FR3132381A1 - Procédé de fabrication d’une plaquette de p-SiC non déformable - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur un procédé de fabrication d’une plaquette de carbure de silicium polycristallin, comprenant les étapes suivantes : traitement thermique d’une plaque (1) de carbure de silicium polycristallin ;amincissement de la plaque de carbure de silicium polycristallin, ledit amincissement comprenant une correction, par retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin, d’une déformation engendrée par le traitement thermique. Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
Le domaine de l’invention est celui de la fabrication de plaquettes de carbure de silicium polycristallin destinées notamment à servir de supports pour des couches minces de carbure de silicium monocristallin.
Le carbure de silicium (SiC) est de plus en plus largement utilisé dans des applications d’électronique de puissance, notamment pour répondre aux besoins de domaines montants de l'électronique comme par exemple les véhicules électriques. Les dispositifs de puissance et les systèmes intégrés d'alimentation basés sur du SiC monocristallin peuvent effectivement gérer une densité de puissance beaucoup plus élevée que leurs homologues traditionnels en silicium, et ce avec des dimensions de zone active inférieures.
Les substrats en SiC monocristallin destinés à l'industrie microélectronique restent néanmoins chers et difficiles à approvisionner en grande taille. Il est donc avantageux de recourir à des solutions de transfert de couches pour élaborer des structures composites comprenant typiquement une couche mince en SiC monocristallin sur un substrat support plus bas coût. Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart Cut™, basée sur une implantation d'ions légers et sur un assemblage par collage direct. Un tel procédé permet par exemple de fabriquer une structure composite comprenant une couche mince en SiC monocristallin, prélevée d'un substrat donneur en SiC monocristallin, en contact direct avec un substrat support en SiC polycristallin.
Ces structures composites ont néanmoins tendance à présenter des valeurs élevées de courbure (« bow » en anglais désignant une courbure parabolique avec symétrie de rotation par rapport notamment au centre de la plaque) et de gondolement (« warp » en anglais désignant une déformation avec un rayon de courbure positif dans un axe et négatif dans l'autre). Ces valeurs élevées sont notamment la conséquence d’une relaxation de contraintes induites par la fabrication du substrat support en SiC polycristallin, relaxation susceptible de se produire lorsque le substrat support est soumis à un traitement thermique au cours du procédé Smart CutTM(par exemple lors du recuit de séparation, généralement réalisé à une température de l’ordre de 1300-1700°C, pour opérer le transfert de la couche mince du substrat donneur au substrat support) ou postérieurement au procédé Smart CutTMlors de la formation de composants électroniques dans la couche mince transférée (typiquement à des températures de l’ordre de 1800-2000°C).
Ces valeurs élevées de courbure et de déformation sont problématiques en ce qu’elles peuvent conduire à la casse de la structure composite ou générer des problèmes d’alignement lors des étapes de lithographie nécessaires à la formation des composants de puissance.
L’invention a pour objectif de proposer une technique de fabrication d’une plaquette de SiC polycristallin qui permette de limiter voire d’éliminer le risque de déformation de la plaquette lors de traitements thermiques ultérieurs.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une plaquette de carbure de silicium polycristallin, comprenant les étapes suivantes :
- traitement thermique d’une plaque de carbure de silicium polycristallin ;
- amincissement de la plaque de carbure de silicium polycristallin, ledit amincissement comprenant une correction, par retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin, d’une déformation engendrée par le traitement thermique.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants :
- le retrait de matière est réalisé par meulage de la plaque de carbure de silicium polycristallin ;
- le retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin est réalisé par électroérosion ;
- le retrait de matière est effectué à la fois en face avant et en face arrière de la plaque de carbure de silicium polycristallin ;
- le retrait de matière est effectuée de manière à ce que la plaquette présente des faces avant et arrière planes et parallèles entre elles ;
- l’étape d’amincissement comprend le retrait, sur au moins une des faces de la plaque, d’une épaisseur de matière supérieure ou égale à 50 micromètres ;
- il comprend une étape de fabrication de la plaque par dépôt de matière sur un substrat de croissance, et l’étape de traitement thermique est précédée d’une étape de séparation de la plaque et du substrat de croissance ;
- le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 1650°C et 2000°C pendant une durée supérieure à 10 minutes ;
- le traitement thermique comprend un palier à 1850°C ;
- le traitement thermique comprend un palier et une régulation de la descente en température depuis le palier jusqu’à une température cible ;
- il comprend, avant le traitement thermique, la formation de la plaque de carbure de silicium polycristallin par un dépôt de carbure de silicium polycristallin sur un substrat de croissance suivi d’un retrait du substrat de croissance ;
- le traitement thermique est réalisée à une température supérieure à une température du dépôt du carbure de silicium polycristallin sur le substrat de croissance.
