FR2943457A1

FR2943457A1 - Procede de transfert de couches

Info

Publication number: FR2943457A1
Application number: FR0951778A
Authority: FR
Inventors: Yann Bogumilowicz; Laurent Clavelier; Aurelie Tauzin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-24

Abstract

L'invention concerne un procédé de définition d'une couche (8) de matériau à séparer d'un substrat (4), ce substrat comportant une face avant (10) et une face arrière (14), la face avant étant la face la plus proche de la couche de matériau à séparer, ce procédé comportant une implantation (2) ionique ou atomique par la face arrière (14), pour former une zone d'implantation (6) qui délimite la couche à séparer.

Description

1 PROCEDE DE TRANSFERT DE COUCHES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR Les dispositifs en microélectronique sont réalisés sur des substrats en silicium Si ou en germanium Ge ou en arséniure de gallium GaAs ou en d'autres composés III-V ou II-VI.... Le substrat forme un support mécanique pour le dispositif et son matériau monocristallin semi-conducteur permet le contrôle des charges dans les transistors, brique de base des circuits intégrés. Un substrat mesure plusieurs centaines de micromètre d'épaisseur, ceci afin d'apporter la rigidité nécessaire, mais seul les quelques premiers microns sont de manière générale important pour le fonctionnement d'un dispositif. En fin de procédé de fabrication du dispositif, la majeure partie du substrat n'est pas nécessaire au fonctionnement de ce dernier et sert uniquement à assurer un rôle de support mécanique. Les mêmes remarques peuvent s'appliquer à d'autres domaines, en particulier au domaine photovoltaïque et à celui des diodes électroluminescentes, ou des MEMS. On connaît des techniques de prélèvement de couche active sur un substrat, ou de retrait du substrat en fin de procédé, en particulier le procédé connu sous le nom de Smart CutTM. Ce procédé permet de transférer une couche en conservant son intégrité structurale, par exemple son caractère monocristallin. 2 Des étapes de ce procédé sont représentées en figures 1A-1E. On considère (figure 1A) un substrat 4 dont on veut prélever une couche mince 8 en surface, par exemple une couche dans laquelle des composants ont été réalisés. Dans une première étape (figure 1B), on réalise une implantation 2 d'ions ou d'atomes dans ce substrat 4 afin d'y réaliser une zone enterrée 6 de fragilisation. Cette zone 6 sépare le substrat en deux parties (figure 1C) . - une première partie 8, comportant la couche à reporter, dont la surface 10 est celle qui a été traversée par le faisceau d'espèces implantées. On appelle cette surface la face avant, - une deuxième partie 12, qui est la partie destinée à être séparée de la couche 8. La face 14, opposée à la face 10, est dite face arrière.

Dans une deuxième étape (figure 1D), on peut assembler la face avant 10 du substrat ainsi implanté sur un substrat 34, dit de report. L'assemblage entre la face 10 du substrat implanté et la face 16 du substrat de report est par exemple réalisé par collage moléculaire. Dans une troisième étape (figure 1E), une étape de fracture est réalisée, par effet thermique : l'ensemble est porté à une température permettant d'induire un phénomène de bullage dans la zone 6 de fragilisation, puis de fracture. Cette étape peut être 3 assistée par l'application de contraintes mécaniques facilitant la fracture. Ces étapes sont par exemple expliquées dans le document US 5 374 564.

