FR2968123A1 - Procédé de fabrication de films minces supportes - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un film mince supporté, comprenant les étapes suivantes : a) structuration d'une face d'un support (20) avec un motif A à une profondeur d égale à l'épaisseur souhaitée du film mince; b) structuration d'une face d'un bloc de matériau (10) destiné à former le film mince avec un motif complémentaire du motif B à une profondeur d au moins égale à d ; c) assemblage du bloc de matériau (10) avec le support (20) par superposition des faces structurées ; d) rodage du bloc de matériau (10) jusqu'à la percée du bloc de matériau (10) dans les zones du motif A de structuration ; et e) polissage de la surface ainsi obtenue.

Description

1 Procédé de fabrication de films minces supportés

[Domaine technique] La présente invention concerne un procédé de fabrication de films minces sur un support, utile en particulier pour l'élaboration de composants électroniques.

[Etat de la technique antérieure] La performance de composants électroniques à base de couches minces dépend pour une grande partie de la précision de l'épaisseur des couches contenues dans ces composants. L'élaboration de couches minces par évaporation physique ou chimique est possible, mais n'offre pas toujours le degré de liberté nécessaire. En particulier, ces procédés ne permettent pas le contrôle de l'orientation cristalline du matériau dans la couche. Par ailleurs, ces procédés ne sont pas compatibles avec certains matériaux.

Il est également possible d'élaborer des couches minces en partant d'un bloc standard, aussi appelé substrat (« wafer » en anglais) présentant l'orientation cristalline souhaitée, mais il convient alors de ramener son épaisseur à l'épaisseur requise. La technique "smartcur permet ainsi d'obtenir un monocristal avec une épaisseur contrôlée à partir d'un bloc par découpage. Dans ce procédé, le bloc est soumis à un traitement préalable lors duquel on introduit par implantation des atomes de nature différente à une profondeur correspondant à l'épaisseur souhaitée du film. Après assemblage du bloc sur le support, l'ensemble est soumis à un choc thermique lequel engendre la rupture du bloc au niveau des atomes implantés au préalable. Cette technique permet d'obtenir des films d'une épaisseur homogène et très précise. L'épaisseur des films accessibles par cette technique est toutefois limitée à la profondeur de l'implantation. Aussi, cette technique permet seulement la fabrication de films d'une épaisseur inférieure à 2 µm. La technique limite par ailleurs le choix des matériaux pour le support et le film puisqu'il est recommandé qu'ils possèdent des propriétés élastiques proches afin d'assurer une rupture nette. Il est par ailleurs connu de réduire l'épaisseur du bloc par des techniques d'abrasion, par exemple un rodage suivi d'un polissage. Ce procédé a toutefois l'inconvénient majeur qu'il ne permet pas de suivre l'évolution de l'épaisseur directement. Pour mesurer l'épaisseur, il est le plus souvent nécessaire d'arrêter le rodage et de sortir la pièce du dispositif, ce qui conduit à une perte de temps importante. Aussi, on estime l'épaisseur par des moyens indirects, par exemple sur la base de la vitesse de rodage et du temps écoulé. L'écart observé entre l'épaisseur nominale des films minces et l'épaisseur obtenue est ainsi important, typiquement de l'ordre du micromètre.

[Exposé de l'invention] La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication de films minces supportés permettant de contrôler avec précision l'épaisseur du film mince.

Ce problème est résolu selon le procédé de l'invention par une structuration spécifique du bloc et du support. Lorsque l'épaisseur du bloc de matériau destiné à former le film mince atteint une valeur correspondant à la profondeur de la structuration, le bloc de matériau est percé, faisant ainsi apparaître le support. Le percement du bloc de matériau destiné à former le film mince sert ainsi d'indicateur pour l'opérateur que l'épaisseur prédéterminée est atteinte et lui permet d'agir en conséquence, notamment d'arrêter le rodage au bon moment afin d'obtenir un film mince présentant une épaisseur conforme à l'épaisseur nominale. Aussi, dans sa définition la plus générale, l'invention vise un procédé de fabrication d'un film mince supporté, comprenant les étapes suivantes : a) structuration d'une face d'un support 20 avec un motif A à une profondeur d, égale à l'épaisseur souhaitée du film mince; b) structuration d'une face d'un bloc de matériau 10 destiné à former le film mince avec un motif complémentaire du motif B à une profondeur d2 au moins égale à d, ; c) assemblage du bloc de matériau 10 avec le support 20 par superposition des faces structurées ; d) rodage du bloc de matériau 10 jusqu'à la percée du bloc de matériau 10 dans les zones du motif A de structuration ; et e) polissage de la surface ainsi obtenue.

