WO2010063636A1 - Lingot formé de lingots élementaires, plaquette issue de ce lingot et procédé associé - Google Patents

Lingot formé de lingots élementaires, plaquette issue de ce lingot et procédé associé Download PDF

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    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/06—Joining of crystals

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a heterostructure intended in particular for applications in the fields of electronics, optics, optoelectronics, or photovoltaics.
  • the electronic components are formed on generally circular semiconductor wafers, about 100 to 300 millimeters in diameter. Each wafer can thus comprise many components.
  • improved performance and reduced manufacturing costs of electronic devices have been achieved primarily through greater integration density of components and an increase in the size of the plates that receive them.
  • the size of the ingots and the resulting plates is directly related to the nature of the material that composes them.
  • the latest generations of monocrystalline silicon plates for microelectronic applications are available in the form of circular plates having a diameter of 300 mm.
  • the germanium plates are available in the form of circular plates having a diameter of 200 mm.
  • the SiC or GaN plates have a diameter of 100 mm.
  • the plates described in these documents are from ingots or sections of ingots assembled to each other. However, the plates thus obtained remain fragile at the level of the connection of the subassemblies that constitute it.
  • the present invention aims to solve this problem by proposing a method of manufacturing an assembly which does not have a fragility character.
  • the present invention relates to a process for manufacturing a heterostructure intended in particular for applications in the fields of electronics, optics or optoelectronics, which comprises the following steps:
  • a donor substrate is used, ingot or an ingot section consisting of at least two ingots elementary members joined to each other along two of their respective complementary longitudinal faces.
  • the thin film of interest is formed of a "slice" of an ingot or ingot section consisting of at least two elemental ingots, which is supported by said second substrate.
  • the latter has a stiffening substrate function, which makes it possible to solve the problem of fragility of the "slice".
  • At least one of the elemental ingots is of mono crystalline or polycrystalline material
  • At least one of the elementary ingots is a solid selected from cylinders, prisms, polyhedra such as a parallelepiped, with a square, rectangular, triangular, pentagonal, hexagonal, heptagonal, octagonal, ennegal, decagonal or section section form of a portion of a circle;
  • the materials of the elemental ingots are chosen from among silicon, germanium, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide, sapphire, glass, quartz, AlN, I 1 InP, materials ferroelectric such as LiTaO 3 , LiNbO 3 ; a substrate of silicon is used as the receiving substrate.
  • the expression “elemental ingot” will be understood to mean both a raw ingot and an ingot whose shape has been rectified, in particular to remove its external gangue. A section of such ingot is also included in this definition. Furthermore, the term “longitudinal faces”, the faces of an ingot whose longest edges are parallel to the longitudinal axis of the initial ingot.
  • FIGS. 1A to 1D are diagrams representing a first type of ingot that can be used in the context of the process according to the invention
  • FIGS. 2A to 2C are diagrams representing a second type of ingot that can be used in the context of the method according to the invention
  • FIGS. 3A to 3C are diagrams representing a third type of ingot that can be used in the context of the method according to invention
  • FIGS. 4A to 4D are diagrams representing a fourth type of ingot that can be used in the context of the process according to the invention.
  • FIGS. 5A to 5E are diagrams representing a fifth type of ingot that can be used in the context of the method according to the invention. invention.
  • Figures 6 to 8 are diagrams showing the essential steps of the method according to the invention.
  • the size or the ingot diameter depends on the very nature of the material constituting said ingot.
  • the person skilled in the art today defines a "large diameter” by a diameter greater than 300 mm, more particularly 450 mm, which is described as being the next generation.
  • a "large diameter” is defined as a diameter greater than 150 mm, more particularly greater than 200 mm.
  • the dimensions described as "large diameter” may differ because of the different difficulties in obtaining said bullion.
  • a "large diameter” is a diameter greater than 500 mm.
  • the shape of the final ingots can be any. It may be for example a polyhedron whose longest edges are parallel to the main longitudinal axis of the initial ingot. For photovoltaic applications, for example, square plate shapes are preferred today.
  • the section referred to throughout this description but in a nonlimiting manner corresponds to to the polygon obtained in the plane perpendicular to the longest edges, that is to say in the plane orthogonal to the longitudinal axis of the ingot.
  • the final or initial ingots may be chosen from polygonal section polyhedra, the order of the polygon being between 3 (we speak of triangular section) and infinity, more precisely between 3 and 10,000 (we speak then of myriagonal section).
  • the section may also be square, rectangular, pentagonal, hexagonal, heptagonal, octagonal, enneagular, decagonal. It should be noted, however, that there will be a tendency to choose a polygonal section of large order in order to limit the loss in the polyhedron cut, if it is obtained from an initial cylindrical ingot.
  • the section of the ingots in particular ingots to be assembled, may also have a shape in a portion of a circle, such as for example in the form of a 1/2 circle, 1/4 of a circle or 1 / X of a circle (X between 1 and 100).
  • the polyhedra with a section of 1 / X of circle are chosen such that they have a radius of curvature adapted according to the diameter of the final ingot aimed.
  • the number of ingots to be assembled will depend on the targeted final shape but also on the initial shape of the ingots to be assembled. Thus, the final large ingot will be derived from the assembly of at least two ingots.
  • the ingots to be assembled are made of crystalline materials or not.
  • ingots to be assembled 2 are cut in a cylindrical initial ingot 1.
  • the ingots to be assembled 2 have a section of 1 ⁇ of a circle as shown in FIG. 1B.
  • Each ingot is thus delimited by two parallel end faces 3 and 4 with a quarter-circle-shaped contour, two large longitudinal faces perpendicular to each other and a curved face (in arcuate shape). 6.
  • the arc-shaped face may have a radius of curvature adapted according to the diameter of the final ingot. referred, but also depending on the number of ingots to be assembled, which will be cut.
