FR3138596A1 - Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium - Google Patents
Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium Download PDFInfo
- Publication number
- FR3138596A1 FR3138596A1 FR2207841A FR2207841A FR3138596A1 FR 3138596 A1 FR3138596 A1 FR 3138596A1 FR 2207841 A FR2207841 A FR 2207841A FR 2207841 A FR2207841 A FR 2207841A FR 3138596 A1 FR3138596 A1 FR 3138596A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- preparation
- lithium
- free face
- rich
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 167
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 25
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 38
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 claims description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 17
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims description 8
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 8
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 20
- 241000894007 species Species 0.000 description 8
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 6
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 6
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/08—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies
- H10N30/085—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by machining
- H10N30/086—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by machining by polishing or grinding
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
L’invention porte sur un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine (4) en matériau ferroélectrique comprenant du lithium. Le procédé comprend la fourniture d’une première couche (8) monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, reportée sur un support (2), la première couche (8) présentant une épaisseur superficielle (11) riche en lithium. Le procédé de préparation comprend, une première étape de nettoyage par voie humide de la face libre (9) de la première couche (8), l’étape de nettoyage étant apte à éliminer la couche superficielle riche en lithium. Il comprend ensuite une seconde étape de préparation visant à éliminer ou prévenir l’apparition de dendrites (12) riches en lithium et en hydrogènes susceptibles de nucléer sur la face libre (9) de la première couche (8) lorsqu’elle est dépourvue de la couche superficielle riche en lithium. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2
Description
L'invention concerne une structure du type piézoélectrique sur isolant (POI). Une telle structure trouve son application notamment dans les domaines de la microélectronique, des microsystèmes, de la photonique. Elle peut notamment être exploitée pour former des composants radiofréquences (RF) ou pour constituer de tels composants, en particulier des filtres ou des résonateurs à base de composants à ondes élastiques, par exemple à ondes élastiques de surface.
En référence aux figures 1a et 1b qui représentent des structures POI de l’état de la technique, une structure POI est typiquement formée d’une couche mince piézoélectrique 4 reportée sur une première face d’un support 2. Une couche diélectrique intercalaire 3 est disposée entre, et en contact avec, le support 2 et la couche mince 4.
La couche mince 4 est constituée d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium. Ces matériaux présentent également des propriétés ferroélectriques. On rappelle qu’un matériau ferroélectrique est un matériau qui possède une polarisation électrique spontanée à l'état naturel. La couche mince 4 d’une structure POI se doit de présenter une polarisation uniforme, c’est-à-dire que tous les moments dipolaires sont alignés parallèlement les uns aux autres suivant une direction donnée.
Le support 2 est préférentiellement choisi, quant à lui, en silicium. Il peut s’agir d’un support constitué d’un substrat de base en silicium monocristallin qui peut présenter une résistivité supérieure à 1000 Ohms.cm. Alternativement, et comme cela est représenté sur la , le support 2 peut être formé d’un substrat de base 2a sur lequel est disposée une couche de piégeage de charges électriques 2b. Dans cette alternative, la couche diélectrique intercalaire 3 est disposée en contact avec la couche de piégeage 2b.
Le document WO2020200986A1 propose un procédé de fabrication d’un tel substrat POI permettant de préserver le caractère monodomaine de la couche mince. Ce document prévoit de transférer sur le support 2 une couche prélevée d’un substrat donneur comprenant un matériau piézoélectrique, par l’intermédiaire d’une étape d’implantation d’espèces légères conformément aux principes de la technologie Smart Cut™. Suite à ce transfert, la couche prélevée est traitée au cours d’une séquence de finition comprenant un traitement thermique suivi d’une étape de polissage, cette séquence de finition conduisant à former la couche mince 4 piézoélectrique, monocristalline et monodomaine. Au cours de cette séquence, il a été observé que le traitement thermique conduisait à former une portion superficielle multidomaine sur la couche prélevée, cette portion superficielle multidomaine étant ensuite éliminée par le traitement suivant de polissage, ce qui conduit à fournir la couche mince 4 présentant la qualité monodomaine requise.