Dans le présent exposé, on entend par le terme « structuration » désigner le fait de retirer sélectivement certaines zones d'un matériau à la surface d'un substrat en formant un motif. La technique utilisée pour la structuration de matériaux en électronique inclut notamment la photolithographie, suivie d'une gravure chimique ou physique. On entend par le terme « rodage » une technique d'usinage par abrasion qui consiste à frotter la surface à usiner avec un abrasif dispersé dans un liquide ou une pâte au moyen d'un plateau. On observe alors deux processus simultanés : d'une part, les grains d'abrasif s'enfoncent à la fois dans le plateau et dans la pièce à usiner, conduisant à l'enlèvement de copeaux du fait du mouvement relatif du plateau et de la pièce, d'autre part le roulement des grains entre le plateau et la pièce à usiner, en déformant la surface. L'abrasif est généralement une poudre de matière dure, par exemple de carbure de silicium (SiC) ou d'oxyde d'aluminium (AI2O3) ou encore du diamant. La poudre présente une granulométrie généralement comprise entre 0,1 à 20 pm. Pour une granulométrie fine, l'enlèvement de matière est plus lent mais la surface est moins rugueuse. A l'inverse, une granulométrie plus grossière accélère l'enlèvement de matière mais conduit à une surface plus rugueuse. Le terme « polissage » désigne une technique de finition de surface, qui peut être réalisée également par abrasion avec une pâte de polissage dans laquelle l'abrasif présente une granulométrie fine, notamment comprise entre 0.1 à 5 pm. Comme pour le rodage, la granulométrie a un impact sur la vitesse de polissage et la finition de la surface. L'aptitude à l'usinage des matériaux par rodage dépend de leur dureté et de leur ténacité. La dureté indique la capacité à résister à la rayure due à un autre matériau. Généralement, le support présente une dureté plus élevée que le matériau destiné à former le film mince. On entend par le terme « dureté » dans le contexte du présent exposé la dureté Mohs. Aussi, il est préféré que le support 20 présente une dureté Mohs qui diffère de celle du bloc de matériau 10 au moins d'une unité et/ou de manière à ce que leur vitesse de rodage diffère d'au moins un facteur 2.

Lorsque la différence de dureté est faible voire négative, c'est-à-dire que le support 20 est moins dur que le matériau 10 destiné à former le film mince, il peut être avantageux de prévoir dans le procédé après l'étape b) une étape de dépôt d'une couche d'arrêt 40 au rodage sur le support 20 structuré. La couche d'arrêt 40 est donc de préférence composée d'un matériau d'une dureté Mohs au moins égale à celle du matériau 10 destiné à former le film mince. La couche d'arrêt 40 est avantageusement éliminée en surface après l'étape d) de rodage. La couche d'arrêt 40 peut être éliminée de manière conventionnelle, par exemple par gravure chimique. Selon un autre mode de réalisation, il est possible de prévoir en outre un ou plusieurs évidements 50 dans le bloc de matériau 10 destiné à former le film mince d'une profondeur supérieure à d2. Le percement de ces évidements 50 lors du rodage permet d'indiquer l'atteinte d'une épaisseur correspondant à leur profondeur, respectivement. On peut ainsi réaliser à l'étape b) du procédé un ou plusieurs évidements 50 dans le bloc de matériau 10 dont la profondeur (d3) est supérieure à celle du matériau destiné à former le film mince (d2).

L'assemblage du bloc de matériau 10 destiné à former le film mince et du support 20 à l'étape c) peut être réalisé notamment par collage. Le procédé selon l'invention est d'une grande versatilité au niveau des matériaux utilisables puisqu'en principe, tout matériau susceptible d'être gravé et rodé peut convenir.

Le procédé permet ainsi de fabriquer des films minces supportés de matériaux intéressants, par exemple en raison de leurs propriétés semi-conductrices, piézoélectriques, ferroélectriques ou magnétiques. Ces matériaux peuvent notamment être choisis dans le groupe constitué de niobate de lithium, tantalate de lithium, quartz et silicium.

