WO2025003091A1 - Procédé de fabrication d'un substrat donneur pour le transfert d'une couche piézoélectrique sur un substrat support - Google Patents

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Cédric CHARLES-ALFRED
Raphael Caulmilone
Maxime VEILLY
Stéphane THIEFFRY
Rénald GUERIN
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Soitec SA
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    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/175—Acoustic mirrors

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer onto a support substrate, a method of transferring a piezoelectric layer onto such a support substrate and a method of manufacturing a bulk acoustic wave device comprising such a transfer.
  • the invention finally relates to a donor substrate for transferring a piezoelectric layer.
  • An example of a well-known active layer transfer process is the Smart CutTM process.
  • This process comprises forming a weakening zone by implanting atomic species into a donor substrate, in order to delimit a layer of interest to be transferred, bonding the donor substrate to the support substrate, and then detaching the donor substrate along the weakening zone, so as to transfer the layer of interest to the support substrate.
  • the bonding of the donor substrate to the support substrate can be carried out by means of oxide layers previously formed on the surface of each of the two substrates.
  • a consolidation annealing is typically carried out at a temperature between 100 °C and 300 °C.
  • the Smart CutTM process may also require annealing to achieve detachment of the layer of interest to be transferred, in a temperature range of 100°C to 600°C.
  • the donor substrate and the donor substrate have different coefficients of thermal expansion - which is the case for example between a donor substrate in a piezoelectric material and a silicon support substrate - such annealing causes significant deformation of the assembly of the two substrates, which is detrimental to the transfer since it can induce breakage of the substrates.
  • a pseudo-donor substrate in which the donor substrate is assembled on a temporary handling substrate (“handle substrate” in English).
  • the method for manufacturing the pseudo-donor substrate generally comprises several steps.
  • a layer of a thick piezoelectric material is bonded to the handling substrate, for example a silicon substrate.
  • the layer of piezoelectric material is thinned and possibly trimmed.
  • the free surface of the thinned layer of piezoelectric material is polished, for example in a chemical-mechanical polishing (CMP) process, and possibly covered with a thin layer of oxide so as to achieve the oxide-oxide bonding previously described with the support substrate.
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • the bonding of the piezoelectric substrate and the handling substrate to form the pseudo-donor substrate could be carried out by means of oxide layers previously formed on the surface of each of the two substrates.
  • the deposition of an oxide layer on the piezoelectric substrate causes a significant curvature ("bow" according to the English terminology) of said piezoelectric substrate which is not very compatible with the subsequent steps of the process.
  • the formation of oxide layers necessary for bonding is long and costly.
  • the heterostructure cannot be subjected to consolidation annealing due to the differences in thermal expansion coefficients between the piezoelectric substrate and the handling substrate.
  • the bonding energy of the oxide layers of the two substrates remains very low, so that the mechanical strength of the pseudo-donor substrate is insufficient. Therefore, failure at the bonding interface may occur during the thinning step of the thick piezoelectric substrate.
  • oxide-oxide bonding for assembling the heterostructure constituting the donor pseudo-substrate is the implementation of a photopolymerizable adhesive layer: the photopolymerizable adhesive layer is deposited on one face of the handling substrate or the piezoelectric material layer, the handling substrate is bonded with the piezoelectric material layer via the adhesive layer and then the heterostructure thus formed is irradiated by a light flux so as to polymerize the adhesive layer.
  • the photopolymerized adhesive layer ensures good mechanical strength of the donor pseudo-substrate. It also eliminates the need for high-temperature process steps that could cause significant curvature of the substrate. Moreover, the formation of such an adhesive layer is very simple to implement and is inexpensive.
  • the piezoelectric substrate is held between the handling substrate and the support substrate.
  • the choice of materials and thicknesses of the handling substrate and the support substrate ensures a certain symmetry of the thermal expansion coefficients, and thus minimizes the deformation of the assembly during the application of heat treatments.
  • An aim of the invention is to design a donor pseudo-substrate for transferring a portion of a thinned piezoelectric layer onto a support substrate, the donor pseudo-substrate being formed by assembling the thinned piezoelectric layer and a handling substrate via a polymer adhesive layer, which makes it possible to improve the quality of the bonding between the thinned piezoelectric layer of the donor pseudo-substrate and the support substrate.
  • the invention proposes a method for manufacturing a donor substrate for the transfer of a piezoelectric layer onto a support substrate comprising the following successive steps:
  • the heat treatment of the heterostructure comprising the thick piezoelectric layer, the photopolymerized adhesive layer and the handling substrate makes it possible to increase the rigidity of said photopolymerized adhesive layer.
  • the resulting donor pseudo-substrate has better mechanical strength that is less sensitive to vibrations generated during the thinning step, which makes it possible to obtain a free surface of the thinned piezoelectric layer that is flatter, in particular at the periphery of the donor pseudo-substrate, such that the quality of the bonding to the support substrate is improved.
  • the method of manufacturing a donor substrate further comprises a step (g) of chemical-mechanical polishing of the free surface of the thinned piezoelectric substrate;
  • the heat treatment (e) is carried out so as to increase the degree of crosslinking of the polymer in the photopolymerized adhesive layer and/or the rigidity of said photopolymerized adhesive layer;
  • the heat treatment (e) is carried out so that the Young's modulus of the adhesive layer after irradiation and heat treatment is between 0.05 GPa and 10 GPa, said Young's modulus being measured by nanoindentation;
  • - heat treatment comprises the application of a temperature between 90°C and 110°C for a period of between 1 hour and 12 hours, in a diazo atmosphere;
  • the luminous flux has a wavelength between 200 nm and 500 nm;
  • the photopolymerizable adhesive layer comprises an isocyanurate, acrylate or epoxy glue crosslinkable by ultraviolet radiation with or without a hardening agent;
  • the invention also relates to a method of transferring a piezoelectric layer onto a support substrate comprising:
  • the piezoelectric layer to be transferred being located at the bonding interface
  • the method comprises, before bonding, the formation of an oxide layer, or a nitride layer, or a layer comprising a combination of nitride and oxide, or a superposition of at least one oxide layer and one nitride layer on the support substrate;
  • the formation of the weakening zone is carried out by implantation of atomic species in the piezoelectric substrate;
  • the invention finally relates to a donor substrate for the transfer of a piezoelectric layer, consisting of a heterostructure comprising a piezoelectric substrate bonded to a handling substrate, said substrate being characterized in that it comprises, at the interface between the piezoelectric substrate and the handling substrate, a polymerized adhesive layer whose Young's modulus is between 0.05 GPa and 10 Gpa
  • the thickness of the polymerized adhesive layer is between 1 pm and 50 pm;
  • the polymerized adhesive layer comprises an isocyanurate, acrylate or epoxy glue crosslinkable by ultraviolet radiation with or without a hardening agent.
  • Figure 1A represents a topology profile produced using a mechanical profilometer and showing the undulations present on the free surface of a donor substrate having been subjected to a heat treatment according to an embodiment of the invention
  • Figure 1B represents a topology profile produced using a mechanical profilometer and showing the undulations present on the free surface of a manufactured donor substrate not having been subjected to said heat treatment (said profiles are presented on the same scale);
  • FIG. 2 represents a sectional view of a donor substrate manufactured according to an embodiment of the method according to the invention comprising from its rear face to its front face: a handling substrate, a photo-polymerized adhesive layer and a thinned piezoelectric layer;
  • FIG. 3 represents a sectional view of a handling substrate and a piezoelectric substrate provided for implementing the method of the invention
  • FIG. 4 represents a sectional view of a step of depositing a photopolymerizable adhesive layer on the handling substrate according to an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 5 represents a sectional view of the multilayer structure obtained after a step of bonding the piezoelectric substrate and the handling substrate by means of a photopolymerizable adhesive layer according to an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 6 represents a sectional view of an irradiation step of the multilayer structure of Figure 5;
  • - figure 7 represents a sectional view of the multilayer structure obtained after irradiation then heat treatment of the structure represented in figure 5 according to an embodiment of the method according to the invention;
  • figure 8 represents a sectional view of a step of thinning the piezoelectric substrate in the multilayer structure of figure 7 according to an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 9 shows a sectional view of a support substrate for the transfer of a piezoelectric layer to be transferred
  • FIG. 10 represents a sectional view of a step of forming a weakening zone within the piezoelectric layer thinned by implantation of atomic species so as to delimit a piezoelectric layer to be transferred according to an embodiment of the method of transferring a piezoelectric layer onto a support substrate according to the invention
  • FIG. 11 represents a sectional view of a step of bonding the implanted support substrate of figure 10 with the support substrate of figure 9, the piezoelectric layer to be transferred being at the interface;
  • FIG. 12 shows a sectional view of the multilayer structure obtained after the transfer of the piezoelectric layer to be transferred onto the support substrate by detachment along the weakening zone.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional view of a bulk acoustic wave device.
