FR3073082A1 - Procede de fabrication d'un film sur un support presentant une surface non plane - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un film (12) sur un support (20) présentant une surface non plane, caractérisé en ce qu'il comprend : - la fourniture d'un substrat donneur (10) présentant une surface non plane, - la formation d'une zone de fragilisation (11) dans le substrat donneur (10) de sorte à délimiter ledit film (12) à transférer, - la formation du support (20) par dépôt sur la surface non plane du film (12) à transférer, - le détachement du substrat donneur (10) le long de la zone de fragilisation (11), de sorte à transférer ledit film (12) sur le support (20).

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un film sur un support présentant une surface non plane.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La réalisation d’un film, notamment monocristallin, sur un support n’est pas chose aisée lorsque ledit film présente une surface d’interface avec le support qui est non plane, c’est-à-dire que ladite surface du support comprend au moins une courbure et/ou un motif en creux ou en relief.
Cette topologie particulière se prêtant mal à des procédés de collage et de laminage, on s’oriente généralement vers des techniques consistant à former le film par dépôt sur ledit support.
Il est cependant nécessaire d’assurer, outre une bonne tenue mécanique du film visà-vis du support, une qualité cristalline du film suffisamment bonne. Or, la qualité cristalline du film dépend fortement du support sur lequel le dépôt est opéré et notamment de sa surface. Ceci est d’autant plus vrai que l’on considère des films monocristallins formés par épitaxie. Dans cette situation, la nature même du support, à travers la nécessité d’avoir une structure cristalline adéquate et des paramètres de maille adaptés au film que l’on veut déposer est particulièrement cruciale. La liste des candidats susceptibles de jouer le rôle de support devient très limitée, au point dans certains cas de cahier des charges ne pas pouvoir trouver de solution.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est donc de concevoir un procédé de fabrication d’un film sur un support présentant une surface non plane, tout en assurant à la fois une bonne qualité cristalline du film et un choix assez étendu quant à la nature du support.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un film sur un support présentant une surface non plane, caractérisé en ce qu’il comprend :
- la fourniture d’un substrat donneur présentant une surface non plane,
- la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter ledit film à transférer,
- la formation du support par dépôt sur la surface non plane du film à transférer,
- le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer ledit film sur le support.
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend en outre le dépôt d’une couche intermédiaire sur la surface non plane avant le dépôt du support.
La formation de la zone de fragilisation est avantageusement réalisée par implantation d’espèces ioniques dans le substrat donneur.
Lesdites espèces ioniques implantées peuvent être de l’hydrogène et/ou de l’hélium.
Selon un mode de réalisation, le détachement du substrat donneur est provoqué par un traitement thermique.
Dans ce cas, le dépôt du support est avantageusement mis en œuvre avec un budget thermique inférieur à celui du traitement thermique de détachement.
Le film transféré peut être en un matériau choisi parmi les matériaux semiconducteurs, les matériaux piézoélectriques, les matériaux magnétiques et les oxydes fonctionnels.
De manière particulièrement avantageuse, le film transféré est monocristallin.
L’épaisseur du film transféré est généralement comprise entre 100 nm et 10 pm, de préférence entre 100 nm et 1 pm.
Le support peut être en un matériau choisi parmi les métaux, les verres et les céramiques.
Le support présente typiquement une épaisseur comprise entre 1 et 50 pm.
De préférence, le matériau du support est choisi pour présenter une différence de coefficient thermique vis-à-vis du matériau du film transféré inférieure à 5x10'6 K'1 en valeur absolue.
Le dépôt du support peut être mis en œuvre par une des techniques suivantes : le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt par électrodéposition, l’enduction centrifuge, le laquage et la projection.
Selon une forme d’exécution de l’invention, la surface du film à transférer présente au moins une portion courbe.
Selon une forme d’exécution de l’invention, la surface du film à transférer présente au moins un motif en creux ou en relief.
Selon une forme d’exécution de l’invention, la surface du film à transférer présente une texture caractérisée par une rugosité supérieure à 1 nm rms.
Selon un mode de réalisation, la surface non plane du film à transférer est obtenue (par exemple par gravure du substrat donneur) après la formation de la zone de fragilisation.
Selon un mode de réalisation, la surface non plane du film à transférer est obtenue (par exemple par gravure du substrat donneur) avant la formation de la zone de fragilisation.
Le reliquat du substrat donneur à l’issue du détachement peut être recyclé en vue de la mise en œuvre d’un nouveau film présentant une surface non plane sur un support ;
avant ledit recyclage, le reliquat du substrat donneur est soumis à une opération de régénération de sa surface impliquant un enlèvement de matière sensiblement nul ou conforme à la topologie dudit reliquat.
Selon un mode de réalisation, le substrat donneur comprend une pluralité de pavés agencés à la surface d’une plaquette, chaque pavé comprenant une zone de fragilisation délimitant un film respectif à transférer, et le support est déposé sur la surface de l’ensemble desdits pavés.
Selon une forme d’exécution particulière, le dépôt du support inclut le dépôt successif d’au moins deux couches de matériaux différents.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, après le détachement du substrat donneur, le dépôt d’un film additionnel sur la face du film transféré opposée au support.