L’invention s’étend également à la fabrication d’une structure composite par transfert d’une couche mince en carbure de silicium monocristallin depuis un substrat de carbure de silicium monocristallin vers une plaquette de carbure de silicium polycristallin fabriquée conformément à l’invention. Cette fabrication peut en outre comprendre la formation de composants électroniques dans la couche mince transférée à une température inférieure à la température du traitement thermique appliqué lors de la fabrication de la plaquette.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L’invention porte sur un procédé de fabrication d’une plaquette de silicium polycristallin (p-SiC) depuis une plaque de p-SiC, la plaquette présentant par définition une épaisseur réduite par rapport à celle de la plaque.
Un dépôt de p-SiC sur un substrat de croissance (par exemple un substrat de graphite), typiquement un dépôt chimique en phase vapeur à une température comprise entre 1200°C et 1400°C, permet de former une plaque de p-SiC (généralement désignée par le terme anglais deslab) relativement épaisse (par exemple de 2 à 3 mm d’épaisseur). Il existe différentes formes cristallines (également appelées polytypes) du carbure de silicium. Les plus répandues sont les formes 4H, 6H et 3C. De manière préférée, le polytype de la plaque de p-SiC ainsi formée est le polytype 3C, mais tous les polytypes sont envisageables pour mettre en œuvre la présente invention.
Suite au retrait du substrat de croissance, la plaque de p-SiC est soumise à un processus de formation d’une ou plusieurs plaquettes (processus dit dewaferingen anglais) qui comprend différentes étapes de nettoyage, gravure, meulage et polissage et permet d’obtenir une ou plusieurs plaquettes de p-SiC ayant une forme voulue (notamment un pourtour en biseau) et une épaisseur désirée. Un sciage peut également être réalisé au cours de ce processus notamment lorsque plusieurs plaquettes doivent être fabriquées à partir d’une même plaque.
Selon l’invention, un traitement thermique est inséré dans ce processus dewaferingafin de préparer une plaquette qui ne sera pas déformée lors de traitements thermiques ultérieurs, par exemple lors de la mise en œuvre du procédé Smart CutTMou lors de la réalisation de composants électroniques. Le processus dewaferingest par ailleurs adapté afin que la plaquette ainsi préparée soit plate et ne présente ni courbure ni gondolement.
Partant d’une plaque de p-SiC séparée de son substrat de croissance, le procédé selon l’invention de fabrication d’une plaquette de p-SiC comprend ainsi un traitement thermique de la plaque et un amincissement de la plaque.
Dans un mode de réalisation possible illustrée par la , l’étape de traitement thermique peut être précédée d’une étape de lissage de la plaque 1 de p-SiC. Ce lissage de surface peut être réalisée par meulage. Il peut par ailleurs permettre de retirer le germe de croissance du cristal p-SiC utilisé lors de la formation de la plaque 1.
Dans un autre mode de réalisation possible pouvant ou non être combiné avec le mode précédent, l’étape de traitement thermique est précédée d’une étape de nettoyage de la plaque 1 de p-SiC.
Le traitement thermique est réalisé à une température supérieure à une température du dépôt du p-SiC sur le substrat de croissance lors de la formation de la plaque. Ce traitement thermique est par ailleurs réalisé à une température supérieure à la température la plus élevée du ou des traitements thermiques ultérieurs, par exemple supérieure à la température d’un traitement thermique ultérieur de fabrication de composants électroniques.
Le traitement thermique est de préférence réalisé à une température comprise entre 1650°C et 2000°C pendant une durée supérieure à 10 minutes. Ce traitement thermique peut notamment être réalisé à une température d’au moins 1700°C, par exemple à 1850°C, à 1900°C ou encore à 2000°C. Il peut être mené à basse pression (typiquement à moins de 100 mbar, par exemple à moins de 50 mbar, en particulier entre 10 et 30 mbar) sous atmosphère d’argon.
