FR2978600A1 - Procede et dispositif de fabrication de couche de materiau semi-conducteur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - Partant d'un substrat donneur (30) en un premier matériau semi-conducteur à une température initiale, - Mettre en contact une surface (31) du substrat donneur (30) avec un bain (20) d'un deuxième matériau semi-conducteur maintenu à l'état liquide à une température supérieure à ladite température initiale, le deuxième matériau semi-conducteur étant choisi de sorte que sa température de fusion soit inférieure à la température de fusion du premier matériau semi-conducteur, - Faire solidifier sur ladite surface (31) le matériau du bain pour épaissir le substrat donneur (30) par une couche solidifiée. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre d'un tel procédé.

Description

i DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un procédé de fabrication de substrats en matériau semi-conducteur. L'invention s'applique ainsi notamment à la fabrication de substrats en Silicium, Germanium, ou en composés Silicium-Germanium, sans que cette liste de matériaux soit limitative. L'invention concerne également un dispositif de fabrication de substrats de semi-conducteur.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il existe différentes méthodes de fabrication de substrats semi-conducteurs. Ces substrats se présentent généralement sous la forme de plaques qui peuvent avoir la forme d'un disque (par exemple d'un diamètre de 200 ou 300 mm), ou une forme différente. Le choix d'une méthode de fabrication dépend généralement de la nature du matériau semi-conducteur, de l'application visée et des contraintes économiques. Par exemple pour réaliser des substrats de silicium destinés à la fabrication de cellules photovoltaïques on peut utiliser une méthode de re-solidification de silicium fondu de façon à obtenir du silicium dit polycristallin ou multicristallin, présentant des gros grains avec une direction d'orientation préférentielle. Cette méthode ne permet pas d'obtenir des substrats en matériau monocristallin, alors qu'il est généralement désiré de disposer d'un matériau monocristallin pour des applications en microélectronique.

Cette méthode n'est par ailleurs pas adaptée pour constituer un substrat à partir d'un substrat donneur dans lequel une zone de fragilisation a été réalisée. Il peut en effet être désiré, pour certaines applications, de réaliser un substrat de matériau semi-conducteur d'épaisseur et de qualité contrôlée, et comportant une zone de fragilisation enterrée dans l'épaisseur du substrat à une profondeur également contrôlée. On entend dans ce texte par « zone de fragilisation » une zone qui s'étend sous une face principale du substrat (dans le cas d'un disque, sous une des faces du disque) et parallèlement à cette face, à une profondeur constante dans l'épaisseur du substrat, et qui sous l'action d'un chauffage éventuellement combiné à une sollicitation mécanique conduira au détachement du substrat au niveau de cette zone. Une telle zone de fragilisation peut typiquement être réalisée par introduction d'espèces ioniques, par exemple de l'hydrogène et/ou de l'hélium, et/ou des gaz rares, dans le substrat, pour y générer des microcavités constituant la zone de fragilisation. Cette introduction peut être réalisée par implantation voire par d'autres moyens comme la diffusion d'espèces. Un exemple connu qui met en oeuvre une telle introduction d'espèces pour créer une zone de fragilisation est le procédé Smart-Cut TM. Les microcavités pourront ensuite, sous l'effet d'un apport de budget thermique, générer dans le substrat des contraintes qui mèneront au détachement, seules ou en combinaison avec des contraintes mécaniques appliquées de part et d'autre de la zone de fragilisation. Et une application avantageuse de l'invention est la fabrication de substrats comportant une zone de fragilisation, permettant le détachement d'une couche de matériau semi-conducteur. L'invention permet de constituer de la sorte des couches dont l'épaisseur peut être contrôlée avec une grande précision, même pour des valeurs d'épaisseur faible, par exemple de l'ordre de 50 microns. L'invention permet également de fabriquer des couches de matériau semi-conducteur, toujours d'épaisseur contrôlée et possiblement très faible, monocristallin de très bonne qualité. Pour réaliser des substrats de silicium pour application microélectronique, on utilise de manière connue la méthode de tirage Czochralsky qui permet de fabriquer des lingots de silicium monocristallin. Le tirage de lingot par la méthode Czochralsky peut devenir problématique notamment lorsque le diamètre du lingot est important (par exemple 300 mm ou 450mm). En effet, quand on souhaite augmenter le diamètre du lingot et donc des substrats qui en seront issus, l'extraction de la chaleur latente de solidification du lingot devient de plus en plus difficile. Ceci limite les vitesses de tirage de lingot. Par ailleurs ceci est susceptible de créer des inhomogénéités à l'intérieur du lingot.

Les deux méthodes mentionnées ci-dessus fournissent des lingots de silicium, qu'il faut ensuite découper par sciage pour obtenir des substrats. Il est par ailleurs ensuite généralement nécessaire de traiter les surfaces de ces substrats. Ces opérations de découpe et de traitement de surface sont relativement onéreuses.

En outre elles présentent l'inconvénient de consommer une partie significative de la masse du lingot. Et elles ne permettent que difficilement - voire pas du tout - de réaliser des substrats fins.

