WO2019121886A1 - Procédé de fabrication de composite à couche mince ultra-plane - Google Patents

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WO2019121886A1
WO2019121886A1 PCT/EP2018/085799 EP2018085799W WO2019121886A1 WO 2019121886 A1 WO2019121886 A1 WO 2019121886A1 EP 2018085799 W EP2018085799 W EP 2018085799W WO 2019121886 A1 WO2019121886 A1 WO 2019121886A1
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substrate
ultra
bonding
thickness
thinning
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PCT/EP2018/085799
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Florent Bassignot
Ludovic GAUTHIER-MANUEL
Ausrine Bartasyte
Original Assignee
Université de Franche-Comté
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    • H01L21/02002—Preparing wafers
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    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76256—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques using silicon etch back techniques, e.g. BESOI, ELTRAN

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of the manufacture of thin films, in particular the production of thin semiconducting, piezoelectric or ferroelectric layers on a support substrate which makes it possible in particular to meet the demands of the markets for radio frequency telecommunications, photonics and MEMS.
  • the field of radio-frequency telecommunications which requires the manufacture of acousto-electrical components (filters, sources, sensors, resonators, ...) using piezoelectric layers whose thickness defines the frequency of use.
  • the ion implantation makes it possible to obtain ultra-flat films on the scale of the substrate, with a variation of total thickness (hereinafter also referred to as TTV). 'total thickness variation') less than 100 nm.
  • TTV total thickness
  • the maximum achievable thickness typically limited to less than one micron thickness will depend on the implanted material, the implantation energy and not all materials are implantable.
  • the epitaxial deposition makes it possible to obtain layers of generally inferior thickness, or even much less, at the micron but with a very good homogeneity (TTV of a few nanometers).
  • This method works particularly well for some materials (typically semiconductors) deposited on certain substrate materials.
  • the mono-crystallinity of the layer is difficult to control or even impossible to obtain and depends drastically on substrate material on which it is deposited.
  • the layers obtained are limited in thickness and can not be deposited on all materials.
  • the reference [2] describes for example the manufacture of high frequency resonators using an epitaxial thin film (oriented along the c axis) of LiNbOs by chemical vapor deposition.
  • Another technique used eg. for the manufacture of acousto-electrical components is based on the mechano-chemical transfer-thinning of the original substrate (see references 4 and 5).
  • This technique makes it possible to obtain thin layers of thickness ranging from micron to several tens of microns, but whose homogeneity in thickness will depend on the flatness of the equipment used and that of the support substrate. This homogeneity is all the more difficult to control because the surface of the support substrate is large.
  • the thickness variation of the layer is generally a few microns.
  • the object of the present invention is to provide an improved method of manufacturing ultra-flat, thin-layer stacks or composites that can be used with a variety of support substrates, regardless of their thickness homogeneities.
  • this objective is achieved by a method for manufacturing a thin-film composite (or stack) comprising the following steps:
  • the present method allows the manufacture of a thin layer from a first substrate, and to apply it on a support substrate of any kind, which forms the support substrate for the intended use.
  • the term "thin layer” means a layer of thickness less than one millimeter, which may according to applications have a thickness between 1 and 10 miti, or one to several hundred microns.
  • the invention more particularly makes it possible to obtain piezoelectric, electro-optical or ferroelectric monocrystalline ultra-planar layers of customized thickness reported on all types of substrates (final support substrate).
  • the difficulty is to control the homogeneity in thickness of the layers which will depend on the flatness of the equipment used during the thinning but above all on the flatness of the substrates on which they are reported. This flatness is currently very good for silicon substrates, but is not guaranteed for other substrates materials.
  • the present invention which consists of a double transfer-thinning with an intermediate stage of layer transfer and removal of the ultra-flat reference substrate, makes it possible to lift this technological lock by guaranteeing the monocrystallinity of the layers and the homogeneity in thickness. of these (TTV ⁇ 1 ⁇ m) with custom-made thicknesses (micrometric to several tens of microns), and on all types of support substrates (quartz, glass, sapphire, lithium niobate, etc.).
  • the process according to the invention is suitable for industrial production.
  • the reference substrate is a substrate having at least one ultra-planar surface on which is adhered the first substrate which will form the thin layer of interest.
  • the flatness of this surface is critical because it determines the homogeneity in thickness of the thin layer that will be manufactured.
  • the ultra-planar surface of the reference substrate has a total thickness variation (called TTV ') of less than 1 ⁇ m.
  • the reference substrate comprises a second ultra-planar face, opposite to said ultra-planar face, having the same total thickness variation.
  • a substrate is said ultra-plane.
  • the first substrate may be of the wafer or wafer type with two ultra-flat parallel faces, one of which will form the ultra-flat surface to receive the first substrate.
  • the reference substrate may be silicon, for example a silicon wafer (wafer in English), whose flatness is well controlled and low cost.
  • Other materials may be used for the reference substrate, for example glass / sapphire, or any other material having a suitable TTV, preferably less than one micron.
