FR2961515A1 - Procede de realisation d'une couche mince de silicium monocristallin sur une couche de polymere - Google Patents

Abstract

Pour le transfert d'une couche mince de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur 1 qui est en silicium monocristallin sur au moins une épaisseur, à partir d'une face libre, supérieure à celle de la couche mince à transférer, on implante des ions d'au moins une espèce donnée au travers de cette face libre en sorte de former, dans le silicium monocristallin, une couche fragile enterrée 2, on colle ce substrat donneur, par ladite surface libre, à un substrat récepteur 4, au moyen d'une couche de polymère 5, et on provoque la fracture de la couche mince 3 vis-à-vis du substrat donneur au niveau de la couche fragile enterrée par un traitement de fracture essentiellement thermique ; les conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince 3 est inférieure à 10 micromètres et l'épaisseur de la couche de polymère 5 est inférieure à un seuil, au plus égal à 500 nm et à l'épaisseur de la future couche mince, défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation.

Description

10 Domaine technique L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin (d'épaisseur de préférence inférieure à 10 micromètres voire inférieure à de l'ordre du micromètre), sur une couche de polymère. Elle 15 s'applique en particulier à la réalisation d'une structure de type SOI (Silicon On Insulator) comportant un polymère comme couche isolante. Elle vise également le transfert d'une couche mince de silicium monocristallin sur un substrat à base de polymère.

20 Le document FR - 2 681 472 (Bruel) décrit les bases d'un procédé notamment connu sous le nom de « Smart Cut TM ». Il décrit en particulier un procédé d'obtention d'une couche mince de silicium monocristallin sur un support pour fournir un substrat de type SOI (acronyme anglais pour « Silicon On Insulator »). Le procédé standard comprend trois étapes successives. La 25 première étape est une étape d'implantation par bombardement ionique, par de l'hydrogène ou de l'hélium par exemple, créant dans le volume du substrat implanté (parfois appelé substrat donneur) une zone fragilisée enterrée, délimitant, par rapport à la face d'implantation du substrat, une couche mince du matériau implanté. La seconde étape consiste à mettre en contact intime la 30 face implantée avec un substrat récepteur. La troisième étape consiste à réaliser une séparation (ou fracture) de la structure obtenue au niveau de la zone fragilisée enterrée en appliquant un traitement thermique qui provoque la coalescence des défauts générés par les ions implantés. Le substrat récepteur a en pratique deux fonctions. Il sert tout 35 d'abord de raidisseur pour la couche mince lors de sa séparation, de manière à 1 éviter la formation de cloques du fait de la coalescence des défauts et favoriser au niveau de la zone fragile enterrée le développement de cavités selon un plan parallèle à la surface d'implantation et mener ainsi à la séparation ; pour ce faire, le substrat comporte, au moins en surface, une couche dont la rigidité est suffisante pour assurer ce rôle de raidisseur. Il sert en outre de substrat de manipulation permettant d'appliquer des étapes ultérieures à la couche mince après sa séparation, surtout lorsque la couche mince est destinée à être solidarisée d'un autre substrat, pour son utilisation. En pratique il est apparu que l'ajout d'un raidisseur supplémentaire pouvait ne pas être nécessaire pour des épaisseurs de couche mince supérieures à un seuil pour lequel la couche mince est suffisamment rigide en soi pour remplir elle-même ce rôle de raidisseur; le substrat récepteur peut dans ce cas être omis ou être assemblé uniquement à des fins de substrat de manipulation. En ce qui concerne l'assemblage du substrat implanté, par sa face implantée, au substrat récepteur, on a distingué deux techniques, à savoir un collage direct, et un collage par polymère (encore appelé collage par apport de matière ou collage par adhésif). Le collage direct, aussi appelé collage moléculaire, impose une grande planéité et une faible rugosité des deux surfaces à coller, alors que le collage par polymère permet de réduire ces contraintes de planéité et de rugosité, puisque la couche d'adhésif peut compenser un certain écart de planéité ou un certain niveau de rugosité sur chacune des surfaces à coller. Puisque, par application de la technologie précitée, la couche mince qui est prélevée dans le substrat donneur est finalement portée par le substrat récepteur, on parle classiquement d'une opération de transfert de la couche mince sur le substrat récepteur (qu'il s'agisse, ou non, du substrat final). Parmi les principaux avantages qu'apporte l'utilisation d'un polymère comme couche adhésive, on peut citer : ^ La simplification des traitements de surface à réaliser dans d'éventuelles étapes de collage, ^ Le faible coût de l'étape de collage, ^ Une forte adhérence dès les basses températures, ^ Une bonne capacité de démontage (c'est-à-dire de décollement) par traitement spécifique du polymère... On comprend en outre que, plus l'épaisseur de polymère est importante au sein du substrat récepteur, meilleure est la flexibilité mécanique de ce substrat mécanique. En pratique la couche de polymère formant adhésif confère en soi une adaptabilité mécanique entre la partie sous-jacente du substrat récepteur et la couche mince, qui peut notamment contribuer à compenser des contraintes résultant par exemple d'éventuelles différences de coefficient de dilatation thermique entre cette partie sous-jacente et la couche mince.