Or, dans certaines conditions, notamment lorsque l’implantation des espèces légères est réalisée à forte dose et/ou à fort courant dans le but d’accroitre les cadences de production, il a été observé la présence de défectuosités dans la couche mince 4. Un premier type de défectuosités observées, en référence à la , consiste en la présence de dépression D1, ou parfois même d’une protubérance, en surface de la couche mince, ces dépressions/protubérances D1 rendant l’épaisseur de la couche mince 4 non uniforme. Ces défauts D1, désignés par « défaut de type dépression » par simplicité d’expression, visibles sur l’insert de gauche de la , sont de formes générales circulaires ou elliptiques dont la dimension (le diamètre ou le grand axe) est de l’ordre de 1 micron à 100 microns, et qui peut présenter parfois un fort rapport de forme. Ils présentent une profondeur ou une élévation typiquement comprise entre 1 à 30 nanomètres par rapport à la surface exposée de la couche mince 4.
Un second type de défectuosités observé consiste en la présence de « défauts triangles » D2. Ces défauts se présentent sous la forme de barreaux d’inversion de domaines ferroélectriques présentant des sections triangulaires de 0,1 micron à 10 microns de côté, comme cela est visible sur l’insert de droite de la . Les barreaux émergent en surface de la couche mince 4 et s’étendent dans l’épaisseur de la couche mince 4 pour, dans certains cas, la traverser. Ils sont orientés dans une direction antiparallèle à la direction de polarisation spontanée Ps de la couche mince 4 piézoélectrique. Ces défauts triangles peuvent présenter une densité supérieure à 10^3/cm² sur la surface exposée de la couche mince 4.
Ces deux types de défectuosités, dépressions et défauts triangles, ont un impact significatif sur les performances des dispositifs, par exemple les filtres acoustiques, formés sur et dans les substrats POI.
Un but de l’invention est de remédier, au moins en partie, à ce problème. Plus précisément, un but de l’invention est de proposer une structure du type piézoélectrique sur isolant dont la couche mince piézoélectrique soit dépourvue de défectuosités de type dépression ou de défauts triangles ou, pour le moins, qui présente des défectuosités dans une densité moindre qu’une couche mince piézoélectrique obtenue par un procédé de l’état de la technique.
En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, le procédé comprenant :
- la fourniture d’une première couche monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, reportée sur un support, la première couche présentant une épaisseur superficielle riche en lithium;
- la finition de la première couche, cette finition comprenant une étape de traitement thermique de la face libre de la première couche, suivi d’une étape d’amincissement de la première couche pour former la couche mince monodomaine.
Le procédé de préparation est remarquable en ce comprend, avant le traitement thermique :
- une première étape de nettoyage par voie humide de la face libre de la première couche, l’étape de nettoyage étant apte à éliminer la couche superficielle riche en lithium ;
- une seconde étape de préparation de la première couche visant à éliminer, prévenir ou limiter l’apparition de dendrites riches en lithium et en hydrogènes susceptibles de nucléer sur la face libre de la première couche lorsqu’elle est dépourvue de la couche superficielle riche en lithium.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- la fourniture de la première couche comprend :
- une implantation d’espèces légères dans une première face d'un substrat donneur ferroélectrique comprenant du lithium pour former un plan de fragilisation et définir la première couche entre le plan de fragilisation et la première face du substrat donneur ;
- l'assemblage de la première face du substrat donneur au support par l’intermédiaire d’une couche diélectrique intercalaire ;
- la fracture du substrat donneur au niveau du plan de fragilisation pour reporter la première couche sur le substrat support et exposer une face libre de la première couche à l’atmosphère, cette exposition conduisant à former l’épaisseur superficielle riche en lithium.