Un autre objet concerne une structure intermédiaire obtenue après dépôt du support sur le substrat donneur. Ladite structure comprend :
- un substrat donneur incluant une zone de fragilisation délimitant un film superficiel et
- un support recouvrant ledit film, et l’interface entre le film et le support est non plane.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1A est une vue schématique en coupe d’un substrat donneur comprenant une surface présentant des motifs en creux ;
- les figures 1B et 1C illustrent de manière schématique deux alternatives d’une zone de fragilisation formée dans le substrat donneur de la figure 1A ;
- la figure 1D illustre de manière schématique le support déposé sur le substrat donneur de la figure 1B ;
- la structure 1E illustre une variante de la figure 1D, dans laquelle une couche intermédiaire a été déposée entre le substrat donneur et le support ;
- la figure 1F illustre de manière schématique la structure résultant du détachement du substrat donneur de la figure 1E le long de la zone de fragilisation ;
- la figure 1G illustre de manière schématique la structure de la figure 1F après le dépôt d’un film additionnel sur le film transféré ;
- les figures 2A et 2B illustrent une alternative aux figures 1A-1B, correspondant à un ordre inversé des étapes concernées ;
- la figure 3A est une vue schématique en coupe d’un substrat donneur comprenant une surface courbe ;
- la figure 3B illustre de manière schématique la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de la figure 2A ;
- la figure 3C illustre de manière schématique le dépôt du support sur le substrat donneur de la figure 3B ;
- la figure 3D illustre de manière schématique la structure résultant du détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation ;
- la figure 4A est une vue schématique en coupe d’un substrat donneur comprenant une surface texturée ;
- la figure 4B illustre de manière schématique la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de la figure 4A ;
- la figure 4C illustre de manière schématique le dépôt du support sur le substrat donneur de la figure 4B ;
- la figure 4D illustre de manière schématique la structure résultant du détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation ;
- les figures 5A-5E illustrent de manière schématique les étapes d’un procédé mis en œuvre selon un mode de réalisation de l’invention ;
- les figures 6A-6D illustrent de manière schématique les étapes d’un procédé selon un autre mode de réalisation de l’invention,
- les figures 7A-7G illustrent de manière schématique les étapes d’un procédé selon un autre mode de réalisation de l’invention ;
- les figures 8A-8C illustrent de manière schématique les étapes d’un procédé selon une autre forme d’exécution de l’invention.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
D’une manière générale, l’invention prévoit la formation du support par dépôt sur un substrat donneur non plan préalablement fragilisé de sorte à délimiter un film mince. Ledit film mince est ensuite transféré sur le support par détachement du substrat donneur. Le support peut être constitué d’un unique matériau ou d’un empilement d’au moins deux matériaux différents, déposés successivement sur le substrat donneur.
La non-planéité de la surface du substrat donneur peut être due à une courbure (concave ou convexe) d’au moins une partie de ladite surface, et/ou à la présence d’au moins un motif en creux ou en relief s’étendant à partir de ladite surface, et/ou encore à une texturation de surface, qu’elle soit volontaire ou pas.
La figure 1A illustre un substrat donneur 10 qui comprend au moins une portion superficielle constituée du matériau destiné à former le film mince. Bien que ledit substrat donneur soit représenté sous la forme d’un substrat massif, il pourrait également être formé d’un empilement de couches de différents matériaux, dont une couche superficielle constituée du matériau destiné à former le film mince. En particulier, le film mince peut correspondre à une couche de cet empilement réalisée par épitaxie.
La surface 10a dudit substrat donneur 10 comprend un certain nombre de motifs 100 en creux (ou en relief - non illustrés ici) par rapport à un plan de référence.
Les motifs peuvent avantageusement être formés par lithographie et gravure du substrat donneur. Ils peuvent aussi par exemple être obtenus par dépôt en utilisant des masques.
De manière avantageuse, le matériau destiné à former le film mince est choisi parmi : les matériaux semi-conducteurs (par exemple : silicium, carbure de silicium, germanium, composés lll-V tels que AsGa, InP, GaN, composés ll-IV tels que CdTe, ZnO), les matériaux piézoélectriques (par exemple : LiNbO3, LiTaO3, PZT, PMN-PT), les matériaux magnétiques et les oxydes fonctionnels (par exemple : ZrO2, SrTiO3, YSZ, GaO2). Ces exemples ne sont pas limitatifs.
De préférence, le matériau destiné à former le film mince est monocristallin. Il peut aussi être polycristallin, et dans ce cas on s’attachera souvent à optimiser ses conditions de formation pour obtenir par exemple une densité et une taille de grains cristallins particulières, et/ou encore une orientation cristalline préférentielle, et/ou une rugosité optimisée.
On forme dans le substrat donneur 10 une zone de fragilisation 11 qui délimite un film superficiel 12 destiné à être transféré. Bien qu’envisagée ici comme réalisée après la formation des motifs, la formation de la zone de fragilisation pourrait être mise en œuvre avant la formation des motifs.