  • the multilayer structures resulting from the transfer of the piezoelectric layer from such a pseudo-donor substrate to a support substrate have numerous holes at their periphery, at the level of their bonding interface, which reduce the quality of the bonding between the transferred active layer and the receiving substrate.
  • the inventors observed that the free surface of the thinned piezoelectric layer of the donor pseudo-substrate has on the periphery, over a width of approximately 5 mm, a relief in the form of hollows and bumps (“wavyness” according to the Anglo-Saxon term visible in Figure 1A).
  • the invention relates to a method for manufacturing a donor substrate for transferring a piezoelectric layer onto a support substrate.
  • An example of a donor substrate 1 according to the invention is shown in Figure 2.
  • the donor substrate 1 has a multilayer structure comprising, from its rear face to its front face:
  • the thinned piezoelectric substrate 4 is made of a material such as lithium tantalate (LiTaOs), lithium niobate (LiNbOs), barium titanate (BaTiOs) and/or lead zirconate titanoate (PZT).
  • the piezoelectric layer 4 has a thickness of between 50 nm and 20 pm, preferably a thickness of between 100 nm and 10 pm.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric substrate 4 and the material of the support substrate have very different coefficients of thermal expansion. Deposition of a piezoelectric material layer without a handling substrate on the support substrate would expose the resulting multilayer structure to significant deformations when implementing thermal annealing, for example to strengthen the bonding interface between the piezoelectric material layer and the support substrate.
  • the handling substrate 2 is therefore preferably manufactured from a material whose coefficient of thermal expansion is close to that of the material of the support substrate on which the thinned piezoelectric substrate 4 is intended to be bonded. By close, we mean a difference in coefficient of thermal expansion between the material of the handling substrate 2 and the material of the support substrate less than or equal to 5%, and preferably equal to or close to 0%.
  • Suitable materials are for example silicon, sapphire, polycrystalline aluminum nitride, or gallium arsenide.
  • the handling substrate 2 is manufactured from the same material as the support substrate. In the present invention, the coefficient of thermal expansion in a plane parallel to the main surface of the substrates is of interest.
  • the handling substrate 2 has a thickness of between 100 ⁇ m and 2 mm, preferably a thickness of between 200 ⁇ m and 1 mm.
  • the handling substrate 2 has a thickness close to that of the support substrate, so that the structure obtained after bonding the donor substrate to the support substrate is as symmetrical and balanced as possible in terms of mechanical and thermal behavior.
  • a coefficient of thermal expansion and a thickness of the handling substrate 2 close respectively to the coefficient of thermal expansion and the thickness of the support substrate make it possible to minimize the stresses on the multilayer structure and its deformation under the effect of temperature variations.
  • the method of manufacturing the donor substrate comprises providing a piezoelectric substrate 5 and the handling substrate 2.
  • the piezoelectric substrate 5 has a thickness of between 100 pm and 2 mm, preferably a thickness of between 200 pm and 1 mm.
  • the piezoelectric substrate 5 is formed from the piezoelectric material which constitutes the thinned piezoelectric layer 4 in the final support substrate 10.
  • the piezoelectric substrate 5 can therefore comprise LiTaCh, LiNbOs, BaTiCh and/or PZT.
  • the method for manufacturing the donor substrate according to the invention further comprises the deposition of a photopolymerizable adhesive layer 6 on a main face of the handling substrate 2 or of the piezoelectric substrate 5.
  • Figure 4 represents a particular embodiment in which the photopolymerizable adhesive layer 6 is deposited on the handling substrate 2.
  • the deposition of the photo-polymerizable adhesive layer is advantageously carried out by centrifugal coating, or “spin coating” according to the Anglo-Saxon terminology.
  • This technique consists in rotating the substrate on which the photopolymerizable layer is intended to be deposited on itself at a substantially constant and relatively high speed, in order to spread said photopolymerizable layer uniformly over the entire surface of the substrate by centrifugal force.
  • the substrate is typically placed and held by vacuum on a rotating plate.
  • a person skilled in the art is able to determine the operating conditions, such as the volume of adhesive deposited on the surface of the substrate, the rotation speed of the substrate, and the minimum duration of deposition depending on the desired thickness of the adhesive layer. Deposition by centrifugal coating advantageously makes it possible to control the uniformity of the thickness of the deposited photopolymerizable adhesive layer.
  • the thickness of the deposited photopolymerizable adhesive layer is typically between 1 and 50 ⁇ m. A thickness of less than 1 ⁇ m is not achievable with a photopolymerizable adhesive layer that is too viscous. Furthermore, below a thickness of less than 1 pm, there is a risk that in some areas the thickness of the photopolymerizable adhesive layer will be almost zero. A thickness greater than 50 pm is not achievable with a photopolymerizable adhesive layer that is too liquid. Furthermore, since the photopolymerized polymer is softer than the other layers, a thickness greater than 50 pm may affect the good mechanical strength of the donor substrate.
  • the photopolymerizable adhesive layer 6 preferably comprises an isocyanurate, acrylate or epoxy glue crosslinkable by ultraviolet with a hardening agent or not.
  • the photopolymerizable adhesive layer 6 comprises two isocyanurate monomers and a thiol derivative.
  • Such an adhesive has the advantage of being polymerizable at wavelengths at which the piezoelectric material is at least partially transparent. In addition, it has good temperature resistance up to 250 °C.
  • the piezoelectric substrate 5 is bonded to the handling substrate 2 via the photopolymerizable adhesive layer 6 to form a heterostructure 7.
  • the bonding is preferably carried out at room temperature, i.e. approximately 20°C. However, it is possible to carry out the bonding at a temperature between 10°C and 50°C, more preferably between 20°C and 30°C, and preferably still at a temperature close to room temperature. Indeed, the further the bonding temperature is from room temperature, the more the heterostructure 7 will deform when it returns to its equilibrium temperature.
  • the bonding step is advantageously carried out under vacuum, which makes it possible to desorb water from the surfaces forming the bonding interface, i.e. the surface of the adhesive layer and the surface of the handling substrate or the piezoelectric substrate.
  • said heterostructure 7 is irradiated with a light flux to polymerize the adhesive layer.
  • the light flux can be applied through the piezoelectric substrate 5 if said piezoelectric substrate 5 is at least partially transparent in the wavelength range allowing the polymerization of the photopolymerizable adhesive layer 6 to be initiated.
  • the light flux is applied through the handling substrate 2 if said handling substrate 2 is at least partially transparent in the wavelength range allowing the polymerization of the photopolymerizable adhesive layer 6 to be initiated.
  • Irradiation is preferably carried out at a temperature between 10°C and 50°C, preferably again at a temperature close to room temperature. Indeed, the further the temperature is from room temperature, the more the heterostructure 7 will deform when it returns to its equilibrium temperature.
  • the irradiation energy received by the photopolymerizable adhesive layer 6 is advantageously between 0.7 J/cm 2 and 10 J/cm 2 .
  • the absorption coefficient at the irradiation wavelength and the thickness of the material passed through should be taken into account to determine the irradiation power actually received by the photopolymerizable adhesive layer 6.
  • the wavelength of the incident light flux is chosen according to the nature of the photopolymerizable adhesive layer 6 and the material crossed by said incident light flux (handling substrate 2 or piezoelectric substrate 5). Indeed, the photopolymerizable adhesive layer 6 must absorb at the wavelength and said absorption must initiate polymerization. Furthermore, the material crossed by the incident light flux must not be completely absorbed by the material crossed, so that it would not be possible to irradiate the photopolymerizable adhesive layer 6 with the necessary power.