- la première étape de nettoyage comprend le brossage et la dispense d’eau désionisée sur la face libre de la première couche ;
- la seconde étape de préparation vise à éliminer les dendrites et est appliquée 50h au moins, de préférence 75h au moins, après l’application de la première étape de nettoyage ;
- la seconde étape de préparation est une étape de nettoyage par voie humide de la face libre de la première couche (8) ;
- la seconde étape de préparation comprend le brossage et la dispense d’eau désionisée sur la face libre de la première couche ;
- la seconde étape de préparation vise à prévenir ou limiter l’apparition des dendrites et est appliquée moins de 50h, de préférence moins de 10h, après l’application de la première étape de nettoyage ;
- la seconde étape de préparation comprend l’exposition de la face libre de la première couche à un plasma ;
- le plasma est choisi dans la liste formée d’un plasma O2, d’un plasma N2 et d’un plasma à base de fluor, tel qu’un plasma SF6 ou CxHyFz, ou d’une combinaison de ces plasmas ; .
- le support est formé d’un substrat massif électriquement conducteur ou semi-conducteur.
- le support comprend un substrat de base et une couche de piégeage, la couche de piégeage étant disposée entre la couche diélectrique intercalaire et le substrat de base ;
- la première couche et la couche mince sont constituées d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium ;
- la première couche et la couche mince sont constituées de niobate de lithium ;
- la couche diélectrique intercalaire comprend au moins une couche d’oxyde de silicium, d’oxynitrure de silicium ou de nitrure de silicium.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
On rappelle tout d’abord les étapes d’un procédé de fabrication d’une structure POI 1 présentée dans la partie introductive de cette demande et représentée sur les figures 1a, 1b.
Ce procédé prévoit généralement de reporter une première couche ferroélectrique 8 sur un support 2, la première couche 8 étant prélevée d'un substrat donneur 5 ferroélectrique monodomaine par une technique de transfert fondée sur l'implantation d’espèces légères telles que des espèces d'hydrogène et/ou d’hélium. Dans le cadre de la présente divulgation, le matériau ferroélectrique du substrat donneur 5 comprend du lithium. Il peut s’agir par exemple de tantalate de lithium ou du niobate de lithium. Outre les propriétés ferroélectriques, le matériau du substrat donneur présente également des propriétés piézoélectriques. Le matériau ferroélectrique présente avantageusement une direction cristalline comprise entre 30° et 60°RY. Le substrat donneur 5 peut correspondre à un substrat massif constitué entièrement du matériau ferroélectrique et piézoélectrique, comme cela est représenté sur la , ou il peut s’agir d’un substrat composite formé d’une partie massive, par exemple en silicium, sur lequel repose une couche épaisse en matériau ferroélectrique et piézoélectrique dans lequel est prélevé la première couche.
Dans certains modes de mise en œuvre, le support 2 est constitué d’un substrat massif conducteur ou semi-conducteur. Dans d’autres modes de mise en œuvre, le support 2 comprend un substrat de base 2a muni d'une couche de piégeage de charges électriques 2b superficielle. Cette couche de piégeage 2b est disposée du côté de la première face du support 2, qui est destinée à recevoir la couche mince 4. Dans ces modes de mise en œuvre, la couche diélectrique intercalaire 3 est en contact avec la couche de piégeage 2b et avec la couche mince 4.
Selon la technique de transfert fondée sur l'implantation d’espèces légères, et par référence à la figure 3b, on implante de l'hydrogène et/ou de l’hélium dans une première face 6 du substrat donneur 5 pour y former un plan de fragilisation enterré 7. La dose d’implantation est supérieure à 8E16 at/cm^2 et/ou le courant d’implantation est supérieur à 20 mA, afin de se placer dans les conditions conduisant à l’apparition des défectuosités présentées dans la partie introductive de cette demande. On définit de la sorte la première couche 8 entre le plan de fragilisation 7 et la première face 6 du substrat donneur 1. Puis, comme cela est représenté sur la figure 3c, on assemble cette première face 6 du substrat donneur à un face exposée 6’ du support 2, ici par l’intermédiaire d’une couche diélectrique intercalaire 3. A titre d’exemple, la couche diélectrique intercalaire 3 peut comprendre ou être constituée en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium ou en nitrure de silicium.