  • the cutting of the initial ingot 1 makes it possible to obtain the ingot to be assembled 2, and the assembly of four ingots to be assembled 2 makes it possible to obtain a final ingot 7 of large size, that is to say of diameter greater than the diameter. of the initial ingot 1 as shown in the figures
  • the initial ingots 1 and thus the final ingots 7 are in crystalline materials or not. They are chosen from semiconducting materials such as silicon, germanium, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide and more generally compound semiconductors including among others materials of groups III / V, groups II / VI, or among sapphire, quartz, piezoelectric, ferroelectric materials, such as LiTaO 3 , LiNbO 3 .
  • the assembling of the ingots to be assembled 2 can be made according to different methods, by all the known bonding techniques, for example via a bonding layer (resin, glue, polymer, etc.), by molecular bonding, anodic bonding, or else fusion bonding of materials (welds, solders).
  • the final ingot 7 of FIGS. 1C and 1D is obtained following the fusion of the interfaces between each of the ingots to be assembled.
  • the latter are put in contact then the whole is subjected to annealing whose temperature depends on the material in question.
  • annealing it is not necessary here to necessarily hear passage in the liquid state but reconstruction by diffusion through the interfaces of the species composing the material.
  • temperatures above 1200 ° C will be advantageously used.
  • the preparation of the faces 5 of ingots 2 to be assembled advantageously consist of shaping steps such as milling, polishing, etc. to make said surfaces sufficiently flat to be able to marry.
  • This preparation will advantageously also include cleaning steps (chemical cleaning, brushing, ..) aimed between other to eliminate any debris or too bulky particle that can penalize the contacting of the surfaces to be bonded.
  • cleaning steps chemical cleaning, brushing, ..
  • a setting in press will advantageously be implemented during the thermal fusion treatment to facilitate the joining and consolidation of the assembly interfaces. Any technique known to those skilled in the art (in the field of sintered materials for example) will advantageously be implemented.
  • the ingots to be assembled 2 have a square-section polyhedron shape as shown in FIG. 2A, the length of the edge of the square is chosen as a function of the size of the targeted final ingot 7, the faces to be assembled being referenced 5.
  • a bonding layer 8 is formed on the surface of the faces 5 of ingots 2 to be assembled. It should be noted that the bonding layer must be present on all sides or at least one of the faces of the ingots to be assembled 2 which are intended to be brought into contact with each other. Thus, it will be necessary to adapt the number of layers of collages according to the number of faces of ingots to be assembled 2 to be bonded to each other, but also according to the bonding interface that one wants to create, this one being able to have one or two superimposed bonding layers.
  • the bonding layer 8 is a layer composed of the same material but whose crystalline and / or structural properties before bonding are modified relative to the material to be bonded.
  • the modification consists in using a layer of amorphous silicon, polychstalline or porous, obtained by any technique known to those skilled in the art. It can be obtained by deposition, for example by CVD techniques, according to the English acronym Chemical Vapor Deposition. It can also result damage modification of the surfaces to be bonded. Amorphization following ion implantation will be advantageous.
  • the implanted species may be identical to the material to be assembled, here silicon, or differ as for example Germanium. In the latter case, the bonding interfaces may then have a composition deviating from the pure material to be assembled, which is tolerable for most applications.
  • Sandblasting is another example of mechanical damage to modify the silicon surface.
  • the structural modification of the surface to be bonded can still result from anodization leading to a surface porosification.
  • Plasma treatment can also be implemented in the process of modifying the properties of the faces to be assembled, such as, for example, immersion plasma treatments.
  • the typical thicknesses of structural modifications are between a few nanometers and a few micrometers.
  • At least one of the two faces of two ingots to be assembled 2 is subjected to the formation of this bonding layer 8. It is indeed possible to consider sticking a bonding layer 8 present on the face 5 of a first ingot to be assembled 2, with the face 5 of a second ingot to be assembled 2, which itself is not coated with a bonding layer 8. It can also be envisaged that the bonding layer 8 is present on both faces to assemble.
  • FIGS. 2B and 2C The bringing into contact of the four ingots to be assembled 2 is represented in FIGS. 2B and 2C.
  • Surface preparation treatments of the bonding layer 8 can be envisaged in order to facilitate good quality bonding. It is thus possible to subject the faces of the ingots to be assembled to cleaning, brushing, drying and surface-activation treatments, as well as to operations aimed at improving the geometry (flatness, roughness, etc.) of the surfaces to be assembled, such as by example a step of lapping or polishing.
  • the structure obtained is subjected to a heat treatment allowing the reconstruction, and generally the recrystallization of the bonding layer 8, at the same time as the bonding of the faces in contact with each other in order to
  • This heat treatment consists in applying a sufficient temperature whose value depends on the materials to be assembled and the nature of the bonding layers. In the case of silicon ingots and bonding layers made of amorphous silicon, temperatures above 500 ° C for a period of 1 minute to 2 hours will be preferred.
  • the material of the ingots to be assembled is preferably silicon, but in this example, the photovoltaic applications are particularly targeted and the initial silicon ingots are monocrystalline or polycrystalline.
  • a bonding layer 8 is present on the surface of the faces to be contacted, but different types of layers than the material to be assembled are considered. Thus, we are interested here in bonding layers obtained by deposit and having the ability to be an electrical insulator.
  • the ingot to be assembled 2 in the form of a parallelepiped with a rectangular section is used as the initial ingot.
  • four ingots of this type are assembled but the number of ingots to be assembled is not limited to this figure.
  • the ingots to be assembled 2 are in silicon.
  • a bonding layer 8 is then formed on the faces 5 of the ingot to be assembled 2 which will be assembled with the faces 5 of other ingots.
  • the bonding layer 8 in the present case corresponds to an insulating layer, such as a layer of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), it may also be oxynitride of silicon (Si x O y N z ) or any other insulating material depending on the initial nature of the ingot treated.