Le traitement thermique peut comporter un palier. Il peut également être réalisé avec une régulation de la descente en température depuis le palier jusqu’à une température cible. Dans un exemple de réalisation, le traitement thermique comprend un palier à 1850°C. Ce palier peut présenter une durée de 30 minutes. La montée en température peut s’opérer avec une rampe de 10°C/min. La descente en température peut être régulée, par exemple jusqu'à 1000°C avec une rampe de 10°C/min. La descente en température depuis la température cible vers la température ambiante s’opère ensuite en suivant l’inertie thermique du four utilisé pour opérer ce traitement thermique.
Comme représenté sur la , le traitement thermique est susceptible d’engendrer une déformation (courbure, gondolement) de la plaque 1. L’amincissement de la plaque est alors adapté pour comprendre (le cas échéant consister en) une correction, par retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin, de la déformation engendrée par le traitement thermique. Le retrait de matière est typiquement adapté localement de sorte que la plaque n’est pas amincie de la même manière en tout point. Il découle de cette correction de la déformation une diminution de la valeur de courbure (bow) ou de gondolement (warp) observée après le traitement thermique.
La illustre une réalisation possible de cet amincissement, ici mené jusqu’à atteindre les lignes pointillés parallèles. La illustre quant à elle la plaquette 2 obtenue conformément à l’invention à partir de la plaque 1 de la .
Selon un mode de réalisation possible, le retrait de matière visant à corriger la déformation engendrée par le traitement thermique est réalisé par meulage de la plaque de p-SiC. Dans un autre mode de réalisation, ce retrait de matière est réalisé par électroérosion. Le retrait de matière par électroérosion présente l’avantage par rapport au meulage de pouvoir être réalisé sans contact avec la plaque et sans corriger artificiellement la déformation par flexion élastique. Dans encore un autre mode de réalisation, le retrait de matière combine électroérosion et meulage. Dans ce dernier mode, l’électroérosion peut réaliser un amincissement grossier tandis que le meulage réalise un amincissement plus fin.
Dans un exemple de réalisation, l’amincissement comprend en succession un amincissement très grossier (par électroérosion ou meulage) venant par exemple retirer une épaisseur de l’ordre de 150 µm ou plus, un meulage grossier venant par exemple retirer une épaisseur de l’ordre de 20 µm et un meulage fin venant par exemple retirer une épaisseur de l’ordre de 3 µm. Les différents meulages se distinguent par la taille des grains de la meule utilisée, ces grains étant de plus en plus petits dans la succession des meulages.
Comme représenté par la , l’amincissement peut être effectué à la fois en face avant et en face arrière de la plaque de p-SiC. Et comme représenté par les figures 3 et 4, cet amincissement est préférentiellement réalisé de manière à ce que les faces avant et arrière de la plaquette obtenue à l’issue du procédé soient planes et parallèles entre elles. Ces faces avant et arrière de la plaquette 2 ne sont pas nécessairement parallèles aux faces avant et arrière de la plaque initiale 1.
A titre d’exemple, l’amincissement vient retirer une épaisseur au moins égale à la valeur de déformation après le traitement thermique moins 25 µm.
De manière générale, l’épaisseur retirée de chacune des faces de la plaque lors de l’amincissement suite au traitement thermique est, par exemple, supérieure ou égale à 50 µm, notamment supérieure ou égale à 100 µm voire à 150 µm.
L’amincissement est, notamment, tel qu’il débouche sur une plaquette autosupportée, c’est-à-dire dont l’épaisseur est telle qu’elle ne brise pas ni ne se déforme plastiquement sous l’effet de son propre poids. Une telle épaisseur est, par exemple, supérieure ou égale à 200 µm, notamment supérieure ou égale à 300 µm.
En particulier, une épaisseur comprise entre 175 µm et 200 µm peut être retirée de chacune des faces de la plaque, pour un amincissement de 350 à 400 µm au total. Une plaquette d’épaisseur comprise entre 325 et 375 µm peut ainsi être obtenue à partir d’une plaque ayant subi un premier amincissement avant le traitement thermique l’amenant à une épaisseur de 725 µm.