Une limitation de ce procédé est que la couche 8 à transférer, qui peut avoir une forte valeur ajoutée, par exemple dans le cas d'une couche de cellules solaires ou de circuits intégrés, est traversée par l'implantation ionique, qui peut y créer des défauts. Une autre limitation apparaît lorsque le substrat implanté et le substrat de report présentent des coefficients de dilatation thermique (CTE) très différents l'un de l'autre. En effet, dans ce cas, si la fracture est obtenue à trop haute température, la libération de contrainte générée au moment de cette fracture peut engendrer la casse d'un des deux substrats. La fracture est donc réalisée à plus basse température : cependant, cette température n'est pas toujours suffisante pour renforcer l'interface de collage et ne permet donc pas d'obtenir un transfert de bonne qualité. Plus généralement, il n'est pas possible de réaliser sur la structure obtenue après collage d'étapes technologiques impliquant une température élevée sous peine, notamment, d'initier la fracture à un moment non choisi. Une autre limitation réside dans le fait que si le substrat à implanter présente une topologie importante ou une disparité de matériaux au niveau de sa face à implanter, le profil d'implantation obtenu 4 dans ce cas est tortueux, voire discontinu, ce qui peut nuire à la qualité du transfert, ou, dans le cas de fortes topologies rendre ce transfert impossible. Il existe également d'autres techniques de démontage du substrat 4, qui consistent principalement à amincir le substrat par abrasion mécanique et/ou chimique. Cet amincissement permet de ne conserver que la couche active 8, mais il implique la perte de la partie 12 résiduelle du substrat. En outre l'amincissement est limité par la tenue mécanique du substrat aminci. Enfin, la vitesse de ce procédé est lente, liée à l'épaisseur de matière à retirer. Au final, le contrôle de l'épaisseur est difficile, et cette technique est limitée à l'amincissement du substrat pour éviter une casse de la couche active. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne d'abord un procédé pour réaliser ou définir ou délimiter une couche de matériau, à séparer d'un substrat (ou d'une plaquette), celui-ci pouvant être en un matériau semi-conducteur, par exemple en germanium ou en GaAs ou en Si, et comportant une face avant et une face arrière, la face avant étant la face la plus proche de ladite couche de matériau, ce procédé comportant une implantation ionique ou atomique par la face arrière du substrat, à une énergie de tension d'accélération des ions supérieure à 1MeV, pour réaliser une zone de fragilisation et délimiter ladite couche.

Les faces avant et arrière sont opposées l'une de l'autre, et parallèles entre elles et à un plan moyen du substrat. Un contrôle précis de l'épaisseur de la 5 couche est réalisé par implantation ionique profonde du substrat par la face arrière. La couche à délimiter ou définir est ainsi délimitée par rapport au reste du substrat sans avoir subi d'implantation, donc sans aucun dommage qui résulterait du passage d'un flux d'ions ou d'atomes dans cette couche. En implantant par la face arrière, cette couche n'est pas traversée par les espèces implantées, qui pourraient y créer des défauts si elles traversaient la face avant. En outre, l'implantation étant réalisée par la face arrière, ni une éventuelle topologie de la face avant ni le fait que cette face avant soit composite n'a d'effet sur la forme de la zone implantée. L'implantation ionique ou atomique a lieu de préférence de manière à ce que le maximum de concentration des espèces implantées soit situé légèrement sous la couche à séparer ou à reporter. L'implantation par la face arrière est obtenue de préférence avec des ions légers, par exemple des ions hydrogène.

Il est possible de procéder à un assemblage, par exemple par collage moléculaire, sur un autre substrat, dit substrat de report. La face avant du substrat est assemblée avec le substrat de report. Cet assemblage peut être réalisé avant, ou après, l'implantation ionique ou atomique par la face arrière. 6 Avantageusement, il est possible de réaliser, après assemblage, mais avant implantation, un traitement thermique ou un traitement à haute température, par exemple supérieure à 500 °C ou à 700°C ou à 900°C ou à 1000°C. Un tel traitement peut permettre de renforcer l'énergie de collage à l'interface. Plus généralement il est possible de réaliser, là encore après assemblage mais avant implantation, un traitement à haut budget thermique, le budget thermique étant défini par le couple {température appliquée; durée d'application}. De tels traitements ne sont pas toujours possibles si une implantation est déjà réalisée. Une implantation face arrière permet de réaliser un assemblage face avant, avant de réaliser l'implantation elle-même. L'épaisseur E du substrat avant implantation est par exemple supérieure à 100 pm ou 150 pm ou 200 pm. Le substrat a une épaisseur par exemple inférieure à 1000 pm. L'épaisseur e de la couche délimitée dans le substrat après implantation peut être quant à elle inférieure à 5 pm ou 10 pm ou 20 pm ou 50 pm. En général e < E/2. La couche à séparer du substrat, ou supportée par la couche à séparer du substrat, peut être une couche de composants ou comporter une couche active comportant elle même des composants. Selon un exemple, il s'agit d'une couche de cellules solaires. La couche de matériau à reporter et le substrat peuvent avoir des coefficients de dilatation thermiques différents. 7 Un procédé selon l'invention peut faire partie d'un procédé de séparation de la couche à reporter, et comporter en outre une étape de fracture du substrat au niveau de la zone d'implantation, de préférence au maximum de concentration de l'espèce implantée, séparant ainsi la couche de matériau à séparer du reste du substrat. Il est donc possible de procéder à une fracture, dans la zone de fragilisation, afin de séparer du reste du substrat la couche qui a été définie par la zone de fragilisation créée par implantation. Cette fracture est par exemple réalisée par un traitement thermique, assisté ou non par l'application de contraintes mécaniques.