  • the ingot to be assembled 2 is made of germanium, it is possible for example to envisage the formation of a GeO x Ny bonding layer 8.
  • the bonding layer 6 may be formed by one of the various conventional depositing techniques such as by CVD (Chemical
  • PECVD Pulsma Enhanced Chemical vapor Deposition
  • the bonding layer may in part be formed by thermal oxidation resulting in the case of silicon ligands to a surface layer of SiO 2 at the faces 5 of the ingots to be assembled 2.
  • the second ingot to be assembled with the first ingot may or may not be provided with the same bonding layers to result in a symmetrical or non-symmetrical bonding system.
  • registration marks can also be integrated within the layer itself. For example, it is possible to form, for example, markers that will once allow the ingots to be sliced into platelets, to correctly position several platelets on one another with respect to the existing joints.
  • the final ingot 7 of FIG. 3C is obtained by molecular bonding.
  • Bonding by molecular adhesion (“direct wafer bonding” or “fusion bonding” according to the English terminology) is a technique for adhering to one another two substrates having perfectly flat surfaces (“mirror-polish”). ), without applying additional adhesive such as glue.
  • the bonding is typically initiated by locally applying a pressure on the two substrates contacted. A sticky wave then spreads over the entire extent of the substrates.
  • the ingots to be assembled 2 are subjected at their surfaces 5 to a surface preparation before bonding which consists first of all in a precision mechanical finish (polishing, lapping) and a cleaning treatment , brushing, drying.
  • the cleaning may for example be a cleaning type "RCA" to remove the contaminating particles.
  • the treatment using a chemical bath called "RCA” consists of treating said faces, successively with a first solution comprising a mixture of ammonium hydroxide (NH 4 OH), hydrogen peroxide ( H 2 O 2 ) and deionized water, followed by a second solution comprising a mixture of hydrochloric acid (HCl), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and deionized water; the application of the different solutions that can be coupled or not to a brushing.
  • the ingots are then brushed and / or rinsed (with deionized water for example), or dried.
  • one or the other or both faces to be assembled can be subjected to a plasma activation treatment, under an inert atmosphere, for example containing argon or nitrogen, or under a atmosphere containing oxygen.
  • a plasma activation treatment under an inert atmosphere, for example containing argon or nitrogen, or under a atmosphere containing oxygen. This activation, if it takes place, is preferably carried out after cleaning.
  • the four ingots to be assembled are brought into contact with each other, one after the other or simultaneously, so as to perform a molecular bonding bonding thereby forming the final ingot 7 of large size as shown in FIG. Figure 3C.
  • the final ingot 7 is subjected to a final treatment, such as, for example, a heat treatment for reinforcing the bonding interfaces between the different faces 5 of the assembled ingots 2.
  • a final treatment such as, for example, a heat treatment for reinforcing the bonding interfaces between the different faces 5 of the assembled ingots 2.
  • the heat treatment is applied in a temperature range between 200 ° C and 1350 ° C, in the case of silicon ingots for a period of 1 minute to 2 hours, or at a temperature above 1500 ° C in the case of silicon carbide for the same range of application time.
  • this final heat treatment will be adapted according to the nature of the materials present, aiming maximum temperatures corresponding to the melting temperature of the materials considered.
  • a fourth variant will now be presented with reference to Figs. 4A-4C.
  • This embodiment consists in assembling ingots in the form of triangular section polyhedra 2, to form a final ingot 7 whose section is hexagonal.
  • FIG. 4A for example describes a first ingot to be assembled 2 made of silicon.
  • the ingots to be assembled are glued to each other via silicide layers.
  • at least one of the faces to be assembled is covered directly with a silicide layer or with a metal layer whose temperature reaction with the silicon will form said desired silicide.
  • a heat treatment finally allows the final sealing of the ingots to be assembled at a temperature that depends on the choice of silicide but generally greater than 350 ° C. The pressing of the assembly during the sealing operation is advantageously used.
  • FIGS. 5A-5F A fifth variant will now be described with reference to Figs. 5A-5F. According to this variant and as shown in FIGS. 5A and
  • ingots to assemble 2 of quarter-circle section are cut in initial ingots 1 of silicon.
  • the size of the ingot to be assembled can be done in different ways. Thus, for example according to FIGS. 5A and 5B, only the two faces to be assembled are cut in the initial ingot 1, the remainder 9 being eliminated after assembly.
  • Another way is to cut in a single step the ingot to be assembled 2 in the initial ingot 1 in order to obtain the quarter-roll ingot from the first step.
  • the assembly of the various ingots to be assembled is obtained by melting the complementary faces facing each other, as for the first embodiment of the invention described above. Once the ingots 2 assembled, it is then possible to eliminate the remains 9 of each initial ingot by various techniques such as for example by mechanical operations (turning, milling ...) to obtain the final ingot 7 large as shown in Figures 5E and 5F.
  • ingots crystalline or non-crystalline materials, semiconductor materials such as silicon, germanium, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide and more generally compound semiconductors, among others Group II / V materials, groups II / VI, or else sapphire, quartz, AlN, I 1 InP, piezoelectric, ferroelectric materials, such as LiTaO 3 , LiNbO 3 ).
  • ingots crystalline or non-crystalline materials, semiconductor materials such as silicon, germanium, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide and more generally compound semiconductors, among others Group II / V materials, groups II / VI, or else sapphire, quartz, AlN, I 1 InP, piezoelectric, ferroelectric materials, such as LiTaO 3 , LiNbO 3 ).
  • a donor substrate 7 (see FIG. 6, left part) is used in silicon which consists of an ingot or an ingot section as described above.
  • a substrate R is also used.
  • the substrate 7 is then subjected to co-implantation of hydrogen and helium ions (arrows I of FIG. 1). This is done using the following doses: H 2 : between 3 and 6.10 16 at / cm 2 and He + : of the order of 2.10 16 at / cm 2 .