L’amincissement de la plaque peut être suivie d’étapes de finition de surface de la plaquette visant notamment à la rendre plus lisse.
L’invention s’étend par ailleurs à un procédé de fabrication d'une structure composite, comprenant la fabrication d’une plaquette de p-SiC tel que précédemment exposé et le transfert d’une couche mince en carbure de silicium monocristallin depuis un substrat de carbure de silicium monocristallin vers la plaquette de carbure de silicium polycristallin. Ce transfert peut s’opérer selon la technologie Smart CutTMet ainsi comprendre une implantation d’espèces ioniques dans le substrat de carbure de silicium monocristallin de sorte à y former un plan de fragilisation délimitant la couche mince à transférer, le collage du substrat de carbure de silicium monocristallin avec la plaquette de carbure de silicium polycristallin (le cas échéant par l’intermédiaire d’une ou plusieurs couches de collage) puis le détachement (provoqué par un traitement thermique, une action mécanique, ou une combinaison de ces moyens) du substrat de carbure de silicium monocristallin le long du plan de fragilisation de sorte à transférer la couche active mince vers la plaquette de carbure de silicium polycristallin. Le procédé de fabrication de la structure composite peut en outre comprendre la formation de composants électroniques, notamment de composants de puissance ou radiofréquence dans la couche mince transférée.
Le fait de prévoir un traitement thermique en amont du processus dewaferingpermet d’éviter une déformation excessive de la plaquette une fois celle-ci amincie et aplanie sous l’effet de son exposition ultérieure à des températures élevées.
Lorsque le traitement thermique est effectué après la séparation de la plaque et du substrat de croissance, le traitement thermique n’induit pas de déformation additionnelle de la plaque qui serait liée aux contraintes exercées par le substrat de croissance sur la plaque lors du chauffage de l’ensemble plaque/substrat. Cela contribue d’autant plus à améliorer la planéité et la stabilité de la plaquette finale.
Claims (14)
- Procédé de fabrication d’une plaquette (2) de carbure de silicium polycristallin, comprenant les étapes suivantes :
- traitement thermique d’une plaque (1) de carbure de silicium polycristallin ;
- amincissement de la plaque de carbure de silicium polycristallin, ledit amincissement comprenant une correction, par retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin, d’une déformation engendrée par le traitement thermique.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le retrait de matière est réalisé par meulage de la plaque de carbure de silicium polycristallin.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le retrait de matière de la plaque de carbure de silicium polycristallin est réalisé par électroérosion.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le retrait de matière est effectué à la fois en face avant et en face arrière de la plaque de carbure de silicium polycristallin.
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel le retrait de matière est effectuée de manière à ce que la plaquette présente des faces avant et arrière planes et parallèles entre elles.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape d’amincissement comprend le retrait, sur au moins une des faces de la plaque, d’une épaisseur de matière supérieure ou égale à 50 micromètres.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, comportant une étape de fabrication de la plaque par dépôt de matière sur un substrat de croissance, dans lequel l’étape de traitement thermique est précédée d’une étape de séparation de la plaque et du substrat de croissance.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 1650°C et 2000°C pendant une durée supérieure à 10 minutes.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel le traitement thermique comprend un palier à 1850°C.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel le traitement thermique comprend un palier et une régulation de la descente en température depuis le palier jusqu’à une température cible.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant, avant le traitement thermique, la formation de la plaque de carbure de silicium polycristallin par un dépôt de carbure de silicium polycristallin sur un substrat de croissance suivi d’un retrait du substrat de croissance.
- Procédé selon la revendication 11, dans lequel le traitement thermique est réalisée à une température supérieure à une température du dépôt du carbure de silicium polycristallin sur le substrat de croissance.
- Procédé de fabrication d'une structure composite, comprenant la fabrication d’une plaquette de carbure de silicium polycristallin conformément au procédé selon l’une des revendications 1 à 12 et le transfert d’une couche mince en carbure de silicium monocristallin depuis un substrat de carbure de silicium monocristallin vers la plaquette de carbure de silicium polycristallin.
- Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre la formation de composants électroniques dans la couche mince transférée à une température inférieure à la température du traitement thermique du procédé selon l’une des revendications 1 à 11.
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