Etat de la technique antérieure

Divers matériaux ont déjà fait l'objet d'opérations de transfert par 15 application du procédé « Smart Cut TM » avec mise en oeuvre d'une couche de polymère. Ainsi, le document « lon-sliced lithium niobate thin films for active photonic devices » de Poberaj et al paru dans Optical Materials 30 (2009) 1054-1058 (voir aussi le document WO - 2008/098404) décrit, dans le domaine de 20 l'optique, le transfert de couches minces de niobate de lithium sur un substrat de niobate de lithium, après collage par polymère des substrats donneur et récepteur au travers d'une couche d'adhésif en benzocyclobutène (BCB). Il est indiqué comme important que le substrat récepteur ait un coefficient de dilatation thermique identique ou similaire à celui du film transféré ; il est par 25 ailleurs expliqué que ce collage utilisant une fine couche de polymère adhésif a l'avantage de présenter moins de contraintes quant à la planéité, la rugosité et la propreté des surfaces à coller. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi une structure formée d'un substrat récepteur de niobate de lithium recouvert d'une fine couche de chrome (50 nm d'épaisseur) formant électrode, d'une couche de 30 BCB de 1 à 2.5 micromètres d'épaisseur et une couche mince de niobate de lithium de 670 nm d'épaisseur.

Par ailleurs, l'article « Double-flip transfer of indium phosphide layers via adhesive wafer bonding and ion-cutting process » de Chen et al. paru dans Applied Physics Letters 90, 052114 (2007) décrit le transfert de couches d'InP sur un substrat de verre, après un collage au moyen d'une couche d'adhésif formée de résine Microchem SU-8 5, qui est réticulée par rayonnement UV après rapprochement des substrats. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi une structure formée d'un substrat de verre surmonté d'une couche de résine (2.6 micromètres d'épaisseur) et d'une couche mince d'InP (d'épaisseur 500 nm). On peut aussi citer l'article « Flexible Ge-on-polyimide detectors » de Ho et al. paru dans Applied Physics Letters 94, 261107 (2009) qui décrit le transfert de germanium (Ge) sur du polyimide, après un collage au moyen d'une couche d'adhésif. On peut rappeler ici que l'un des polyimides les plus connus sous forme de film sec est le Kapton®. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi, à titre provisoire, une structure comportant un substrat de polyimide, donc souple, recouvert d'une couche de résine photosensible SU-8 2100, portant une couche mince de germanium (1,6 micromètres d'épaisseur). Il mérite d'être noté que les publications précitées concernent des matériaux divers qui sont, tous, différents du silicium. Or il est apparu que le transfert de couches minces de silicium après un collage par polymère soulève des difficultés particulières dont l'explication reste inconnue. Ainsi l'article « Fabrication Techniques for Thin-Film Silicon Layer Transfer » de HolI et al. paru dans ECS transactions- Vol 3 issue 6 (2006) pp67-73 commente le transfert de couches minces de silicium après un collage direct et après un collage au moyen d'une couche de polymère. Plusieurs types de substrats récepteurs pouvant servir de raidisseurs sont mentionnés, à savoir de la silice fondue, du quartz et du silicium. Dans les résultats concernant le transfert proprement dit, il est indiqué que, après une implantation d'hydrogène à une profondeur de 360 nm, une couche de trois à quatre micromètres de SiO2 (référencé par la suite sous le terme SiO2 TEOS) est déposée par dépôt en phase vapeur (CVD) à partir de TEOS (tetraéthyl orthosilicate) sur le substrat donneur en silicium en tant que raidisseur ; c'est entre cette couche d'oxyde formant raidisseur et le substrat récepteur qu'est prévue la couche de polymère ; il est précisé que, lorsque la couche mince de silicium n'est pas raidie par la couche d'oxyde, le film ne conserve pas son intégrité lors de la séparation. Ce document ajoute que des essais ont permis la formation de couches minces par séparation après implantation, en utilisant un polymère de haute température en tant qu'adhésif ; mais le document auquel il est ainsi fait référence, à savoir l'article « Silicon Layer Transfer Using Wafer Bonding and Debonding » de Colinge et al, paru dans Journal of Electronic Materials, Vol 30, N°7, 2001, pp841-844 - voir aussi le document WO - 2004/0102020 (Roberds et al) -, confirme la nécessité d'une couche épaisse de SiO2 TEOS le long de la couche mince à transférer, en expliquant que le polymère est trop souple et qu'il peut fluer durant l'étape de séparation, d'où la formation de cloques. Cet article de 2001 mentionne, en combinaison avec des épaisseurs de un à quatre micromètres pour le SiO2 TEOS et une épaisseur de silicium de 360 nm, des épaisseurs de 400 à 750 nm pour la couche de polymère.