On fracture ensuite le substrat donneur 5 au niveau du plan de fragilisation 7, par exemple à l'aide d'un traitement thermique modéré et/ou l'application d'un effort mécanique. On libère alors la première couche 8 du substrat donneur 5 pour exposer une face libre 9 de la première couche 8, l'autre face 4 de la première couche 8 étant directement en contact avec la couche diélectrique intercalaire 3 du support 2.
Une portion restante 5’ du substrat donneur 5, après le prélèvement de la première couche 8, peut être reconditionnée afin d’y prélever une nouvelle couche, dans un cycle de prélèvement similaire à celui qui vient d’être décrit.
Il est généralement nécessaire de prévoir la finition de la première couche 8 transférée et reportée sur le support 2, pour former une couche mince « utile » 4. Ces étapes visent généralement à améliorer la qualité cristalline de la première couche 8 et son état de surface (par exemple sa rugosité).
Comme cela a été rapporté en introduction de cette demande, cette finition comprenant une étape de traitement thermique de la face libre 9 de la première couche 8, suivi d’une étape d’amincissement de la première couche 8 pour former la couche mince monodomaine 4.
L’étape de traitement thermique de la face libre 9 de la première couche 8 peut correspondre à exposer cette couche à une atmosphère neutre ou comprenant de l’oxygène portée à une température comprise entre 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique composant la première couche 8, et pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures. On notera que cette étape de traitement thermique de la face libre 9 de la couche 8 est distincte de celle ayant conduit à la fracture du substrat donneur 5. En effet, la couche 3 n’ayant pas encore été entièrement libérée lors du recuit de fracture, ce traitement thermique ne peut en traiter une face libre.
L’étape d’amincissement peut être mise en œuvre par polissage mécanochimique.
Dans le but de comprendre l’origine de la défectuosité de la couche mince 4 qui a été présentée en introduction, la demanderesse a effectué une analyse très précise de la première couche 8 obtenue à l’issue du procédé présenté sur la , c’est à dire à précédent la finition de cette première couche 8 en vue de préparer la couche mince 4 monodomaine. Ces analyses ont été réalisées sur une première couche 8 en tantalate de lithium.
En référence à la , la demanderesse a ainsi observé la présence d’une épaisseur superficielle 11 riche en lithium sur la première couche 8 obtenue directement après l’étape de fracture. Cette épaisseur superficielle 11 est constituée de Li2CO3. Sa formation semble être favorisée par les conditions particulières dans lesquelles s’effectue cette étape de fracture. La présence des espèces légères, hydrogène et/ou hélium, et la température modérée à laquelle intervient la fracture semblent rendre le lithium de la première couche 8 particulièrement mobile et la surface de cette couche 8 particulièrement réactive. Lorsque la portion restante 5’ du substrat donneur est retirée pour exposer la face libre 9 de la première couche 8 à l’atmosphère, cette surface réagit avec le dioxyde de carbone, les hydrocarbures et l’oxygène présent naturellement dans l’atmosphère, pour former l’épaisseur superficielle 11 en Li2CO3. Cette épaisseur superficielle, en recouvrement de la première couche 8, est de l’ordre du nanomètre, voire plus. Elle est stable dans le temps, c’est-à-dire qu’elle n’évolue pas en consistance ou en épaisseur lorsque la première couche est maintenue exposée à l’atmosphère.
Cette épaisseur superficielle 11 est toutefois relativement fragile, et la demanderesse a observé qu’elle pouvait être éliminée par un nettoyage par voie humide de la première couche 8.