L’épaisseur du film transféré est définie par la profondeur de la zone de fragilisation 11 dans le substrat donneur 10. De manière avantageuse, cette profondeur est comprise entre 100 nm et 10 pm, préférentiellement entre 100 nm et 1 pm.
La formation de la zone de fragilisation 12 dans le substrat donneur 10 peut être effectuée par implantation d’espèces ioniques (schématisée par les flèches sur la figure 1B) au travers de la surface 10a du substrat. De manière avantageuse, les espèces implantées sont des ions hydrogène et/ou des ions hélium. L’énergie d’implantation permet de définir la profondeur de la zone d’implantation 11. La dose d’implantation est choisie afin de permettre le détachement du film 12 après l’application d’un traitement adapté. La dose d’implantation est choisie suffisamment faible pour ne pas induire la formation de bulles dès l’étape d’implantation. Les espèces ioniques, l’énergie et la dose d’implantation sont choisies en fonction du matériau du substrat donneur 10. Ces conditions ont fait l’objet de nombreuses publications et sont connues de l’homme du métier.
Si l’implantation est réalisée au travers de la surface présentant déjà les motifs en creux et/ou en relief, la zone de fragilisation peut suivre sensiblement le même profil que ces motifs, l’épaisseur de matériau entre la surface et la zone de fragilisation restant sensiblement constante.
La continuité du film et sa qualité au voisinage des zones de transition entre motifs adjacents peut dépendre en particulier des rapports d’épaisseur entre l’épaisseur du film et l’amplitude du relief. Pour un film épais (par exemple 2 pm) et une marche faible (par exemple 0,05 pm), le film 12 pourra apparaître sensiblement continu, comme représenté sur la figure 1B. A l’inverse, pour un film fin (par exemple 0,05 pm) et une marche élevée (par exemple 2 pm), le film 12 sera susceptible de présenter des discontinuités (cf. figure 1C), ce qui n’est par ailleurs pas nécessairement pénalisant selon l’application visée. Dans certaines situations, on pourra prendre compte ce phénomène et de préférence faire en sorte que l’angle entre la surface des motifs et la surface d’un plan de référence soit inférieur ou égal à 45°.
De manière alternative (cf. figure 2A), si l’implantation est réalisée au travers de la surface 10a du substrat donneur 10 qui est initialement plane, et les motifs en creux et/ou en relief sont formés à partir de cette surface après l’implantation, la zone de fragilisation est sensiblement plane. La gravure des motifs 100 doit être effectuée ultérieurement de sorte que la profondeur de gravure soit inférieure à la profondeur de la zone de fragilisation 11 (cf. figure 2B), si l’on ne souhaite pas une discontinuité du film 12.
Pour tenir compte du fait que plusieurs niveaux topologiques peuvent être mis en jeu au regard des plans de fragilisation, on pourra envisager des configurations où la zone de fragilisation n’est pas unique mais multiple et/ou étendue. Dans le cas d’une fragilisation par implantation, ceci pourra se faire aisément à travers un choix multiple ou étendu d’énergies d’implantation.
En référence à la figure 1D, on forme un support 20 sur la surface du film 12 qui, à ce stade, fait encore partie du substrat donneur 10.
Par opposition aux techniques de collage, le support ne préexiste pas et est formé directement sur le substrat donneur. Les techniques de dépôts suivantes peuvent être mises en œuvre pour la formation dudit support : le dépôt physique en phase vapeur (PVD, acronyme du terme anglo-saxon « Physical Vapor Déposition »), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Vapor déposition »), le dépôt par électrodéposition ou électroformage (« electroplating » (ECD) selon la terminologie anglo-saxonne), l’enduction centrifuge (« spin coating » selon la terminologie anglo-saxonne, le laquage et la projection. Ces techniques sont connues en elles-mêmes et ne seront pas décrites plus en détail ici, l’homme du métier étant à même de sélectionner la technique la plus adaptée en fonction du matériau du support à déposer.
Des techniques de dépôt à relativement basse température sont préférées, afin de ne pas amorcer un détachement prématuré du substrat donneur.
Suivant la technique de dépôt choisie, le dépôt peut être conforme, c’est-à-dire que la surface libre du support suit sensiblement le même profil que les motifs, l’épaisseur de matériau entre la surface du support et la surface du substrat donneur restant sensiblement constante.
Cependant si l’épaisseur déposée est importante (par exemple supérieure ou égale à 50 pm) au regard de l’ampleur de la topologie (par exemple une marche de 0,5 pm), l'épaisseur déposée pourra apparaître constante, et par conséquent la surface libre du support apparaîtra plane,
Selon d’autres modes de réalisation, le dépôt peut avoir pour effet de combler les creux présents à la surface du substrat donneur, résultant en une surface libre du support sensiblement plane. Dans ce cas, le support présente une épaisseur variable.
Le support est avantageusement en un matériau choisi parmi les métaux (par exemple : Ni, Cu, Cr, Ag, Fe, Co, Zn, Al, Mo, W et leurs alliages), les verres et les céramiques (par exemple : silice (SiO2), alumine (AI2O3), AIN polycristallin, silicium polycristallin, SiC polycristallin). Ces exemples ne sont pas limitatifs.