Eventuellement, s'il y a eu assemblage préalable avec un substrat de report, on réalise ainsi le report de la couche à reporter sur le substrat de report. Selon l'invention on peut donc réaliser un démontage ou un report de la couche définie par l'implantation, après formation ou traitement de cette couche, tout en conservant l'intégralité structurale de cette dernière. C'est donc par sa face avant que la couche délimitée par implantation est détachée, ou qu'une couche comportant ou supportant ladite couche délimitée par sa face avant est détachée, par exemple par report sur un autre substrat. On peut procéder à outre un traitement 30 thermique du reste du substrat (c'est-à-dire la portion du substrat qui reste après détachement de la couche à 8 séparer), par exemple en vue de régénérer celui-ci. Un traitement thermique adapté peut être mis en oeuvre pour évacuer des espèces implantées résiduelles ou pour réarranger les atomes du substrat, dont l'arrangement aurait pu être perturbé, par l'implantation réalisée antérieurement. Il est aussi possible de procéder à une épitaxie d'au moins une couche de matériau sur une surface du reste du substrat, formant un nouveau substrat qui va pouvoir être utilisé, lui aussi, conformément à l'invention. En particulier, l'étape d'épitaxie peut comporter l'épitaxie d'une couche de confinement. Une telle couche de confinement sera enterrée et de préférence localisée au niveau d'au moins une future zone implantée afin de localiser les espèces au moment d'une implantation ultérieure ou après un traitement thermique adapté. Localiser les espèces permet en effet de limiter l'énergie thermique et/ou mécanique nécessaire pour obtenir la fracture ou de limiter la dose d'espèces à implanter pour obtenir cette fracture. Cela permet également de limiter en épaisseur la zone endommagée obtenue après fracture et donc de limiter les traitements de surface à réaliser sur cette face.

On peut ainsi ré-épaissir le substrat par épitaxie ce qui permet de compenser la perte d'épaisseur de ce dernier qui résulte d'une mise en oeuvre antérieure de l'invention. Mais on peut aussi réutiliser le reste du substrat sans lui faire subir un épaississement. 9 Puis, le reste du substrat, comportant une face avant et une face arrière, la face avant étant la face la plus proche d'une deuxième couche de matériau à séparer, peut être soumis à une implantation ionique ou atomique par la face arrière avec une énergie supérieure à 1 MeV, pour former une zone d'implantation qui délimite la deuxième couche à séparer. Toutes les variantes décrites ci-dessus pour la première implantation et le premier traitement peuvent être mis en oeuvre pour cette deuxième opération d'implantation. On peut renouveler cette opération autant de fois qu'il y a de matière disponible sur le reste du substrat. Comme expliqué ci-dessus, le reste du substrat peut être régénéré, par exemple par épitaxie. L'invention permet donc un recyclage du substrat qui, contrairement aux techniques d'amincissement mécano-chimique, est préservé par la technique mise en oeuvre. Cela est d'autant plus critique quand le substrat est réalisé dans un matériau rare et cher comme le germanium ou l'alliage GaAs. On peut donc utiliser la portion restante du substrat pour réaliser de nouveau un procédé selon l'invention: on implante cette portion restante en face arrière, afin de délimiter une nouvelle couche à séparer ou à reporter. Avec la présente invention : - on contrôle très bien l'épaisseur de la couche active que l'on désire conserver, contrairement aux techniques d'amincissement, 10 - on peut minimiser l'épaisseur de la couche conservée, par exemple, on peut conserver une épaisseur de couche inférieure à 10 pm, alors qu'il est très difficile d'atteindre de telles épaisseurs par amincissement mécanique et/ou chimique, - la durée de mise en oeuvre du procédé n'est pas proportionnelle à l'épaisseur de la plaquette, contrairement à l'amincissement mécano-chimique.