  • first substrate The choice of the material intended to form the thin layer, here called the first substrate, depends on the intended application. It can be crystalline (especially monocrystalline) or non-crystalline. But the present process is particularly advantageous to implement for first crystalline substrates because it allows to maintain the crystallinity.
  • the first substrate may have a thickness of the order of mm or a few hundred microns and may have a TTV of a few microns or more.
  • the first substrate may be a ceramic material, a semiconductor or a crystalline material having, for example, piezoelectric, ferroelectric, magnetic, a metal or a polymer such as an epoxy resin.
  • the bonding steps (steps b) and d)) are carried out by any appropriate technique, for example by metal diffusion, by means of an adhesive (for example epoxy or other) or by molecular bonding.
  • the bonding is carried out at ambient temperature to avoid problems of differential expansion of the substrates to be bonded.
  • Diffusion metal combined with pressing, is interesting because it can be performed simply and at room temperature. Bonding by metal diffusion with gold layer is particularly preferred. Optimally, is applied successively on each side of the substrates to be bonded together a bonding layer, in particular chromium, followed by a layer of gold, thicker. The substrates are then stacked and subjected to pressing. Pre-bonding is preferably carried out under partial vacuum and at room temperature, at a first determined pressure. Reinforcement is then carried out under pressure at a higher pressure.
  • the chrome / gold bonding is just one example and should not be interpreted in a limiting way. All types of suitable metals and metal alloys may be employed, including nickel and / or copper.
  • the thinning stage comprises:
  • pre-thinning blank in particular by machining - grinding, up to a predetermined thickness
  • an appropriate thinning makes it possible, after step c), to obtain a first substrate whose free face, or thinned face (opposite to the face bonded to the reference substrate).
  • - rence is ultra-flat and has a total variation of thickness less than 1 pm.
  • the lower surface roughness is preferably less than the nm.
  • the first substrate may have been subjected beforehand to ion implantation at a determined depth.
  • the first substrate is bonded by its ion implantation face.
  • the first substrate is then separated in two at the ion implantation line, leaving a first substrate layer on the reference substrate.
  • the thinning step (for example chemical mechanical polishing - which will typically be of lesser magnitude than in the above variant - step c1)) is then carried out in order to guarantee the thickness homogeneity of the first thinned substrate.
  • Step e) of elimination of the reference substrate can be done using one or more of the following techniques:
  • a protective layer for example a resin, resistant to the chemicals used for attacking the reference substrate.
  • the method can be adapted to form several thin / thinned layers by stacking a second substrate on the ultra-planar thinned surface, and possibly a third, etc., and reproducing the gluing and thinning steps used for the first substrate (steps b and c).
  • Each subsequent substrate is thus bonded to the thinned ultra-planar surface of the last bonded and thinned substrate, and subjected to submillimetric thinning so as to form a thinned ultra-planar surface.
  • the support substrate (according to step d) is bonded to the free thinned ultra-planar face (of the last bonded substrate).
  • FIG. 1 diagrammatically represents the steps of FIG. an embodiment of the present method.
  • the present method is based on the possibility of manufacturing these layers obtained by transfer-thinning mechanochemical, ensuring variations in thickness less than one micron on all types of substrates, homogeneous or not in thickness.
  • the process for manufacturing composites with such ultra-planar layers here comprises four phases, described in detail below:
  • the process uses techniques such as room temperature diffusion and pressing metal diffusion bonding, chemical mechanical polishing, substrate grinding, and flatness measurement, which are known. of the state of the art and which will not be described in detail, see in particular references 3, 4 and 5.
  • the reference sign 10 designates a substrate, said reference substrate, which has an ultra-planar surface 12 on at least one of its faces.
  • the total variation in the thickness of the substrate 10 is guaranteed less than 1 ⁇ m.
  • This specification will condition the homogeneity in thickness of the layer that will be manufactured.
  • the choice of silicon as a temporary reference substrate stems, on the one hand, from its easy and low-cost supply and on the other hand from the technological mastery of this material (dry and wet etching).
  • the reference substrate is preferably in the form of wafer / wafer having two parallel faces ultra-planar (so-called ultra-plane). Silicon is only one example for the reference substrate, other materials can be used provided that the required flatness is present here, for example glass.
  • the flatness of the various substrates is preferably characterized in terms of total thickness variation (TTV), a measure well known in the art.
  • TTV total thickness variation
  • the TTV is typically determined by taking 5 thickness measurement points in a cross pattern (away from the edges) and retaining the largest difference in thickness.
  • the TTV can be determined according to the SEMI 3D4-0613 standard of the SEMI® International Standards Association.
  • the first phase P1 consists of sticking, in the present variant via a metal diffusion bonding made by compression at room temperature, with a first substrate 14 constituting the plate to be thinned, with the reference substrate 10.