Ainsi, par sciage de lingot, il n'est pas possible de réaliser des substrats fins, d'une épaisseur de 50 microns par exemple. Or pour certaines applications telles que la fabrication de cellules photovoltaïques une épaisseur de substrat faible peut être souhaitée. Il est également connu de réaliser des couches en matériau monocristallin, par croissance épitaxiale sur un substrat de départ monocristallin, au moyen par exemple d'un procédé de dépôt sous vide de type CVD, ou d'un procédé d'épitaxie par faisceau moléculaire ( MBE en Anglais ) . Dans des conditions bien maîtrisées un procédé de fabrication de couche par croissance épitaxiale peut produire un matériau de bonne qualité. Des limitations de ce type de procédé découlent de sa lenteur et de son coût. Un objectif de l'invention est de réaliser des substrats de semi-conducteur d'épaisseur fine (par exemple 50 microns), aussi bien que d'épaisseurs plus importantes (par exemple de 500 à 1000 microns), et de grandes dimensions latérales (par exemple diamètre de 300 mm voire plus), en évitant ou limitant les inconvénients précités.

EXPOSE DE L'INVENTION Afin d'atteindre l'objectif exposé ci-dessus l'invention propose selon un premier aspect un procédé de fabrication d'un substrat en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - Partant d'un substrat donneur en un premier matériau semi-conducteur à une température initiale, - Mettre en contact une surface du substrat donneur avec un bain d'un deuxième matériau semi-conducteur maintenu à l'état liquide à une température supérieure à ladite température initiale, le deuxième matériau semi-conducteur étant choisi de sorte que sa température de fusion soit inférieure à la température de fusion du premier matériau semi-conducteur, - Faire solidifier sur ladite surface le matériau du bain pour épaissir le substrat donneur par une couche solidifiée.

Des aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : - le premier matériau semi-conducteur est du Silicium, du Germanium, ou du Silicium-Germanium, - le deuxième matériau semi-conducteur est du Silicium, du Germanium, ou du Silicium-Germanium, - ledit bain est contenu dans un récipient dont la profondeur correspond à l'épaisseur désirée pour la couche solidifiée, - le substrat donneur comporte une zone de fragilisation réalisée par introduction d'espèces atomiques dans l'épaisseur dudit substrat donneur, - préalablement à la mise en oeuvre du procédé on effectue une simulation pour assurer que la chaleur reçue par la zone de fragilisation ne produira pas de cloquage du substrat donneur, - ladite simulation est exploitée en vérifiant que la valeur de l'intégrale 1 = f dt / D(Tz(t)) 0 reste inférieure à 1, avec : - t1 = durée prévue pour le procédé - D(Tz) = durée d'exposition de la zone de fragilisation à la température Tz qui conduit au cloquage - Tz(t) = température à la zone de fragilisation, au temps t, Selon un deuxième aspect l'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que mentionné ci-dessus, et caractérisé en ce qu'il comprend : - Un récipient pour contenir le bain liquide, - Des moyens de chauffage pour amener le matériau du bain à l'état liquide et l'y maintenir. Des aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif sont les suivants : - les moyens de chauffage comprennent des lampes et le dispositif comprend des moyens de régulation individuelle de l'alimentation de chaque lampe des moyens de chauffage, - les moyens de chauffage sont complétés par un système complémentaire de chauffage, - le système complémentaire de chauffage est un système de chauffage par induction situé sous le récipient.

D'autres aspects de l'invention sont exposés dans la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures la et lb représentent un dispositif de fabrication de substrat en matériau semi-conducteur, - la figure 2 représente un exemple d'un substrat donneur pouvant être utilisé dans le cadre de l'invention, - la figure 3 représente un tel substrat donneur mis en oeuvre dans un dispositif du type de celui des figures la et lb, pour donner lieu à la solidification d'une couche de matériau semi-conducteur, - la figure 4 représente un substrat obtenu par l'invention, avec sa couche de matériau solidifié, - la figure 5 est un graphe qui illustre l'allure générale d'une courbe correspondant à l'apparition du cloquage en surface d'un substrat de matériau semi-conducteur comprenant une zone de fragilisation, et exposé à un chauffage, - les figures 6 à 8 montrent des exemples de différentes simulations de comportements thermiques dans des substrats mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, ces simulations ayant été réalisées respectivement pour illustrer : - l'évolution dans le temps de la température dans un substrat donneur de Germanium et dans le bain de Germanium avec lequel ce substrat donneur est mis en contact, après la mise en contact du substrat avec le bain de matériau liquide (figure 6), - l'évolution dans le temps de la profondeur, dans le matériau du bain (ici du Silicium), du front de solidification de matériau semi-conducteur liquide (Figure 7), - l'évolution, en fonction de l'épaisseur de matériau solidifié (cristallisé), de la valeur d'une intégrale I, cette valeur d'intégrale fournissant une indication vis-à-vis du risque de cloquage à la surface du substrat donneur. 30 Tous les dessins de ces figures sont des représentations schématiques de principe, qui ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs des substrats ne sont pas représentatives de la réalité.

La figure la représente de manière schématique un dispositif 10 de fabrication de substrat en matériau semi-conducteur. Comme cela sera expliqué le substrat est fabriqué à partir d'un substrat initial, dit donneur. Un tel substrat donneur 30 est représenté de manière schématique sur la figure lb. On précise que le substrat est, dans le cadre de ce texte, dit « donneur » car dans une application de l'invention il comporte une zone de fragilisation et peut subir un détachement pour «donner» une couche de matériau semi-conducteur. L'invention couvre aussi le cas où ce substrat « donneur» ne comporte pas de zone de fragilisation.