Dans un contexte différent, le document FR - 2 925 221 (Di Cioccio) explique, notamment, qu'un double transfert (depuis un substrat donneur vers un substrat récepteur puis vers un substrat final) ne peut pas se faire en utilisant des substrats souples car, soit ils sont trop mous et se déforment au cours de l'étape de maturation des cavités au niveau de la zone fragile enterrée créée par implantation, soit ils sont thermodéformables ou thermodégradables et ne supportent pas les températures imposées par le procédé de fracture, et ils ne gardent donc plus la rigidité nécessaire. Ce document enseigne un collage (direct) entre une face d'un substrat donneur et une face d'une couche de polymère de type silicone, après avoir appliqué à cette face un traitement sous rayonnement UV, ce qui a pour effet de convertir la couche de polymère en un oxyde rigide sur une grande épaisseur, de l'ordre de 10 à 20 micromètres. Le transfert d'un film mince, notamment de silicium, directement sur un substrat en polymère (plus précisément un support souple en « Kapton ® » d'épaisseur typique de l'ordre de 100 micromètres) est mentionné dans le document FR - 2 748 851, mais selon une version de la technologie « Smart Cut TM » dans laquelle la fracture au niveau de la couche implantée est obtenue par application de force(s) mécanique(s) supplémentaire depuis l'extérieur. Il n'y a pas de couche supplémentaire en complément de ce substrat en polymère, mais il faut noter que, puisque la fracture implique, selon cette technologie, un traitement thermique bien moindre que dans le cas d'une fracture d'origine exclusivement thermique, le phénomène de cloquage est bien moindre de sorte que la présence d'un raidisseur ne s'impose pas. Il découle en synthèse des documents ci-dessus que, bien qu'une fracture au sein d'un substrat donneur implanté peut être obtenue, par un traitement essentiellement thermique, lorsque ce substrat donneur est en germanium, en niobate de lithium ou en phosphure d'indium, et est collé par l'intermédiaire d'une couche de polymère, à un substrat récepteur, il n'en est pas de même dans le cas d'un substrat donneur en silicium, pour lequel la présence d'une couche intermédiaire faisant fonction de raidisseur le long de la future couche mince semble impératif.

On comprend que le phénomène de cloquage qui provoque le morcellement de la couche mince de silicium en l'absence d'un raidisseur le long de cette couche est d'autant plus important que l'épaisseur de cette couche mince est faible. Or l'évolution actuelle va vers l'utilisation de couches minces de silicium de plus en plus fines, dont l'épaisseur est désormais habituellement inférieure à 10 micromètres, voire inférieure à 5 micromètres, voire inférieure au micromètre, voire même inférieure à 500 nm. Il semble donc actuellement impossible de réaliser, par fracture le long d'une couche implantée, le transfert d'une couche mince de silicium monocristallin d'épaisseur inférieure à 10 micromètres par un traitement de fracture essentiellement thermique, lorsque l'on souhaite profiter des avantages de la présence d'une couche de polymère adjacente à la face de cette couche mince au travers de laquelle l'implantation a été effectuée. Pourtant le besoin est grand, notamment pour des applications photovoltaïques nécessitant des procédés à coûts faibles (que ne permet pas d'atteindre la mise en oeuvre d'un collage direct).

Présentation de l'invention

L'invention vise à surmonter l'apparente impossibilité énoncée ci-dessus et propose un procédé de fracture, par implantation et par traitement essentiellement thermique, d'une couche mince d'épaisseur inférieure à 10 (voire 5 ou même de l'ordre de un) micromètres de silicium monocristallin adhérant directement à une couche de polymère. L'invention propose à cet effet un procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur qui est en silicium monocristallin sur une épaisseur, à partir d'une face libre, supérieure à celle de la couche mince à transférer, selon lequel on implante des ions d'une espèce donnée au travers de cette face libre en sorte de former, dans le silicium monocristallin, une couche fragile enterrée, on colle ce substrat donneur, par ladite surface libre, à un substrat récepteur au moyen d'une couche de polymère, et on provoque la fracture de la couche mince vis-à-vis du substrat donneur au niveau de la couche fragile enterrée par un traitement de fracture essentiellement thermique, caractérisé en ce que les conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince est inférieure à 10 micromètres et l'épaisseur de la couche de polymère est inférieure à un seuil, au plus égal à 500 nm et à l'épaisseur de la future couche mince, défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation. Ainsi, le procédé de l'invention comporte trois étapes principales, à savoir une implantation ionique, une mise en contact sur un polymère et une fracture, l'épaisseur de la couche de polymère étant suffisamment fine, compte tenu des conditions d'implantation (énergie - ce qui détermine la profondeur d'implantation- et dose - ce qui détermine la densité des cavités générées au niveau de la zone fragile enterrée), pour que la présence d'un raidisseur à l'opposé de la couche mince par rapport à la couche de polymère assure un effet de raidissement de cette couche mince au travers de cette couche de polymère. Il est apparu que, surtout dans les conditions d'implantation conduisant à une couche mince d'épaisseur inférieure à 10 micromètres, voire 7 inférieure à 5 micromètres, ou même inférieure au micromètre, le seuil d'épaisseur à ne pas dépasser est inférieur à l'épaisseur classique d'une couche de collage ; en effet, les documents précités à propos de LiNbO3 ou de InP mentionnent des couches de collage de plus d'un micromètre d'épaisseur (typiquement deux micromètres, voire plus, qui sont les épaisseurs standard de mise en oeuvre des polymères utilisés préconisées par le fabricant) ; dans le cas précité à propos du germanium, il convient de noter qu'il n'y a pas de support rigide. Quant aux documents commentés ci-dessus à propos du silicium, ils mentionnent des épaisseurs de polymère de 400 à 750 nm en combinaison avec une couche de plusieurs micromètres d'oxyde SiO2 TEOS entre le polymère et le film mince à détacher (en complément d'une couche d'oxyde à la surface du polymère) Il mérite d'être souligné que, en pratique, les matériaux adhésifs de collage, tels que le BOB, sont fournis sous une forme telle que leur épandage sur une surface à coller se fait naturellement sur une épaisseur supérieure au micromètre ; ce n'est généralement qu'en pensant à diluer ces matériaux qu'on peut facilement réduire cette épaisseur. Pourtant, l'homme de métier avait tendance à penser qu'un collage par adhésif est d'autant meilleur que l'adhésif est uniformément réparti (c'est-à-dire qu'il est présent partout), ce qui est d'autant plus facile à obtenir que l'épaisseur de cet adhésif est importante. Il était donc contraire à la tendance naturelle de l'homme de métier de penser à réduire l'épaisseur de la couche de collage jusqu'en dessous d'un seuil inférieure à 500 nm, en principe inférieur à l'épaisseur de la couche mince à détacher.