  • the helium is implanted first.
  • the implantation energies are chosen between a few kev and 200 kev.
  • the embrittlement zone may be formed by a simple ion implantation, such as for example hydrogen ions.
  • the donor substrate 7 is then transferred to the recipient substrate, as shown in FIG.
  • the assembly thus produced undergoes a detachment step (annealing, mechanical energy supply, ....) of the thin layer 72 , in order to obtain the structure as illustrated in FIG. 8.
  • a detachment step annealing, mechanical energy supply, .

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Abstract

Procédé de fabrication d'une hétérostructure destinée notamment à des applications dans les domaines de l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend les étapes suivantes : - implantation d'espèces atomiques à l'intérieur d'un premier substrat dit "donneur"(7), de façon à y former une zone de fragilisation (71 ), - assemblage d'un second substrat (R), dit "receveur", sur le substrat donneur, - détachement de la partie arrière dudit substrat donneur le long de la zone de fragilisation (71 ), de manière à individualiser, sur le substrat receveur, (R) une couche mince d'intérêt, caractérisé par le fait qu'on utilise, à titre de substrat donneur, un lingot (7) ou un tronçon de lingot constitué d'au moins deux lingots élémentaires assemblés l'un à l'autre le long de deux de leurs faces longitudinales respectives complémentaires.

Description

LINGOT FORME DE LINGOTS ELEMENTAIRES , PLAQUETTE ISSUE DE CE LINGOT ET PROCEDE ASSOCIE
La présente invention concerne un procédé de fabrication de d'une hétérostructure destinée notamment à des applications dans les domaines de l'électronique, l'optique, l'opto-électronique, ou du photovoltaïque. D'une façon générale, les composants électroniques sont formés sur des plaquettes semi-conductrices généralement circulaires, d'environ 100 à 300 millimètres de diamètre. Chaque plaquette peut ainsi comprendre de nombreux composants. Historiquement, l'amélioration des performances et la réduction des coûts de fabrication des dispositifs électroniques ont été obtenues principalement par une plus grande densité d'intégration des composants et par une augmentation de la taille des plaques qui les reçoivent.
La taille des lingots et des plaques qui en sont issues, est directement liée à la nature du matériau qui les compose. Ainsi par exemple, les dernières générations de plaques en silicium monocristallin pour des applications en micro-électronique sont disponibles sous la forme de plaques circulaires présentant un diamètre de 300 mm. Les plaques en germanium sont quant à elles disponibles sous la forme de plaques circulaires présentant un diamètre de 200 mm. Similairement, les plaques en SiC ou en GaN présentent un diamètre de 100 mm.
L'élaboration de lingots et de plaques présentant une taille et/ou une dimension et/ou une forme non conventionnelle, c'est-à-dire différente(s) de celle(s) couramment employée(s) représente un investissement important de développement. On connaît des techniques de réalisation de substrats assemblant des couches les unes aux autres sur un support de plus grande dimension. Ainsi, le document US 2007/0026638 propose une technique de fabrication de substrats, obtenus par transfert d'un grand nombre de couches issus de substrats donneurs sur un tel support. La technique exposée dans ce document requiert néanmoins le transfert de multiples couches, ce qui représente un grand nombre d'étapes et est donc peu économique, pour réaliser le substrat final de grande taille.
Aussi, ce document ne règle pas le problème de la fourniture du support qui présente une taille non conventionnelle, c'est-à-dire non habituelle par rapport au matériau et à l'application visées, au regard des pratiques actuelles.
Ce problème de fourniture de lingots et plaques de dimensions non conventionnelles est toutefois décrit et résolu notamment dans les documents JP-02-219606, EP-O 367 536, JP-2008-087980, EP-O 416 301 et DE-19 549 513.
Les plaques décrites de ces documents sont issues de lingots ou de tronçons de lingots assemblés les uns aux autres. Cependant, les plaques ainsi obtenues demeurent fragiles au niveau de la liaison des sous-ensembles qui le constituent.
La présente invention vise à résoudre ce problème en proposant un procédé de fabrication d'un assemblage qui ne présente pas de caractère de fragilité. Ainsi, la présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une hétérostructure destinée notamment à des applications dans les domaines de l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend les étapes suivantes :
- implantation d'espèces atomiques à l'intérieur d'un premier substrat dit "donneur", de façon à y former une zone de fragilisation,
- assemblage d'un second substrat, dit "receveur", sur le substrat donneur,
- détachement de la partie arrière dudit substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de manière à individualiser, sur le substrat receveur, une couche mince d'intérêt, caractérisé par le fait qu'on utilise, à titre de substrat donneur, un lingot ou un tronçon de lingot constitué d'au moins deux lingots élémentaires assemblés l'un à l'autre le long de deux de leurs faces longitudinales respectives complémentaires.
De cette manière, la couche mince d'intérêt est formée d'une "tranche" d'un lingot ou d'un tronçon de lingot constitué d'au moins deux lingots élémentaires, qui est supportée par ledit second substrat.
Ce dernier a une fonction de substrat raidisseur, ce qui permet de résoudre le problème de fragilité de la "tranche".
Selon d'autres caractéristiques avantageuses :
- au moins un des lingots élémentaires est en matériau mono cristallin ou poly cristallin ;
- au moins un des lingots élémentaires est un solide choisi parmi les cylindres, les prismes, les polyèdres tel qu'un parallélépipède, à section carrée, rectangulaire, triangulaire, pentagonale, hexagonale, heptagonale, octogonale, ennéagonale, décagonale, ou à section en forme de portion de cercle ;
- les matériaux des lingots élémentaires sont choisis parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le saphir, le verre, le quartz, l'AIN, I1InP, les matériaux ferroélectriques tels que du LiTaO3, LiNbO3 ; - on utilise, à titre de substrat receveur, un substrat en silicium.