  • the bonding is advantageously carried out in the context of the present process by cleaning the substrates to be bonded (wet cleaning in a bath of sulphochromic acid), followed by a sputtering deposition of a plate of a few nm of chromium then several tens of nm of gold on the two substrates to be bonded (and in particular on the ultra-planar face 12 of the reference substrate 10).
  • the reference sign 16 designates the gold metal diffusion bonding layer thus obtained having a Cr / Au / Au / Cr structure.
  • the second phase P2 corresponds to the thinning of the first substrate 14 following the stack formed in the previous phase. This thinning is preferably carried out in two stages.
  • First roughening is carried out with a high material removal (eg greater than 10 ⁇ m / min).
  • a high material removal eg greater than 10 ⁇ m / min.
  • a thinning of the mechanical blank for example by plane cylindrical grinding with a diamond grinding wheel, will be carried out.
  • the extra thickness can be of the order of 50 to 100 miti, in particular 80 pm.
  • a second finishing thinning is practiced with a lower material removal rate, in order to reduce the thickness to the desired thickness by controlling well the roughness and the flatness.
  • the thinned face of the first substrate 14, which is a free face at the end of the second phase, is marked 17 in the figure.
  • the thickness of the first substrate can be reduced to thicknesses typically in the range of 1 to 100 microns (+/- 0.5 ⁇ m), and having a total thickness variation of less than 1 ⁇ m.
  • the third phase aims to transfer the first substrate 14, constituting the thin layer of the material of interest, on a support substrate 18 which constitutes the desired support, whether it is homogeneous or not in thickness.
  • the metal diffusion bonding made by compression at room temperature as described in phase P1 is performed again between the ultra-planar layer 14 made from the first substrate and bonded to the reference substrate 10, and the support substrate 18 which constitutes the desired support, in order to obtain the stack:
  • This stack is marked P3 in FIG. 1.
  • the second layer of connection / Cr / Au / Au / Cr / between the first substrate and the support substrate is marked 20.
  • the final support substrate may be quartz, glass, lithium niobate, langasite, sapphire, silicon, etc.
  • the last phase corresponds to the suppression of the reference substrate 10.
  • Any suitable methods can be envisaged, in particular by chemical and / or mechanical means, in particular by machining / etching and chemical etching.
  • this step is carried out by fast thinning with flat grinding up to a silicon thickness of 50 miti, and then by wet etching (for example in a KOH bath) to reach the chromium layer. Finally, wet etching of the Cr / Au / Au / Cr metal layers is carried out, making it possible to obtain the desired final stack, identified as P4:
  • the first substrate is manufactured as a thin ultra-planar layer, typically of a thickness between 1 and 100 ⁇ m to +/- 0.5 ⁇ m near, with a TTV less than one micron, while the substrate support may have some flatness.

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Abstract

Un procédé de fabrication d'un composite à couche mince comprend les étapes suivantes : a)fourniture d'un premier substrat (14) et d'un substrat de référence (10) ayant une face ultra-plane (12); b)collage du premier substrat (14) sur la face ultra-plane (12) du substrat de référence (10); c)amincissement du premier substrat (14) jusqu'à une épaisseur submillimétrique prédéterminée de sorte à former une face ultra-plane amincie (17); d)collage d'un substrat support (18) sur la face ultra-plane amincie (17); e)élimination du substrat de référence (10).

Description

Procédé de fabrication de composite à couche mince ultra-plané
Description
La présente invention concerne généralement le domaine de la fabrication de couches minces, en particulier la fabrication de couches minces semi- conductrices, piézoélectriques ou ferroélectriques sur substrat support permet- tant notamment de répondre aux demandes des marchés des télécommunica- tions radiofréquences, de la photonique et des MEMS.
La fabrication à faible coût de couches minces monocristallines ultra planes est une problématique dans le domaine des micro-composants acoustiques et photoniques en général.
On citera par exemple le domaine des télécommunications radio-fréquences, qui requiert la fabrication de composants acousto-électriques (filtres, sources, capteurs, résonateurs,...) utilisant des couches piézoélectriques dont l’épaisseur définit la fréquence d’utilisation.
Dans la littérature, différentes techniques permettent de fabriquer de telles couches minces, chacune d’elles possédant ses avantages et ses limitations.
L’implantation ionique (voir par exemple référence [1] ci-après) permet d’obtenir des films ultra plans à l’échelle du substrat, avec une variation d’épaisseur totale (ci-après également désignée TTV, de l’anglais‘total thickness variation’) inférieure à 100 nm. Par contre l’épaisseur maximale atteignable (typiquement limitée à moins d’un micromètre d’épaisseur) dépendra du matériau implanté, de l’énergie d'implantation et tous les matériaux ne sont pas implantables.