En outre, face à la difficulté à obtenir un raidissement satisfaisant avec les couches de polymère mises en oeuvre, il a été constaté qu'une tendance naturelle de l'homme de métier consistait à penser qu'un meilleur effet de raidissement serait obtenu en augmentant l'épaisseur du polymère en question, éventuellement dans des conditions lui conférant une rigidité améliorée. Mais cette tendance naturelle a elle aussi été contraire à la démarche que l'invention a enseignée.

Le substrat donneur peut être constitué, sous sa face par laquelle il est collé par le polymère au substrat récepteur, d'un matériau autre que du silicium monocristallin, par exemple un oxyde thermique ou un oxyde natif. Cette couche superficielle peut avoir pour rôle notamment de protéger le substrat donneur pendant l'étape d'implantation. Cette couche doit avoir une épaisseur maximum de quelques dizaines de nanomètres seulement, nettement insuffisante pour provoquer en soi un effet de raidissement significatif.

Une manière de corréler les conditions d'implantation au seuil maximum d'épaisseur de la couche de polymère est de corréler ce seuil à la dimension moyenne des cavités générées par l'implantation et le traitement thermique juste avant la fracture purement thermique. C'est ainsi que, de manière avantageuse, le seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère est dans un rapport de l'ordre de 1:15 par rapport à la dimension moyenne, parallèlement à ladite face libre, des cloques qui seraient observées dans le substrat donneur, après implantation avec ladite énergie et ladite dose d'implantation. Typiquement, on pourra choisir pour cette épaisseur une valeur de l'ordre de 20 fois plus petite que cette dimension latérale moyenne.

L'implantation peut être faite avec une grande variété d'espèces ioniques, notamment (mais pas nécessairement) gazeuses. Le cas d'une implantation d'hydrogène est bien maîtrise. C'est ainsi que, de manière avantageuse, l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une énergie d'implantation d'au plus de 70 keV. De même, de manière avantageuse, l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une dose comprise entre 3.1016 H+ /cm2 et 1,5.1017 H+ /cm2. Une co-implantation d'hydrogène (dans la gamme de doses de 2.1016 H+ /cm2 à 1017 H+ /cm2) et de Bore (dans la gamme de doses de quelques 1014/cm2 à 5.1015/cm2) peut être réalisée afin de baisser la température de fracture. Une co-implantation d'hydrogène et d'hélium peut également être envisagée avec des doses pour chaque espèce comprise entre 2.1016/cm2 et 1017/cm2 et de préférence entre 2 et 5.1016/cm2.

Divers types de polymère peuvent être utilisés, vitreux ou caoutchoutiques, thermodurcissables ou thermoplastiques. De manière avantageuse, la couche de polymère est en benzocyclobutène ou BCB (ou en un produit à base de BCB, tel que du divinylsiloxane-bis-benzocyclobutène, ou DVS-bis-BCB). Le procédé de l'invention est compatible avec des températures de fracture pouvant être élevées par rapport à la gamme de températures des polymères ; c'est ainsi que le traitement thermique de fracture peut être notamment effectué à une température d'au moins 275°C, de préférence au moins 300°C, voire 320°C ou même 350°C. Le substrat récepteur peut être quelconque. Toutefois, de manière avantageuse il peut lui-même être à base de polymère. C'est ainsi que, de manière avantageuse, le substrat récepteur comporte une couche formant raidisseur porté par un substrat de polymère. La couche formant raidisseur est avantageusement formée d'un oxyde ou d'un nitrure de silicium sur une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 10 micromètres. Ce substrat en polymère peut être en un matériau différent de celui de la couche de polymère. Ce matériau est avantageusement en polyimide, par exemple en « Kapton® ».

Description détaillée d'exemples de mise en oeuvre

Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel : la figure 1 est un schéma de principe d'un substrat donneur en cours d'implantation, la figure 2 est un schéma de principe de ce substrat après collage par polymère à un substrat récepteur, la figure 3 est un schéma de principe de ce substrat après transfert d'une couche mince par fracture thermique, la figure 4 est un schéma analogue à celui de la figure 1, 30 - la figure 5 est un schéma analogue à celui de la figure 2, le substrat récepteur étant à base de polymère, et - la figure 6 est un schéma de principe représentant la couche mince obtenue, transférée sur le substrat récepteur à base de polymère. Ainsi que cela ressort des figures 1 à 3, le procédé de l'invention comporte principalement trois étapes. La première étape (voir la figure 1) consiste à implanter des ions d'une espèce donnée, de préférence une espèce gazeuse, notamment de l'hydrogène ou de l'hélium, dans un substrat de départ 1 en silicium monocristallin, dit substrat donneur, duquel la couche mince sera prélevée. Ce substrat donneur est ici massif ; en variante, il est en silicium monocristallin seulement sur une épaisseur donnée, à partir de la face d'implantation, supérieure à la profondeur d'implantation. Dans une autre variante, ce substrat peut comporter une très fine couche superficielle dans un autre matériau que du silicium en surface, par exemple un oxyde de 2 à 100 nanomètres. En conséquence de cette implantation, une zone fragilisée 2 est créée dans le volume, délimitant, par rapport à la face d'implantation du substrat 1A, une couche mince 3 du matériau implanté.

Les conditions d'implantation sont avantageusement telles que la profondeur d'implantation qui détermine l'épaisseur de la future couche mince est inférieure à 10 micromètres voire inférieure à un micromètre, voire 750 nm, voire 500 nm. La deuxième étape (voir la figure 2) consiste à assembler le substrat implanté et un substrat 4 de nature quelconque, dit récepteur, par l'intermédiaire d'une couche de polymère 5 d'une certaine épaisseur, intercalée entre les deux substrats. L'empilement constitué de la couche mince à prélever, du polymère 5 et du substrat 4 doit avoir un rôle raidisseur, c'est-à-dire favoriser le développement dans un plan parallèle à la face d'implantation des cavités générées par l'implantation et ainsi mener jusqu'à la fracture. Il est caractérisé par ailleurs en ce que : ^ l'épaisseur de la couche de polymère est inférieure à une épaisseur critique qui est inférieure à 500 nm, ^ la couche à séparer (éventuellement recouverte d'une fine couche d'oxyde de quelques nanomètres) est en contact direct avec la couche de polymère. La troisième étape (voir la figure 3) consiste à réaliser une fracture de la structure obtenue au niveau de la zone fragilisée en appliquant un traitement essentiellement thermique ; on obtient ainsi une couche mince 3 solidaire du substrat 4, et un reliquat du substrat donneur, noté 1'.

En fait, il a été constaté que cette fracture a ceci de spécifique que le polymère est soumis partiellement ou totalement à une compression de type oedométrique (terme pris au sens discuté dans l'article « Measurement of the mechanical properties of thin films mechanically confined within contacts » de Gacoin et al. (2006)).

Un aspect de l'invention réside dans la détection de l'existence d'une épaisseur critique de la couche de polymère située entre un substrat donneur et un substrat récepteur, couche directement en contact avec le substrat donneur : ^ si l'épaisseur de la couche de polymère est au-dessus d'une certaine épaisseur critique de polymère, il n'est pas possible d'effectuer un transfert de qualité (des phénomènes de cloquage sont observés). ^ si l'épaisseur de la couche de polymère est au-dessous d'une certaine épaisseur critique de polymère, le transfert est possible. Le seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère peut se déterminer de manière empirique, en fonction des divers paramètres des traitements appliqués au substrat donneur entre l'implantation et la fracture. Il a été constaté que, pour des couches minces de silicium d'épaisseur au plus égale à 10 micromètres (a fortiori dans le cas d'une épaisseur inférieure à de l'ordre du micromètre), le seuil est en pratique inférieur à 500 nm, et généralement inférieur à l'épaisseur de la couche mince à transférer.

Une manière de déterminer ce seuil peut consister à se fonder sur la caractérisation des défauts qui se forment dans la couche fragilisée enterrée. Il est rappelé que, lorsqu'une plaque est implantée en vue d'une séparation ultérieure d'une couche mince, des cloques (bulles) peuvent être générées lors de traitements thermiques de ces plaques implantées ; ces cloques peuvent se développer en épaisseur s'il n'y a pas de raidisseur à l'aplomb de la zone implantée. Ces cloques ont des dimensions latérales (dans un plan parallèle à la face d'implantation) supérieures à leur 3ème dimension (épaisseur perpendiculairement à ce plan) par exemple d'un ou deux ordres de grandeur. Les dimensions de ces cloques varient en fonction des paramètres d'implantation, principalement l'énergie (qui détermine la profondeur d'implantation) et la dose (qui détermine la taille et la densité des défauts générés) ; en fait ces dimensions varient aussi en fonction des espèces implantées. Une approximation du seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère consiste à dire que le rapport de l'épaisseur critique de polymère et de la taille latérale moyenne de ces cloques est de 1 :15 (c'est-à-dire qu'on choisira une épaisseur pour la couche de polymère d'au plus 15 fois moins que la dimension latérale des cloques créées par implantation), par exemple de l'ordre de 1:20. Un tel rapport est apparu représenter correctement des résultats obtenus pour plusieurs combinaisons de paramètres d'implantation. La démarche à suivre pour déterminer les épaisseurs limites (critiques) de polymère à ne pas dépasser afin d'obtenir un transfert thermique sans cloquage pour des couches minces d'épaisseur inférieure à 10 micromètres (a fortiori inférieure à de l'ordre du micromètre) est décrite ci-dessous : ^ On utilise des plaques de silicium implantées sans raidisseurs ajoutés à leur surface. ^ On fait varier les conditions d'implantation (natures des espèces, implantations uniques ou multiples, énergies et doses d'implantation ionique) et de traitements thermiques (température, RTP, ramping...) pour modifier les dimensions (latérales et hauteur) des cloques. A partir de la mesure des dimensions latérales des cloques ainsi obtenues, on détermine l'épaisseur critique de polymère en appliquant un rapport de l'ordre de 1:20 à la taille latérale moyenne de cloques (l'épaisseur limite d'une couche de polymère est ainsi de l'ordre de 20 fois plus petite que la dimension latérale moyenne des cloques dans la zone fragilisée formée par implantation). Le procédé précité peut être mis en oeuvre suivant une grande variété de modalités. On entend par couche de polymère tout type de polymère : ^ qu'il soit liquide ou solide, vitreux, cristallin ou caoutchoutique lors des diverses étapes du procédé, ^ qu'il soit mis en forme (séchage, polymérisation, réticulation) avant, pendant ou après le procédé, ^ qu'il se présente sous forme liquide, viscoélastique ou solide. L'étape d'assemblage du substrat donneur implanté, de la couche de polymère et du substrat récepteur servant de support ne nécessite pas de s'effectuer dans un ordre précis. On pourra ainsi : ^ solidariser le substrat implanté, la couche de polymère et le substrat support en une seule étape, ^ solidariser d'abord le substrat implanté et la couche de polymère puis cet ensemble au substrat support, ^ solidariser d'abord le substrat support et la couche de polymère puis cet ensemble au substrat implanté, ^ solidariser le substrat implanté et une couche de polymère puis et le substrat support et une autre couche de polymère (éventuellement de nature différente) puis assembler les couches de polymères en regard.

La couche de polymère peut se présenter sous forme d'une couche composite comportant un empilement de différents polymères.