  • the light flux has a wavelength between 200 nm and 500 nm. Indeed, it is in this range of wavelengths that the piezoelectric substrate is advantageously the most transparent.
  • Irradiation of the heterostructure 7 comprising the thick piezoelectric layer 5, the photopolymerizable adhesive layer 6 and the handling substrate 2 allows the chain polymerization reaction of the monomer to be initiated.
  • the inventors assume that the polymer chains grow until the steric hindrance is greater than the thermal agitation, and prevents the active sites from coming together, thus blocking the polymerization reaction.
  • the steric hindrance thus limits the degree of crosslinking of the polymer chains, and therefore the rigidity of the photopolymerized adhesive layer, achievable following the simple irradiation of the heterostructure.
  • the method according to the invention comprises an additional step of heat treatment of the irradiated heterostructure, so as to obtain the photopolymerized adhesive layer 3 as shown in Figure 7.
  • the heat treatment according to the invention of the irradiated heterostructure prior to the thinning of the thick piezoelectric layer makes it possible to increase the thermal agitation within the adhesive layer and to re-match active sites on the polymer chains so as to continue the crosslinking of the polymer initiated by the irradiation.
  • the heat treatment therefore makes it possible to achieve a degree of crosslinking of the polymer greater than that achievable by simple irradiation, whatever the dose. irradiation used, and therefore a higher rigidity of the photopolymerized adhesive layer.
  • the pseudo-donor substrate thus has better mechanical strength and less sensitivity to vibrations from the thinning process: the free surface of the pseudo-donor substrate is flatter at the end of the thinning step.
  • the heat treatment of the previously irradiated heterostructure is preferably carried out so that the Young's modulus of the adhesive layer after irradiation and heat treatment is between 0.05 GPa and 10 GPa, preferably between 3.5 GPa and 10 GPa.
  • the Young's modulus is measured by nanoindentation: a tip of calibrated shape and size made of a hard material, for example a diamond tip, is applied with a force of a given intensity to the surface of the material whose Young's modulus is to be evaluated. The Young's modulus is then evaluated based on the size of the imprint left in the material.
  • the preparation of the test photopolymerized adhesive layer comprises the deposition of a test photopolymerizable adhesive layer and the irradiation and then the heat treatment of the deposited test photopolymerizable adhesive layer, the deposition, irradiation and heat treatment conditions applied to the test photopolymerizable adhesive layer being identical to those applied to the photopolymerizable adhesive layer 6.
  • identical irradiation conditions it is meant that the irradiation power received by the test photopolymerizable adhesive layer is identical to the irradiation power received by the photopolymerizable adhesive layer 6. photopolymerizable adhesive layer 6.
  • a temperature below 110°C advantageously makes it possible to avoid the risk of deformation of the structure due to the very different thermal expansion coefficients between the piezoelectric substrate 5 and the handling substrate 2.
  • the invention also relates to a method of transferring a piezoelectric layer onto a support substrate.
  • a donor substrate comprising the piezoelectric layer to be transferred is initially provided.
  • the donor substrate is preferably obtained by the manufacturing method previously described according to the first subject of the invention.
  • a support substrate 8 capable of receiving the piezoelectric layer to be transferred is also provided.
  • the handling substrate 2 and the support substrate 8 are made from materials such that the difference in thermal expansion coefficient between the material of the handling substrate 2 and the support substrate 8 is less than or equal to 5%, preferably approximately equal to 0%.
  • a weakening zone is formed in the thinned piezoelectric substrate 4 so as to delimit a piezoelectric layer to be transferred 9.
  • the depth of the weakening zone relative to the exposed surface of the thinned piezoelectric substrate 4 determines the thickness of the piezoelectric layer to be transferred 9.
  • the weakening zone is formed by implantation of atomic species in the thinned piezoelectric substrate, the implantation being shown in Figure 10 by the black arrows.
  • the atomic species are implanted at a determined depth of the thinned piezoelectric substrate 4 which determines the thickness of the piezoelectric layer to be transferred 9.
  • the implanted atomic species are preferably hydrogen ions and/or helium ions.
  • an oxide layer, or a nitride layer, or a layer comprising a combination of nitride and oxide, or a superposition of at least one oxide layer and one nitride layer on the support substrate (not shown) is then formed.
  • Such an oxide or nitride layer or comprising a combination of nitride and oxide advantageously makes it possible to improve the bonding energy between the two substrates.
  • the donor substrate is then bonded to the support substrate 8, the piezoelectric layer to be transferred 9 and the possible dielectric layer being located at the bonding interface.
  • the multilayer structure formed then successively comprises, from a rear face to a front face, the support substrate 8, the optional dielectric layer, the thinned piezoelectric substrate 4, the photopolymerized layer 3 and the handling substrate 2.
  • the formed multilayer structure has few holes on the periphery of the structure at the bonding interface between the donor substrate and the support substrate, ("edge bonding voids" in English), the detection of said holes being carried out by laser detection.
  • edge bonding voids in English
  • the detection of said holes being carried out by laser detection.
  • Detachment along the embrittlement zone may be triggered by mechanical action and/or thermal energy input.
  • the thermal energy input may include annealing in a furnace at a temperature between 150°C and 300°C, preferably between 150°C and 220°C to avoid degradation of the polymer.
  • the invention extends to a method of manufacturing a bulk acoustic wave device comprising the deposition of electrodes on two opposite faces of a piezoelectric layer, characterized in that it comprises the manufacturing of said piezoelectric layer by a method of transferring the piezoelectric layer onto a support substrate according to any one of the embodiments previously described.
  • a first electrode is deposited on the free surface of said layer 9, this first electrode (referenced 10 in FIG. 13) being buried in the final stack.
  • a second electrode is deposited on the free surface of the layer 9, opposite the first electrode.
  • an isolation means may be integrated therein, which may be, for example, a Bragg mirror 12 (as illustrated in FIG. 13) or a cavity previously etched in the support substrate 8.

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Abstract

La divulgation concerne un procédé de fabrication d'un substrat donneur (1) pour le transfert d'une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes successives suivantes : • (a) la fourniture d'un substrat piézoélectrique (5) et d'un substrat de manipulation (2), • (b) le dépôt d'une couche adhésive photo-polymérisable (6) sur une face principale du substrat de manipulation (2) ou du substrat piézoélectrique (5), • (c) le collage du substrat piézoélectrique (5) avec le substrat de manipulation (2) par l'intermédiaire de la couche adhésive (6) pour former une hétérostructure(7), • (d) l'irradiation de ladite hétérostructure (7) par un flux lumineux pour polymériser la couche adhésive (6), • (e) le traitement thermique de l'hétérostructure (7) irradiée, • (f) l'amincissement du substrat piézoélectrique (5) par sa face opposée au substrat de manipulation (2), de sorte à former ledit substrat donneur (1).

Description

DESCRIPTION
Procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support, un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un tel substrat support et un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de volume comprenant un tel transfert. L’invention concerne enfin un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le transfert d’une couche active, c’est-à-dire destinée à la formation de composants pour des dispositifs électroniques, optiques ou opto-électroniques, sur un substrat support par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante, est largement utilisé dans l’industrie microélectronique.
Un exemple de procédé de transfert de couche active bien connu est le procédé Smart Cut™. Ce procédé comprend la formation d’une zone de fragilisation par implantation d’espèces atomiques dans un substrat donneur, afin d’y délimiter une couche d’intérêt à transférer, le collage du substrat donneur sur le substrat support, puis le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche d’intérêt sur le substrat support.
Dans certaines situations, il n’est pas possible de coller directement le substrat donneur sur le substrat support. Plus particulièrement, le collage du substrat donneur sur le substrat support peut être réalisé par l’intermédiaire de couches d’oxyde formées au préalable sur la surface de chacun des deux substrats. Pour renforcer le collage oxyde-oxyde entre le substrat piézoélectrique et le substrat support, il est connu d’effectuer, après le collage, un recuit de consolidation. Ledit recuit de consolidation est typiquement réalisé à une température comprise entre 100 °C et 300 °C.