Dans l'ensemble de la présente demande, on entendra par l'expression "lingot élémentaire", aussi bien un lingot brut qu'un lingot dont on aura rectifié la forme, notamment pour enlever sa gangue externe. Un tronçon d'un tel lingot est aussi inclus dans cette définition. Par ailleurs, on définit par "faces longitudinales", les faces d'un lingot dont les arêtes les plus longues sont parallèles à l'axe longitudinal du lingot initial.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins : Les figures 1 A à 1 D sont des schémas représentant un premier type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention,
Les figures 2A à 2C sont des schémas représentant un deuxième type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention, Les figures 3A à 3C sont des schémas représentant un troisième type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention,
Les figures 4A à 4D sont des schémas représentant un quatrième type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention, Les figures 5A à 5E sont des schémas représentant un cinquième type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention.
Les figures 6 à 8 sont des schémas représentant les étapes essentielles du procédé selon l'invention. D'une façon générale, la taille ou le diamètre de lingot dépend de la nature même du matériau constituant ledit lingot. Ainsi, dans le cas du silicium monocristallin, l'homme de l'art définit aujourd'hui un « grand diamètre » par un diamètre supérieur à 300 mm, plus particulièrement 450 mm qui est décrit comme étant la prochaine génération. Dans le cas de lingots de germanium monocristallin, un « grand diamètre » est défini comme un diamètre supérieur à 150 mm, plus particulièrement supérieure à 200 mm. Pour des matériaux polychstallins, les dimensions qualifiées de « grand diamètre » peuvent différer du fait des différences de difficultés d'obtention des-dits lingots. Pour le silicium polycristallin, un « grand diamètre » est un diamètre supérieur à 500 mm.
La forme des lingots finaux peut être quelconque. Il peut s'agit par exemple d'un polyèdre dont les arêtes les plus longues sont parallèles à l'axe longitudinal principal du lingot initial. Pour les applications photovoltaïques par exemple, des formes de plaques carrées sont aujourd'hui préférées.
Dans le cas d'un polyèdre, la section dont il est fait référence tout au long de la présente description mais de façon non limitative, correspond au polygone obtenu dans le plan perpendiculaire aux arêtes les plus longues, c'est-à-dire dans le plan orthogonal à l'axe longitudinal du lingot. Ainsi, les lingots finaux ou initiaux peuvent être choisis parmi des polyèdres à section polygonale, l'ordre du polygone étant compris entre 3 (on parle alors de section triangulaire) et l'infini, plus précisément entre 3 et 10 000 (on parle alors de section myriagonale). Par exemple, la section peut être également carrée, rectangulaire, pentagonale, hexagonale, heptagonale, octogonale, ennéagonale, décagonale. Il faut toutefois noter que l'on aura tendance à choisir une section polygonale d'ordre important afin de limiter la perte dans la découpe du polyèdre, si celui ci est obtenu à partir d'un lingot initial cylindrique.
De plus, la section des lingots, notamment des lingots à assembler, peut également avoir une forme en portion de cercle, comme par exemple en forme de 1/2 cercle, de 1/4 de cercle, de 1/X de cercle (X compris entre 1 et 100). Les polyèdres avec une section de 1/X de cercle sont choisis de telle sorte qu'ils aient un rayon de courbure adapté en fonction du diamètre du lingot final visé.
Le nombre de lingots à assembler va dépendre de la forme finale ciblée mais aussi de la forme initiale des lingots à assembler. Ainsi, le lingot final de grande taille sera issu de l'assemblage d'au moins deux lingots. Les lingots à assembler sont en matériaux cristallins ou non.
Un premier type de lingot utilisable dans le cadre du procédé conforme à l'invention, va maintenant être décrit brièvement.
Dans un premier temps et comme représenté sur la figure 1 A, des lingots à assembler 2 sont découpés dans un lingot initial cylindrique 1. Dans cet exemple, les lingots à assembler 2 ont une section en forme de 1Λ de cercle comme cela est représenté dans la figure 1 B. Chaque lingot est donc délimité par deux faces d'extrémité parallèles 3 et 4 à contour en forme de quart de cercle, deux grandes faces longitudinales perpendiculaires l'une à l'autre 5 et une face courbe (en arc de cercle) 6. Cependant, d'une façon plus générale, la face en forme d'arc de cercle peut avoir un rayon de courbure adapté en fonction du diamètre du lingot final visé, mais aussi en fonction du nombre de lingots à assembler, qui vont être découpés.
La découpe du lingot initial 1 permet d'obtenir le lingot à assembler 2, et l'assemblage de quatre lingots à assembler 2 permet d'obtenir un lingot final 7 de grande taille, c'est-à-dire de diamètre supérieur au diamètre du lingot initial 1 comme cela est représenté dans les figures