L’épaisseur du support est typiquement comprise entre 1 et 50 pm (cette épaisseur étant suffisamment faible pour que l’on puisse assimiler le support à un feuillet), mais peut également être bien supérieure.
Par ailleurs, on veille à ce que l’adhérence du support sur le substrat donneur soit suffisante pour éviter le détachement du support lors du procédé de transfert de film. Cette adhérence peut être améliorée par le dépôt d’une couche d’accroche sur le substrat donneur avant le dépôt du support. Par exemple, ladite couche d’accroche peut être en l’un des matériaux suivants : Ti, Cr, Pt, Ta, TiW, Si3N4, TiN, CrCu.
Plus généralement, une couche intermédiaire 21 peut être déposée sur le film 12 avant le dépôt du support 20 (la structure finale étant représentée sur la figure 1E). Outre une éventuelle fonction d’accroche, une telle couche peut avoir notamment pour fonction d’éviter la diffusion d’espèces chimiques vers le film 12 lors du dépôt du support 20, et/ou de former un contact électrique sur le film 12, et/ou à former un saut d’indice optique, et/ou encore minimiser une discontinuité d’impédance acoustique. Naturellement, l’homme du métier est à même de choisir le matériau adéquat et son épaisseur selon la fonction mécanique, électrique, optique, thermique, acoustique ou chimique de la couche intermédiaire.
L’épaisseur de ladite couche intermédiaire 21 est suffisamment faible pour que la rigidité de cette couche ne vienne pénaliser la flexibilité du support, lorsque ce critère est important.
Lorsqu’il existe d’un écart important entre les coefficients de dilatation thermique du support et du film (typiquement un écart supérieur à 5x10'6 K'1), le matériau du support est choisi pour démontrer une ductilité suffisante afin que le film transféré ne subisse pas d’endommagement (par exemple de type fissures) lors du procédé de transfert. Par ductilité suffisante, on entend que la limite élastique du support est inférieure au produit de la limite élastique du film et du rapport d’épaisseurs entre le film et le support.
En référence à la figure 1F, on détache ensuite le substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11, de sorte à transférer ledit film 12 sur le support 20. Il subsiste à l’issue de ce détachement un reliquat 10’ du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé en vue d’une autre utilisation.
Le détachement est provoqué par un traitement de l’empilement du support 20 sur le substrat donneur 10. Ledit traitement peut être par exemple thermique, mécanique ou une combinaison de ces deux types de traitement. Ce type de traitement est bien connu notamment dans le cadre du procédé Smart Cut™ et ne sera donc pas décrit en détail ici. Dans le cas d’un traitement thermique, le budget thermique de ce traitement est généralement supérieur au budget thermique de dépôt du support.
Le film 12 peut éventuellement servir de germe pour le dépôt d’un film additionnel 13 (cf. figure 1G).
La structure formée du support 20 et du film 12 (ainsi que d’un éventuel film additionnel) peut être utilisée pour former des dispositifs qui ont notamment des applications en microélectronique, photonique ou optique. Une telle structure peut également entrer dans la fabrication de capteurs ou de transducteurs, ou de membranes pour pile à combustible.
Les figures 3A à 3D présentent de manière schématique un autre mode de réalisation du procédé de transfert, dans lequel la surface du substrat donneur présente au moins une courbure, concave ou convexe.
Les signes de référence communs avec les figures 1A à 2B désignent les mêmes éléments, qui ne seront donc pas décrits à nouveau en détail. De plus, les matériaux et procédés décrits en référence aux figures 1A à 2B sont également applicables au mode de réalisation des figures 3A à 3D, de sorte qu’ils ne seront pas décrits à nouveau en détail.
En référence à la figure 3A, la surface 10a du substrat donneur 10 est concave.
En référence à la figure 3B, une implantation d’espèces atomiques au travers de la surface 10a a pour effet de former une zone de fragilisation 11 au sein du substrat donneur 10. Ladite zone de fragilisation présente généralement une courbure sensiblement parallèle à la surface du substrat donneur 10, l’épaisseur du film 12 à transférer étant sensiblement constante. Comme indiqué précédemment, la surface du substrat donneur peut être rendue concave ou convexe après la formation de la zone de fragilisation, laquelle est alors généralement plane.
En référence à la figure 3C, on forme par dépôt un support 20 sur la surface du film 12 qui, à ce stade, fait encore partie du substrat donneur 10. Comme indiqué précédemment, le dépôt du support peut être précédé du dépôt d’une couche intermédiaire (non représentée).
Suivant la technique de dépôt choisie, le dépôt peut être conforme, c’est-à-dire que la surface libre du support présente sensiblement la même courbure que le substrat donneur, l’épaisseur de matériau entre la surface du support et la surface du substrat donneur restant sensiblement constante.
En référence à la figure 3D, on détache ensuite le substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11, de sorte à transférer ledit film 12 sur le support 20. Il subsiste à l’issue de ce détachement un reliquat 10’ du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé en vue d’une autre utilisation.