Le dépôt par épitaxie permet d’obtenir des couches d’épaisseur généralement inférieure, voire très inférieure, au micron mais avec une très bonne homogé- néité (TTV de quelques nanomètres). Cette méthode fonctionne particulière ment bien pour certains matériaux (semi-conducteurs typiquement) déposé sur certains matériaux substrats. Cependant la mono-cristallinité de la couche est difficile à maîtriser voire impossible à obtenir et dépend drastiquement du matériau substrat sur lequel elle est déposée. Ainsi avec cette technique les couches obtenues sont limitées en épaisseur et ne peuvent pas être déposées sur tous les matériaux. La référence [2] décrit par exemple la fabrication de résonateurs haute fréquence utilisant une couche mince épitaxiale (orientée selon l’axe c) de LiNbOs par dépôt chimique en phase vapeur.
Une autre technique employée par ex. pour la fabrication de composants acousto-électriques repose sur le report-amincissement mécano-chimique du substrat d'origine (voir les références 4 et 5). Cette technique permet d’obtenir des couches minces d'épaisseur allant du micron à plusieurs dizaines de microns, mais dont l’homogénéité en épaisseur va dépendre de la planéité des équipements utilisés et de celle du substrat support. Cette homogénéité est d’autant plus difficile à maîtriser que la surface du substrat support est grande. La variation d’épaisseur de la couche est généralement de quelques microns.
Objet de l'invention
L'objet de la présente invention est de proposer une méthode améliorée de fabrication d’empilements ou composites à couche minces, ultra-planés, utilisables avec une diversité de substrats supports, quelles que soient leurs homogénéités en épaisseur.
Description générale de l'invention
Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un procédé de fabrication d’un composite (ou empilement) à couche mince comprenant les étapes suivantes :
a) fourniture d’un premier substrat et d’un substrat de référence ayant une face ultra-plané ;
b) collage du premier substrat sur la face ultra-plané du substrat de réfé- rence ;
c) amincissement du premier substrat jusqu’à une épaisseur submillimé- trique prédéterminée, formant ainsi une face ultra-plané amincie ; d) collage d’un substrat support sur la face ultra-plané amincie (du premier substrat en cas d’un composite avec une seule couche amincie, ou sur la face ultra-plané amincie du 2e ou X'eme substrat en cas d’empilement à plu sieurs substrats amincis) ;
e) élimination du substrat de référence.
Le présent procédé permet la fabrication d’une couche mince à partir d’un premier substrat, et de l’appliquer sur un substrat support de quelconque nature, qui forme le substrat support pour l’utilisation visée.
Dans le cadre de l’invention, on entend par « couche mince » une couche d’épaisseur inférieure au millimètre, qui peut selon les applications avoir une épaisseur entre 1 et 10 miti, ou une à plusieurs centaines de microns.
L’invention permet plus particulièrement d'obtenir des couches piézoélectriques, électro-optiques ou ferroélectriques monocristallines ultra-planés d’épaisseur sur-mesure reportées sur tous types de substrats (substrat support final).
On notera que dans la technique classique de report/amincissement, la difficul- té est de maîtriser l'homogénéité en épaisseur des couches qui va dépendre de la planéité des équipements utilisés lors de l’amincissement mais avant tout de la planéité des substrats sur lesquels elles sont reportées. Cette planéité est actuellement très bonne pour les substrats silicium, mais n’est pas garantie pour les autres matériaux substrats.
La présente invention, qui consiste en un double report-amincissement avec une étape intermédiaire de transfert de couche et d'enlèvement du substrat de référence ultra-plan, permet de lever ce verrou technologique en garantissant la monocristallinité des couches et l’homogénéité en épaisseur de celles-ci (TTV < 1 pm) avec des épaisseurs sur-mesure (micrométrique à plusieurs dizaines de microns), et sur tous types de substrats supports (quartz, verre, saphir, niobate de lithium,...). De plus, le procédé selon l’invention est adapté à une production industrielle.
Les résultats préalables valident la possibilité de transférer une couche ultra- plané, de n'importe quel matériau, obtenue par report/amincissement, sur tous types de matériaux substrats supports. Jusqu’alors, avec les technologies connues (report/amincissement, implantation ionique et dépôt par épitaxie), la fabrication de couches ultra-planés, d’épaisseur micrométrique jusqu’à plu sieurs dizaines de microns n’était pas garantie.
Le substrat de référence est un substrat présentant au moins une face ultra- plané, sur laquelle on vient coller le premier substrat qui formera la couche mince d’intérêt. La planéité de cette surface est critique car elle conditionne l’homogénéité en épaisseur de la couche mince qui sera fabriquée. De préfé- rence, la surface ultra-plané du substrat de référence présente une variation totale d’épaisseur (dite TTV’) inférieure à 1 pm.
De préférence le substrat de référence comprend une deuxième face ultra- plané, opposée à ladite face ultra-plané, ayant la même variation totale d’épaisseur. Un tel substrat est dit ultra-plan. Par exemple, le premier substrat peut être du type galette ou plaquette avec deux faces parallèles ultra-planés, dont l’une formera la surface ultra plane pour recevoir le premier substrat.
Dans ce contexte le substrat de référence peut être du silicium, par exemple une galette de silicium (wafer en anglais), dont la planéité est bien maîtrisée et le coût de revient faible. D’autres matériaux peuvent être utilisés pour le substrat de référence, par exemple le verre/saphir, ou tout autre matériau présentant un TTV approprié, de préférence inférieur au micron.