Le procédé Smart Cut™ peut également nécessiter de procéder à un recuit pour obtenir le détachement de la couche d’intérêt à transférer, dans une plage de température de 100 °C à 600° C.
Lorsque le substrat donneur et le substrat donneur ont des coefficients de dilatation thermiques différents - ce qui est le cas par exemple entre un substrat donneur en un matériau piézoélectrique et un substrat support en silicium - de tels recuits engendrent une déformation significative de l’assemblage des deux substrats, qui est préjudiciable au transfert dans la mesure où cela peut induire une casse des substrats.
Pour minimiser une telle déformation, il est possible de former un substrat intermédiaire dit pseudo-substrat donneur, dans lequel le substrat donneur est assemblé sur un substrat de manipulation temporaire (« handle substrate » en anglais).
Le procédé de fabrication du pseudo-substrat donneur comprend généralement plusieurs étapes. Ainsi, une couche en un matériau piézoélectrique épaisse est collée sur le substrat de manipulation, par exemple un substrat de silicium. Puis, la couche en matériau piézoélectrique est amincie et éventuellement détourée. Enfin, la surface libre de la couche en matériau piézoélectrique amincie est polie, par exemple dans un procédé de polissage mécano-chimique (CMP), et éventuellement recouverte d’une fine couche d’oxyde de sorte à réaliser le collage oxyde-oxyde précédemment décrit avec le substrat support.
Le collage du substrat piézoélectrique et du substrat de manipulation pour former le pseudo-substrat donneur pourrait être réalisé par l’intermédiaire de couches d’oxyde préalablement formées à la surface de chacun des deux substrats. Cependant, le dépôt d’une couche d’oxyde sur le substrat piézoélectrique provoque une courbure (« bow » selon la terminologie anglo-saxonne) importante dudit substrat piézoélectrique peu compatible avec les étapes ultérieures du procédé. Par ailleurs, la formation de couches d’oxyde nécessaires au collage est longue et coûteuse. Enfin, comme mentionné plus haut, l’hétérostructure ne peut être soumise au recuit de consolidation en raison des différences de coefficients de dilatation thermique entre le substrat piézoélectrique et le substrat de manipulation. Or, en l’absence de recuit de consolidation, l’énergie de collage des couches d’oxyde des deux substrats reste très faible, de sorte que la tenue mécanique du pseudo -substrat donneur est insuffisante. Par conséquent, une rupture au niveau de l’interface de collage peut se produire lors de l’étape d’amincissement du substrat piézoélectrique épais.
Une alternative intéressante au collage oxyde-oxyde pour assembler l’hétérostructure constituant le pseudo-substrat donneur est la mise en œuvre d’une couche adhésive photo- polymérisable : la couche adhésive photo-polymérisable est déposée sur une face du substrat de manipulation ou de la couche en matériau piézoélectrique, le substrat de manipulation est collé avec la couche en matériau piézoélectrique par l’intermédiaire de la couche adhésive puis l’hétérostructure ainsi formée est irradiée par un flux lumineux de sorte à faire polymériser la couche adhésive.
La couche adhésive photo-polymérisée assure au pseudo-substrat donneur une bonne tenue mécanique. Elle permet en outre de s’affranchir des étapes de procédé mises en œuvre à haute température susceptibles d’engendrer une courbure importante du substrat. Par ailleurs, la formation d’une telle couche adhésive est très simple à mettre en œuvre et est peu coûteuse.
Après collage dudit pseudo-substrat donneur et du substrat support, le substrat piézoélectrique est maintenu entre le substrat de manipulation et le substrat support. Le choix des matériaux et des épaisseurs du substrat de manipulation et du substrat support permet d’assurer une certaine symétrie des coefficients de dilatation thermique, et ainsi de minimiser la déformation de l’assemblage lors de l’application de traitements thermiques.
Toutefois, lors de la mise en œuvre d’un tel procédé de fabrication d’une structure de type piézoélectrique sur isolant, les demandeurs observent des imperfections de collage entre le pseudo-substrat donneur et le substrat support, sous la forme de trous, dénommés « edge bonding voids » en anglais, dans lesquels le collage ne se produit pas à la périphérie des substrats.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de concevoir un pseudo-substrat donneur pour le transfert d’une portion d’une couche piézoélectrique amincie sur un substrat support, le pseudosubstrat donneur étant formé par l’assemblage de la couche piézoélectrique amincie et d’un substrat de manipulation par l’intermédiaire d’une couche adhésive polymère, qui permette d’améliorer la qualité du collage entre la couche piézoélectrique amincie du pseudo-substrat donneur et le substrat support.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes successives suivantes :
(a) la fourniture d’un substrat piézoélectrique et d’un substrat de manipulation,
(b) le dépôt d’une couche adhésive photo -polyméri sable sur une face principale du substrat de manipulation ou du substrat piézoélectrique,
(c) le collage du substrat piézoélectrique avec le substrat de manipulation par l’intermédiaire de la couche adhésive pour former une hétérostructure,
(d) l’irradiation de ladite hétérostructure par un flux lumineux pour polymériser la couche adhésive,
(e) le traitement thermique de l’hétérostructure irradiée,
(f) l’amincissement du substrat piézoélectrique par sa face opposée au substrat de manipulation, de sorte à former ledit substrat donneur. Le traitement thermique de l’hétérostructure comprenant la couche piézoélectrique épaisse, la couche adhésive photo-polymérisée et le substrat de manipulation permet d’augmenter la rigidité de ladite couche adhésive photo-polymérisée. Le pseudo-substrat donneur qui en résulte présente une meilleure tenue mécanique moins sensible aux vibrations générées lors de l’étape d’amincissement, ce qui permet d’obtenir une surface libre de la couche piézoélectrique amincie plus plane, notamment en périphérie du pseudosubstrat donneur, de sorte que la qualité du collage sur le substrat support s’en trouve améliorée.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles du procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support prises seules ou en combinaison lorsque cela est techniquement possible :
- le procédé de fabrication d’un substrat donneur comprend en outre une étape (g) de polissage mécano-chimique de la surface libre du substrat piézoélectrique aminci ;
- le traitement thermique (e) est réalisé de sorte à augmenter le degré de réticulation du polymère dans la couche adhésive photo-polymérisée et/ou la rigidité de ladite couche adhésive photo-polymérisée ;
- le traitement thermique (e) est réalisé de sorte que le module d’Young de la couche adhésive après irradiation et traitement thermique est compris entre 0,05 GPa et 10 GPa, ledit module d’Young étant mesuré par nano indentation ;
- le traitement thermique (e) comprend l’application d’une température comprise entre 90 °C et 110 °C pendant une durée comprise entre 1 heure et 12 heures, dans une atmosphère de diazo te ;
- le flux lumineux est appliqué au travers du substrat piézoélectrique ;
- le flux lumineux présente une longueur d’onde comprise entre 200 nm et 500 nm ;
- l’épaisseur de la couche adhésive photo-polymérisable est comprise entre 1 pm et 50 pm et l’énergie d’irradiation reçue par ladite couche adhésive lors de l’étape d’irradiation est comprise entre 0,7 J/cm2 et 10 J/cm2 ;
- le dépôt de la couche adhésive photo-polymérisable est effectué par enduction centrifuge ;
- la couche adhésive photo-polymérisable comprend une colle isocyanurate, acrylate ou epoxy réticulable par rayonnement ultraviolet avec agent durcisseur ou non ;
- l’étape de collage est mise en œuvre à une température comprise entre 10 °C et 50 °C et/ou dans lequel l’étape d’irradiation est mise en œuvre à une température comprise entre 10°C et 50 °C. L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant :
- la formation d’un substrat donneur par la mise en œuvre du procédé de fabrication d’un substrat donneur tel que précédemment décrit,
- la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat piézoélectrique aminci de sorte à délimiter la couche piézoélectrique à transférer,
- la fourniture du substrat support,
- le collage dudit substrat donneur sur le substrat support, la couche piézoélectrique à transférer étant située à l’interface de collage,
- le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche piézoélectrique à transférer sur le substrat support.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles du procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support prises seules ou en combinaison lorsque cela est techniquement possible :
- le procédé comprend, avant le collage, la formation d’une couche d’oxyde, ou une couche de nitrure, ou une couche comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde, ou une superposition d’au moins une couche d’oxyde et d’une couche de nitrure sur le substrat support ;
- la formation de la zone de fragilisation est effectuée par implantations d’espèces atomiques dans le substrat piézoélectrique ;
- le substrat de manipulation et le substrat support sont fabriqués dans des matériaux tels que la différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau du substrat de manipulation et le substrat support est inférieure ou égale à 5 %, de préférence environ égale à 0 %.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de volume comprenant le dépôt d’électrodes sur deux faces opposées d’une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de ladite couche piézoélectrique par un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support tel que précédemment décrit.