Le dispositif 10 comprend un récipient 100 qui est adapté pour contenir un bain de matériau semi-conducteur 20 en fusion. Il peut s'agir par exemple d'une cuve en céramique. Dans la suite de ce texte on perlera indifféremment à propos de la référence 20 du bain ou du matériau de ce bain à l'état liquide. Le récipient est de préférence réalisé dans un matériau isolant 20 thermiquement, par exemple en matériau réfractaire. Le récipient est associé à des moyens de chauffage 110 qui peuvent être réalisés sous différentes formes et sont illustrés sur la figure la sous la forme d'un ensemble 110 de lampes L placées au-dessus de la surface du bain. Dans cette configuration des moyens sont prévus pour amener les moyens de chauffage en 25 regard de la surface du bain, et pour les retirer rapidement. Les lampes L sont dans l'exemple illustré sur la figure la des lampes chauffantes du type à rayonnement infrarouge. Ces lampes - ou tout autre moyen de chauffage pouvant être commandé - sont de préférence disposées, en position de chauffage du bain 20 comme représenté sur la figure la, dans une région 1100 30 qui s'étend en regard de toute la surface du bain, et rien que de cette surface. Il est en effet préférable de positionner les moyens de chauffage de sorte qu'ils chauffent uniquement le matériau liquide du bain, et non le récipient. Les moyens de chauffage permettent d'amener le matériau du bain 20 à l'état liquide et de l'y maintenir aussi longtemps que cela est désiré. A cet effet l'alimentation de chaque lampe des moyens de chauffage 110 est régulée individuellement de manière à assurer que le matériau du bain 20 soit à l'état liquide en tous points, avec une température homogène. Les moyens de chauffage peuvent être complétés optionnellement par un système complémentaire de chauffage, par exemple par induction haute fréquence, qui peut être situé sous le récipient. Un tel système complémentaire (non représenté sur les figures) peut contribuer à maintenir le matériau du bain 20 à l'état liquide, une fois qu'il a atteint la fusion grâce au système de chauffage par lampes. Le récipient 100 est ainsi rempli de matériau semi-conducteur 20 à l'état liquide. Comme on va le voir ce matériau va se solidifier à la surface du substrat donneur pour constituer sur cette surface une couche de matériau solide. Le substrat donneur 30 a en vue de dessus (perpendiculaire à la vue de la figure 1 b) la forme que l'on désire pour le substrat, ou la couche, à fabriquer. Il peut typiquement s'agir d'une forme de disque de diamètre désiré. Il peut également s'agir d'une forme de carré, de rectangle, d'hexagone ou autre. Le récipient 100 a, en vue de dessus, la même forme. La profondeur 101 du récipient va définir l'épaisseur de la couche de matériau solide qui se formera sur la surface 31. Cette profondeur 101 est donc choisie telle que l'épaisseur de matériau liquide contenue puisse correspondre à l'épaisseur désirée pour cette couche de matériau solide, c'est à dire que la profondeur sera supérieure à l'épaisseur désirée pour cette couche de matériau solide d'une quantité prenant en compte le différentiel de masse volumique entre l'état liquide du matériau du bain 20 et son état solide, ainsi que d'une quantité supplémentaire (par exemple de l'ordre de 20% de l'épaisseur) pour assurer un confinement latéral sans risque de débordement. On prévoit en effet ceci pour prévenir l'effet qui pourrait résulter d'une légère pénétration de la surface du substrat 30 à l'intérieur du liquide, à savoir une élévation de la surface libre du liquide sur l'extérieur et/ou des oscillations de la surface libre du liquide sous l'effet de la mise en contact avec le substrat donneur.

Les dimensions latérales du récipient - représentées par la dimension 102 sur la figure 1 b - sont choisies égales aux dimensions latérales désirées pour cette couche de matériau solide, augmentée d'un jeu 1021 de l'ordre de 1% des dimensions latérales pour autoriser le retrait du substrat 30 et de la couche qui se sera solidifiée sur lui dans de bonnes conditions. Dans le cas d'une couche de matériau solide que l'on désire en forme de disque la dimension 102 est un diamètre.

La figure 1 b représente le substrat donneur 30 qui a été amené en contact de la surface liquide 20, immédiatement après l'arrêt des moyens de chauffage 110 (et leur enlèvement s'ils étaient disposés en regard de la surface du bain 20). De manière générale l'invention propose de mettre en contact une face principale 31 du substrat donneur 30 avec la surface du bain liquide de matériau semi-conducteur 20, pour permettre à ce matériau de se solidifier sur la surface 31 et ainsi d'y constituer une couche de matériau semi-conducteur. Préalablement à cette mise en contact le substrat donneur était à température ambiante (de l'ordre de 20 à 25°C). Alternativement il avait subi un préchauffage. Dans tous les cas au moment de la mise en contact initiale du substrat donneur avec la surface liquide la température du substrat donneur est de préférence inférieure à celle du liquide. La mise en contact est réalisée en positionnant le substrat donneur de manière adéquate grâce à des moyens de préhension 40 (tels que des « chucks » selon la terminologie anglo-saxonne répandue) qui peuvent être positionnés en face arrière du substrat donneur. La face « arrière » du substrat donneur est la face 32, opposée à la surface « avant » 31 qui est elle amenée en contact avec le liquide. Après la mise en contact initiale le substrat donneur est maintenu fixe, par les moyens de préhension 40. Le chauffage du matériau du bain est à ce stade arrêté ou réduit de manière contrôlée. Dans cette position le matériau semi-conducteur liquide va progressivement se solidifier sur la surface 31.

De manière avantageuse la surface 31 du substrat donneur est en matériau semi-conducteur monocristallin (par exemple du silicium monocristallin ou du Germanium monocristallin, ou encore du Silicium-Germanium, ou un autre matériau semi-conducteur). Dans ce cas la solidification du matériau liquide, si celui-ci est de même nature chimique que le matériau du substrat donneur, ou si celui-ci existe sous une forme cristalline adaptée au réseau cristallin du substrat donneur (c'est à dire par exemple présentant un paramètre de maille égal à moins de 5% près à celui du matériau du substrat donneur) se fera de manière particulièrement ordonnée, produisant un matériau cristallin de très bonne qualité.