Le choix du matériau destiné à former la couche mince, ici appelé premier substrat, dépend de l’application visée. Il peut être cristallin (notamment monocristallin) ou non-cristallin. Mais le présent procédé est particulièrement intéressant à mettre en œuvre pour des premiers substrats cristallins car il permet de conserver la cristallinité.
Initialement le premier substrat peut avoir une épaisseur de l’ordre du mm ou de quelques centaines de microns et peut présenter un TTV de quelques microns ou plus.
Selon les applications, le premier substrat peut être un matériau céramique, un semi-conducteur, un matériau cristallin présentant par exemple des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, magnétiques, un métal ou encore un poly- mère tel qu’une résine époxy.
Les étapes de collage (étapes b) et d)) sont réalisées par toutes techniques appropriées, par exemple par diffusion métallique, au moyen d’une colle (par exemple époxy ou autres) ou par collage moléculaire. De préférence, le collage est réalisé à température ambiante pour éviter des problèmes de dilatation différentielle des substrats à coller.
La diffusion métallique, combinée au pressage, est intéressante car elle peut être réalisée simplement et à température ambiante. Le collage par diffusion métallique avec couche d’or est particulièrement préféré. De manière optimale, on applique successivement sur chacune des faces des substrats devant être collées ensemble une couche d’accrochage, en particulier en chrome, suivi d’une couche d’or, plus épaisse. Les substrats sont alors empilés est soumis à pressage. On réalise préférablement un pré-collage sous vide partiel et à température ambiante, à une première pression déterminée. On réalise ensuite un renforcement sous presse à une pression supérieure. Le collage chrome/or n’est qu’un exemple et ne doit pas être interprété de manière limitative. Tous types de métaux et alliages métalliques appropriés peuvent être employés, notamment comprenant du nickel et/ou cuivre.
Selon les variantes, l’étape d’amincissement comprend :
c1 ) pré-amincissement d’ébauche, notamment par usinage - rectification, jusqu’à une surépaisseur prédéterminée ; et
c2) amincissement de finition, avec contrôle fin de rugosité et planéité, jusqu’à ladite épaisseur submillimétrique prédéterminée, en particulier par rodage et/ou polissage mécano-chimique.
La planéité étant garantie par le substrat de référence, un amincissement approprié permet, à l’issue de l’étape c) d’obtenir un premier substrat dont la face libre, ou face amincie (opposée à la face collée sur le substrat de réfé- rence), est ultra-plané et présente une variation totale d’épaisseur inférieure à 1 pm. La rugosité de surface inférieure est préférablement inférieure au nm. Selon une variante, le premier substrat peut avoir été soumis au préalable à une implantation ionique à une profondeur déterminée. Dans ce cas, à l’étape b) on colle le premier substrat par sa face d’implantation ionique. On sépare ensuite le premier substrat en deux au niveau de la ligne d’implantation ionique, laissant une couche de premier substrat sur le substrat de référence. On procède ensuite à l’étape d’amincissement (par exemple polissage mécano chimique - qui sera typiquement de moindre ampleur que dans la variante ci- dessus - étape c1 )), afin de garantir l’homogénéité en épaisseur du premier substrat aminci.
L’étape e) d’élimination du substrat de référence peut se faire à l’aide d’une ou plusieurs des techniques suivantes :
enlèvement par usinage mécanique, notamment rectification / fraisage / meulage / rodage;
ablation laser ;
traitement plasma ;
attaque chimique ;
décollage - arrachage.
Si nécessaire, il est possible de déposer à la périphérie du composite, autour du premier substrat et substrat support, une couche protectrice, par exemple une résine, résistants aux produits chimiques employés pour l’attaque du substrat de référence.
Reste à noter que le procédé peut être adapté pour former plusieurs couches minces/amincies, en empilant sur la face ultra-plané amincie un deuxième substrat, et éventuellement un troisième, etc., et en reproduisant les étapes de collage et amincissement employées pour le premier substrat (étapes b et c). Chaque substrat ultérieur est ainsi collé sur la face ultra-plané amincie du dernier substrat collé et aminci, et soumis à un amincissement submillimétrique de sorte à former une face ultra-plané amincie. Une fois cet empilement de couches minces obtenu, on colle le substrat support (conformément à l’étape d) sur la face ultra-plané amincie libre (du dernier substrat collé). Description détaillée, à l'aide des figures, d’au moins un mode de réalisation
D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d’un ou plusieurs modes de réalisation avantageux présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence à la figure 1 , qui repré- sente schématiquement les étapes d’un mode de réalisation du présent procédé.