Avantageusement, on pourra choisir pour faciliter la mise en oeuvre de l'invention un substrat support en un matériau moins dense que le matériau de la couche à séparer ou à reporter, afin de faciliter la pénétration des ions au travers de ce substrat, par exemple en rendant poreuse la face arrière, ou une couche voisine ou proche de la face arrière du substrat dans lequel on souhaite prélever une couche sur la face avant. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - Les figures 1A-1E représentent des étapes d'un procédé selon l'art antérieur, mettant en oeuvre une implantation en face avant d'un substrat, - les figures 2A-2B représentent des étapes d'un procédé selon l'invention, mettant en oeuvre une implantation en face arrière d'un substrat, - la figure 3 est un schéma représentant la distribution d'espèces implantées dans un substrat en fonction de la profondeur dans ce substrat, - la figure 4 est un schéma représentant la 30 profondeur d'implantation d'ions hydrogène dans un 11 substrat en silicium en fonction de l'énergie d'implantation, - les figures 5A-5E sont des étapes d'une application de l'invention à la réalisation d'une cellule solaire, - les figures 6A-6C représentent des étapes d'un autre procédé selon l'invention, mettant en oeuvre une implantation en face arrière d'un substrat, mais après un assemblage avec un substrat de report, - les figures 7A et 7B représentent des étapes d'un procédé de régénération d'un substrat dont on a déjà reporté une couche par un procédé selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la suite, on fait mention du procédé de fracture de substrat Smart CutTM . Ce procédé est décrit par exemple dans l'article de B. Aspar et A.J. Auberton-Hervé Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications , edited by S.S. Iyer and A.J. Auberton-Hervé, 2002, INSPEC, London, Chapter 3, pages 35-52. Dans la suite, il est également fait référence au collage moléculaire encore appelé collage direct. Cette technique d'assemblage est décrite notamment par Q.Y. Tong dans Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications , Edited by S.S. Iyer et A.J. Auberton-Hervé, 2002, INSPEC, London, Chapter 1, pages 1 - 20. Les figures 2A-2B représentent des étapes d'un procédé selon l'invention. 12 On considère là encore un substrat 4 (figure 2A), dont on veut prélever une couche mince 8 en surface, par exemple une couche dans laquelle des composants ont été réalisés. La surface 10 du substrat est la surface de la couche 8 elle-même, ou bien cette couche 8 est proche de cette surface. La surface 10 du substrat 4 peut présenter une topologie, c'est-à-dire des différences d'altitudes ou de niveaux entre les zones élevées et les zones basses de cette surface, qui correspondent par exemple à plusieurs niveaux (suivant une direction perpendiculaire au substrat 4) dans des zones différentes. Dans une première étape (figure 2A), on réalise une implantation à forte énergie 2 d'ions ou d'atomes légers, par exemple de l'hydrogène, dans le substrat 4 afin d'y réaliser une zone 6 de fragilisation. L'implantation est réalisée par la face arrière 14, avec une énergie qui permet de placer le pic de concentration en espèces implantées au même endroit qu'avec une implantation par la face avant selon un procédé de l'art antérieur. La zone 6 sépare donc le substrat en deux parties (figure 2B) . - une première partie 8, comportant la couche à reporter, qui n'a pas été traversée par le faisceau d'espèces implantées. Sa face libre 10 est dite face avant, - une deuxième partie 12, qui est la partie destinée à être séparée de la couche 8. La surface libre 14 de cette deuxième partie est celle qui a été 13 traversée par le faisceau d'espèces implantées. Il s'agit de la face arrière du substrat, surface qui est opposée à la face avant 10. Dans une deuxième étape (figure 1D), on peut assembler la face avant 10 du substrat ainsi implanté sur un substrat 34, dit de report. L'assemblage entre la face 10 du substrat implanté et la face 16 du substrat de report est par exemple réalisé par collage moléculaire. Les surfaces mises en contact peuvent avoir subi un traitement préalable, par exemple un polissage et/ou le dépôt d'une couche d'assistance au collage. Dans une troisième étape (figure 1E), une étape de fracture peut être réalisée, par effet thermique assisté éventuellement de l'application de contraintes mécaniques : l'ensemble est porté à une température permettant d'induire un phénomène de bullage dans la zone 6 de fragilisation, puis de fracture.