Le matériau du bain 20 peut ainsi être du Silicium, du Germanium, ou encore du Silicium-Germanium. Il peut également être un autre matériau semi-conducteur. Dans tous les cas le matériau semi-conducteur du bain est choisi de sorte que sa température de fusion soit inférieure à la température de fusion du matériau semi-conducteur du substrat donneur. De manière générale la séquence suivie à ce stade du procédé est la suivante : - mise en oeuvre des moyens de chauffage 110 pour amener le matériau du bain 20 en fusion, - une fois la fusion du matériau du bain 20 réalisée, maintien de ce matériau à l'état liquide avec une température homogène dans le matériau. o A cet égard les moyens 110 peuvent être assistés d'un système complémentaire de chauffage tel que des moyens de chauffage par induction haute fréquence situés sous le récipient pour maintenir le matériau à l'état liquide. Il est également possible que ce système complémentaire prenne le relais des moyens de chauffage 110 une fois que le matériau du bain 20 est liquide - dans ce cas les moyens de chauffage servent dans un premier temps à amener ce matériau à l'état liquide, et le système complémentaire sert ensuite à maintenir ce matériau dans l'état liquide alors que les moyens de chauffage 110 sont inactivés et déplacés pour dégager l'accès à la surface du bain, - Mise en contact de la surface 31 du substrat donneur avec la surface du liquide du bain 20. A cet égard les moyens de chauffage 110 auront été déplacés s'ils se trouvaient en regard de la surface du bain, - Après cette mise en contact on laisse le bain se refroidir progressivement. A cet effet l'activité des moyens de chauffage 110 et/ou du système complémentaire de chauffage est à ce stade soit arrêtée, soit éventuellement contrôlée pour diminuer de manière désirée. Dans l'exposé qui suit on considèrera que cette action est arrêtée à la mise en contact initiale.

Pour une exécution réussie du procédé l'homme du métier pourra considérer certaines conditions de cinétique de la diffusion de la chaleur. En effet lors du déroulement de ce procédé le matériau initialement sous forme liquide dans le bain 20 se refroidit progressivement pour être parcouru par un front de solidification qui partira de la surface 31 et, s'étendant parallèlement à la surface 31, se propagera dans le matériau du bain selon une direction sensiblement perpendiculaire à cette surface, en éloignement d'elle. Dans le même temps le substrat donneur 30 va s'échauffer, recevant de la chaleur diffusée par le bain 20.

Et il faut veiller à ce que le substrat donneur ne s'échauffe pas trop, pour éviter son altération ou son endommagement. Ceci est particulièrement sensible dans le cas où le substrat donneur comprend une zone de fragilisation comme cela est schématiquement représenté sur la figure 2. Sur cette figure le substrat donneur 30 comprend une zone de fragilisation 33. En effet dans un tel cas un apport de chaleur excessif à la zone de fragilisation serait susceptible d'activer au niveau de cette zone des phénomènes physiques susceptibles de détériorer le substrat notamment en provoquant à sa surface un cloquage (« blistering » en anglais).

Pour éviter ceci l'homme du métier pourra utilement considérer les aspects suivants.

Cinétique de diffusion de chaleur On se place dans ce qui suit dans la perspective d'éviter que la zone de fragilisation du substrat reçoive un budget thermique dépassant le seuil menant au cloquage de la surface du substrat donneur. Ceci correspond à un cas particulier, directement extrapolable au cas général dans lequel on souhaite limiter l'apport de budget thermique au substrat donneur que celui-ci comprenne une zone de fragilisation ou pas. On cherche à estimer le budget thermique qui sera apporté à la zone de fragilisation au cours du procédé, de la mise en contact initiale jusqu'à la solidification de l'épaisseur désirée de matériau sur la surface 31 du substrat donneur (cette épaisseur désirée correspondant à tout ou partie de la profondeur du bain). Plus précisément dans le cas du substrat donneur comprenant une zone de fragilisation on cherche à éviter que le budget apporté à cette zone ne conduise à un cloquage de la surface du substrat donneur.

Si la zone de fragilisation est plus proche de la surface 31 que de la face arrière 32 c'est au niveau de cette face 31 que le cloquage est susceptible d'apparaître. On se placera dans cette hypothèse dans la suite de ce texte.

Il est intéressant de réaliser qu'une fois la mise en contact initiale entre la surface 31 et le bain effectuée, et les moyens de chauffage 110 arrêtés de sorte que le bain 20 n'est plus chauffé, deux processus sont initiés. Un premier processus est la diffusion de chaleur dans le substrat donneur. C'est ce processus qui est susceptible de conduire au cloquage.

Un deuxième processus est la croissance d'une couche de matériau solidifié sur la face 31 du substrat donneur. Cette couche est représentée par la référence 50 sur la figure 3. C'est ce processus qui conduit à la fabrication de la couche désirée. Accessoirement c'est également ce processus qui, au-delà d'une certaine épaisseur de couche solidifiée, va éviter tout risque de cloquage.