Le présent procédé repose sur la possibilité de fabriquer ces couches obtenues par report-amincissement mécanochimique, en garantissant des variations en épaisseur inférieures au micron sur tous types de substrats, homogènes ou non en épaisseur. Le procédé de fabrication de composites avec de telles couches ultra-planés comprend ici quatre phases, décrites en détail ci-dessous :
a) une première phase, notée P1 , de collage d’un premier substrat sur une face ultra-plané d’un substrat de référence ;
b) une second phase, P2, d’amincissement du premier substrat jusqu’à une épaisseur submillimétrique b) prédéterminée ;
c) suivie d’une phase, P3, de collage du premier substrat sur un substrat support, quelconque, par sa face amincie ;
d) puis une phase, P4, d’élimination du substrat de référence.
On notera que dans la variante exposée ci-après, le procédé fait appel à des techniques telles que le collage par diffusion métallique à température ambiante et pressage, le polissage mécano-chimique, la rectification de substrats, la mesure de planéité, qui sont connus de l’état de l’art et qui ne seront donc pas décrits en détails, voir notamment les références 3, 4 et 5.
Première phase P1 - Collage
Sur la Fig.1 , le signe de référence 10 désigne un substrat, dit substrat de référence, qui possède une surface ultra-plané 12 sur au moins une de ses faces. En particulier, la variation totale d’épaisseur du substrat 10 est garantie inférieure à 1 pm. Cette spécification conditionnera l’homogénéité en épaisseur de la couche qui sera fabriquée. Le choix du silicium comme substrat tempo- raire de référence provient d’une part de son approvisionnement aisé et bas coût, et d’autre part de la maîtrise technologique liée à ce matériau (gravure sèche et humide). Le substrat de référence est de préférence en forme de plaquette/galette ayant deux faces parallèles ultra-planés (donc dit ultra-plan). Le silicium n’est qu’un exemple pour le substrat de référence, d’autres maté- riaux peuvent être utilisés à condition de présenter la planéité requise ici, par exemple du verre.
Dans le cadre du présent procédé, la planéité des différents substrats (réfé- rence, à amincir, ou support final) est préférablement caractérisée en termes de variation d’épaisseur totale (TTV en anglais), une mesure bien connue dans le domaine. Le TTV est typiquement déterminé en prenant 5 points de mesure d’épaisseur selon un motif en croix (éloigné des bords) et en retenant la plus grande différence d’épaisseur. A titre d’exemple, le TTV peut être déterminé suivant la norme SEMI 3D4-0613 de l’association SEMI® International stan- dards.
La première phase P1 consiste à coller, dans la présente variante via un collage par diffusion métallique réalisé par compression à température am- biante, avec un premier substrat 14 constituant la plaque à amincir, avec le substrat de référence 10.
Les procédés de collage par diffusion métallique sont connus, en particulier avec de l’or - voir par exemple la référence 3.
Le collage est avantageusement réalisé dans le cadre du présent procédé par nettoyage des substrats à coller (nettoyage humide dans un bain d’acide sulfo- chromique), suivi d’un dépôt par pulvérisation cathodique pleine plaque d’une couche d’accroche de quelques nm de chrome puis de plusieurs dizaines de nm d’or sur les deux substrats à coller (et notamment sur la face ultra-plané 12 du substrat de référence 10).
Ensuite, un pré-collage par compression à température ambiante de ces deux substrats 10 et 14 dorés est réalisé dans un « wafer-bonder » conventionnel, sous un vide. S’en suit une étape de renforcement du collage où les substrats 10 et 14 pré-collés sont placés sous une presse à une pression de plusieurs MPa durant quelques minutes.
Sur la figure, le signe de référence 16 désigne la couche de liaison par diffusion métallique d’or ainsi obtenue, ayant une structure Cr /Au /Au /Cr.
On appréciera que toutes ces étapes sont réalisées à température ambiante et permettent donc le collage de substrats présentant des coefficients d’expansion thermique différents.
La caractérisation de la tenue en traction de ce collage a mis en évidence une résistance de plus de 30 MPa. Ce protocole de collage optimisé permet d’obtenir un collage sans défauts sur plus de 98% de la surface des substrats.
A l’issue de l’étape de collage on obtient la structure représentée à la figure au niveau de la phase P1 :
Substrat de référence /Cr /Au /Au /Cr /Premier substrat.
Deuxième phase P2 - amincissement
La seconde phase P2 correspond à l'amincissement du premier substrat 14 suite à l’empilement formé dans la phase précédente. Cet amincissement est préférablement réalisé en deux étapes.
On opère d’abord un premier amincissement d’ébauche avec un enlèvement de matière élevé (par ex. supérieure à 10 pm/min). Ce pré-amincissement permet d’amener l’épaisseur du premier substrat 14 jusqu’à une surépaisseur prédé- terminée, tout en conservant sa planéité. En général, seul l’état de surface est détérioré sur quelques microns de profondeur.
Différentes techniques peuvent être choisies pour cet amincissement d’ébauche, et la surépaisseur va dépendre de la technique choisie.