En variante, à la place des étapes des figures 1D et 1E, on réalise une fracture du substrat tel que représenté en figure 2B: on obtient alors la couche 8 (ou l'ensemble constitué par la couche 8 et la couche 20) autoportée, séparée du reste 12 du substrat 4. Cette fracture peut être obtenue par exemple par effet thermique. Les figures 6A-6C représentent des étapes d'un autre procédé selon l'invention. On considère là encore un substrat 4 30 (figure 6A), dont on veut prélever une couche mince 8 en surface, par exemple une couche dans laquelle des 14 composants ont été réalisés. La surface 10 du substrat est la surface de la couche 8 elle-même, ou bien cette couche 8 est proche de cette surface. Dans une première étape (figure 6A), on réalise un assemblage de la face avant 10 de ce substrat 4 sur un substrat 34, dit de report. L'assemblage entre la face 10 du substrat implanté et la face 16 du substrat de report est par exemple réalisé par collage moléculaire. Les surfaces mises en contact peuvent avoir subi un traitement préalable, par exemple un polissage et/ou le dépôt d'une couche d'assistance au collage. A ce stade, et avant de réaliser l'étape d'implantation suivante, il est possible de réaliser un traitement thermique, par exemple traitement de renforcement de l'assemblage des deux substrats 4 et 34. Ce traitement thermique peut être effectué à une température que n'aurait pas supportée la structure comportant déjà une implantation, par exemple un traitement à une température supérieure à 500 C ou 700° C ou 1000°C. Dans une deuxième étape (figure 6B), on réalise une implantation à forte énergie 2 d'ions ou d'atomes légers, par exemple de l'hydrogène, dans le substrat 4 afin d'y réaliser une zone 6 de fragilisation (figure 6C). L'implantation est réalisée par la face arrière 14, opposée à celle qui est maintenant assemblée avec la face 16 du substrat de report. L'implantation est réalisée avec une énergie qui permet de placer le pic de concentration en espèces 15 implantées au même endroit qu'avec une implantation par la face avant selon un procédé de l'art antérieur. La zone 6 sépare donc le substrat en deux parties (figure 6C) . - une première partie 8, comportant la couche à reporter, qui n'a pas été traversée par le faisceau d'espèces implantées. Sa face 10 assemblée avec la face 16 du substrat 34 est dite face avant, - une deuxième partie 12, qui est la partie destinée à être séparée de la couche 8. La surface libre 14 de cette deuxième partie est celle qui a été traversée par le faisceau d'espèces implantées. Il s'agit de la face arrière du substrat, surface qui est opposée à la face avant 10.

Puis, une étape de fracture peut être réalisée, par effet thermique assisté éventuellement de l'application de contraintes mécaniques : l'ensemble est porté à une température permettant d'induire un phénomène de bullage dans la zone 6 de fragilisation, puis de fracture. En variante, le substrat 4 peut comporter à sa surface une couche 20 formée en face avant du substrat 4, avant ou après l'implantation de la figure 2A. Cette couche 20 peut comporter un ou plusieurs composants. Dans ce cas, ce qui va pouvoir être reporté sur un autre substrat est l'ensemble constitué par cette couche 20 et la partie superficielle 8 du substrat 4 qui a été implanté par sa face arrière 14. Dans le cas des figures 6A - 6C, cette couche est formée avant assemblage des deux substrats, c'est-à- dire avant l'étape de la figure 6A. 16 Dans tous les cas, une surface qui résulte d'une fracture peut subir une ou plusieurs étapes de polissage mécanique ou mécano-chimique. Dans tous les cas encore, la portion 12 restante du substrat 4 peut elle-même subir une implantation comme sur la figure 2A afin d'y définir une nouvelle couche 8 à séparer. Toutes les variantes décrites peuvent être appliquées à ce nouveau substrat. Cette réutilisation de la portion restante peut être réalisée autant de fois que souhaité, pour autant que de la matière soit disponible. Avantageusement avant de réutiliser un substrat 4, ou plutôt sa portion restante 12, celle-ci pourra subir différents traitements visant à la régénérer. On pourra par exemple : effectuer un traitement thermique adapté pour évacuer l'hydrogène résiduel ou réarranger les atomes qui auraient pu être désordonnés par l'implantation, - et/ou ré-épaissir le substrat par épitaxie permettant ainsi de compenser la perte d'épaisseur de ce dernier à chaque utilisation de l'invention. Avantageusement, on pourra prévoir (figure 7A), lors de l'épitaxie de faire d'abord croître une couche 40 de confinement, enterrée, localisée au niveau d'au moins une future zone implantée 60 afin de localiser les espèces au moment de l'implantation ou après un traitement thermique adapté.