Le procédé permet de fabriquer un substrat 60 qui comme représenté sur la figure 4 comprend : - le substrat donneur 30, éventuellement muni d'une couche de fragilisation 33, - ainsi que la couche 50 solidifiée d'épaisseur « ec» de matériau issu du bain 20 Le deuxième processus qui réalise la croissance de la couche 50 par solidification réduit le risque de cloquage associé au premier processus, pour deux raisons : - Premièrement, en épaississant la couche de matériau séparant la zone de fragilisation du liquide il éloigne la source de chaleur de la zone de fragilisation, - Deuxièmement, à partir d'une certaine épaisseur de la couche 50 l'épaisseur totale de la couche de matériau séparant la zone de fragilisation du liquide atteint et dépasse l'épaisseur au-delà de laquelle le cloquage n'est plus possible. En effet, le phénomène de cloquage à partir d'une zone de fragilisation comprenant des microcavités n'est envisageable que lorsque cette zone n'est pas située à une profondeur (profondeur e0 sur la figure 4) trop importante dans le substrat. Pour le silicium comme pour le germanium cette épaisseur est comprise entre 7 pm et 10 pm environ. La valeur exacte dans cette gamme dépend des conditions d'implantation, mais dans le cadre de l'exposé de ce texte il n'est pas besoin de la connaître avec précision, car il suffit de prendre comme valeur de sécurité la valeur correspondant au « pire cas » c'est à dire la valeur maximum 10pm. En vérifiant que le procédé fonctionnera pour e0 = 10pm, on s'assure qu'il fonctionne également, dans le même matériau, quelle que soit la valeur précise de cette profondeur critique. Pour les alliages Silicium-Germanium la valeur maximum de cette plage est aussi de 10pm. Chaque matériau est ainsi associé à une profondeur critique au-delà de laquelle un tel cloquage n'est plus susceptible de se produire ; lorsque l'épaisseur recouvrant la zone de fragilisation dépasse la profondeur critique cette épaisseur de matériau contient les contraintes pouvant être générées au niveau de la zone de fragilisation de sorte qu'elles ne se relâchent pas à la surface du substrat pour y générer du cloquage.

On précise que par commodité on parlera dans ce texte indifféremment de profondeur critique ou d'épaisseur critique - il s'agit d'une profondeur à laquelle la zone de fragilisation se trouve sous la surface 31 du substrat donneur, pouvant également être vue comme l'épaisseur de matériau du substrat donneur qui recouvre la zone de fragilisation. Les termes « épaisseur critique » et « profondeur critique » sont donc équivalents dans ce texte. Le déposant a réalisé que l'antagonisme entre les deux processus exposés ci-dessus, qui obéissent à des cinétiques différentes, pouvait être exploité pour mettre en oeuvre une fabrication de substrat par solidification et ce même dans le cas où une singularité telle qu'une zone de fragilisation impose des limites en termes de budget thermique. En effet, la cinétique du processus de solidification (deuxième processus mentionné ci-dessus) est beaucoup plus rapide que la cinétique du processus de diffusion de chaleur vers la zone de fragilisation (premier processus), grâce principalement à la création lors de la mise en contact avec la phase liquide d' un fort gradient de température au niveau de la surface du substrat donneur.

Pour avoir une bonne idée de la cinétique du procédé avant de le mettre en oeuvre, et ainsi prévoir si les paramètres envisagés conviennent, on peut procéder comme suit.

On sait que lorsque l'on connaît la durée DO de traitement thermique qui correspond, à une température TO, à l'apparition d'un phénomène de cloquage de surface d'un substrat comprenant une zone de fragilisation, pour une autre température Tz la durée D correspondant à l'apparition du cloquage dans un substrat identique se déduit des valeurs de (DO , TO) par une loi du type :

(loi 1) : 1/D(Tz)= (1/DO) . EXP(-(Ea/k)*(1/Tz-1/TO) ) Où: - DO est la durée d'exposition de la zone de fragilisation à une température TO, définissant un point (DO, TO) pour lequel on sait que le cloquage apparaît à la surface du substrat, - D est la durée d'exposition de la zone de fragilisation à une température Tz, durée pour laquelle, pour le même substrat, le cloquage apparaîtra, - Tz est la température à laquelle la zone de fragilisation est exposée, - Ea est une valeur d'énergie d'activation, - k est la constante de Boltzmann .

En effet, dans la littérature il est indiqué que la loi de durée d'exposition à la température à partir de laquelle le cloquage est susceptible de se produire a un comportement du type des phénomènes physiques régis par une énergie d'activation. Naturellement ce type de loi est valable pour des profondeurs de zone de fragilisation inférieures à l'épaisseur critique. Pour une profondeur supérieure le cloquage n'apparaît plus.

Ce type de loi se traduit dans une représentation graphique Log(1/D) en fonction de (1/Tz) par une droite, comme représenté sur la figure 5.

L'homme du métier trouvera aisément dans la littérature des lois et courbes de ce type, pour différentes configurations (nature du matériau du substrat, type des ions implantés pour réaliser la zone de fragilisation, dose implantée, énergie d'implantation).

Si la littérature scientifique ne donne pas directement accès à cette loi pour la configuration choisie il lui suffira de réaliser deux expériences de cloquage à deux températures différentes sur des substrats identiques et de mesurer la durée nécessaire de traitement thermique à ces deux températures pour obtenir le cloquage. En reportant les deux points expérimentaux sur un graphe (1/T) en abscisse, Log(1/durée ) en ordonnée , on détermine entièrement la loi. On cherchera donc à demeurer dans un domaine B1 (défini par des valeurs de durée D et température Tz) - c'est-à-dire un domaine de budget thermique - correspondant au côté de la droite de la figure 5 hachuré, qui ne mène pas au cloquage. On évitera de se trouver dans le domaine B2. On va maintenant indiquer comment l'homme du métier peut prévoir, à partir de conditions initiales de procédé, s'il risque de générer un cloquage du substrat donneur.