La demanderesse a également observé que la première couche 8, dépourvue de son épaisseur superficielle 11 riche en lithium, restait particulièrement réactive. En maintenant la face libre 9 de cette première couche 8 exposée à l’atmosphère pendant une durée de temps étendu, des dendrites 12 amorphes, riches en lithium et en hydrogène (et d’autres espèces présentes dans l’atmosphère tel que du chlore ou du fluor) nucléent et se développent sur la surface libre 9 de la première couche 8. Ce développement est particulièrement notable à l’issue d’une période pouvant s’étendre entre 50h et 75h. Comme cela est illustré sur la , ces dendrites 12 sont réparties de manière non uniforme à la surface de la première couche 8 : ils s’accumulent densément dans certaines zones à la surface de la couche 8, en particulier au niveau de certaines topologies de cette surface, tel qu’une rugosité locale ou de topologies provoquées par l’émergence de dislocations, alors que d’autres zones en sont entièrement dépourvues.
La demanderesse a appliqué l’étape de traitement thermique de finition à la première couche 8 pourvue de ces zones denses en dendrites 12 et de ces autres zones dépourvues de ces dendrites.
La première couche 8 présentait ( ), à l’issue de ce traitement thermique, une couche superficielle 13 multidomaine, comme cela est documenté dans la référence citée en introduction de cette demande. Les dendrites 12 avaient disparu de la première couche 8, certainement dissous au cours du traitement thermique. Toutefois, dans les zones de la première couche 8 qui étaient initialement denses en dendrites 12, la couche superficielle multidomaine présentait une morphologie atypique 14, et distincte de la morphologie de cette couche superficielle 13 multidomaine dans les zones initialement dépourvues de dendrites. Cette morphologie atypique 14 est caractérisée par une épaisseur de couche superficielle multidomaine moindre, comme si la présence de dendrites 12 dans les zones denses avait limité le phénomène de génération de cette couche 13. Par ailleurs, la demanderesse a observé la présence de défauts triangles 15 dans la première couche, dans une densité supérieure à 10^4/cm².
La demanderesse a ensuite appliqué l’étape d’amincissement, par polissage mécanochimique, à la première couche 8 obtenue à l’issue du traitement thermique et ainsi fournir la couche mince 4, représentée sur la . On notera que les défauts triangles 15 sont rendus visibles à la surface de la couche mince 4, après que la première couche 8 ait été traitée par polissage mécano-chimique afin d’éliminer la couche multidomaine superficielle 13. Ces défauts 15 étaient toutefois présents dans la première couche 8 avant l’étape d’amincissement.
La couche mince 4 obtenue présentait des défectuosités de type dépression 16 au niveau des zones à la morphologie atypique 14 de la couche superficielle multidomaine 13.
A partir de ces résultats et observations, la demanderesse a établi un procédé de préparation d’une couche mince monodomaine 4 en matériau ferroélectrique comprenant du lithium. Ce procédé s’applique à une première couche 8 monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, reportée sur un support 2, comme cela a été présenté en référence à la de la présente demande. Il est représenté sur la . Dans les conditions de fabrication de cette couche, la première couche présente donc une épaisseur superficielle 11 riche en lithium, typiquement une épaisseur de Li2CO3.
Le procédé de préparation s’applique avant la finition de la première couche 8, c’est-à-dire avant l’application de l’étape de traitement thermique de sa face libre 9, et avant l’étape d’amincissement qui lui succède.
Ce procédé de préparation comprend une première étape de nettoyage par voie humide de la face libre 9 de la première couche 8. Cette étape de nettoyage est apte à éliminer la couche superficielle riche en lithium, typiquement formée de Li2CO3. Elle peut comprendre ou consister à brosser la face libre de la première couche tout en dispensant de l’eau désionisée sur cette face libre. Les expérimentations menées par la demanderesse ont montré que ce nettoyage est tout à fait apte à éliminer l’épaisseur superficielle 11 en Li2CO3.
Le procédé de préparation comprend également, après la première étape, une seconde étape de préparation de la première couche 8. Cette seconde étape vise à éliminer les dendrites ou prévenir/limiter leur apparition. Ces dendrites 12 amorphes, riches en lithium et en hydrogène sont susceptibles de nucléer sur la face libre de la première couche 8 lorsqu’elle est dépourvue de la couche superficielle riche en lithium.