Puis la couche 20 est épitaxiée (figure 7B) ; l'ensemble forme alors un nouveau substrat 4' qui 17 peut être utilisé comme le substrat 4 précédent, pour effectuer un nouveau report, après implantation, celle-ci étant effectuée avant ou après assemblage comme déjà expliqué ci-dessus. Lors de l'implantation ou après un traitement thermique adapté, les espèces gazeuses viendront se confiner dans la zone 40, ce qui aura pour effet d'obtenir après fracture une zone endommagée d'épaisseur réduite (correspondant à une rugosité de surface réduite) par rapport à celle que l'on aurait obtenue sans cette zone de confinement. Par exemple, si le substrat 4 est en silicium, on pourra prévoir lors de la ré-épitaxie de silicium 20 pour régénérer le substrat, la réalisation d'une couche 40 enterrée, par exemple de 50 nm d'épaisseur, de silicium fortement dopé en bore (par exemple de dopage supérieur à 1019/cm3) au niveau de la zone 60 où l'hydrogène sera ultérieurement implanté. Lorsque l'implantation du substrat (ou plaquette) 4 ou 4' est réalisée (figure 2A ou 6B), les espèces implantées pénètrent plus ou moins profondément dans ce substrat ou cette plaquette en fonction de l'énergie qui leur est donnée et en fonction de la nature du matériau. En considérant que la plaquette 4 ou 4' est réalisée en un matériau homogène, qu'elle possède une face 14 plane et que le bombardement ionique 2 est réalisé par un faisceau d'ions possédant une énergie déterminée, les ions implantés vont se répartir autour d'une profondeur moyenne avec une concentration maximum autour de cette profondeur moyenne. 18 La figure 3 montre un exemple d'un profil de concentration ionique correspondant à l'implantation d'ions H+ (protons) dans une plaquette de silicium monocristallin. Pour plus de détail on pourra se reporter au document US 5 374 564. Sur la figure 3, l'axe des ordonnées correspond à la face plane 14 de la plaquette 4 par laquelle pénètre un faisceau 2 d'ions d'énergie déterminée et symbolisé par des flèches. L'axe des abscisses, parallèle à la direction du faisceau d'ions, représente la profondeur d'implantation p dans le substrat. La courbe 1 représente le profil de concentration C des ions implantés, l'implantation ayant été réalisée à une température déterminée, par exemple à température ambiante. La courbe 1 montre que la concentration d'ions implantés est maximale pour la profondeur Rp. Il est donc possible de concentrer une quantité relativement importante d'ions à une profondeur déterminée à l'intérieur de la plaquette 4.

En figure 4 on a représenté la profondeur d'implantation d'ions hydrogène dans du silicium, en fonction de l'énergie. On voit sur cette figure qu'on peut réaliser une telle implantation dans des conditions permettant une profondeur d'implantation importante, supérieure à plusieurs dizaines de pm, par exemple 100 pm ou 150 pm. Si le substrat a une épaisseur de 150 pm ou de 200 pm, une implantation à une profondeur de, respectivement, 100 pm ou 150 pm, avec une énergie comprise entre 3 MeV et 4 MeV, permet de réaliser une couche de 50 pm. 19 Un exemple concerne une application à un substrat 4 de Si de 100 mm de diamètre et d'épaisseur E = 100 }gym. En implantant ce substrat avec des ions hydrogène, par sa face arrière 14, avec une énergie de 2.5 MeV, le maximum de concentration d'hydrogène se situe à une profondeur e de 33 }gym sous la face avant, ou une distance E-e = 67 }gym de la face arrière 14. En réalisant un recuit de fracture, on détache une couche d'épaisseur e' = 33 }gym, incluant la couche active, et on conserve un substrat d'épaisseur E-e = 67 }gym environ. En faisant varier l'énergie d'implantation, on peut conserver une couche active plus ou moins épaisse, ce qui donne un grand degré de liberté dans le prélèvement de la couche que l'on souhaite faire. Par exemple, pour un substrat 4 en silicium, d'épaisseur E = 200 }gym, et une implantation d'hydrogène avec une énergie de 4 MeV, le maximum de concentration en hydrogène se trouve à une distance de 150 }gym de la face arrière, soit e = 50 }gym sous la face avant. En réalisant le recuit adéquat qui va fracturer le silicium à l'endroit du maximum de concentration en hydrogène, on détache une couche supérieure 8 de e = 50 }gym, en conservant un substrat de 150 }gym d'épaisseur. Quelles que soient les conditions (épaisseur E du substrat 4, épaisseur e de la couche 8) la profondeur d'implantation des ions hydrogène dans le silicium peut être déterminée à l'aide de la figure 4. 20 On peut donc venir prélever en surface l'épaisseur souhaitée tout en conservant un substrat que l'on peut réutiliser, en mettant en oeuvre ou non des traitements de recyclage. Pour d'autres matériaux, notamment semi- conducteurs, on peut tracer une courbe similaire à celle de cette figure 4. Dans le cas où le substrat 4 est constitué d'un support mécanique surmonté d'une couche utile dans laquelle on va définir la couche mince à transférer, l'implantation se fera au travers du support mécanique.