Pour prévoir dans quelle zone du plan de la figure 5 on se trouvera on fait appel à un modèle d'évolution de la température Tz au niveau de la zone de fragilisation. Cette température évolue selon une loi Tz = f(t), où t représente le temps. Il est possible de d'établir la loi f(t) en résolvant numériquement, par exemple par la méthode des différences finies en utilisant un logiciel du commerce, l'équation de la chaleur et en prenant en compte le changement de phase qui implique un transfert de chaleur latente de fusion, Ce calcul est d'autant plus simple et rapide qu'une simple simulation monodimensionnelle suffit pour disposer de résultats correspondant à la réalité.

Pour obtenir une valeur de Tz = f(t) on utilisera des conditions initiales et des conditions aux limites. Les conditions initiales introduites dans le simulateur pour le calcul seront essentiellement les suivantes : - Valeur de température initiale du substrat, - température du matériau à l'état liquide dans le bain 20 - Propriétés thermiques du matériau du substrat donneur. Il s'agit plus précisément, pour ce matériau solide, des caractéristiques suivantes : o conductivité thermique, o masse volumique, o capacité thermique à l'état solide - Propriétés thermiques du matériau du bain initialement liquide. Il s'agit des mêmes caractéristiques que pour le matériau du substrat donneur, mais tant pour l'état solide que pour l'état liquide du matériau du bain. On prend aussi en compte la chaleur latente de fusion de ce matériau - Valeur e0 de la profondeur de la zone de fragilisation sous la surface 31 Les conditions aux limites du calcul à préciser sont les conditions thermiques sur la face arrière du substrat. Ces conditions thermiques sur la face arrière du substrat doivent être précisées en particulier si l'épaisseur du substrat est faible devant, ou comparable à, la longueur de diffusion thermique dans le substrat donneur pour la durée du procédé de solidification. En effet dans ce cas l'énergie thermique diffuse jusqu'à la face arrière et le profil de température dans le matériau est affecté par la présence de cette face arrière et des conditions thermiques qui y ont lieu. Pour ces conditions thermiques sur la face arrière les options envisageables sont : - soit pas d'échanges thermiques si la face arrière est thermiquement isolée, - soit température constante si la face arrière 32 du substrat donneur est en contact intime avec des moyens maintenant la face arrière à température constante. Dans ce dernier cas, en pratique, ceci peut être obtenu par exemple en prévoyant que les moyens de préhension 40 sont régulés en température et conservent la face arrière du substrat donneur à une température de consigne constante.

La même simulation fournit aussi l'évolution de la densité volumique d'énergie thermique dans le matériau du bain 20, après la mise en contact initiale. A cet égard la simulation apporte en particulier la connaissance, en tous points, et en fonction du temps, de la valeur de la densité volumique d'énergie latente de fusion. Ceci permet d'identifier en fonction du temps la position de la frontière entre la partie entièrement solidifiée issue du matériau du bain 20 et la partie encore au moins partiellement à l'état liquide de ce bain. En effet cette frontière correspond à la limite de la zone où la densité volumique d'énergie latente de fusion est égale à Zéro.

On obtient ainsi la position du front de solidification dans le bain, en fonction du temps. Ce front progresse avec le temps, en éloignement de la surface 31 du substrat donneur. Cette solidification génère un matériau monocristallin de très bonne qualité en particulier lorsque la surface 31 du substrat donneur est en un matériau monocristallin dont le paramètre de maille est proche de celui du matériau qui se solidifié. On précise en effet que le matériau semi-conducteur du substrat donneur - par exemple du silicium - peut être le même que le matériau semi-conducteur du bain 20 mais que ceci n'est pas obligatoire. Il est possible de prévoir que ces matériaux sont différents.

On peut résumer comme suit l'enchaînement des étapes de simulation de température, et de détermination du budget thermique en vue d'éviter le risque de cloquage.

On établit tout d'abord par une simulation thermique une loi Tz = f(t), à partir de conditions initiales et de conditions aux limites telles qu'exposées ci-dessus. Ceci donne la valeur de Tz, température à la zone de fragilisation, pour toute valeur du temps t. La même simulation thermique permet d'accéder également à la position du front de solidification dans le bain20, à tout instant t. Ceci donne accès, également à tout instant t, à l'épaisseur e(t) de matériau solide séparant la zone de fragilisation de l'interface solide/liquide :

e(t) = épaisseur e0 + épaisseur de matériau solidifié à l'instant t sur la surface 31. 25 e0 est l'épaisseur de matériau qui sépare initialement la zone de fragilisation 33 de la surface 31 du substrat donneur comme représenté sur la figure 3. La connaissance de l'épaisseur e(t) permet de déterminer à partir de quel instant t cette épaisseur dépasse la valeur de profondeur critique de la zone de 30 fragilisation. Au-delà de cette valeur le risque de cloquage disparaît. On connaît donc ainsi, pour chaque instant t, Tz(t). La connaissance de Tz(t) et de D(Tz) permet de connaître la loi D(Tz(t)). Pour une température Tz(t) au voisinage dt d'un instant t donné, la quantité : 17 dt / D(Tz(t))

représente la fraction réalisée, pendant l'intervalle de temps dt, de la quantité d'activation thermique nécessaire pour arriver au cloquage du substrat.