Cette deuxième étape peut être mise en œuvre selon plusieurs variantes.
Dans une première variante, on laisse les dendrites 12 se développer et se stabiliser à la surface de la première couche 8. La seconde étape de préparation vise alors à éliminer ces dendrites 12. Elle est donc appliquée 50h au moins, de préférence 75h au moins, à température ambiante, après l’application de la première étape de nettoyage, afin de que le développement des dendrites 12 soit effectivement stabilisé. Le stockage des substrats à une température supérieure à la température ambiante pourrait réduire ce temps d’attente minimum de 50h.
La seconde étape de préparation peut être pratiquement mise en œuvre par une étape de nettoyage par voie humide de la face libre, par exemple une étape de nettoyage du même type que celle mise en œuvre pour éliminer l’épaisseur superficielle 11 de Li2CO3. Elle peut donc comprendre ou consister à brosser la face libre 9 de la première couche 8 tout en dispensant de l’eau désionisée sur cette face libre.
Dans une autre variante, on traite la face libre de la première couche pour prévenir l’apparition des dendrites 12. Cette seconde étape de préparation est donc appliquée moins de 50h, de préférence moins de 10h, après l’application de la première étape de nettoyage. Elle peut comprendre l’exposition de la face libre de la première couche à un plasma, par exemple un plasma choisi dans la liste formée d’un plasma O2, d’un plasma N2 et d’un plasma à base de fluor, tel qu’un plasma SF6 ou CxHyFz, ou d’une combinaison de ces plasmas.
Ainsi, un plasma RF (à 13,55MHz) d’azote (N2) de 30 secondes, d’une puissance de 150W et à une pression de 50mT, dans un flux d’azote de 75 SCCM, s’est montré particulièrement efficace.
De la même manière, une séquence de plasma RF (à 13,55 MHz) de 30 secondes, d’une puissance de 150W et à une pression de 50mT, dans un flux d’oxygène de 75 SCCM et de SF6 de 3SCCM s’est également montrée efficace pour traiter la face libre 9 de la première couche 8 et prévenir l’apparition des dendrites 12.
On rappelle que l’unité de mesure SCCM (« Standard Cubic Centimeters per Minute » ou « centimètre cube standard par minute ») est une unité physique de débit massique d’un gaz, en cm3/min, à une densité définie par des conditions standards de température et de pression.
La demanderesse a observé que, de manière inattendue, l’application d’un tel plasma prévenait/limitait la croissance et l’apparition des dendrites 12.
| Etat de la technique | Variante 1 (nettoyage) | Variante 2 (plasma N2) | Variante 2 (plasma O2/SF6) | |
| Défauts triangles | >1E4-1E6/cm² | <1E2 /cm² | <1E2 /cm² | <1E2 /cm² |
| Dépression | 1E3-1E4/cm² | Non détectée | Non détectée | Non détectée |
Après l’application de la première étape de nettoyage et de la deuxième étape visant à éliminer ou prévenir/limiter l’apparition de dendrites 12, le procédé de fabrication de la structure POI peut être poursuivi. Comme cela a déjà été énoncé, il s’agit d’appliquer la séquence de finition à la première couche 8, afin de former la couche mince 4 monodomaine de la structure POI finale. Cette séquence de finition comme par une étape de traitement thermique de la face libre de la première couche suivi de son amincissement.