On choisira dans mécanique en un utile (à d'hydrogène d'hydrogène se cas avantageusement un support matériau moins dense que la couche Ainsi pour une implantation le maximum de concentration une profondeur de 93,3 }gym pour reporter). 3 MeV, situe à à se du silicium, de 181,7 }gym pour du silicium poreux (avec une porosité de 40%) et de 60 }gym pour du germanium. Un autre exemple d'application de l'invention concerne la réalisation de cellules solaires. Il va être décrit en liaison avec les figures 5A-5E. Dans cet exemple, on réalise le détachement d'une couche active 20 d'une cellule solaire multijonction, formée sur un substrat 4 de germanium.

On sélectionne donc d'abord (figure 5A) un substrat 4 en germanium, fin, d'épaisseur E pouvant être de l'ordre de 100 }gym. On réalise ensuite (figure 5B), n (par exemple : n = 3) jonctions (désignées globalement par la couche 20) sur ce substrat 4. Ces jonctions vont chacune collecter des photons d'énergie différente. Ces 21 cellules permettent d'atteindre des rendements élevés (rendements de conversion photovoltaïque supérieurs à 30%). Elles sont réalisées dans des alliages de composés III-V. Ces jonctions sont à gap direct : ce sont des matériaux absorbant bien les photons. Généralement, en quelques microns, la totalité de la lumière incidente est absorbée. La couche 20 ainsi obtenue a une épaisseur de, par exemple, 10 }gym. La couche 20 et une partie du substrat 4 vont être détachées par une implantation (figure 5C), réalisée selon l'invention par la face arrière du substrat 4. Puis par collage et traitement thermique, on reporte la couche 20 (figure 5D) sur un support 24 qui en assure la tenue mécanique. Comme on le comprend d'après la figure 5E, une partie substantielle 12 du substrat 4 peut être recyclée en fin de procédé. Après détachement du substrat, la cellule solaire 20 est donc solidaire du support 24 qui lui donne une tenue mécanique. Ce support 24 est plus léger et de coût moindre que le substrat 4 sur lequel la cellule a été initialement réalisée. Il peut s'agir par exemple d'un support plastique. En fin de procédé, seule la couche 20 est nécessaire à la conversion des photons incidents en courant. Le substrat 4 de Ge n'a plus qu'un rôle de support mécanique. Or, ce substrat a un poids, et une application de ces cellules est leur installation dans des satellites envoyés dans l'espace. Pour cette application, le poids est un critère important. La présente invention permet de retirer une partie du 22 substrat en fin de procédé, et donc de supprimer une partie du poids. En variante, il n'y a pas de report de la couche 20 sur un autre substrat 24, et celle-ci est donc autoportée, après fracture le long de la zone 6 ; il reste néanmoins la partie 8 du substrat 4. Le procédé qui vient d'être décrit en liaison avec les figures 5A-5E peut également être utilisé dans le cas d'une couche 20 quelconque, en particulier une couche contenant des composants électroniques : cette couche peut donc être reportée sur un autre substrat 24, ou séparée du substrat 4 avec une partie 8 de ce substrat. Un autre exemple d'application de l'invention concerne le transfert d'un film mince de silicium sur un substrat de saphir. On met pour cela en oeuvre la technique décrite avec les figures 6A-6C. On assemble donc un substrat 4 de silicium avec un substrat de report 34 en saphir par collage moléculaire hydrophile. On effectue alors un traitement thermique à 400°C pour renforcer l'interface de collage. Un tel traitement ne serait pas possible avec les procédés de l'art antérieur nécessitant une implantation face avant. En effet le substrat 4 de silicium aurait dû être implanté avant le collage sur le substrat 34 de saphir et l'hétérostructure ainsi obtenue n'aurait pu atteindre une telle température du fait de la différence de coefficient de dilatation thermique entre les deux substrats assemblés.