L’invention concerne enfin un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique, constitué d’une hétérostructure comprenant un substrat piézoélectrique collé sur un substrat de manipulation, ledit substrat étant caractérisé en ce qu’il comprend, à l’interface entre le substrat piézoélectrique et le substrat de manipulation, une couche adhésive polymérisée dont le module d’Young est compris entre 0,05 GPa et 10 Gpa
Selon d’autres caractéristiques optionnelles du substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique prises seules ou en combinaison lorsque cela est techniquement possible :
- l’épaisseur de la couche adhésive polymérisée est comprise entre 1 pm et 50 pm ;
- la couche adhésive polymérisée comprend une colle isocyanurate, acrylate ou epoxy réticulable par rayonnement ultraviolet avec agent durcisseur ou non.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1A représente un profil de topologie réalisé à l’aide d’un profilomètre mécanique et montrant les ondulations présentes sur la surface libre d’un substrat donneur ayant été soumis à un traitement thermique selon un mode de réalisation de l’invention, la figure 1B représente un profil de topologie réalisé à l’aide d’un profilomètre mécanique et montrant les ondulations présentes sur la surface libre d’un substrat donneur fabriqué n’ayant pas été soumis audit traitement thermique (lesdits profils sont présentés à la même échelle) ;
- la figure 2 représente une vue en coupe d’un substrat donneur fabriqué selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention comprenant de sa face arrière vers sa face avant : un substrat de manipulation, une couche adhésive photo-polymérisée et une couche piézoélectrique amincie ;
- la figure 3 représente une vue en coupe d’un substrat de manipulation et d’un substrat piézoélectrique fournis pour la mise en œuvre du procédé de l’invention ;
- la figure 4 représente une vue en coupe d’une étape de dépôt d’une couche adhésive photopolymérisable sur le substrat de manipulation selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
- la figure 5 représente une vue en coupe de la structure multicouche obtenue après une étape de collage du substrat piézoélectrique et du substrat de manipulation par l’intermédiaire d’une couche adhésive photopolymérisable selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
- la figure 6 représente une vue en coupe d’une étape d’irradiation de la structure multicouche de la figure 5 ; - la figure 7 représente une vue en coupe de la structure multicouche obtenue après irradiation puis traitement thermique de la structure représentée sur la figure 5 selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
- la figure 8 représente une vue en coupe d’une étape d’amincissement du substrat piézoélectrique dans la structure multicouche de la figure 7 selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
- la figure 9 représente une vue en coupe d’un substrat support pour le transfert d’une couche piézoélectrique à transférer ;
- la figure 10 représente une vue en coupe d’une étape de formation d’une zone de fragilisation au sein de la couche piézoélectrique amincie par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une couche piézoélectrique à transférer selon un mode de réalisation du procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support selon l’invention ;
- la figure 11 représente une vue en coupe d’une étape de collage du substrat support implanté de la figure 10 avec le substrat support de la figure 9, la couche piézoélectrique à transférer étant à l’interface ;
- la figure 12 représente une vue en coupe de la structure multicouche obtenu après le transfert de la couche piézoélectrique à transférer sur le substrat support par détachement le long de la zone de fragilisation.
- la figure 13 représente une vue en coupe d’un dispositif à ondes acoustiques de volume.
Pour des raisons de lisibilité, les dessins ne sont pas nécessairement réalisés à l’échelle.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un pseudo-substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support, ledit pseudo-substrat donneur étant formé par assemblage d’une couche piézoélectrique épaisse et d’un substrat de manipulation par l’intermédiaire d’une couche adhésive photopolymérisée puis amincissement de ladite couche piézoélectrique épaisse, par exemple par meulage.
Les structures multicouches issues du transfert de la couche piézoélectrique depuis un tel pseudo-substrat donneur vers un substrat support présentent de nombreux trous à leur périphérie, au niveau de leur interface de collage, qui diminuent la qualité du collage entre la couche active transférée et le substrat receveur. Suite à l’étape d’amincissement de la couche piézoélectrique épaisse, les inventeurs ont observé que la surface libre de la couche piézoélectrique amincie du pseudo-substrat donneur présente en périphérie, sur environ 5 mm de large, un relief sous la forme de creux et de bosses (« wavyness » selon la dénomination anglo-saxonne visible sur la Figure 1A).
Les inventeurs formulent l’hypothèse que ce soit ce relief périphérique qui génère les trous dans la structure finale multicouche.
En outre, les inventeurs supposent que ce relief sous la forme de creux et de bosses se forme du fait d’une entrée en résonance de ladite couche piézoélectrique épaisse sous l’effet des vibrations générées par le procédé d’amincissement, et remarquent que ce relief est d’autant plus marqué que la tenue mécanique de l’assemblage couche piézoélectrique - substrat de manipulation est faible.
A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support. Un exemple de substrat donneur 1 selon l’invention est représenté sur la Figure 2. Le substrat donneur 1 présente une structure multicouche comprenant, de sa face arrière vers sa face avant :
- un substrat de manipulation 2,
- une couche adhésive photopolymérisée 3,
- un substrat piézoélectrique aminci 4.
A titre d’exemple, le substrat piézoélectrique aminci 4 est fabriqué dans un matériau tel que le tantalate de lithium (LiTaOs), le niobate de lithium (LiNbOs), le titanate de baryum (BaTiOs) et/ou le titano-zirconate de plomb (PZT). La couche piézoélectrique 4 présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 20 pm, préférentiellement une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 pm.
Le matériau piézoélectrique du substrat piézoélectrique 4 et le matériau du substrat support présentent des coefficients de dilatation thermique très différents. Le dépôt d’une couche en matériau piézoélectrique sans substrat de manipulation sur le substrat support exposerait la structure multicouche résultante à des déformations importantes lors de la mise en œuvre de recuits thermiques, par exemple pour renforcer l’interface de collage entre couche en matériau piézoélectrique et substrat support. Le substrat de manipulation 2 est donc préférentiellement fabriqué dans un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du matériau du substrat support sur lequel le substrat piézoélectrique aminci 4 est destiné à être collé. Par proche, on entend une différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau du substrat de manipulation 2 et le matériau du substrat support inférieure ou égale à 5 %, et de préférence égale ou voisine de 0 %. Des matériaux adaptés sont par exemple le silicium, le saphir, le nitrure d’aluminium polycristallin, ou encore l’arséniure de gallium. Préférentiellement, le substrat de manipulation 2 est fabriqué dans le même matériau que le substrat support. Dans la présente invention, on s’intéresse au coefficient de dilatation thermique dans un plan parallèle à la surface principale des substrats. Le substrat de manipulation 2 présente une épaisseur comprise entre 100 pm et 2 mm, préférentiellement une épaisseur comprise entre 200 pm et 1 mm. Préférentiellement, le substrat de manipulation 2 présente une épaisseur proche de celle du substrat support, afin que la structure obtenue après collage du substrat donneur sur le substrat support soit la plus symétrique et la plus équilibrée possible en termes de comportements mécanique et thermique. Un coefficient de dilatation thermique et une épaisseur du substrat de manipulation 2 proches respectivement du coefficient de dilatation thermique et de l’épaisseur du substrat support permettent de minimiser les contraintes sur la structure multicouche et sa déformation sous l’effet des variations de température.