A titre de support sont intéressants les mêmes matériaux, c'est-à-dire ceux choisis parmi le groupe constitué de silicium, niobate de lithium, tantalate de lithium et quartz. Le matériau destiné à former le film mince peut être amorphe, polycristallin ou monocristallin. Le procédé selon l'invention est particulièrement utile pour la fabrication de composants électroniques tels que des résonateurs, des filtres, des capteurs, des composants microsystèmes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en préférence aux figures des dessins en annexe. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. [Brève description des figures] Fig. 1 - 6 des coupes schématiques d'un support 20 et d'un bloc de matériau 10 destiné à former un film mince et illustrent les étapes de fabrication d'un film mince selon un mode de réalisation préféré du procédé de l'invention ; Fig. 7 -12 des coupes schématiques d'un support 20 et d'un bloc de matériau 10 destiné à former un film mince et illustrent les étapes de fabrication d'un film mince selon un autre mode de réalisation préféré du procédé de l'invention ; Fig. 13 -18 des coupes schématiques d'un support 20 et d'un bloc de matériau 10 destiné à former un film mince et illustrent les étapes de fabrication d'un film mince selon encore un autre mode de réalisation préféré du procédé de l'invention.35 [Description détaillée des modes de réalisation de l'invention] Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées par les mêmes références, afin de faciliter le passage d'un mode de réalisation à un autre. Les figures sont données à titre d'illustration, mais ne représentent pas nécessairement les éléments selon une échelle réaliste. La figure 1 montre un support 20 qui est généralement un bloc de matériau, homogène ou non, assurant une certaine résistance mécanique au film mince. Il peut avoir été préalablement traité ou non. Il peut s'agir notamment d'un wafer de silicium. La figure 1 montre également un bloc de matériau 10 destiné à former le film mince. Ce matériau peut être un matériau semi-conducteur, piézoélectrique, ferroélectrique ou encore magnétique. Il peut s'agir notamment d'un matériau choisi parmi ceux indiqués dans la description. De préférence, il s'agit d'un matériau monocristallin. Il peut être intéressant de choisir un bloc de matériau monocristallin présentant une orientation cristalline déterminée. La figure 2 représente le support 20 après l'étape a) sur procédé dans laquelle une face du support 20 a été structurée avec un motif A à une profondeur d, d'une part et une face du bloc de matériau destiné à former le film mince a été structurée avec un motif B complémentaire à une profondeur d2 d'autre part. L'épaisseur d, de la structuration du support 20 correspond à l'épaisseur nominale du film mince, comme il apparaîtra plus loin dans la description. L'épaisseur d2 de la structuration du bloc de matériau 10 destiné à former le film mince est au moins égale à d,. De préférence, l'épaisseur d2 est supérieure à d, car cela permet d'anticiper la fin du rodage, comme il sera expliqué plus loin. Comme évoqué ci-dessus, on connaît plusieurs techniques permettant de structurer le support avec un contrôle de la profondeur de structuration, notamment la photolithographie suivie d'une gravure chimique ou physique. Pour la structuration d'un support ou d'un bloc formé de silicium, on peut ainsi employer une gravure chimique à l'hydroxyde de potassium. Les motifs de structuration A et B sont complémentaires, de façon que les zones évidées sur la surface du bloc de matériau 10 destiné à former le film mince permettent de loger les zones non évidées de la surface du support 20. Ainsi, lorsque les deux éléments seront assemblés, les reliefs formés par les motifs peuvent s'imbriquer parfaitement.