Le procédé des figures 3A à 3D est particulièrement intéressant pour la formation de pièces courbes. Il peut s’agir par exemple de revêtements de pièces optiques, telles que des lentilles divergentes ou convergentes ou encore des miroirs de forme parabolique. Il peut également s’agir de verres optiques pour lunettes de vue ou de réalité augmentée, ou d’écrans incurvés, ou encore d’éléments de pare-brise ou de cockpit par exemple.
Les figures 4A à 4D présentent de manière schématique un autre mode de réalisation du procédé de transfert, dans lequel la surface du substrat donneur présente une topologie texturée. Ladite topologie peut notamment correspondre à une rugosité de la surface du substrat donneur, obtenue volontairement ou non.
Les signes de référence communs avec les figures 1A à 3D désignent les mêmes éléments, qui ne seront donc pas décrits à nouveau en détail. De plus, les matériaux et procédés décrits en référence aux figures 1A à 2B sont également applicables au mode de réalisation des figures 4A à 4D, de sorte qu’ils ne seront pas décrits à nouveau en détail.
En référence à la figure 4A, la surface 10a du substrat donneur 10 présente une certaine rugosité, par exemple supérieure ou égale à 1 nm rms. .
En référence à la figure 4B, une implantation d’espèces atomiques au travers de la surface 10a a pour effet de former une zone de fragilisation 11 au sein du substrat donneur 10. Comme indiqué précédemment, la surface du substrat donneur peut éventuellement être texturée après la formation de la zone de fragilisation.
En référence à la figure 4C, on forme par dépôt un support 20 sur la surface du film 12 qui, à ce stade, fait encore partie du substrat donneur 10. Comme indiqué précédemment, le dépôt du support peut être précédé du dépôt d’une couche intermédiaire (non représentée).
Suivant la technique de dépôt choisie, le dépôt peut être conforme, c’est-à-dire que la surface libre du support présente sensiblement la même texture que le substrat donneur, l’épaisseur de matériau entre la surface du support et la surface du substrat donneur restant sensiblement constante.
En référence à la figure 4D, on détache ensuite le substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11, de sorte à transférer ledit film 12 sur le support 20. Il subsiste à l’issue de ce détachement un reliquat 10’ du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé en vue d’une autre utilisation.
Le procédé des figures 4A à 4D est particulièrement intéressant pour des structures à onde acoustique comme les filtres radiofréquence (RF) par exemple, et notamment pour éviter les réflexions d’ondes parasites sur la face arrière des substrats et ou couches considérées.
Ci-dessous sont décrits quelques exemples (non limitatifs) d’application du procédé selon l’invention.
Exemple 1 : formation d’un film de niobate de lithium sur un feuillet de cuivre
Le niobate de lithium (LiNbO3) est un matériau piézoélectrique et pyroélectrique remarquable en ce qu’il conserve ses propriétés piézoélectriques jusqu’à des températures élevées. Sa température de Curie est de 1140°C, alors que de nombreux autres matériaux perdent leurs propriétés dès des gammes de température de l’ordre de 100à250°C.
Il représente donc un matériau intéressant pour des systèmes exploitant la piézoélectricité et/ou la pyroélectricité dans ces gammes de température. Par exemple, il peut s’agir de systèmes de récupération d’énergie par récupération de l’énergie des vibrations et autres déformations d’un système mécanique fonctionnant dans un environnement hostile dans des gammes de températures supérieures à 250°C. Il peut aussi d’agir de capteurs piézo ou pyroélectriques dédiés à la mesure de température, de pression ou à la détection de gaz.
Ce matériau est monocristallin et de bonne qualité lorsqu’il est réalisé par tirage de lingot puis découpé en plaquettes massives de plusieurs centaines de pm d’épaisseur. En film minces, lorsqu’il est réalisé par dépôt il est en général polycristallin, au mieux quasimonocristallin mais très défectueux.
Nombre de structures visées doivent épouser une certaine topologie, comme par exemple celle d’une poutre flottante structurée ou encore d’une plateforme flottante et décalée ou en retrait par rapport au niveau moyen de la surface du substrat.
On fournit un substrat 10 de LiNbO3. Des tranchées 100 sont réalisées par gravure dans le substrat 10 afin de définir les contours d’une future membrane suspendue (cf. figure 1 A). Typiquement les tranchées présentent des largeurs de plusieurs dizaines de pm et leur profondeur est comprise entre 0,1 et 0,5 pm.
On implante dans ledit substrat 10 des ions hélium de sorte à former une zone de fragilisation 11 et délimiter un film mince 12 de LiNbO3 (cf. figure 1B). L’épaisseur du film 12 est de l’ordre de 0,3 pm.
On dépose sur le film 12 une couche d’accroche 21 constituée d’un alliage Cr/Cu, par une technique de PVD. On dépose ensuite sur ladite couche d’accroche 21 un feuillet 20 en cuivre, par une technique d’électrodéposition (cf. figure 1E). L’épaisseur dudit feuillet est de l’ordre de 20 pm.
Ensuite, on applique un recuit à une température de 300°C, afin de provoquer le détachement du substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11.
Exemple 2 : formation d’un film de zircone stabilisée à l’yttrium sur un feuillet de nickel
La zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ) se trouve généralement sous forme de céramique polycristalline, et plus rarement sous forme de substrat monocristaillin.