1 C et 1 D.
Les lingots initiaux 1 et donc les lingots finaux 7 sont dans des matériaux cristallins ou non. Ils sont choisis parmi les matériaux semiconducteurs tels le silicium, le germanium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium et plus généralement les semiconducteurs composés dont entre autres des matériaux des groupes Ill/V, des groupes II/VI, ou encore parmi le saphir, le quartz, les matériaux piézoélectriques, ferroélectriques, tels que du LiTaO3, LiNbO3. L'assemblage des lingots à assembler 2 peut être réalisé selon différentes méthodes, par toutes les techniques de collage connues, par exemple via une couche de collage (résine, glue, polymère, ..), par collage moléculaire, collage anodique, ou encore collage par fusion de matériaux (soudures, brasures). Dans ce cas, le lingot final 7 des figures 1 C et 1 D est obtenu suite à la fusion des interfaces entre chacun des lingots à assembler. Après préparation des faces 5 des lingots 2 à assembler, celles ci sont mises en contact puis l'ensemble est soumis à un recuit dont la température dépend du matériau considéré. Par fusion, il ne faut pas ici nécessairement entendre passage à l'état liquide mais reconstruction par diffusion au travers des interfaces des espèces composant le matériau. Pour le silicium, des températures supérieures à 1200°C seront avantageusement utilisées. La préparation des faces 5 des lingots 2 à assembler consisteront avantageusement en des étapes de mise en forme telles que le fraisage, le polissage, etc.. pour rendre les-dites surfaces suffisamment planes pour pouvoir s'épouser. Cette préparation comportera avantageusement aussi des étapes de nettoyage (nettoyages chimiques, brossage, ..) visant entre autres à éliminer tout débris ou particule trop encombrant pouvant pénaliser la mise en contact des surfaces à coller. Enfin, une mise sous presse sera avantageusement mise en œuvre lors du traitement thermique de fusion afin de faciliter la solidarisation et consolidation des interfaces d'assemblage. Toute technique connue de l'homme de l'art (dans le domaine des matériaux frittes par exemple) sera avantageusement mise en oeuvre.
Un autre mode de réalisation d'un lingot va être maintenant décrit en faisant référence aux figures 2A à 2C. Les mêmes éléments portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits de nouveau.
Ici, les lingots à assembler 2 ont une forme de polyèdre à section carré comme cela est représenté dans la figure 2A, la longueur de l'arête du carré est choisie en fonction de la taille du lingot final 7 ciblé, les faces à assembler étant référencées 5.
Dans cette variante particulière, une couche de collage 8 est formée à la surface des faces 5 des lingots 2 à assembler. Il faut noter que la couche de collage doit être présente sur toutes les faces ou au moins une des faces des lingots à assembler 2 qui sont destinées à être mises en contact les unes avec les autres. Ainsi, il faudra adapter le nombre de couches de collages en fonction du nombre de faces de lingots à assembler 2 à coller les unes aux autres, mais aussi en fonction de l'interface de collage que l'on veut créer, celle-ci pouvant comporter une ou alors deux couches de collage superposées. Dans le cas présent, la couche de collage 8 est une couche composée du même matériau mais dont les propriétés cristallines et/ou structurelles avant collage sont modifiées par rapport au matériau à coller. Dans le cas présent de lingots en silicium monocristallin, la modification consiste à utiliser une couche de silicium amorphe, polychstalline ou poreuse, obtenue par toute technique connue de l'homme de l'art. Elle peut être obtenue par dépôt, par exemple par des techniques CVD, selon l'acronyme anglophone Chemical Vapor Déposition. Elle peut aussi résulter d'une modification par endommagement des surfaces à coller. Une amorphisation suite à une implantation ionique sera à ce titre avantageuse. Les espèces implantées peuvent être soit identiques au matériau à assembler, ici du silicium, soit différer comme par exemple du Germanium. Dans ce dernier cas, les interfaces de collage pourront alors présenter une composition déviant du matériau pur à assembler, ce qui est tolérable pour la plupart des applications. Un sablage est un autre exemple d'endommagement mécanique pour modifier la surface du silicium. La modification structurelle de la surface à coller peut encore résulter d'une anodisation menant à une porosification surfacique. Un traitement plasma peut également être mis en œuvre dans le processus de modification des propriétés des faces à assembler, comme par exemple des traitements de plasma par immersion.
Les épaisseurs typiques de modifications structurelles se situent entre quelques nanomètres et quelques micromètres.
Dans tous les cas, au moins une des deux faces de deux lingots à assembler 2 est soumise à la formation de cette couche de collage 8. On peut en effet envisager de coller une couche de collage 8 présente sur la face 5 d'un premier lingot à assembler 2, avec la face 5 d'un deuxième lingot à assembler 2, qui, elle, n'est pas revêtue d'une couche de collage 8. On peut également envisager que la couche de collage 8 soit présente sur les deux faces à assembler.
La mise en contact des quatre lingots à assembler 2 est représentée sur les figures 2B et 2C. Des traitements de préparation de surface de la couche de collage 8 peuvent être envisagés afin de faciliter un collage de bonne qualité. On peut ainsi soumettre les faces des lingots à assembler à des traitements de nettoyage, brossage, séchage, activation de surface, ainsi qu'à des opérations visant à améliorer la géométrie (planéité, rugosité...) des surfaces à assembler, comme par exemple une étape de rodage ou de polissage. Une fois la mise en contact effectuée, la structure obtenue est soumise à un traitement thermique permettant la reconstruction, et généralement la recristallisation de la couche de collage 8, en même temps que le collage des faces en contact les unes avec les autres afin d'obtenir le lingot final 7. Ce traitement thermique consiste à appliquer une température suffisante dont la valeur dépend des matériaux à assembler et de la nature des couches de collage. Dans le cas de lingots de silicium et de couches de collage constituées de silicium amorphe, des températures supérieures à 500 °C, pendant une durée de 1 minute à 2 heures seront privilégiées. Un troisième mode de réalisation représenté sur les figures 3A à
3C va être maintenant détaillé. Les mêmes éléments portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits de nouveau.
Tout comme le deuxième mode de réalisation, le matériau des lingots à assembler est préférentiellement du silicium, mais dans cet exemple, les applications photovoltaïques sont particulièrement visées et les lingots initiaux de silicium sont monocristallins ou polycristallins. Tout comme le deuxième de mode de réalisation, une couche de collage 8 est présente à la surface des faces à mettre en contact, mais des couches de nature différente que celle du matériau à assembler sont considérées. Ainsi, l'on s'intéresse ici à des couches de collage obtenues par dépôt et ayant la faculté d'être un isolant électrique.