En référence à la Figure 3, le procédé de fabrication du substrat donneur comprend la fourniture d’un substrat piézoélectrique 5 et du substrat de manipulation 2.
Le substrat piézoélectrique 5 présente une épaisseur comprise entre 100 pm et 2 mm, préférentiellement une épaisseur comprise entre 200 pm et 1 mm. Le substrat piézoélectrique 5 est formé du matériau piézoélectrique qui constitue la couche piézoélectrique amincie 4 dans le substrat support final 10. Le substrat piézoélectrique 5 peut donc comprendre du LiTaCh, LiNbOs, BaTiCh et/ou PZT.
Le procédé de fabrication du substrat donneur selon l’invention comprend en outre le dépôt d’une couche adhésive photo-polymérisable 6 sur une face principale du substrat de manipulation 2 ou du substrat piézoélectrique 5. A titre d’exemple, la Figure 4 représente un mode de réalisation particulier dans lequel la couche adhésive photo-polymérisable 6 est déposée sur le substrat de manipulation 2. Le dépôt de la couche adhésive photo-polymérisable est avantageusement effectué par enduction centrifuge, ou « spin coating » selon la terminologie anglo-saxonne.
Cette technique consiste à faire tourner le substrat sur lequel est prévu le dépôt de la couche photo-polymérisable sur lui-même à une vitesse sensiblement constante et relativement élevée, afin d’étaler ladite couche photo-polymérisable de façon uniforme sur l’ensemble de la surface du substrat par force centrifuge. A cet effet, le substrat est typiquement posé et maintenu par tirage du vide sur un plateau tournant. L’homme du métier est en mesure de déterminer les conditions opératoires, telles que le volume d’adhésif déposé sur la surface du substrat, la vitesse de rotation du substrat, et la durée minimale du dépôt en fonction de l’épaisseur souhaitée pour la couche adhésive. Le dépôt par enduction centrifuge permet avantageusement de bien contrôler l’uniformité de l’épaisseur de la couche adhésive photo-polymérisable déposés. L’épaisseur de la couche adhésive photo-polymérisable déposée est typiquement comprise entre 1 et 50 pm. Une épaisseur inférieure à 1 pm n’est pas atteignable avec une couche adhésive photopolymérisable trop visqueuse. En outre, en-dessous d’une épaisseur inférieure à 1 pm, il y a des risques que dans certaines zones, l’épaisseur de la couche adhésive photopolymérisable soit presque nulle. Une épaisseur supérieure à 50 pm n’est pas atteignable avec une couche adhésive photopolymérisable trop liquide. En outre, le polymère photopolymérisée étant plus mou que les autres couches, une épaisseur supérieure à 50 pm risque d’affecter la bonne tenue mécanique du substrat donneur.
La couche adhésive photo-polymérisable 6 comprend préférentiellement une colle isocyanurate, acrylate ou epoxy réticulable par ultraviolet avec un agent durcisseur ou non. Par exemple, la couche adhésive photo-polymérisable 6 comprend deux monomères de type isocyanurate et un dérivé de thiol. Une telle colle présente l’avantage d’être polymérisable à des longueurs d’onde auxquelles le matériau piézoélectrique est au moins partiellement transparent. En outre, elle présente une bonne tenue en température jusqu’à 250 °C.
Le collage par une couche adhésive photo-polymérisable présente l’avantage de comprendre moins d’étapes de fabrication que le collage moléculaire. Elle est donc simple à mettre en œuvre et peu coûteuse. En outre, la couche adhésive photo-polymérisée assure au pseudo-substrat donneur une bonne tenue mécanique sans nécessiter de recuit thermique à haute température qui serait susceptible d’engendrer une courbure importante du substrat, ce qui n'est pas le cas du collage moléculaire. Enfin, le polymère, initialement liquide, va combler les défauts de planéité et compenser en partie la tombée de bord due au chanfreinage des substrats. Le collage par une couche adhésive photo-polymérisable permet donc de coller les substrats plus proches de leur bord.
En référence à la Figure 5, après le dépôt de la couche adhésive photo-polymérisable sur une face principale du substrat de manipulation 2 ou du substrat piézoélectrique 5, on colle le substrat piézoélectrique 5 avec le substrat de manipulation 2 par l’intermédiaire de la couche adhésive photo-polymérisable 6 pour former une hétérostructure 7. Le collage est de préférence réalisé à température ambiante, soit environ 20° C. Il est cependant possible de réaliser le collage à une température comprise entre 10°C et 50° C, de manière davantage préférée entre 20° C et 30° C, préférentiellement encore à une température proche de la température ambiante. En effet, plus la température de collage est éloignée de la température ambiante, plus l’hétérostructure 7 se déformera lorsqu’elle reviendra à sa température d’équilibre. De plus, l’étape de collage est avantageusement effectuée sous vide, ce qui permet de désorber l’eau des surfaces formant l’interface de collage, c’est-à- dire la surface de la couche adhésive et la surface du substrat de manipulation ou du substrat piézoélectrique.
Puis, en référence à la Figure 6, on irradie ladite hétérostructure 7 par un flux lumineux pour polymériser la couche adhésive.
Par exemple, le flux lumineux peut être appliqué au travers du substrat piézoélectrique 5 si ledit substrat piézoélectrique 5 est au moins partiellement transparent dans la gamme de longueurs d’onde permettant d’initier la polymérisation de la couche adhésive photo-polymérisable 6. Par exemple encore, le flux lumineux est appliqué au travers du substrat de manipulation 2 si ledit substrat de manipulation 2 est au moins partiellement transparent dans la gamme de longueurs d’onde permettant d’initier la polymérisation de la couche adhésive photo-polymérisable 6.
L’irradiation est préférentiellement mise en œuvre à une température comprise entre 10 °C et 50 °C, préférentiellement encore à une température proche de la température ambiante. En effet, plus la température est éloignée de la température ambiante, plus l’hétérostructure 7 se déformera lorsqu’elle reviendra à sa température d’équilibre.
L’énergie d’irradiation reçue par la couche adhésive photopolymérisable 6 est avantageusement comprise entre 0,7 J/cm2 et 10 J/cm2. Dans le cas où l’irradiation de la couche adhésive photo-polymérisable 6 est effectuée à travers le substrat de manipulation 2 ou à travers le substrat piézoélectrique 5, il convient de tenir compte du coefficient d’absorption à la longueur d’onde d’irradiation et de l’épaisseur du matériau traversé pour déterminer la puissance d’irradiation reçue réellement par la couche adhésive photo- polymérisable 6.
La longueur d’onde du flux lumineux incident est choisi en fonction de la nature de la couche adhésive photo-polymérisable 6 et du matériau traversé par ledit flux lumineux incident (substrat de manipulation 2 ou substrat piézoélectrique 5). En effet, la couche adhésive photo-polymérisable 6 doit absorber à la longueur d’onde et ladite absorption doit initier la polymérisation. En outre, le matériau traversé par le flux lumineux incident ne doit être complètement absorbé par le matériau traversé, de sorte qu’il ne serait pas possible d’irradier avec la puissance nécessaire la couche adhésive photo-polymérisable 6. Préférentiellement, le flux lumineux présente une longueur d’onde comprise entre 200 nm et 500 nm. En effet, c’est dans cette gamme de longueurs d’onde que le substrat piézoélectrique est avantageusement le plus transparent.
L’irradiation de l’hétérostructure 7 comprenant la couche piézoélectrique épaisse 5, la couche adhésive photo-polymérisable 6 et le substrat de manipulation 2 permet d’initier la réaction de polymérisation en chaîne du monomère. Les inventeurs supposent que les chaînes de polymère grandissent jusqu’à ce que l’encombrement stérique soit supérieur à l’agitation thermique, et empêche le rapprochement des sites actifs, bloquant ainsi la réaction de polymérisation. L’encombrement stérique limite ainsi le degré de réticulation des chaînes de polymère, et donc la rigidité de la couche adhésive photo-polymérisée, atteignables suite à la simple irradiation de l’hétérostructure.
Après l’irradiation de l’hétérostructure par un flux lumineux, le procédé selon l’invention comprend une étape supplémentaire de traitement thermique de l’hétérostructure irradiée, de sorte à obtenir la couche adhésive photopolymérisée 3 telle que représentée sur la Figure 7.