On effectuera de préférence un amincissement d’ébauche mécanique, par exemple par rectification cylindrique plane avec une meule diamantée . La surépaisseur peut être de l’ordre de 50 à 100 miti, en particulier 80 pm. Un second amincissement de finition est pratiqué avec une vitesse d’enlèvement de matière plus faible, afin de réduire l’épaisseur jusqu’à l’épaisseur désirée en maîtrisant bien la rugosité et la planéité.
On pourra effectuer un rodage plan simple face (suivi d’un polissage mécano- chimique), ce qui permet d’obtenir la couche à l’épaisseur désirée avec une rugosité RMS (rugosité quadratique moyenne) inférieure au nanomètre tout en conservant la planéité initiale (TTV de la couche inférieur au micron).
La face amincie du premier substrat 14, qui est une face libre à l’issue de la deuxième phase, est repérée 17 sur la figure.
La structure obtenue à l’issue de cette phase est repérée P2 sur la figure, et correspond à un assemblage composite :
Substrat de référence /Cr /Au /Au /Cr /Premier substrat,
dans lequel l’épaisseur du premier substrat peut être réduite à des épaisseurs typiquement dans la gamme de 1 à 100 microns (+/- 0,5 pm), et présentant une variation totale d’épaisseur inférieure à 1 pm.
Troisième phase P3 - collage
La troisième phase vise à transférer le premier substrat 14, constituant la couche mince du matériau d’intérêt, sur un substrat support 18 qui constitue le support souhaité, qu’il soit homogène ou non en épaisseur.
Pour ce faire, le collage par diffusion métallique réalisé par compression à température ambiante tel que décrit à la phase P1 est à nouveau exécuté entre la couche ultra-plané 14 fabriquée à partir du premier substrat et collée sur le substrat de référence 10, et le substrat support 18 qui constitue le support désiré, afin d’obtenir l’empilement :
Substrat de référence /Cr/ Or/ Or /Cr / premier substrat (couche mince) /Cr /Au /Au /Cr / substrat support.
Cet empilement est repéré P3 à la figure 1. La deuxième couche de liaison /Cr /Au / Au /Cr / entre le premier substrat et substrat support est repérée 20. Pour les applications envisagées dans le cadre des micro-composants acous- tiques et photoniques en général, ou de la micromécanique, le substrat support final peut être en quartz, verre, niobate de lithium, langasite, saphir, silicium, etc.
Quatrième phase P4 - élimination du substrat de référence
La dernière phase correspond à la suppression du substrat de référence 10.
Toutes méthodes appropriées peuvent être envisagées, en particulier par voie chimique et/ou mécanique, en particulier par usinage/rodage et attaque chi- mique.
Selon une variante, cette étape est effectuée par amincissement rapide à la rectification plane jusqu’à une épaisseur de silicium de 50 miti, puis par gravure humide (par ex. dans un bain de KOH) pour arriver sur la couche de chrome. Enfin une gravure humide des couches métalliques Cr/ Au/ Au/ Cr est opérée, permettant d’obtenir l’empilement final désiré, repéré P4 :
substrat support/ Cr/ Au/ Au/ Cr/ premier substrat (couche mince)
On remarquera que dans ce composite le premier substrat est fabriqué en tant que couche mince ultra-plané, typiquement d’une épaisseur entre 1 et 100pm à +/- 0,5 pm prés, avec un TTV inférieur au micron, alors que le substrat support peut avoir une planéité quelconque.
Liste des documents de référence
[1] WO 01/80308
[2] M. Kadota, T. Ogami and K. Yamamoto :“High-frequency lamb wave device composed of MEMS structure using LiNb03 thin film and air gap", IEEE UFFC, Vol. 57, 2010.
[3] US 3,921 ,885
[4] FI.C. Fluang, J.D. Knox, Z. Turski, R. Wargo and J.J. Flanak :“Fabrication of submicron LiNbOs transducers for microwave acoustic (bulk) delay Unes”, Applied Physics Letters, 109, 1974.
[5] C.-C. Wu, R.-H. Horng, D.-S. Wuu, T.- N. Chen, S.-S. Ho, C.-J. Ting and H.-
Y. Tsai :“Thinning technology for lithium niobate wafer by surface activated bonding and Chemical mechanical polishing”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, 2006

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’un composite à couche mince comprenant les étapes suivantes :
a) fourniture d’un premier substrat (14) et d’un substrat de référence (10) ayant une face ultra-plané (12) ;
b) collage du premier substrat (14) sur la face ultra-plané (12) du substrat de référence (10) ;
c) amincissement du premier substrat (14) jusqu’à une épaisseur submilli- métrique prédéterminée de sorte à former une face ultra-plané amincie (17) ;
d) collage d’un substrat support (18) sur la face ultra-plané amincie (17) ; e) élimination du substrat de référence (10).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la face ultra-plané (12) du substrat de référence (10) présente une variation totale d’épaisseur infé- rieure à 1 miti, le substrat de référence étant de préférence en silicium.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le substrat de référence (10) comprend une deuxième face ultra-plané, opposée à ladite face ultra-plané, ayant la même variation totale d’épaisseur.