Les motifs A et B peuvent être en principe quelconques mais on préfèrera pour des raisons d'économie des motifs simples comme par exemple des lignes parallèles espacées de manière régulière, décalées de manière approprié pour former le motif complémentaire correspondant. Ils peuvent aussi correspondre aux motifs servant de repères lors de la découpe final des puces. Ce mode de réalisation présente l'intérêt d'éviter la découpe d'un matériau composite, ce qui est plus aisé. La figure 3 illustre l'assemblage du bloc de matériau 10 avec le support 20 par superposition des faces structurées au moyen d'une couche adhésive 30. L'assemblage peut être réalisé soit directement par adhésion moléculaire, soit comme représenté sur la figure par l'intermédiaire d'une couche de matériau disposée sur le support 20 et/ou le bloc de matériau 20 destiné à former le film mince. A titre d'exemple, la couche adhésive peut être formée par un dépôt d'or réalisé sur les deux surfaces suivi d'un assemblage sous pression des pièces. En alternative, on peut utiliser à titre d'adhésif un mélange eutectique amené à fusion. D'autres techniques de collage telles que le collage moléculaire et le collage anodique sont également envisageables. La figure 4 illustre l'étape d) du procédé, lors de laquelle l'épaisseur du bloc de matériau 10 est progressivement réduite par abrasion pour former le film mince. La réduction d'épaisseur peut être importante, puisqu'un wafer a une épaisseur typique de 350 à 500 pm, alors que l'épaisseur du film mince sera le plus souvent plutôt de l'ordre d'une dizaine de pm. Le rodage peut être réalisé dans un dispositif approprié comportant un plateau tournant formant la surface de rodage, une alimentation de liquide et d'abrasif et un poids permettant d'appliquer une pression sur le matériau à roder. Ce type de dispositifs est commercialisé notamment par les sociétés SOMOS, LOGITECH, DAMA (Suisse), LOH, Lam Plan et ESCIL. La pâte abrasive est choisie notamment en fonction de la dureté du bloc à traiter. Ainsi, une pâte convenable pour le rodage d'un bloc de niobate de lithium peut être à titre d'exemple une pâte de SiC d'une granulométrie de 1 à 100, avantageusement 2 à 50, de préférence 5 à 20 et tout particulièrement 9 µm. La vitesse de rodage d'un matériau peut être contrôlée au niveau de différents paramètres, notamment la vitesse de rotation du plateau tournant, la nature et granulométrie de l'abrasif et la pression exercée par la surface de rodage. Bien entendu, elle dépend également de la dureté du matériau rodé. Une vitesse de rodage typique utilisable dans le procédé selon l'invention est 1 pm/min pour du silicium et 8 pm/min pour le niobate de lithium.

Le rodage de la face du bloc de matériau 10 est poursuivi jusqu'à la percée du bloc de matériau 10 dans les zones du motif A de structuration. La percée du bloc de matériau 10 peut être détectée visuellement et indique que l'épaisseur du film mince est de d2. Lorsque l'épaisseur de structuration d2 est supérieure à d,, l'épaisseur du film mince au moment du perçage est encore supérieure à son épaisseur nominale. Le perçage permet ainsi à l'opérateur de détecter l'approche de la fin du rodage. L'opérateur peut alors poursuivre le rodage avec une vitesse plus faible jusqu'à atteindre la surface du support 20 ou arrêter le rodage, selon les cas. La structuration spécifique prévue dans le procédé selon l'invention permet ainsi la mesure indirecte de l'épaisseur sans arrêter le processus et donc sans perte de temps. Par ailleurs, le perçage du bloc de matériau 10 peut être détecté visuellement par l'opérateur et peut lui servir de signal d'arrêt du rodage.

La figure 5 illustre l'étape e) du procédé selon l'invention, le polissage de la surface obtenue après rodage. Le polissage permet de réduire la rugosité de la surface et la prépare ainsi à la suite de la fabrication. Comme discuté ci-dessus, le polissage est réalisé dans un dispositif similaire au rodage et de manière analogue, mais en remplaçant la pâte de rodage par une pâte avec une poudre de granulométrie plus fine de l'ordre de 50 nm environ et la nature du plateau qui peut être en tissu flocké, tissé, non tissé ou compressé. La figure 6 illustre qu'à l'issue du procédé selon l'invention, on obtient un film mince supporté dans lequel l'épaisseur du film a pu être contrôlée de manière simple. La figure 7 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention.

La figure 8 se distingue de la figure 2 en ce que l'on dépose une couche d'arrêt 40 sur la surface du support 2 structuré obtenu à l'étape a). La couche d'arrêt 40 a pour but de ralentir le rodage, et de limiter ainsi l'écart d'épaisseur du film mince au cas où le rodage était arrêté de manière tardive. De préférence, on choisit donc pour la couche d'arrêt 40 un matériau à dureté Mohs élevée, par exemple du nitrure de silicium. La couche d'arrêt 40 peut être déposée par exemple par un procédé de déposition par pulvérisation cathodique ou par évaporation. La figure 9 montre l'assemblage du bloc de matériau 10 avec le support 20 par superposition des faces structurées au moyen d'une couche adhésive 30, comme décrit précédemment.