Une utilisation de ce matériau repose sur ses propriétés de conduction ionique. Il sert alors de membrane solide pour jouer le rôle d’électrolyte dans des systèmes de pile à combustible (SOFC pour « Solid Oxide Fuell Cell » selon la terminologie anglo-saxonne). De tels systèmes, lorsqu’ils doivent être miniaturisés (on parle alors de micro-SOFC) ont intérêt à évoluer vers des membranes qui sont d’une part fines, c’est-à-dire typiquement en dessous de quelques pm d’épaisseur, et d’autre part monocristallines. De tels systèmes fonctionnent à haute température (typiquement 550-700°C) et sont soumis à de fortes sollicitations thermomécaniques. Afin de rendre la membrane plus résistante, on lui donne avantageusement une forme ondulée (« corrugated » selon la terminologie anglosaxonne) présentant ainsi une topologie de soufflet, cette forme permettant de mieux encaisser les déformations par effet ressort. Une telle mise en forme peut par ailleurs avoir pour effet bénéfique de maximiser la surface exposée disponible pour les réactions électrochimiques désirées.
On fournit un substrat 10 de YSZ monocristallin (cf. figure 7A). Des réseaux de tranchées 100 sont réalisés par gravure dans le substrat 10 afin de définir les contours des futurs soufflets de la membrane électrolyte (cf. figure 7B). Typiquement les tranchées 100 présentent des largeurs de plusieurs dizaines de pm et leur profondeur est de l’ordre de 2 pm. Les flancs 100a des tranchées, qui définiront la transition entre zones hautes et zones basses des soufflets, sont avantageusement contrôlés pour être inclinés à plus de 45° de la normale à la surface 10a. Les tranchées sont espacées l’une de l’autre de plusieurs dizaines de pm pour former les ondulations désirées.
On implante dans ledit substrat 10 des ions hydrogène de sorte à former une zone de fragilisation 11 et délimiter un film mince 12 de YSZ (cf. figure 7C). L’épaisseur du film 12 est de l’ordre de 1 pm.
On dépose sur le film 12 une couche d’accroche 21 constitué d’un alliage Cr/Cu, par une technique de PVD (cf. figure 7D). On dépose ensuite sur ladite couche d’accroche 21 un feuillet 20 en nickel, par une technique d’électrodéposition (cf. figure 7E). L’épaisseur dudit feuillet est de l’ordre de 20 pm.
Ensuite, on applique un recuit à une température de 300°C, afin de provoquer le détachement du substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11 (cf. figure 7F).
Le support 20 peut ensuite être gravé de sorte à obtenir la forme finale des soufflets (cf. figure 7G).
Exemple 3 : formation d’un film de silicium monocristallin sur un feuillet de verre incurvé
Dans le domaine de la réalisation d’écrans ou autres pièces optiques (lentilles, miroirs, ...), la réalisation de pièces non planes ou incurvées rend difficile l’utilisation de films minces de matériaux monocristallins tel que du silicium. Cet exemple vise à rendre disponible un film mince de silicium sur un feuillet de verre présentant une certaine courbure. Ce film de silicium pourra notamment servir à réaliser des transistors de haute performance, par exemple à des fins de fabrication d’écrans de haute définition ultra compacts et incurvés.
On fournit un substrat 10 de silicium monocristallin massif.
La forme incurvée que l’on souhaite épouser est réalisée par gravure dans ce substrat de silicium. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5A, la forme choisie est concave avec une remontée plus marquée sur les bords. Tout autre profil parabolique, elliptique, ondulé, ... - est possible. Cette forme peut être réalisée grâce à une gravure par usinage mécanique. L’homme de l’art saura adapter la technique de gravure la plus adaptée à la forme et dimension désirée.
Le substrat 10 est soumis à une oxydation thermique pour réaliser une couche 14 de SiO2 de 0,2 pm d'épaisseur (cf. figure 5B).
On implante ensuite dans ledit substrat 10 des ions hydrogène au travers de la couche oxydée 14 de sorte à former une zone de fragilisation 11 et délimiter un film mince 12 de silicium monocristallin (cf. figure 5C). L’épaisseur du film 12 est de l’ordre de 0,5 pm.
On dépose sur le film 12 un feuillet 20 en silice (verre), par une technique de dépôt à basse température, typiquement inférieure à 200°C pour ne pas provoquer un détachement intempestif le long de la zone de fragilisation (cf. figure 5D). L’épaisseur dudit feuillet est de l’ordre de 20 pm. Le dopage de la silice, par exemple à l’aide d’ions phosphore ou bore, permet de mieux ajuster le coefficient de dilatation thermique du verre à celui du silicium au cas où des contraintes thermomécaniques élevées viendraient à apparaître. L’homme du métier saura choisir le niveau de dopage ainsi que les conditions et la technique de dépôt les plus adaptées notamment en termes de température et d’épaisseur finale désirée.
Ensuite, on applique un recuit à une température de 500°C, afin de provoquer le détachement du substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11 (cf. figure 5E).