Ainsi, comme cela est représenté dans la figure 3A, le lingot à assembler 2 en forme de parallélépipède à section rectangulaire est utilisé comme lingot initial. Dans cet exemple, quatre lingots de ce type sont assemblés mais le nombre de lingots à assembler n'est pas limité à ce chiffre. On peut envisager d'en assembler deux ou plus de quatre. Dans l'exemple présenté, les lingots à assembler 2 sont en silicium.
Une couche de collage 8 est alors formée sur les faces 5 du lingot à assembler 2 qui seront assemblées avec les faces 5 d'autres lingots. La couche de collage 8 dans le cas présent correspond à une couche isolante, telle qu'une couche de d'oxyde de silicium (SiO2) ou encore de nitrure de silicium (Si3N4), elle peut être également en oxynitrure de silicium (SixOyNz) ou tout autre matériau isolant selon la nature initiale du lingot traité. Dans une autre configuration où le lingot à assembler 2 est en germanium, on peut par exemple envisager la formation d'une couche de collage 8 en GeOxNy. La couche de collage 6 peut être formée par l'une des différentes techniques habituelles de dépôts telles que par CVD (Chemical
Vapor Déposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical vapor Déposition),
LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Déposition).
Alternativement ou en complément aux techniques de dépôts, la couche de collage peut en partie être formée grâce une oxydation thermique aboutissant dans le cas de ligots de silicium à une couche superficielle de SiO2 au niveau des faces 5 des lingots à assembler 2.
De façon optionnelle, le deuxième lingot à assembler avec le premier lingot, peut également ou non être doté des mêmes couches de collage pour aboutir à un système de collage respectivement symétrique ou non.
Lors de cette étape de formation de couche de collage 8, des marques de repérage peuvent être également intégrées au sein même de la couche. On peut en effet envisager de former par exemple des repères qui permettront une fois les lingots tranchés en plaquettes, de positionner correctement plusieurs plaquettes les unes sur les autres par rapport aux joints existants.
Le lingot final 7 de la figure 3C est obtenu par collage moléculaire. Le collage par adhésion moléculaire (« direct wafer bonding » ou « fusion bonding » selon la terminologie anglo-saxonne) est une technique permettant de faire adhérer l'un à l'autre deux substrats présentant des surfaces parfaitement planes (« poli-miroir »), et cela sans application d'adhésif supplémentaire telle qu'une colle.
Le collage est typiquement initié par application locale d'une pression sur les deux substrats mis en contact. Une onde de collage se propage ensuite sur toute l'étendue des substrats. Pour réaliser ce type de collage moléculaire, les lingots à assembler 2 sont soumis au niveau de leurs faces 5 à une préparation de surface avant collage qui consiste tout d'abord en une finition mécanique de précision (polissage, rodage) et un traitement de nettoyage, brossage, séchage.
Le nettoyage peut par exemple être un nettoyage de type "RCA", pour éliminer les particules contaminantes.
Pour mémoire, le traitement à l'aide d'un bain chimique dénommé "RCA" consiste à traiter lesdites faces, successivement avec une première solution comprenant un mélange d'hydroxyde d'ammonium (NH4OH), de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'eau déionisée, puis d'une seconde solution comprenant un mélange d'acide chlorhydrique (HCI), de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'eau déionisée; l'application des différentes solutions pouvant être couplée ou non à un brossage. Les lingots sont ensuite brossés et/ou rincés (avec de l'eau déionisée par exemple), voire séchés.
De façon optionnelle, l'une ou l'autre ou les deux faces 5 à assembler peuvent être soumises à un traitement d'activation plasma, sous une atmosphère inerte, par exemple contenant de l'argon ou de l'azote, ou sous une atmosphère contenant de l'oxygène. Cette activation, si elle a lieu est effectuée de préférence après un nettoyage.
Enfin, les quatre lingots à assembler sont mis en contact l'un avec l'autre, les uns après les autres ou simultanément, de façon à réaliser un collage par adhésion moléculaire formant ainsi le lingot final 7 de grande taille tel que représenté sur la figure 3C.
Une fois l'assemblage effectué, le lingot final 7 est soumis à un traitement final, comme par exemple un traitement thermique de renforcement des interfaces de collage entre les différentes faces 5 des lingots 2 assemblés. Le traitement thermique est appliqué dans une gamme de température comprise entre 200 °C et 1350°C, dans le cas de lingots en silicium pendant une durée de 1 minute à 2 heures, ou alors à un température supérieure à 1500°C dans le cas du carbure de silicium pour la même gamme de durée d'application. En effet, ce traitement thermique final sera adapté selon la nature des matériaux présents, en visant des températures maximales correspondant à la température de fusion des matériaux considérés. Une quatrième variante va être maintenant présentée en faisant référence aux figures 4A à 4C.
Ce mode de réalisation consiste à assembler des lingots en forme de polyèdres de section triangulaire 2, afin de former un lingot final 7 dont la section est hexagonale. La figure 4A décrit par exemple un premier lingot à assembler 2 en silicium.
Dans ce mode de mise en œuvre, les lingots à assembler sont collés les uns aux autres par l'intermédiaire de couches de siliciure. Avant assemblage, l'une au moins des faces à assembler est recouverte directement par une couche de siliciure ou par une couche métallique dont la réaction en température avec le silicium formera ledit siliciure recherché. Un traitement thermique permet finalement le scellement définitif des lingots à assembler, à une température qui dépend du choix du siliciure mais généralement supérieure à 350°C. La mise sous presse de l'ensemble pendant l'opération de scellement est avantageusement utilisée.
On aboutit ainsi à la structure finale 3 telle que décrite à la figure 4C.
Une cinquième variante va maintenant être décrite en faisant référence aux figures 5A à 5F. Selon cette variante et comme représenté sur les figures 5A et
5B, des lingots à assembler 2 de section en forme de quart de cercle sont taillés dans des lingots initiaux 1 de silicium. La taille du lingot à assembler peut se faire selon différentes manières. Ainsi par exemple selon les figures 5A et 5B, seules les deux faces à assembler 5 sont découpées dans le lingot initial 1 , le reste 9 étant éliminé après assemblage. Une autre manière consiste à découper en une seule étape le lingot à assembler 2 dans le lingot initial 1 afin d'obtenir le lingot en quart de cylindre dès la première étape.
Une fois les deux faces 5 du lingot découpées, quatre lingots à assembler 2 sont mis en contact les uns avec les autres afin d'être collés. Les étapes de préparation habituelles peuvent être appliquées sur les surfaces des faces 5 de chaque lingot avant collage.
L'assemblage des différents lingots à assembler est obtenu par fusion des faces complémentaires en vis à vis, comme pour le premier mode de mise en œuvre de l'invention décrit ci-avant. Une fois les lingots 2 assemblés, il est alors possible d'éliminer les restes 9 de chaque lingot initial par différentes techniques comme par exemple par des opérations mécaniques (tournage, fraisage...) permettant d'obtenir le lingot final 7 de grande taille tel que représenté sur les figures 5E et 5F. Les modes de mise en œuvre décrits auparavant se sont concentrés sur le silicium, mais ils s'appliquent, moyennant quelques adaptions à la portée de l'homme du métier, aux autres matériaux dont les plaques sont réalisées à partir de la découpe de lingots (matériaux cristallins ou non, matériaux semiconducteurs tels le silicium, le germanium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium et plus généralement les semiconducteurs composés dont entre autres des matériaux des groupes Ill/V, des groupes II/VI, ou encore le saphir, le quartz, l'AIN, I1InP, les matériaux piézoélectriques, ferroélectriques, tels que du LiTaO3, LiNbO3). Enfin et cela quelque soit le mode de fabrication des lingots finaux de grande taille, les-dits lingots peuvent être découpés en plaquettes ou en tronçons (c'est à dire en lingots de dimensions plus réduites que le lingot final). On obtient ainsi par exemple des plaquettes de grande taille, leur surface correspondant à la section du lingot final. Mais dans un tel cas et comme déjà expliqué plus haut, les plaquettes peuvent présenter une certaine fragilité mécanique au niveau des zones d'assemblage. Le procédé selon l'invention permet de résoudre ce problème de fragilité. On se reportera aux figures 6 à 8 pour décrire un exemple de réalisation de ce procédé.
On utilise un substrat donneur 7 (voir figure 6, partie de gauche) en silicium qui est constitué d'un lingot ou d'un tronçon de lingot tel que décrit plus haut.
On a référencé 73 une interface d'assemblage de lingots élémentaires.
On fait également usage d'un substrat receveur R. Le substrat 7 subit alors une co-implantation d'ions d'hydrogène et hélium (flèches I de la figure 1 ). Celle-ci est réalisée en faisant usage des doses suivantes : H2 : entre 3 et 6.1016 at/cm2 et He+ : de l'ordre de 2.1016 at/cm2. Préférentiellement, l'hélium est implanté en premier.
Les énergies d'implantation sont choisies entre quelques kev et 200 kev.
Cela conduit à la présence d'une zone de fragilisation 71 qui délimite une couche mince 72 présentant une face supérieure libre 70.
Dans d'autres modes de réalisation, la zone de fragilisation peut être formée par une simple implantation d'ions, comme par exemple des ions d'hydrogène.
On reporte alors le substrat donneur 7 sur le substrat receveur, comme montré à la figure 7.
Une fois collé, par exemple par collage moléculaire, l'assemblage ainsi réalisé, tel qu'il apparaît à la figure 7, subit une étape de détachement (recuit, apport d'énergie mécanique, ....) de la couche mince 72, afin d'obtenir la structure telle qu'illustré à la figure 8.
Ainsi, conformément à ce procédé, on peut envisager de reporter un "film" de GaN issu d'une plaquette, d'un lingot ou d'un tronçon de lingot, de substrat de GaN obtenu par assemblage de lingots élémentaires de GaN, le substrat ayant un contour circulaire et pouvant présenter un diamètre de 200mm, sur une plaque de silicium massive, connue de l'état de l'art (et de taille « conventionnelle »), elle même ayant un contour circulaire et présentant un diamètre de 200mm.
Ainsi, il est possible de renforcer la tenue mécanique du "film" issu d'un tel substrat donneur fragile, en reportant ce film sur un substrat mécaniquement plus solide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une hétérostructure destinée notamment à des applications dans les domaines de l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend les étapes suivantes :
- implantation d'espèces atomiques à l'intérieur d'un premier substrat (7) dit "donneur", de façon à y former une zone de fragilisation
(71 ),
- assemblage d'un second substrat (R), dit "receveur", sur le substrat donneur,
- détachement de la partie arrière dudit substrat donneur (7) le long de la zone de fragilisation (71 ), de manière à individualiser, sur le substrat receveur, une couche mince d'intérêt (72), caractérisé par le fait qu'on utilise, à titre de substrat donneur, un lingot (7) ou un tronçon de lingot constitué d'au moins deux lingots élémentaires (2) assemblés l'un à l'autre le long de deux de leurs faces longitudinales respectives complémentaires (5).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins un des lingots élémentaires (2) est en matériau mono cristallin ou poly cristallin.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un des lingots élémentaires (2) est un solide choisi parmi les cylindres, les prismes, les polyèdres tel qu'un parallélépipède, à section carrée, rectangulaire, triangulaire, pentagonale, hexagonale, heptagonale, octogonale, ennéagonale, décagonale, ou à section en forme de portion de cercle.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les matériaux des lingots élémentaires (2) sont choisis parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le saphir, le verre, le quartz, l'AIN, I1InP, les matériaux ferroélectriques tels que du LiTaO3, LiNbO3.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on utilise, à titre de substrat receveur, un substrat en silicium.
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