Le traitement thermique selon l’invention de l’hétérostructure irradiée préalablement à l’amincissement de la couche piézoélectrique épaisse permet d’augmenter l’agitation thermique au sein de la couche adhésive et de remettre en correspondance des sites actifs sur les chaînes de polymère de sorte à poursuivre la réticulation du polymère initiée par l’irradiation. Le traitement thermique permet donc d’atteindre un degré de réticulation du polymère supérieur à celui atteignable par simple irradiation, quelle que soit la dose d’irradiation employée, et donc une rigidité supérieure de la couche adhésive photo- polymérisée. Le pseudo-substrat donneur présente ainsi une meilleure tenue mécanique et une sensibilité moindre aux vibrations du procédé d’amincissement : la surface libre du substrat pseudo-donneur est plus plane à l’issue de l’étape d’amincissement.
Le traitement thermique de l’hétérostructure préalablement irradiée est préférentiellement réalisé de sorte que le module d’Young de la couche adhésive après irradiation et traitement thermique est compris entre 0,05 GPa et 10 GPa, préférentiellement entre 3,5 GPa et 10 GPa.
Ledit module d’Young est mesuré par nano-indentation : une pointe de forme et de taille calibrées en un matériau dur, par exemple une pointe en diamant, est appliquée avec une force d’une intensité donnée sur la surface du matériau dont on souhaite évaluer le module d’Young. Le module d’Young est ensuite évaluée en fonction de la taille de l’empreinte laissée dans le matériau.
La nano-indentation pour mesurer le module d’Young de la couche adhésive photopolymérisée 3 est effectuée sur une structure multicouche comprenant une couche adhésive photopolymérisée test déposée sur un substrat de manipulation sans couche piézoélectrique épaisse (ou inversement sur un substrat piézoélectrique épais sans substrat de manipulation), ladite couche adhésive photopolymérisée test ayant été préparée dans les mêmes conditions que la couche adhésive photopolymérisée 6. Plus précisément, la préparation de la couche adhésive photopolymérisée test comprend le dépôt d’une couche adhésive photopolymérisable test et l’irradiation puis le traitement thermique de la couche adhésive photopolymérisable test déposée, les conditions de dépôt, d’irradiation et de traitement thermique appliquées à la couche adhésive photopolymérisable test étant identiques à celles appliquées à la couche adhésive photo-polymérisable 6. Par conditions d’irradiation identiques, on entend que la puissance d’irradiation reçue par la couche adhésive photo-polymérisable test est identique à la puissance d’irradiation reçue par la couche adhésive photo-polymérisable 6. Comme l’irradiation de la couche adhésive photopolymérisable 6 est effectuée à travers le substrat de manipulation 2 ou à travers le substrat piézoélectrique 5, il convient de tenir compte du coefficient d’absorption à la longueur d’onde d’irradiation et de l’épaisseur du matériau traversé pour déterminer la puissance d’irradiation à appliquer à la couche adhésive photo-polymérisable test. Un module d’Young de la couche adhésive photopolymérisée compris entre 0,05 Ga et 10 GPa permet avantageusement de réduire le nombre de trous ou « edge bonding void » à l’interface de collage entre le substrat donneur comprenant une telle couche adhésive photopolymérisée 3 et un substrat support. A titre d’exemple, un module d’Young de la couche adhésive photopolymérisée 3 supérieur à 3,5 GPa permet de diviser par cinq le nombre de trous ou « edge bonding voids » par rapport à une interface de collage entre un substrat support et un substrat donneur comprenant une couche adhésive photopolymérisée n’ayant pas été soumise au traitement thermique selon l’invention.
Une simple irradiation de l’hétérostructure 7 ne permet pas d’atteindre un module d’Young supérieur à 3,5 GPa., même en augmentant la puissance d’irradiation reçue jusqu’à 400 mW. En outre, une augmentation trop importante de la puissance d’irradiation, du fait que le substrat piézoélectrique 5 absorbe une partie de l’insolation, engendre un risque important de déformation dudit susbtrat piézoélectrique 5.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du traitement thermique de l’hétérostructure irradiée, ledit traitement thermique comprend l’application à ladite hétérostructure d’une température comprise entre 90 °C et 110 °C pendant une durée comprise entre 1 heure et 12 heures, préférentiellement entre 1 heures et 5 heures, préférentiellement encore entre 1 heure et 3 heures dans une atmosphère de diazote. Une telle gamme de température permet avantageusement d’obtenir un module d’Young de la couche adhésive photopolymérisée supérieure à 3 GPa au bout de 3 heures, et un module d’Young maximal de l’ordre de 10 GPa au bout de 5 heures. De telles durées permettent avantageusement de garder un temps de procédé raisonnable pour la production de plaques en volume.
Une température inférieure à 110 °C permet avantageusement d’éviter le risque de déformation de la structure du fait des coefficients de dilatation thermique très différents entre le substrat piézoélectrique 5 et le substrat de manipulation 2.
Après le traitement thermique de l’hétérostructure 7, on amincit le substrat piézoélectrique 5 par sa face opposée au substrat de manipulation, comme représenté sur la figure 8, de sorte que le substrat piézoélectrique aminci 4 présente une épaisseur comprise entre 1 pm et 100 pm, préférentiellement une épaisseur comprise entre 5 pm et 50 pm. L’amincissement du substrat de manipulation 5 est par exemple réalisé par un meulage (« grinding » selon la terminologie anglo-saxonne) grossier, qui permet de réduire rapidement l’épaisseur de l’hétérostructure. Puis, un meulage plus fin peut être mis en œuvre pour continuer à réduire l’épaisseur de l’hétérostructure, mais en diminuant la rugosité de la surface du substrat donneur final 1 .
Enfin, un polissage mécano-chimique (CMP, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing ») peut être réalisé pour lisser la surface libre du substrat piézoélectrique aminci 4 opposée au substrat de manipulation 2, de sorte à atteindre la rugosité souhaitée pour le collage du substrat donneur 1 sur le substrat support 12 et ainsi améliorer la qualité de collage.
Compléter l’irradiation de la couche adhésive photo-polymérisable 6 d’un traitement thermique selon le procédé de l’invention permet avantageusement d’augmenter la tenue mécanique du substrat donneur. La meilleure tenue mécanique du substrat donneur apporte audit substrat donneur une meilleure résistance aux vibrations générés par les étapes de meulage et polissage, de sorte que le relief observé en périphérie de la couche piézoélectrique amincie fait de creux et de bosses est beaucoup moins marqué. Ainsi la surface libre de la couche piézoélectrique amincie est plus plane en bordure de plaque, ce qui permet un collage de meilleure qualité du substrat donneur sur le substrat support. La figure 1B représente le profil de topologie réalisé à l’aide d’un profilomètre mécanique, sur la surface libre d’un substrat donneur ayant subi le traitement thermique selon un mode de réalisation de l’invention. L’amplitude des ondulations est donc réduite en comparaison avec le profil de la Figure 1A représentant le profil de topologie sur la surface libre d’un substrat donneur n’ayant pas subi ledit traitement thermique.
L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support.
On fournit initialement un substrat donneur comprenant la couche piézoélectrique à transférer. Le substrat donneur est de préférence obtenu par le procédé de fabrication précédemment décrit selon le premier objet de l’invention.
En référence à la Figure 9, on fournit également un substrat support 8 apte à recevoir la couche piézoélectrique à transférer. Préférentiellement, le substrat de manipulation 2 et le substrat support 8 sont fabriqués dans des matériaux tels que la différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau du substrat de manipulation 2 et le substrat support 8 est inférieure ou égale à 5 %, de préférence environ égale à 0 %.
On forme une zone de fragilisation dans le substrat piézoélectrique aminci 4 de sorte à délimiter une couche piézoélectrique à transférer 9. La profondeur de la zone de fragilisation par rapport à la surface exposée du substrat piézoélectrique aminci 4 détermine l’épaisseur de la couche piézoélectrique à transférer 9.