Avantageusement, notamment dans le cas de la première variante du procédé de préparation, la durée séparant la seconde étape de préparation de la première couche de la première étape de nettoyage est maitrisée pour être inférieure à 50h.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Claims (14)
- Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine (4) en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, le procédé comprenant :
- la fourniture d’une première couche (8) monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium, reportée sur un support (2), la première couche (8) présentant une épaisseur superficielle (11) riche en lithium;
- la finition de la première couche (8), cette finition comprenant une étape de traitement thermique de la face libre (9) de la première couche (8), suivi d’une étape d’amincissement de la première couche pour former la couche mince monodomaine (4) ;
- une première étape de nettoyage par voie humide de la face libre (9) de la première couche (8), l’étape de nettoyage étant apte à éliminer la couche superficielle riche en lithium ;
- une seconde étape de préparation de la première couche (8) visant à éliminer, prévenir ou limiter l’apparition de dendrites (12) riches en lithium et en hydrogènes susceptibles de nucléer sur la face libre (9) de la première couche (8) lorsqu’elle est dépourvue de la couche superficielle riche en lithium.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la fourniture de la première couche (8) comprend :
- une implantation d’espèces légères dans une première face (6) d'un substrat donneur (5) ferroélectrique comprenant du lithium pour former un plan de fragilisation (7) et définir la première couche (8) entre le plan de fragilisation (7) et la première face (6) du substrat donneur (5) ;
- l'assemblage de la première face (6) du substrat donneur (5) au support (2) par l’intermédiaire d’une couche diélectrique intercalaire (3) ;
- la fracture du substrat donneur (5) au niveau du plan de fragilisation (7) pour reporter la première couche (8) sur le substrat support (2) et exposer une face libre (9) de la première couche (8) à l’atmosphère, cette exposition conduisant à former l’épaisseur superficielle (11)riche en lithium.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première étape de nettoyage comprend le brossage et la dispense d’eau désionisée sur la face libre (9) de la première couche (8).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la seconde étape de préparation vise à éliminer les dendrites (12) et est appliquée 50h au moins, de préférence 75h au moins, après l’application de la première étape de nettoyage.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la seconde étape de préparation est une étape de nettoyage par voie humide de la face libre (9) de la première couche (8).
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la seconde étape de préparation comprend le brossage et la dispense d’eau désionisée sur la face libre (9) de la première couche (8).
- Procédé de préparation selon l’une des deux revendications précédentes dans lequel la seconde étape de préparation vise à prévenir ou limiter l’apparition des dendrites (12) et est appliquée moins de 50h, de préférence moins de 10h, après l’application de la première étape de nettoyage.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la seconde étape de préparation comprend l’exposition de la face libre (9) de la première couche à un plasma.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel le plasma est choisi dans la liste formée d’un plasma O2, d’un plasma N2 et d’un plasma à base de fluor, tel qu’un plasma SF6 ou CxHyFz, ou d’une combinaison de ces plasmas.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le support (2) est formé d’un substrat massif électriquement conducteur ou semi-conducteur.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 à 9 dans lequel le support (2) comprend un substrat de base (2a) et une couche de piégeage (2b), la couche de piégeage (2b) étant disposée entre la couche diélectrique intercalaire (3) et le substrat de base (2a).
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première couche (8) et la couche mince (4) sont constituées d’un matériau piézoélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium.
- Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la première couche (8) et la couche mince (4) sont constituées de niobate de lithium.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel dans laquelle la couche diélectrique intercalaire (3) comprend au moins une couche d’oxyde de silicium, d’oxynitrure de silicium ou de nitrure de silicium.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2207841A FR3138596B1 (fr) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
| PCT/EP2023/067802 WO2024022723A1 (fr) | 2022-07-29 | 2023-06-29 | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
| TW112124418A TW202423045A (zh) | 2022-07-29 | 2023-06-29 | 用於製備含鋰鐵電材料之單域薄膜之方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2207841A FR3138596B1 (fr) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