Comme Tz varie au cours du temps, la fraction qui est réalisée pendant un intervalle de temps de 0 à t1, de l'activation par traitement thermique nécessaire pour le cloquage du substrat, s'exprime par l'intégrale I : 1 = f dt / D(Tz(t)) 0 Quand cette intégrale 1 vaut 1, cela signifie que l'activation thermique a atteint la valeur nécessaire pour que le cloquage ait lieu. Avant de mettre en oeuvre le procédé de solidification on procèdera donc à une simulation et on vérifiera que la valeur de cette intégrale reste inférieure à 1. Si ce n'est pas le cas les paramètres de procédé seront ajustés (par exemple en abaissant la température initiale du substrat et/ou en choisissant une profondeur d'implantation plus grande) pour une nouvelle simulation, et ceci sera répété jusqu'à ce que la valeur de l'intégrale soit inférieure à 1. La borne supérieure de l'intervalle d'intégration t1 peut ainsi correspondre à la durée prévue de mise en oeuvre du procédé. En tout état de cause il est intéressant pour l'homme du métier de réaliser avant la mise en oeuvre du procédé une simulation pour connaître la durée dite seuil qui est la durée de procédé qui, avec les paramètres que l'homme du métier envisage de mettre en oeuvre (natures des matériaux, températures, dimensions, ..) mènerait à une épaisseur de matériau recouvrant la zone fragilisée égale à la valeur de l'épaisseur critique.

Comme cette durée n'est pas nécessairement connue à priori, on choisira pour une première simulation une durée suffisamment longue pour que l'épaisseur cristallisée obtenue soit supérieure à l'épaisseur critique. On pourra ensuite si besoin réduire la durée pour cerner la durée seuil. L'intégrale 1 peut être calculée numériquement puisque les valeurs de Tz(t) et de D(Tz) sont connues sous forme discrétisée. La valeur de cette intégrale considérée pour une durée correspondant à l'épaisseur critique indique de façon simple et claire si les conditions choisies conduisent au cloquage ou non : - Si I est inférieure à 1 il n'y aura pas de cloquage, - Si I est supérieure ou égale à 1 on s'expose à un risque de cloquage en gardant les conditions de procédé envisagées et utilisées dans la simulation.

Ces étapes permettent ainsi à l'homme du métier de vérifier, à partir des données initiales exposées ci-dessus, que le procédé de solidification à la surface 31 du substrat donneur fonctionnera correctement, sans dégradation du substrat du fait d'effets thermiques indésirables. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer un substrat constitué du substrat donneur 30 et de la couche de matériau semi-conducteur provenant du bain 20 recouvrant la surface 31. Comme on l'a dit ce substrat peut être de très bonne qualité cristalline, la solidification se faisant dans le cas d'une surface 31 monocristalline par épitaxie de matériau monocristallin.

L'épaisseur de la couche (50 sur la figure 4) solidifiée sur la surface 31 peut être contrôlée très précisément, en dimensionnant la profondeur 101 du bain. Le procédé de solidification sera normalement arrêté lorsque la totalité du matériau du bain se sera solidifiée sur la surface 31. lI est également envisageable de ne pas solidifier la totalité du matériau du bain.

Le substrat 30 est dans ce texte dit « donneur» non seulement parce qu'il fournit la surface 31 à partir de laquelle une solidification épitaxiale sera réalisée, mais également parce que, dans le cas où ce substrat comprend une zone de fragilisation, il peut à l'issue de (ou pendant) la solidification épitaxiale donner lieu au détachement d'un nouveau substrat ou couche.

Ce nouveau substrat comprend : - la partie du substrat donneur initialement comprise entre la zone de fragilisation 33 et la surface 31 (partie 34 sur la figure 3), et - la couche de matériau semi-conducteur issu du bain 20 et solidifié sur la surface 31.

On peut détacher ce nouveau substrat par chauffage additionnel de la zone de fragilisation et éventuellement par application d'une contrainte mécanique, comme cela est connu. Le détachement de ce nouveau substrat peut également intervenir pendant la solidification épitaxiale de la couche. En effet dès lors que l'épaisseur de la couche solidifiée dépasse l'épaisseur critique de sorte que le risque de cloquage est éliminé, il est possible de continuer à épaissir la couche et éventuellement de ce fait atteindre le budget thermique de détachement, sans faire intervenir un chauffage additionnel. Ceci permet de constituer un nouveau substrat ou couche qui peut non seulement être d'excellente qualité mais également d'épaisseur contrôlée, même pour des épaisseurs fines.

Exemples A titre d'exemple on pourra mettre en oeuvre le procédé, et solidifier une couche de bonne qualité, avec les paramètres suivants : - matériau du substrat donneur : Si - matériau du bain : Si - Diamètre du substrat donneur (en forme de disque) et du bain : 300mm - épaisseur initiale du substrat donneur : 900 microns - profondeur du bain : 100 microns - profondeur d'implantation (e0) : 2-4 microns (deux valeurs différentes ont été considérées).

Selon un autre exemple on pourra retenir les paramètres suivants : - matériau du substrat donneur : Ge - matériau du bain : Ge - épaisseur initiale du substrat donneur : 400 microns - Diamètre 150mm (forme de disque) - profondeur du bain : 150 microns - profondeur d'implantation (e0) : 1-2-microns (deux valeurs différentes considérées).

Selon un autre exemple on pourra retenir les paramètres suivants : - matériaux Si pour le substrat donneur - matériau (Si 0,9 - Ge 0,1) pour la phase liquide - épaisseur initiale du substrat donneur : 900 microns - Diamètre 200mm (forme de disque) - profondeur du bain : 150 microns - profondeur d'implantation (e0) : 2-3-microns (deux valeurs différentes considérées).