Selon un mode de réalisation préféré représenté sur la Figure 10, la zone de fragilisation est formée par implantation d’espèces atomiques dans le substrat piézoélectrique aminci, l’implantation étant représentée sur la figure 10 par les flèches noires. Les espèces atomiques sont implantées à une profondeur déterminée du substrat piézoélectrique aminci 4 qui détermine l’épaisseur de la couche piézoélectrique à transférer 9.
Lorsque la zone de fragilisation est formée par implantation d’espèces atomiques, les espèces atomiques implantées sont de préférence des ions hydrogène et/ou des ions hélium.
Selon un mode de réalisation, on forme ensuite une couche d’oxyde, ou une couche de nitrure, ou une couche comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde, ou une superposition d’au moins une couche d’oxyde et d’une couche de nitrure sur le substrat support (non représenté). Une telle couche d’oxyde ou de nitrure ou comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde permet avantageusement d’améliorer l’énergie de collage entre les deux substrats.
En référence à la Figure 11 , on procède ensuite au collage du substrat donneur sur le substrat support 8, la couche piézoélectrique à transférer 9 et l’éventuelle couche diélectrique étant située à l’interface de collage.
La structure multicouche formée comprend alors successivement, d’une face arrière à une face avant, le substrat support 8, l’éventuelle couche diélectrique, le substrat piézoélectrique aminci 4, la couche photopolymérisée 3 et le substrat de manipulation 2.
La structure multicouche formée présente peu de trous en périphérie de la structure à l’interface de collage entre le substrat donneur et le substrat support, (« edge bonding voids » en anglais), la détection desdits trous étant effectués par détection laser Un tel effet est avantageusement obtenu parce que le substrat donneur selon l’invention présente un très faible relief sur la surface libre de la couche piézoélectrique amincie préalablement au collage dudit substrat donneur avec le substrat support.
En référence à la Figure 12, on détache ensuite le substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche piézoélectrique à transférer 9 sur le substrat support 8.
Le détachement le long de la zone de fragilisation peut être déclenché par une action mécanique et/ou un apport d’énergie thermique. L’apport d’énergie thermique peut comprendre un recuit dans un four à un température comprise entre 150° C et 300° C, préférentiellement entre 150 °C et 220° C pour éviter la dégradation du polymère.
Finalement, du fait d’un faible nombre de trous à l’interface de collage entre le substrat donneur et la couche piézoélectrique, on obtient un meilleur transfert de la couche piézoélectrique sur le substrat support en bordure de plaque.
L’invention s’étend à un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de volume comprenant le dépôt d’électrodes sur deux faces opposées d’une couche piézoélectrique caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de ladite couche piézoélectrique par un procédé de transfert de la couche piézoélectrique sur un substrat support selon l’un quelconque des modes de réalisation précédemment décrit.
Plus précisément, avant de coller la couche piézoélectrique à transférer 9 du substrat donneur sur le substrat support 8, on dépose une première électrode sur la surface libre de ladite couche 9, cette première électrode (référencée 10 sur la figure 13) se trouvant enterrée dans l’empilement final. Après l’étape de transfert de la couche piézoélectrique 9 du substrat donneur sur le substrat support 8, on dépose une seconde électrode (référencée 11 sur la figure 13) sur la surface libre de la couche 9, opposée à la première électrode. Pour éviter la propagation des ondes acoustiques dans le substrat support 8, on peut intégrer à celui-ci un moyen d’isolation pouvant être, par exemple, un miroir de Bragg 12 (comme illustré sur la figure 13) ou une cavité préalablement gravée dans le substrat support 8.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’un substrat donneur (1) pour le transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant les étapes successives suivantes :
(a) la fourniture d’un substrat piézoélectrique (5) et d’un substrat de manipulation (2),
(b) le dépôt d’une couche adhésive photo-polymérisable (6) sur une face principale du substrat de manipulation (2) ou du substrat piézoélectrique (5),
(c) le collage du substrat piézoélectrique (5) avec le substrat de manipulation (2) par l’intermédiaire de la couche adhésive (6) pour former une hétérostructure(7),
(d) l’irradiation de ladite hétérostructure (7) par un flux lumineux pour polymériser la couche adhésive (6),
(e) le traitement thermique de l’ hétérostructure (7) irradiée,
(f) l’amincissement du substrat piézoélectrique (5) par sa face opposée au substrat de manipulation (2), de sorte à former ledit substrat donneur (1 ).
2. Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre une étape (g) de polissage mécano-chimique de la surface libre du substrat piézoélectrique aminci (4).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique (e) est réalisé de sorte à augmenter le degré de réticulation du polymère dans la couche adhésive photo-polymérisée (3) et/ou la rigidité de ladite couche adhésive photo- polymérisée (3).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique (e) est réalisé de sorte que le module d’Young de la couche adhésive (3) après irradiation et traitement thermique est compris entre 3,5 GPa et 10 GPa, ledit module d’Young étant mesuré par nano indentation.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique (e) comprend l’application d’une température comprise entre 90 °C et 110 °C pendant une durée comprise entre 1 heure et 12 heures, dans une atmosphère de diazote.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le flux lumineux est appliqué au travers du substrat piézoélectrique (5).
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le flux lumineux présente une longueur d’onde comprise entre 200 nm et 500 nm.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche adhésive photo-polymérisable (6) est comprise entre 1 pm et 50 pm et l’énergie d’irradiation reçue par ladite couche adhésive (6) lors de l’étape d’irradiation est comprise entre 0,7 J/cm2 et 10 J/cm2.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dépôt de la couche adhésive photo-polymérisable (6) est effectué par enduction centrifuge.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche adhésive photo-polymérisable (6) comprend une colle isocyanurate, acrylate ou epoxy réticulable par rayonnement ultraviolet avec agent durcisseur ou non.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de collage est mise en œuvre à une température comprise entre 10 °C et 50 °C et/ou dans lequel l’étape d’irradiation est mise en œuvre à une température comprise entre 10°C et 50 °C.
12. Procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat support comprenant :
- la formation d’un substrat donneur (1) par la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes,
- la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat piézoélectrique aminci (4) de sorte à délimiter la couche piézoélectrique à transférer (9),
- la fourniture du substrat support (8),
- le collage dudit substrat donneur (1 ) sur le substrat support (8), la couche piézoélectrique à transférer (9) étant située à l’interface de collage,
- le détachement du substrat donneur (1 ) le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche piézoélectrique à transférer (9) sur le substrat support (8).
13. Procédé selon la revendication précédente, comprenant, avant le collage, la formation d’une couche d’oxyde, ou une couche de nitrure, ou une couche comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde, ou une superposition d’au moins une couche d’oxyde et d’une couche de nitrure sur le substrat support (8).
14. Procédé selon l’une des revendications 12 ou 13, dans lequel la formation de la zone de fragilisation est effectuée par implantations d’espèces atomiques dans le substrat piézoélectrique aminci (4).
15. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 12 à 14, dans lequel le substrat de manipulation (2) et le substrat support (8) sont fabriqués dans des matériaux tels que la différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau du substrat de manipulation (2) et le substrat support (8) est inférieure ou égale à 5 %, de préférence environ égale à 0 %.
16. Procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de volume comprenant le dépôt d’électrodes sur deux faces opposées d’une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de ladite couche piézoélectrique par un procédé selon l’une des revendications 12 à 15.
17. Substrat donneur pour le transfert d’une couche piézoélectrique, constitué d’une hétérostructure comprenant un substrat piézoélectrique collé sur un substrat de manipulation (2), ledit substrat étant caractérisé en ce qu’il comprend, à l’interface entre le substrat piézoélectrique et le substrat de manipulation, une couche adhésive polymérisée (3) dont le module d’Young est compris entre 3,5 GPa et 10 Gpa.
18. Substrat selon la revendication précédente, dans lequel l’épaisseur de la couche adhésive polymérisée (3) est comprise entre 1 pm et 50 pm.
19. Substrat selon l’une des revendications 17 ou 18, dans lequel la couche adhésive polymérisée (3) comprend une colle isocyanurate, acrylate ou epoxy réticulable par rayonnement ultraviolet avec agent durcisseur ou non.
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