4. Procédé selon la revendication 1 , 2 ou 3, dans lequel, à l’issue de l’étape c), la face ultra-plané amincie (17) du premier substrat présente une variation totale d’épaisseur inférieure à 1 miti, et de préférence une rugosité de sur- face inférieure au nm.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier substrat est un substrat cristallin, en particulier monocris- tallin.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier substrat un matériau piézoélectrique, ferroélectrique, dié- lectrique, semi-conducteur ou céramique.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier substrat (10) est aminci à l’étape c) jusqu’à une épaisseur comprise entre 1 et 100 miti, de manière plus préférées entre 1 et 10 prn.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’amincissement comprend :
c1 ) pré-amincissement d’ébauche, notamment par usinage - rectifica- tion, jusqu’à une surépaisseur prédéterminée ; et
c2) amincissement de finition, avec contrôle fin de rugosité et planéité, jusqu’à ladite épaisseur submillimétrique prédéterminée, en particulier par rodage et/ou polissage mécano-chimique.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le collage à l’étape b) ou d) comprend le collage par diffusion métal- lique, notamment par couche d’or.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le collage est réalisé à température ambiante et comprend, sur les faces à coller : dépôt d’une couche d’accroche en chrome et du métal de diffusion, en particulier de l’or ; pré-collage par compression à température ambiante et sous vide des empilements de substrats ; puis collage sous presse.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l’étape b) ou d) on réalise un collage au moyen d’une colle ou un collage moléculaire.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l’issue de l’étape c) on répète les étapes de collage et amincisse- ment b) et d) avec un ou plusieurs autres substrats, de sorte à former un empilement, et on procède à l’étape d) en collant le substrat support sur la dernière face ultra-plané amincie formée.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l’étape e) comprend l’élimination du substrat par une ou plusieurs des techniques suivantes : enlèvement mécanique, notamment rectification ou rodage ;
- ablation laser ;
traitement plasma ; ou
- décollage.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3921885A (en) 1973-06-28 1975-11-25 Rca Corp Method of bonding two bodies together
WO2001080308A2 (fr) 2000-04-14 2001-10-25 S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies Procede pour la decoupe d'au moins une couche mince dans un substrat ou lingot, notamment en materiau(x) semi-conducteur(s)
US20020187595A1 (en) * 1999-08-04 2002-12-12 Silicon Evolution, Inc. Methods for silicon-on-insulator (SOI) manufacturing with improved control and site thickness variations and improved bonding interface quality
US20140103353A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Group iii nitride composite substrate and method for manufacturing the same, laminated group iii nitride composite substrate, and group iii nitride semiconductor device and method for manufacturing the same
US20150243549A1 (en) * 2012-09-04 2015-08-27 Soitec Pseudo-substrate with improved efficiency of usage of single crystal material
WO2016059094A1 (fr) * 2014-10-17 2016-04-21 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Procédé de collage direct via des couches métalliques peu rugueuses

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3921885A (en) 1973-06-28 1975-11-25 Rca Corp Method of bonding two bodies together
US20020187595A1 (en) * 1999-08-04 2002-12-12 Silicon Evolution, Inc. Methods for silicon-on-insulator (SOI) manufacturing with improved control and site thickness variations and improved bonding interface quality
WO2001080308A2 (fr) 2000-04-14 2001-10-25 S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies Procede pour la decoupe d'au moins une couche mince dans un substrat ou lingot, notamment en materiau(x) semi-conducteur(s)
US20150243549A1 (en) * 2012-09-04 2015-08-27 Soitec Pseudo-substrate with improved efficiency of usage of single crystal material
US20140103353A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Group iii nitride composite substrate and method for manufacturing the same, laminated group iii nitride composite substrate, and group iii nitride semiconductor device and method for manufacturing the same
WO2016059094A1 (fr) * 2014-10-17 2016-04-21 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Procédé de collage direct via des couches métalliques peu rugueuses

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.-C. WU; R.-H. HORNG; D.-S. WUU; T.- N. CHEN; S.-S. HO; C.-J. TING; H.-Y. TSAI: "Thinning technology for lithium niobate wafer by surface activated bonding and Chemical mechanical polishing", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 45, 2006
H.C. HUANG; J.D. KNOX; Z. TURSKI; R. WARGO; J.J. HANAK: "Fabrication of submicron LiNb0 transducers for microwave acoustic (bulk) delay lines", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 109, 1974
M. KADOTA; T. OGAMI; K. YAMAMOTO: "High-frequency lamb wave device composed of MEMS structure using LiNb0 thin film and air gap", IEEE UFFC, vol. 57, 2010, XP011320238
WANG QING ET AL: "Fabrication of extremely thermal-stable GaN template on Mo substrate using double bonding and step annealing process", JOURNAL OF SEMICONDUCTORS IOP PUBLISHING UK, vol. 37, no. 8, August 2016 (2016-08-01), XP002785414, ISSN: 1674-4926 *

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