On comprend que le concept d'épaisseur limite de polymère n'a ici d'intérêt que tant que les profondeurs d'implantation ajoutées aux épaisseurs de raidisseurs additionnels sont inférieures aux épaisseurs qui suffisent pour la réalisation d'un film autoporté (un film est dit autoporté lorsqu'il peut être séparé sans l'adjonction d'un raidisseur). Pour un film de silicium, ce seuil est atteint pour une épaisseur de l'ordre de 15 à 20 micromètres. Des essais ont été réalisés pour illustrer la faisabilité du procédé exposé. Différentes épaisseurs de polymère de DVS-bis-BCB (c'est-à-dire de divinylsiloxane bis benzocyclobutene, soit en abrégé BOB) ont été appliquées sur des substrats de silicium monocristallin. Il est apparu que pour de faibles épaisseurs de polymère le transfert de silicium sur polymère était effectivement réalisable. En revanche, pour des épaisseurs de polymère supérieures à l'épaisseur critique, plus l'épaisseur de polymère était forte, plus faible était le pourcentage surfacique des zones transférées. La notion d'épaisseur limite de polymère a pu ainsi être clairement identifiée. Suivant un premier exemple, des plaques de silicium ont été implantées avec de l'hydrogène (27 KeV, 4.1016 H+ cm-2) et du bore (80 KeV, 1015 cm-2). D'autres conditions d'implantation auraient pu être retenues, par exemple une implantation d'hydrogène seul (27 KeV, 8.1016 H+ cm-2). Des couches de BOB de différentes épaisseurs ont été déposées sur les plaques ainsi implantées. Les épaisseurs de ces couches sont données dans le tableau suivant. profondeur dimension latérales épaisseur de transfert d'implantation moyennes des polymère (nm) (nm) cloques (lm) 350 5 à 6 60 oui 350 5 à 6 200 oui 350 5 à 6 500 <20% 350 5 à 6 1000 <5% Résultats expérimentaux Les films de BCB ont été séchés (par évaporation du solvant) pendant 5 minutes à 150°C. Les plaques ainsi revêtues ont alors été mises en25 contact avec de secondes plaques, dans l'exemple en silicium également ; cette mise en contact a été réalisée par l'intermédiaire de la couche de polymère. Le collage a été assisté par thermocompression pour assurer une bonne mise en contact des plaques. Dans l'exemple considéré, cette étape a servi de traitement thermique de fracture, ici à une température de 300°C pour un traitement pendant 2 heures. En fonction de l'épaisseur de polymère, on a observé une fracture, soit sur toute la surface, soit sur une partie seulement, ou pas de fracture. L'examen des résultats du tableau précité montre qu'une bonne fracture a lieu pour une épaisseur au plus égale à 300nm, ce qui correspond à environ 1:20 de la dimension latérale moyenne des cloques. Cette dimension latérale moyenne avait été mesurée par observation par microscopie optique d'une plaque implantée ayant bullée, le bullage ayant été obtenu par un traitement thermique de deux heures à 300°C. Ce test doit en effet avantageusement être réalisé à la température à laquelle sera obtenue la fracture. On préconise par ailleurs pour ce test un temps de traitement thermique sensiblement égal (voire légèrement supérieur de quelques pourcents) au temps nécessaire pour obtenir la fracture en présence d'un raidisseur afin de s'assurer que les bulles aient atteint leur taille maximale. Suivant un second exemple, qui constitue une variante du premier, le polymère a été épandu, non pas sur la plaque implantée, mais sur la seconde plaque (récepteur) et mis ensuite en contact avec la première plaque (donneur). Le fait de déposer la couche de polymère sur l'une ou l'autre des plaques n'a pas conduit à des résultats différents. Des résultats comparables ont été obtenus dans de troisième et quatrième exemples, variantes des deux premiers, dans lesquels la seconde plaque (récepteur) était une plaque de verre (par exemple de type « Borofloat®» 33 de chez Schott). Suivant un cinquième exemple, des plaques de silicium ont été implantées, également avec de l'hydrogène et du bore, mais avec des conditions différentes : pour l'hydrogène 70 KeV, 5.1016 H+ cm-2 et pour le bore 250 KeV, 1,2.1015 cm-2. Des couches de BCB d'épaisseurs différentes ont été déposées sur ces plaques implantées. On peut noter que ces conditions d'implantation ont correspondu à une énergie plus importante que dans les exemples précédents, avec une dose légèrement supérieure. profondeur dimension latérales épaisseur de transfert d'implantation moyennes des polymère (nm) (nm) cloques (lm) 670 7 à 9 200 oui 670 7 à 9 500 <50% 670 7 à 9 1000 <20% Résultats expérimentaux Les films de BCB ont été séchés (par évaporation du solvant) pendant 5 minutes à 150°C. Ces plaques implantées ont alors été mises en contact, au travers de la couche respective de polymère, avec de secondes plaques, en silicium. Le collage a été assisté par thermocompression pour assurer une bonne mise en contact des plaques. Dans les exemples considérés, cette étape a servi de traitement thermique de fracture, à une température de 300°C pour un traitement pendant 2 heures. Suivant l'épaisseur de polymère, on a observé une fracture, soit sur toute la surface, soit sur une partie seulement, ou pas de fracture. L'épaisseur critique dans cet exemple a ainsi été déterminée comme étant de l'ordre de 400nm, ce qui correspond à de l'ordre de 1 :20 de la dimension latérale des cloques observées. On peut noter que, lorsqu'on fait varier l'énergie d'implantation par exemple, on modifie la profondeur d'implantation ; en outre, tout autre paramètre étant constant, on constate une modification de la dimension latérale des cloques. Il s'en suit une modification de l'épaisseur critique de polymère.

Lorsqu'on augmente la dose d'implantation, on augmente le nombre de défauts, ce qui peut conduire, selon les cas, à une augmentation du nombre de cloques, ou à une augmentation de la dimension latérale des cloques. Il est à noter que le fait que la fracture ait lieu pendant ou après le traitement thermique de consolidation du collage n'a pas d'effets sur les résultats ; de même, le choix de la température et de la durée du traitement thermique de fracture conduit à des résultats également compatibles avec la corrélation proposée ici entre l'épaisseur critique de la couche de collage en polymère et la taille des cloques sous réserve de respecter la méthodologie précédente de détermination de l'épaisseur critique. On peut aussi noter que, pour des couches minces d'épaisseur inférieure à 10 micromètres (a fortiori à de l'ordre du micromètre), l'épaisseur critique est inférieure à 500 nm, et au plus égale à la profondeur d'implantation. Il est à noter que, malgré sa faible valeur, l'épaisseur de la couche de polymère est suffisante pour que cette couche constitue une couche efficace d'isolation. Le procédé de l'invention permet donc d'obtenir une structure de type SOP (Silicium On Polymer) qui est similaire à une structure de type SOI (Silicon On Insulator) à la différence près que la couche isolante est une couche de polymère et non un isolant traditionnel type oxyde de silicium.