On procède alors, après avoir renforcé l'interface de collage, à l'implantation face arrière 23 dans le substrat 4 de silicium pour délimiter le film mince 8 à transférer. Un traitement thermique à 500°C permet alors de finaliser le transfert de bonne qualité du silicium sur le substrat report de saphir.

Plus généralement, il est possible de réaliser après collage mais avant l'implantation, des étapes technologiques impliquant des températures élevées, que n'aurait pas supportées la structure assemblée si l'un des deux substrats assemblés avait été préalablement implanté. A titre d'exemple, on peut citer le report d'un film mince 8 de silicium de surface orienté selon le plan cristallin (111) sur un substrat 34 de silicium possédant une surface orienté selon le plan cristallin (100). Après assemblage des deux substrats de silicium par collage hydrophobe, un traitement thermique à 1100° est possible pour reconstruire le cristal à l'interface de collage, de façon à n'avoir plus qu'une ligne de dislocation à l'interface. Un tel traitement ne serait pas possible si l'un des substrats était implanté. En effet, il conduirait à la fracture de la zone implantée avant une consolidation suffisante du collage ou une guérison totale des défauts. On peut ensuite, apres ce traitement thermique, implanter le substrat de silicium orienté selon le plan de surface (111) et fracturer au niveau de la zone fragilisée ainsi créée pour finaliser le report. L'invention a été décrite pour le report d'un film de silicium sur un substrat de saphir. On comprend que l'invention s'applique plus généralement au transfert d'un premier matériau sur un substrat en 24

un deuxième matériau, le premier matériau et le second matériau présentant des coefficients de dilatation thermique différents.5

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de définition d'une première couche (8, 20) de matériau à séparer d'un substrat (4), ce substrat comportant une face avant (10) et une face arrière (14), la face avant étant la face la plus proche de la couche de matériau à séparer, ce procédé comportant une implantation (2) ionique ou atomique par la face arrière (14) avec une énergie supérieure à 1 MeV, pour former une zone d'implantation (6) qui délimite la couche à séparer.
2. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre une étape d'assemblage du substrat avec un substrat (24, 34) de report.
3. Procédé selon la revendication 2 l'assemblage étant réalisé avant l'implantation ionique ou atomique par la face arrière (14).
4. Procédé selon la revendication 3, comportant en outre une étape de traitement thermique, ou de traitement avec un budget thermique élevé, après assemblage mais avant implantation. 25
5. Procédé selon la revendication 2 l'assemblage étant réalisé après l'implantation ionique ou atomique par la face arrière (14). 30
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, l'implantation étant une implantation (2) d'ions hydrogène.20 26
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, l'épaisseur E du substrat (4) avant implantation étant supérieure à 100 pm ou 150 pm ou 200 pm.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, l'épaisseur e de la couche (8) délimitée dans le substrat après implantation étant inférieure à 5 pm ou 10 pm ou 20 pm ou 50 pm.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, la couche (8, 20) délimitée par l'implantation supportant ou comportant une couche (20) de composants
10. Procédé selon la revendication 9, la 15 couche de composants étant une couche de cellules solaires.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, le substrat (4) étant en matériau semi-20 conducteur.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, le substrat (4) étant en germanium ou en GaAs ou en Si.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la couche de matériau à reporter et le substrat ayant des coefficients de dilatation thermiques différents. 10 25 30 27
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, comportant en outre une étape de fracture du substrat au niveau de la zone (6) d'implantation, séparant ainsi la couche (8, 20) de matériau à séparer du reste (12) du substrat.
15. Procédé selon la revendication précédente, comportant en outre un traitement thermique du reste (12) du substrat.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, comportant en outre une épitaxie d'au moins une couche (40, 20) de matériau sur une surface du reste (12) du substrat, formant un nouveau substrat (4').
17. Procédé selon la revendication précédente, comportant l'épitaxie d'une couche (40) de confinement.
18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17, le reste (12) du substrat comportant une face avant (10) et une face arrière (14), la face avant étant la face la plus proche d'une deuxième couche de matériau à séparer, ce procédé comportant une 25 implantation (2) ionique ou atomique par la face arrière (14) avec une énergie supérieure à 1 MeV, pour former une zone d'implantation (6) qui délimite la deuxième couche à séparer. 15 20 30