Exemple 4 : formation d’un film de tantalate de lithium sur un feuillet de verre
Cet exemple vise des structures à onde acoustique comme les filtres radiofréquence (RF) par exemple. Dans certaines structures RF, on cherche à éviter les réflexions d’ondes parasites sur la face arrière des substrats et ou couches considérées. Un moyen consiste à rendre géométriquement imparfaites les interfaces et surfaces arrières en introduisant notamment des texturations ou autres rugosités volontaires. Cette contrainte est difficile voire impossible à satisfaire si l’on envisage l’emploi de certains films fins de matériaux monocristallins tels que le LiTaO3 par exemple, et ce sans recourir à l’introduction d’empilements complexes de couches supplémentaires intermédiaires.
On fournit un substrat 10 de LiTaO3 monocristallin massif.
On implante dans ledit substrat 10 au travers de la surface 10a des ions hydrogène de sorte à former une zone de fragilisation 11 et délimiter un film mince 12 de LiTaO3 monocristallin (cf. figure 6A). L’épaisseur du film 12 est de l’ordre de 1,5 pm.
Une texturation de la surface 10a est créée par photolithogravure (cf. figure 6B). Dans cet exemple l’implantation a lieu avant l’étape de texturation mais elle pourrait avoir lieu après comme dans le mode de réalisation illustré aux figures 4A-4D.
L’homme du métier saura adapter la technique la plus adaptée à la forme et aux dimensions désirées pour la texture. On pourra par exemple choisir une technique de lithographie par nano-impression (« Nanolmprint » selon la terminologie anglo-saxonne) pour définir des motifs de dimension caractéristique latérale légèrement submicronique, sur une profondeur de l’ordre de 0,05 pm. Dans une variante, la texturation est obtenue par rugosification par effet de pulvérisation cathodique. Selon une autre alternative, mise en œuvre de préférence avant l’étape d’implantation, la texturation peut être obtenue par un sablage de la surface du substrat 10.
On dépose sur le film 12 un feuillet 20 en silice, par une technique de dépôt à basse température, typiquement inférieure à 100°C pour ne pas provoquer un détachement intempestif le long de la zone de fragilisation (cf. figure 6C). L’épaisseur dudit feuillet est de l’ordre de 10 pm. L’homme du métier saura choisir dans ces conditions la technique de dépôt la plus adaptée notamment en termes de température et d’épaisseur finale désirée. A titre d’alternative, le feuillet 20 peut être en métal au lieu d’être en silice.
Ensuite, on applique un recuit à une température de l’ordre de 200°C, afin de provoquer le détachement du substrat donneur 10 le long de la zone de fragilisation 11 (cf. figure 6D).
Exemple 5 : Cas d’un substrat donneur comprenant une pluralité de pavés
Selon une forme d’exécution de l’invention, la topologie non plane du substrat donneur résulte de la formation d’une pluralité de pavés 1001 agencés à la surface d’une plaquette 1000 (cf. figure 8A).
Les pavés sont avantageusement formés d’un matériau choisi parmi les matériaux semi-conducteurs, les matériaux piézoélectriques, les matériaux magnétiques et les oxydes fonctionnels. Les pavés sont avantageusement monocristallins. Chaque pavé peut être mis en place sur la plaquette par collage, individuellement ou collectivement.
Les pavés peuvent présenter toute taille et forme appropriée en fonction de l’application visée. Les pavés peuvent être agencés de manière régulière sur la plaquette, par exemple pour former une sorte de quadrillage.
La surface principale de chaque pavé 1001 est parallèle à la surface principale de la plaquette 1000. Cependant, dans la mesure où l’épaisseur de chaque pavé n’est pas maîtrisée avec suffisamment de précision, il peut exister une légère différence d’épaisseur d’un pavé à l’autre (par exemple de l’ordre de 1 ou 2 pm d’épaisseur). Il en résulte que la surface constituée de l’ensemble des surfaces des pavés présente des différences de niveaux, typiquement sous la forme de marches (l’amplitude de ces variations a volontairement été exagérée sur la figure 8A). Ces différentes marches forment donc une topologie non plane de la surface de la plaquette.
En général, comme exposé par exemple dans les documents FR 3 041 364 et US 6,562,127, les pavés sont destinés au transfert d’un film superficiel monocristallin sur un support final. A cet effet, une zone de fragilisation 1011 est formée dans chaque pavé, avant ou après sa mise en place sur la plaquette, pour délimiter un film respectif 1012 à transférer, par exemple par une implantation telle que décrite plus haut.
Contrairement aux procédés décrits dans les documents susmentionnés, qui impliquent un collage de la face principale de chaque pavé sur le support final, l’invention propose de déposer le support 20 sur l’ensemble des pavés agencés à la surface de la plaquette (cf. figure 8B). On s’affranchit ainsi des problèmes d’assemblage liés à la différence de hauteur des différents pavés.
Ensuite, on détache chaque pavé le long de la zone de fragilisation respective 1011, de sorte à transférer le film 1012 correspondant sur le support 20 (cf. figure 8c).
Quel que soit le mode de réalisation considéré, il subsiste à l’issue du détachement du substrat donneur un reliquat 10’.
