comprend au moins une opération parmi: - un amincissement du substrat donneur (10), une séparation de la couche à transférer et du substrat donneur, - un découpage du substrat donneur, - un découpage de l'élément à transférer, un amincissement de liélément à transférer (18), - une séparation de l'élément à transférer (18) et d'une partie (20) du substrat donneur (10), - la préparation d'une face de report de
lélément à transtérer (18).
9. Procédé selon la revendication 7 pour le transfert sélectif de composants dans lequel les étapes a) et b) sont réalisées collectivement pour un ensemble de composants et les étapes c) et d) sont répétées pour
des sous-ensembles de composants.
10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les étapes d) et e) sont réalisoes de manière concomitante.
11. Procédé selon la revendication 7, dans
lequel l'étape d) est réalisée avant l'étape c).
12. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape de séparation comprend l'exercice de forces de traction de pression, de cisaillement, de pelage, de flexion, ou toute combinaison de ces forces, et/ou l 'application d'un jet de fluide et/ou
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