La figure 10 illustre l'étape d) du procédé, lors de laquelle l'épaisseur du bloc de matériau 10 est progressivement réduite par abrasion pour former le film mince, comme décrit précédemment. La figure 11 montre qu'à l'issue du rodage, la couche d'arrêt 40 peut être éliminée en surface, par exemple par gravure chimique.

La figure 12 montre le film mince supporté obtenu par ce mode de réalisation du procédé.

Ce mode de réalisation est utile pour réduire l'écart de l'épaisseur nominale du film mince lorsque le rodage est arrêté de manière tardive. Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsque le support 20 présente une dureté relativement faible. Les figures 13-18 illustrent un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 13 correspond à la figure 1. Dans cette variante, la figure 14 montre que l'on réalisé des évidements 50 profonds dans le bloc de matériau 10 en plus de la structuration décrite ci-dessus. Ces évidements peuvent être formés notamment en poursuivant la structuration du bloc de matériau 10 à certains endroits jusqu'à atteindre une profondeur d3i supérieure à la profondeur d, et d2. Ce ou ces évidements 50 sont avantageusement situés en périphérie du bloc de matériau 10. La figure 15 illustre l'assemblage du bloc de matériau 10 avec le support 20 au moyen d'une couche adhésive 30 obtenu. La figure 16 montre l'étape d) du procédé, lors de laquelle l'épaisseur du bloc de matériau 10 est progressivement réduite par abrasion pour former le film mince. Cette étape se déroule comme décrit précédemment avec comme différence que les évidements 50 seront percés en premier lors du rodage, bien avant d'atteindre l'épaisseur nominale du film, permettant de prévenir l'opérateur de manière précoce de l'approche de la fin du rodage. Bien sûr, il est possible de prévoir plusieurs évidements 50 ayant des épaisseurs intermédiaires échelonnées entre d3 et d,. La figure 17 montre le dispositif à l'issue du rodage, prêt pour le polissage. La figure 18 montre le film mince supporté à l'issue du polissage, réalisé comme décrit précédemment. Ce mode de réalisation est particulièrement utile lorsque le matériau est sensible aux amorces de rupture et à leur propagation. Les évidements 50 permettent dans ce cas l'arrêt de la propagation des défauts. Par une structuration judicieuse du bloc de matériau destiné à former le film mince et du support, le procédé selon l'invention permet un suivi de l'enlèvement de matière sans nécessité de procéder à une mesure de l'épaisseur atteinte. La percée des zones structurées du bloc de matériau destiné à former le film mince sert de signal permettant de détecter l'approche de la fin du rodage. Il est alors possible de ralentir le rodage, en outre éventuellement par une couche d'arrêt spécifique, et de réduire ainsi sans perte de temps notable l'écart entre l'épaisseur obtenue et l'épaisseur nominale des films minces supportés.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'un film mince supporté, comprenant les étapes suivantes : a) structuration d'une face d'un support (20) avec un motif A à une profondeur d, égale à l'épaisseur souhaitée du film mince; b) structuration d'une face d'un bloc de matériau (10) destiné à former le film mince avec un motif complémentaire du motif B à une profondeur d2 au moins égale à d, ; c) assemblage du bloc de matériau (10) avec le support (20) par superposition des faces structurées ; d) rodage du bloc de matériau (10) jusqu'à la percée du bloc de matériau (10) dans les zones du motif A de structuration ; et e) polissage de la surface ainsi obtenue.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la dureté Mohs du matériau (10) diffère de celle du support d'au moins une unité.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre après l'étape b) une étape de dépôt d'une couche d'arrêt (40) au rodage sur le support (20) structuré.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite couche d'arrêt est composée d'un matériau d'une dureté Mohs au moins égale à celle du matériau (10).
5. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite couche d'arrêt (40) est éliminée par gravure chimique.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lors de l'étape b) sont réalisés un ou plusieurs évidements (50) dans le bloc de matériau (10) dont la profondeur d3 est supérieure à d2.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape c) d'assemblage est réalisée par collage.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau (10) destiné à former le film mince est choisi parmi le groupe constitué de niobate de lithium, tantalate de lithium, quartz et silicium.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le support (20) est composé d'un matériau choisi parmi le groupe constitué de silicium, tantalate de lithium, quartz et niobate de lithium.
10. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau (10) destiné à former le film mince est amorphe, polycristallin ou monocristallin.