Les figures 4 à 6 décrivent un autre exemple de réalisation de l'invention permettant, contrairement aux enseignements de l'état de la technique, le transfert d'un film de silicium sur un support souple épais. Comme précédemment, une plaque de départ (substrat donneur) 11 est implantée en sorte de générer une couche fragilisée enterrée 12 (figure 4) délimitant au sein de ce substrat une couche mince 13 à transférer On génère en surface d'un substrat (receveur) en polymère 14 un film 16 d'une épaisseur suffisante pour que ce film (en association avec la couche de polymère de collage 15 qui va être déposée ensuite) soit apte à induire un effet raidisseur en surface de ce substrat de polymère compte tenu de l'épaisseur également de la couche à prélever. On épand alors une couche fine de polymère de collage 15 d'épaisseur plus fine que l'épaisseur critique, sur la surface libre du film raidisseur et/ou sur la surface d'une première plaque (donneur). On assemble (figure 5) le substrat donneur implanté 11 au substrat à base de polymère 14 raidi en surface. On effectue (figure 6) la fracture par traitement thermique de sorte que la couche mince 13 est transférée sur le substrat 14 à base de polymère, en laissant subsister un reliquat de substrat donneur (noté 11') réutilisable pour de nouveaux cycles de transfert.

Une alternative peut être : ^ De déposer le film de polymère d'épaisseur inférieure à l'épaisseur critique sur le substrat donneur, ^ D'élaborer ensuite le raidisseur sur le film de polymère précédent, ^ De réaliser le collage adhésif avec le substrat receveur de polymère, ^ Et d'effectuer la fracture de fracture. Le film raidisseur est avantageusement réalisé en un composé à base de silicium, par exemple un oxyde ou un nitrure (SiO2, SiOx, SiN, Si3N4, SiNx,...) ; il est créé par toute technique appropriée connue en microélectronique, par exemple une technique de dépôt (CVD, pulvérisation, spin glass...) ou de modification de propriétés de surface de polymère (plasma, UV, oxydation de liaisons Si-X...).

A titre d'exemple, on peut réaliser un tel transfert de film de silicium monocristallin sur un substrat souple de polyimide, par exemple en « Kapton® » (ou en PI, PDMS, PET, PAN...) avec l'introduction d'une couche de SiO2 déposée par PECVD comme film raidisseur. Pour ce faire, on peut suivre la procédure suivante : ^ une plaque de silicium est implantée avec de l'hydrogène (70 KeV, 5.1016 H+ cm-2). ^ on dépose 200nm de BCB par spin-coating sur la face implantée de la plaque de silicium implantée. ^ on dépose 6pm de SiO2 par PECVD à 150°C sur un substrat de Kapton® d'une épaisseur de 125pm. ^ on assemble par thermocompression les deux parties ainsi réalisées en mettant en regard les surfaces où ont été déposés l'oxyde et le film de BCB. ^ la fracture de fracture est réalisée par un traitement thermique de 300°C pendant 2 heures. 19 On comprend aisément que la couche de polymère peut être formée de plusieurs sous-couches, l'épaisseur cumulée restant au plus égale au seuil critique défini ci-dessus. La corrélation entre ce seuil et la taille des cloques n'est qu'un 5 exemple de détermination, d'autres approximations pouvant être mises en oeuvre. La fracture essentiellement thermique peut se faire dans une large gamme de température et de durée.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche mince de silicium REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur (1, 11) qui est en silicium monocristallin sur au moins une épaisseur, à partir d'une face libre, supérieure à celle de la couche mince à transférer (3, 13), selon lequel on implante des ions d'au moins une espèce donnée au travers de cette face libre en sorte de former, dans le silicium monocristallin, une couche fragile enterrée (2, 12), on colle ce substrat donneur, par ladite surface libre, à un substrat récepteur (4, 14), au moyen d'une couche de polymère (5, 15), et on provoque la fracture de la couche mince vis-à-vis du substrat donneur au niveau de la couche fragile enterrée (2, 12) par un traitement de fracture essentiellement thermique, caractérisé en ce que les conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince (3, 13) est inférieure à 10 micromètres et l'épaisseur de la couche de polymère (5, 15) est inférieure à un seuil, au plus égal à 500 nm et à l'épaisseur de la future couche mince, défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère est dans un rapport de l'ordre de 1:15 par rapport à la dimension moyenne, parallèlement à ladite face libre, des cloques qui seraient observées dans le substrat donneur, après implantation avec ladite énergie et ladite dose d'implantation.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une énergie d'implantation d'au plus de 70 keV.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 caractérisé en ce que l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une dose comprise entre 3.1016 H+ /cm2 et 1,5.1017 H+ /cm2.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de polymère est en benzocyclobutène ou BCB.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 30 caractérisé en ce que le traitement thermique de fracture est effectué à une température d'au moins 300°C.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat récepteur comporte une couche formant raidisseur (16) porté par un substrat de polymère (14).
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche formant raidisseur est formée d'un oxyde ou d'un nitrure de silicium sur une épaisseur comprise entre 2 et 10 micromètres.
9. 9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat en polymère est en un matériau différent de celui de la couche de polymère.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le substrat de polymère est en polyimide.