| FR2207841 | 2022-07-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3138596A1 true FR3138596A1 (fr) | 2024-02-02 |
| FR3138596B1 FR3138596B1 (fr) | 2024-06-21 |
Family
ID=83506072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2207841A Active FR3138596B1 (fr) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Procédé de préparation d’une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3138596B1 (fr) |
| TW (1) | TW202423045A (fr) |
| WO (1) | WO2024022723A1 (fr) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100088868A1 (en) * | 2007-12-25 | 2010-04-15 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for manufacturing composite piezoelectric substrate |
| FR3094573A1 (fr) * | 2019-03-29 | 2020-10-02 | Soitec | Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique |
| FR3116652A1 (fr) * | 2020-11-26 | 2022-05-27 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procédé de fabrication d’un composant comprenant une couche en matériau monocristallin compatible avec des budgets thermiques élevés |
-
2022
- 2022-07-29 FR FR2207841A patent/FR3138596B1/fr active Active
-
2023
- 2023-06-29 TW TW112124418A patent/TW202423045A/zh unknown
- 2023-06-29 WO PCT/EP2023/067802 patent/WO2024022723A1/fr unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100088868A1 (en) * | 2007-12-25 | 2010-04-15 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for manufacturing composite piezoelectric substrate |
| FR3094573A1 (fr) * | 2019-03-29 | 2020-10-02 | Soitec | Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique |
| WO2020200986A1 (fr) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | Soitec | Procédé de préparation d'une couche mince de matériau ferroélectrique |
| FR3116652A1 (fr) * | 2020-11-26 | 2022-05-27 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procédé de fabrication d’un composant comprenant une couche en matériau monocristallin compatible avec des budgets thermiques élevés |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202423045A (zh) | 2024-06-01 |
| FR3138596B1 (fr) | 2024-06-21 |
| WO2024022723A1 (fr) | 2024-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3948966B1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince de matériau ferroélectrique | |
| EP1208593B1 (fr) | Procede de traitement de substrats pour la micro-electronique | |
| EP3997728B1 (fr) | Procede de fabrication d'une structure comprenant une couche mince reportee sur un support muni d'une couche de piegeage de charges | |
| EP2507827A1 (fr) | Procede de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant, a pertes electriques diminuees et structure correspondante | |
| FR2880988A1 (fr) | TRAITEMENT D'UNE COUCHE EN SI1-yGEy PRELEVEE | |
| EP4189734B1 (fr) | Procede de report d'une couche mince sur un substrat support muni d'une couche de piegeage de charges | |
| WO2003005434A2 (fr) | Procede de diminution de la rugosite de surface d'une tranche semicondutrice | |
| FR3062238A1 (fr) | Support pour une structure semi-conductrice | |
| FR3104318A1 (fr) | Procédé de formation d'un support de manipulation à haute résistivité pour substrat composite | |
| FR2983342A1 (fr) | Procede de fabrication d'une heterostructure limitant la formation de defauts et heterostructure ainsi obtenue | |
| FR2907966A1 (fr) | Procede de fabrication d'un substrat. | |
| WO2024022723A1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium | |
| EP3766094B1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince de matériau ferroélectrique à base d'alcalin | |
| WO2023084164A1 (fr) | Procede de preparation d'une couche mince en materiau ferroelectrique | |
| WO2024132750A1 (fr) | Procédé de préparation d'une couche mince monodomaine en matériau ferroélectrique comprenant du lithium | |
| FR2851847A1 (fr) | Relaxation d'une couche mince apres transfert | |
| EP4000090A1 (fr) | Procédé de collage hydrophile de substrats | |
| FR2933235A1 (fr) | Substrat bon marche et procede de fabrication associe | |
| WO2024175311A1 (fr) | Support comprenant une couche de piégeage de charges, substrat composite comprenant un tel support et procédé de fabrication associés | |
| EP3890003B1 (fr) | Procédé basse température de transfert et de guérison d'une couche semiconductrice | |
| WO2024156465A1 (fr) | Structure comprenant une couche superficielle reportee sur un support muni d'une couche de piegeage de charges a contamination limitee et procede de fabrication | |
| WO2024165363A1 (fr) | Structure integree comprenant une couche ferroelectrique a polarisation selective reportee sur un substrat et procede de fabrication | |
| FR3113184A1 (fr) | Procede de preparation d’un substrat support, et procede de report d’une couche mince sur ce substrat support | |
| WO2024088942A1 (fr) | Procédé de fabrication d'un empilement semiconducteur hautement résistif et empilement associé |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20240202 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |