FR2961948A1 - Procede de traitement d'une piece en materiau compose - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de traitement d'une pièce (1) en un matériau de composition Al Ga ln N où 0≤X≤1, 0≤y≤1 et x+y≤1, se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend : l'application d'un flux impulsionnel (3) de particules sur une face de ladite pièce (1) dans des conditions sensiblement adiabatiques, la durée et l'intensité dudit flux impulsionnel étant choisies de manière à échauffer sélectivement une zone (2) de la pièce située à une profondeur déterminée par rapport à ladite face, à une température supérieure à la température de décomposition dudit matériau ; - retour à la température ambiante de la zone échauffée (2) ; - détachement d'une couche (4) du reste de ladite pièce, au niveau de la zone échauffée (2).

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSE
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de traitement d'une pièce en un matériau composé, à savoir un matériau de composition AIXGayln1_X_yN, dans laquelle 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les semi-conducteurs du type III-N, c'est-à-dire de formule générale Al Gayln,_X_yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1, et en particulier le GaN, présentent des caractéristiques qui les rendent très attractifs pour le domaine optoélectronique, les composants de puissance et les applications radiofréquence.
Cependant, le développement de ces applications est freiné par des limites technico- économiques des substrats d' Al Gayln,_X_yN, qui ne sont pas largement disponibles. La réalisation de dispositifs peut alors avantageusement être envisagée sur un substrat formé par transfert, sur un substrat support, d'une couche mince prélevée dans un substrat donneur, qui est un substrat en matériau III-N de haute qualité et adapté pour l'application visée. La faible disponibilité des substrats d' Al Gayln,_X_yN est alors compensée par la possibilité d'utiliser, à plusieurs reprises, le substrat donneur. Le procédé Smart-CutTM est notamment une technique de transfert bien connue, qui consiste d'une manière générale à implanter une dose d'espèces atomiques ou ioniques dans un substrat donneur, de manière à y créer une zone de fragilisation à une profondeur déterminée, délimitant ainsi la couche mince à transférer, à coller le substrat donneur sur un substrat support, ou substrat receveur, et à provoquer la fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation, permettant ainsi le détachement de ladite couche mince collée au substrat receveur. Toutefois, dans le cas de substrats en matériau III-N, l'implantation requiert des doses d'espèces atomiques ou ioniques qui sont cinq à dix fois plus élevées que dans le silicium, ce qui induit un coût du procédé sensiblement plus élevé. Un but de la présente invention est donc de développer un procédé permettant de détacher une couche mince d'un substrat de matériau III-N qui ne présente pas les limitations des procédés existants et soit moins onéreux.35 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un procédé de traitement d'une pièce en un matériau de composition AIXGayln1_X_yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1, qui comprend : - l'application d'un flux impulsionnel de particules sur une face de ladite pièce dans des conditions sensiblement adiabatiques, la durée et l'intensité dudit flux impulsionnel étant choisies de manière à échauffer sélectivement une zone de la pièce située à une profondeur déterminée par rapport à ladite face, à une température supérieure à la température de décomposition dudit matériau ; - retour à la température ambiante de la zone échauffée ; - détachement d'une couche du reste de ladite pièce, au niveau de la zone échauffée.
Selon d'autres caractéristiques de ce procédé, - ledit flux impulsionnel présente une durée comprise entre 10 nanosecondes et 10 microsecondes et un flux de puissance compris entre 106 et 5.10' W/cm2 ; - au moment de l'application dudit flux de particules, la pièce est à une température, dite « température de fond », inférieure à la température de décomposition du matériau ; - ladite température de fond est comprise entre 400 et 750°C ; - les particules implantées sont des particules légères de faible numéro atomique, par exemple compris entre 1 et 3, telles que H ou He, sous forme neutre et/ou ionique. - la dose implantée est comprise entre 1012 et 5.1013 particules.cm-2 ; - après l'application du flux de particules, on assemble la pièce avec un support de manière à obtenir une structure composite ; - après ledit assemblage, on applique à la structure composite ainsi obtenue, une contrainte mécanique et/ou thermique, de manière à provoquer le détachement d'une couche du reste de ladite pièce.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lumière de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre l'application d'un flux de particules sur une face d'une pièce ou substrat ; - la figure 2 illustre l'assemblage de la pièce sur un support ; - la figure 3 illustre le profil d'énergie déposé lors de l'implantation de particules, en fonction de la profondeur, dans la pièce.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention s'applique à toute pièce en un matériau composé susceptible de se décomposer sous l'effet d'un apport d'énergie par un flux de particules. Par « matériau composé », on entend un matériau constitué d'au moins deux types d'atomes, de composition Al Gayln,_X_yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1. II peut s'agir également d'une couche d' Al Gayln,_X_yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1, formée par dépôt sur un support de croissance, par exemple en saphir. Par « décomposition », on entend une modification de la structure intime du matériau, qui peut consister, selon le matériau, en une séparation de phases, une fragilisation, la création de nouvelles phases, une fusion localisée, etc. Dans le présent texte, le terme « pièce » couvre non seulement un substrat pouvant être utilisé dans l'industrie électronique, optique ou optoélectronique, mais aussi un lingot, une boule ou tout autre objet constitué dudit matériau composé, présentant une face au travers de laquelle sera réalisée l'irradiation par un flux de particules, dont l'amplitude de la rugosité est significativement inférieure à la profondeur de pénétration desdites particules. Dans l'exemple non limitatif décrit ci-dessous, en référence aux figures 1 et 2, on considère que la pièce 1 à traiter est un substrat en un matériau de composition Al Gayln,_X_yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1. Toutefois, comme exposé plus haut, l'invention s'applique également à une pièce se présentant sous une forme autre qu'un substrat, à usage électronique ou similaire. Le traitement comprend l'application d'un flux de particules 3 sous forme impulsionnelle de courte durée et de très forte intensité sur le substrat 1. De préférence, on choisit des particules légères, de faible numéro atomique, par exemple de numéro atomique un, deux ou trois, de sorte que l'énergie déposée à l'intérieur du matériau soit pour l'essentiel de l'énergie dépensée sous forme de freinage électronique, qui n'induit pas de défauts.
Les particules 3 sont choisies parmi les particules ou les molécules légères, ioniques (chargées positivement ou négativement) ou neutres, comme par exemple : H, H+, He, He+, leurs isotopes, H-, ou des électrons, éventuellement en mélange. La durée des impulsions est préférentiellement comprise entre 10 nanosecondes et quelques microsecondes, par exemple 10.
L'intensité du flux de puissance est avantageusement comprise entre 106 et quelques 10' W/cm2. Avec ce choix de type de particules, et comme illustré sur le graphe de la figure 3, la forme du profil d'énergie déposée présente en général une amplitude croissante à partir de la surface du substrat (profondeur : 0), qui se transforme en un pic P à une profondeur voisine de l'épaisseur cible. Ce pic est d'autant plus étroit, en général, que les particules sont de numéro atomique faible et/ou que l'énergie des dites particules est élevée. Si l'impulsion de flux est suffisamment courte, c'est-à-dire typiquement comprise dans la plage de durée mentionnée ci-dessus, le dépôt d'énergie peut être considéré comme adiabatique, c'est-à-dire pratiquement sans transfert de chaleur ailleurs que dans la zone visée et le profil d'élévation de température générée par le flux dans le substrat est à l'image du profil de dépôt d'énergie. Le critère d'adiabadicité peut être estimé rapidement par comparaison de la demi-épaisseur du profil de dépôt d'énergie avec la longueur de diffusion thermique pendant la durée de l'impulsion. Ainsi, par exemple, si la demi-épaisseur vaut 2 pm, tandis que la durée de l'impulsion est de 100 ns, et la diffusivité thermique est de 0,1 cm2/s, alors la longueur de diffusion thermique est calculée par la formule : 100.10 0,1 =10-4cm, soit 1 pm. On peut considérer, dans un tel cas, que le critère d'adiabadicité est rempli.
Si l'application du flux de particules n'est pas réalisée selon un régime adiabatique, le profil de température résultant du dépôt d'énergie par les particules est moins pointu que le profil de dépôt d'énergie. Dans le cas d'implantations à haute énergie où le profil du pic d'énergie se détache nettement, c'est-à-dire typiquement avec un rapport supérieur à 2 entre la hauteur de ce pic et le niveau d'énergie en surface, il est possible de réduire l'intensité du flux de particules nécessaire. A cet effet, on chauffe le substrat à une température, dite température de fond inférieure à la température à partir de laquelle le matériau commence à se décomposer, le faisceau d'ions n'ayant pour rôle que d'apporter le complément d'énergie au voisinage de la zone ciblée, pour passer de ladite température de fond à la température de décomposition. Par exemple, des conditions appropriées de bombardement d'un substrat de GaN par des ions H+ sont : - une température de fond de 750°C, - une dose de 2.1012 particules *cm-2, - une énergie de l'ordre de 1,5 MeV, - une durée d'impulsion de 100 ns, - une densité d'énergie déposée de 0,5 J/cm2, - une densité de courant d'ions de 3,5 A/cm2. D'une manière générale, la dose implantée pendant le traitement est typiquement comprise entre quelques 1012 et quelques 1013 particules.cm-2. On notera, à cet égard, qu'il s'agit d'une dose nettement inférieure à celle utilisée pour fragiliser un substrat de silicium pour la mise en oeuvre d'un procédé de type Smart CutTM dans lequel la dose habituelle est supérieure à 1017 particules.cm-2. Le traitement peut être mis en oeuvre au moyen de faisceaux de particules d'intensité temporellement stationnaires, fortement focalisés, et balayés à grande vitesse sur la surface du substrat. Dans une variante, on peut faire usage de faisceaux de particules qui sont stationnaires spatialement, mais temporellement impulsionnels Parmi les équipements utilisables, on peut citer les machines à faisceau continu focalisé et les machines à faisceau pulsé de très forte puissance.
En référence à la figure 2, on peut ensuite assembler la pièce 1 ainsi traitée sur un support 5, formant raidisseur, puis appliquer sur cette structure une contrainte mécanique et/ou thermique au niveau de la couche 2 fragilisée, afin de transférer une couche 4 sur le support 5, par détachement au niveau de la couche 2. Un faible budget thermique suffit à provoquer le détachement de la couche 4 du reste du support 1. Un tel procédé trouve une application particulière quand le matériau contient du Gallium, qui présente la particularité de présenter une température de fusion inférieure à 50°C. En effet, après application d'un raidisseur, on peut mettre en oeuvre le détachement d'une couche après retour à la zone échauffée à température ambiante, car la phase liquide de Gallium ainsi créée autorise un tel détachement, par application de forces mécaniques et/ou d'un faible traitement thermique.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'une pièce (1) en un matériau de composition AIXGayln1_X_ yN où 0<_x<_1, 0<_y<_1 et x+y<_1, caractérisé en ce qu'il comprend : - l'application d'un flux impulsionnel (3) de particules sur une face de ladite pièce (1) dans des conditions sensiblement adiabatiques, la durée et l'intensité dudit flux impulsionnel étant choisies de manière à échauffer sélectivement une zone (2) de la pièce située à une profondeur déterminée par rapport à ladite face, à une température supérieure à la température de décomposition dudit matériau ; - retour à la température ambiante de la zone échauffée (2) ; - détachement d'une couche (4) du reste de ladite pièce, au niveau de la zone échauffée (2).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit flux impulsionnel présente une durée comprise entre 10 nanosecondes et 10 microsecondes et un flux de puissance compris entre 106 et 5.10' W/cm2.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moment de l'application dudit flux de particules, la pièce est à une température, dite « température de fond », inférieure à la température de décomposition du matériau.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite température de fond est comprise entre 400 et 750°C.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les particules implantées sont des particules légères de faible numéro atomique, par exemple compris entre 1 et 3, telles que H ou He, sous forme neutre et/ou ionique. 30
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la dose implantée est comprise entre 1012 et 5.1013 particules.cm-2.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu"après l'application du flux de particules, on assemble la pièce (1) avec un support (5) de manière à 35 obtenir une structure composite (1,5).25
  8. 8. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'après ledit assemblage, on applique à la structure composite (1,5) ainsi obtenue, une contrainte mécanique et/ou thermique, de manière à provoquer le détachement d'une couche (4) du reste de ladite pièce 5 (1).
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