Les figures 6 à 8 montrent des exemples de différentes simulations réalisées respectivement pour : - l'évolution dans le temps de la température dans un substrat donneur de Germanium et dans le bain de Germanium avec lequel ce substrat donneur est mis en contact, après la mise en contact du substrat avec le bain de matériau liquide (figure 6), - l'évolution dans le temps de la profondeur, dans le matériau du bain (ici du Silicium), du front de solidification (Figure 7), - l'évolution, en fonction de l'épaisseur de matériau solidifié (cristallisé), de la valeur de l'intégrale I.

On constate sur la figure 6 que, partant d'une température de 300K, la température évolue tant dans le substrat donneur (représenté sur le graphe de cette figure par les profondeurs supérieures à 100 microns) que dans l'espace occupé par le bain (représenté par les profondeurs inférieures à 100 microns). Ainsi sur ce graphe l'origine des profondeurs est le fond du récipient du bain 20, et les profondeurs croissent vers le substrat. Ces "profondeurs" ne sont donc pas à confondre avec la "profondeur" dans le substrat mentionnée plus haut. Les courbes représentent les valeurs successives de la température, selon l'évolution du temps, ici entre 10010 et 250001 nanosecondes après la mise en contact initiale.

On constate que la répartition de température évolue d'un gradient initial extrêmement important et situé dans les tous premiers instants principalement dans le substrat donneur, vers une configuration où le gradient a progressivement diminué et s'étend à la fois dans la partie correspondant initialement à la phase liquide et dans le substrat donneur.

En effet progressivement l'énergie thermique contenue dans la couche liquide a diffusé vers le substrat donneur, ce qui se traduit par une diminution progressive de la densité de chaleur latente dans la partie liquide, et donc une progression de l'épaisseur cristallisée.

Le simulateur thermique calcule en tout point de l'ensemble (couche liquide + substrat donneur) la densité d'énergie thermique et donne donc accès à toutes ces informations. Dans l'espace du bain, lorsque la température diminue jusqu'à arriver sous la température de fusion, le matériau cristallise (se solidifie). La simulation prenant comme hypothèse que le matériau du bain est initialement à la température de fusion on suit directement avec ce graphe les valeurs de l'épaisseur solidifiée, avec le temps. On suit également les valeurs de Tz(t) au niveau d'une zone de fragilisation enterrée dans le substrat, connaissant la profondeur de la zone de fragilisation. La figure 7 montre l'évolution avec le temps d la profondeur (sur ce graphe la profondeur est la profondeur dans le bain, partant de sa surface initiale). Le bain est ici un bain de Silicium. La température initiale du substrat donneur est de 300 K, la température initiale du bain est la température de fusion du Silicium 1414 °C).

La courbe en escalier est issue de la modélisation qui utilise une discrétisation. La courbe continue est un lissage de cette courbe en escalier. La figure 8 est issue d'une simulation du même type, dans laquelle le paramètre "temps" a été éliminé. Cette figure a été obtenue en combinant : - d'une part, l'évolution de Tz(t), qui donne accès à la valeur de l'intégrale I(t) en fonction du temps sur lequel on intègre cette intégrale, - d'autre part, l'épaisseur cristallisée en fonction du temps. En éliminant le temps entre les deux on obtient la valeur de I en fonction de l'épaisseur cristallisée, ici dans un bain de Germanium. On constate sur cette simulation que l'on reste bien en-deçà des conditions menant à l'apparition de cloques à la surface du substrat.30

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un substrat en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - Partant d'un substrat donneur (30) en un premier matériau semi-conducteur à une température initiale, - Mettre en contact une surface (31) du substrat donneur (30) avec un bain (20) d'un deuxième matériau semi-conducteur maintenu à l'état liquide à une température supérieure à ladite température initiale, le deuxième matériau semi-conducteur étant choisi de sorte que sa température de fusion soit inférieure à la température de fusion du premier matériau semi-conducteur, - Faire solidifier sur ladite surface (31) le matériau du bain pour épaissir le substrat donneur (30) par une couche solidifiée.
2. 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier matériau semi-conducteur est du Silicium, du Germanium, ou du Silicium-Germanium.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième matériau semi-conducteur est du Silicium, du Germanium, ou du Silicium-Germanium. 25
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit bain est contenu dans un récipient dont la profondeur correspond à l'épaisseur désirée pour la couche solidifiée.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le 30 substrat donneur comporte une zone de fragilisation réalisée par introduction d'espèces atomiques dans l'épaisseur dudit substrat donneur.
6. 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que préalablement à la mise en oeuvre du procédé on effectue une simulation pour assurer que la20chaleur reçue par la zone de fragilisation ne produira pas de cloquage du substrat donneur.
7. 7. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite simulation est exploitée en vérifiant que la valeur de l'intégrale 1 = f dt / D(Tz(t)) 0 reste inférieure à 1, avec : - t1 = durée prévue pour le procédé - D(Tz) = durée d'exposition de la zone de fragilisation à la température Tz qui conduit au cloquage - Tz(t) = température à la zone de fragilisation, au temps t.
8. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend : - Un récipient pour contenir le bain liquide, - Des moyens de chauffage pour amener le matériau du bain à l'état liquide et l'y maintenir.
9. 9. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent des lampes et le dispositif comprend des moyens de régulation individuelle de l'alimentation de chaque lampe des moyens de chauffage.
10. 10. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont complétés par un système complémentaire de chauffage.
11. 11. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que le système complémentaire de chauffage est un système de chauffage par induction situé sous le récipient.