Si un recyclage dudit substrat donneur est envisagé, on peut mettre en œuvre des opérations de reconditionnement, notamment dans le but de régénérer la surface du substrat donneur qui a pu être endommagée lors du détachement. Ces opérations peuvent comprendre notamment des étapes de nettoyage, de gravure, de recuit, de lissage et de planarisation, par exemple par polissage.
Dans le cas où la formation de la topologie du substrat donneur a eu lieu avant l'étape de fragilisation, le reliquat du substrat donneur présente une topologie identique à 5 la topologie initiale du substrat donneur. Il peut apparaître avantageux pour des questions de coût de conserver cette topologie (courbure, et/ou motif en creux et/ou texturation) qui avait été initialement créée dans le substrat donneur, en vue d'éviter à la refaire systématiquement après chaque recyclage. On évitera dans ce cas les procédés de planarisation, en privilégiant les procédés à enlèvement de matière conforme en 10 épaisseur, voire à enlèvement de matière sensiblement nul (c’est-à-dire inférieur à 30 nm), comme par exemple des gravures plasma ou des recuits de lissage.

Claims (23)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’un film (12) sur un support (20) présentant une surface non plane, caractérisé en ce qu’il comprend :
    - la fourniture d’un substrat donneur (10) présentant une surface non plane,
    - la formation d’une zone de fragilisation (11) dans le substrat donneur (10) de sorte à délimiter ledit film (12) à transférer,
    - la formation du support (20) par dépôt sur la surface non plane du film (12) à transférer,
    - le détachement du substrat donneur (10) le long de la zone de fragilisation (11), de sorte à transférer ledit film (12) sur le support (20).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre le dépôt d’une couche intermédiaire (21) sur la surface non plane avant le dépôt du support (20).
  3. 3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la formation de la zone de fragilisation (11) est réalisée par implantation d’espèces ioniques dans le substrat donneur (10).
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les espèces ioniques implantées sont de l’hydrogène et/ou de l’hélium.
  5. 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le détachement du substrat donneur (10) est provoqué par un traitement thermique.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le dépôt du support (20) est mis en œuvre avec un budget thermique inférieur à celui du traitement thermique de détachement.
  7. 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le film transféré (12) est en un matériau choisi parmi : les matériaux semi-conducteurs, les matériaux piézoélectriques, les matériaux magnétiques et les oxydes fonctionnels.
  8. 8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le film transféré (12) est monocristallin.
  9. 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’épaisseur du film transféré (12) est comprise entre 100 nm et 10 pm, de préférence entre 100 nm et 1 pm.
  10. 10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le support (20) est en un matériau choisi parmi les métaux, les verres et les céramiques.
  11. 11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le support (20) présente une épaisseur comprise entre 1 et 50 pm.
  12. 12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le matériau du support (20) est choisi pour présenter une différence de coefficient thermique vis-à-vis du matériau du film transféré (12) inférieure à 5x10'6 K'1 en valeur absolue.
  13. 13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le dépôt du support (20) est mis en œuvre par une des techniques suivantes : le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt par électrodéposition, l’enduction centrifuge, le laquage et la projection.
  14. 14. Procédé selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel la surface du film (12) à transférer présente au moins une portion courbe.
  15. 15. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel la surface du film (12) à transférer présente au moins un motif (100) en creux ou en relief.
  16. 16. Procédé selon l’une des revendications 1 à 15, dans lequel la surface du film (12) à transférer présente une texture caractérisée par une rugosité supérieure à 1 nm rms.
  17. 17. Procédé selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel la surface non plane du film (12) à transférer est obtenue après la formation de la zone de fragilisation (11).
  18. 18. Procédé selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel la surface non plane du film (12) à transférer est obtenue avant la formation de la zone de fragilisation (11).
  19. 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel le reliquat (10’) du substrat donneur à l’issue du détachement est recyclé en vue de la mise en œuvre d’un nouveau film (12) présentant une surface non plane sur un support (20), et, avant ledit recyclage, le reliquat du substrat donneur est soumis à une opération de régénération de sa surface impliquant un enlèvement de matière sensiblement nul ou conforme à la topologie dudit reliquat (10’).
  20. 20. Procédé selon l’une des revendications 1 à 19, dans lequel le dépôt du support (20) inclut le dépôt successif d’au moins deux couches de matériaux différents.
  21. 21. Procédé selon l’une des revendications 1 à 20, comprenant en outre, après le détachement du substrat donneur, le dépôt d’un film additionnel (13) sur la face du film transféré (12) opposée au support (20).
  22. 22. Procédé selon l’une des revendications 1 à 21, dans lequel le substrat donneur comprend une pluralité de pavés (1001) agencés à la surface d’une plaquette (1000), chaque pavé (1001) comprenant une zone de fragilisation (1011) délimitant un film respectif à transférer, et le support (20) est déposé sur la surface de l’ensemble desdits pavés (1001).
  23. 23. Structure comprenant :
    - un substrat donneur (10) incluant une zone de fragilisation (11) délimitant un film superficiel (12) et
    - un support (20) recouvrant ledit film (12),
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