FR3109016A1 - Structure demontable et procede de transfert d’une couche mettant en œuvre ladite structure demontable - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une structure démontable (100) comprenant :
- au moins deux interfaces, une interface d’assemblage (30) et une interface de détachement privilégié (1),
- un substrat receveur (20),
- un substrat donneur (10) comportant une couche utile (3) à transférer disposée sur un substrat initial (2),
l’interface de détachement privilégié (1) étant située entre ladite couche utile (3) et le substrat initial (2), et l’interface d’assemblage (30) étant située entre ladite couche utile (3) et le substrat receveur (20).
La structure démontable (100) est remarquable en ce que l’interface d’assemblage (30) présente une zone d’interruption d’assemblage (31) comprenant au moins une cavité (31a) présente dans le substrat receveur (20) ou dans la couche utile (3), la zone d’interruption d’assemblage (31) étant localisée dans une région périphérique de la structure démontable (100).
Figure
1a
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine du transfert de couches minces pour les applications microélectroniques, optiques, microsystèmes… Elle concerne en particulier une structure démontable pouvant être utilisée pour le transfert ou la manipulation de couches minces.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
De nombreuses applications, notamment dans les domaines microélectroniques, optiques ou microsystèmes, requièrent des couches minces (intégrant potentiellement des composants) disposées sur des substrats spécifiques (fins, souples, métalliques, isolants, etc). Ces substrats spécifiques ne sont pas toujours compatibles avec les procédés de fabrication des couches minces et/ou les procédés d’intégration de composants sur lesdites couches.
Il est donc intéressant de pouvoir transférer une couche mince (avec ou sans des composants intégrés) d’un substrat initial compatible avec les procédés précédemment évoqués, vers un substrat spécifique cible présentant les propriétés requises pour l’application visée.
Il existe plusieurs procédés de transfert sur un substrat cible, d’une couche mince élaborée sur un substrat initial.
Certains procédés de transfert consistent à assembler la couche mince (disposée sur le substrat initial) et le substrat cible, puis à éliminer mécaniquement et/ou chimiquement le substrat initial, transférant ainsi la couche sur le substrat cible. Les inconvénients principaux de cette approche sont les couts liés à la perte du substrat initial et les traitements mécaniques et chimiques contraignants susceptibles de dégrader la qualité de la couche mince au cours du transfert.
D’autres procédés sont basés sur une séparation par application d’une contrainte mécanique ou d’un traitement chimique au niveau d’une couche ou d’une interface fragilisée présente entre la couche mince et le substrat initial ; la couche mince préalablement assemblée sur le substrat cible, est transférée sur ce dernier lorsque la séparation s’effectue. C’est notamment le cas des procédés décrits dans les documents FR2748851, FR2823599 ou FR2823596 ; on parle habituellement de structures démontables comportant une couche ou une interface fragilisée, dans laquelle peut s’opérer une séparation, de manière à libérer une couche mince superficielle et la transférer sur un substrat cible.
Une difficulté liée à ces approches est que le détachement peut parfois se faire au niveau d’interfaces ou de couches autres que celle fragilisée car la contrainte mécanique et/ou l’attaque chimique peuvent difficilement être localisées précisément au niveau de ladite couche ou interface fragilisée. Les variabilités de géométrie des bords de substrats, la méthode d’application de la contrainte mécanique ou de la solution de gravure chimique pour le démontage peuvent induire le démarrage de la séparation à une autre interface que celle fragilisée, même si cette autre interface présente une tenue mécanique supérieure à la tenue de l’interface fragilisée.
Pour résoudre ce problème, il est envisageable de renforcer localement, notamment en bords de substrats, la tenue mécanique des interfaces autres que celle fragilisée et/ou de diminuer davantage la tenue de ladite interface fragilisée. Ces dispositions ne permettent néanmoins pas toujours d’empêcher l’initiation de la séparation au niveau d’une interface non visée.
Le document FR2995446 adresse les structures démontables comprenant au moins deux interfaces, dont celle fragilisée au niveau de laquelle la séparation est attendue. Il propose des solutions pour rediriger le front de séparation vers l’interface fragilisée lorsque celui-ci démarre au niveau de l’autre interface.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention concerne une solution alternative aidant à localiser le détachement au niveau de l’interface fragilisée d’une structure démontable. Un objet de l’invention est une structure démontable comprenant au moins deux interfaces dont l’une est l’interface fragilisée ou interface de détachement privilégié. Ladite structure démontable est utilisée pour le transfert ou la manipulation de couches.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne une structure démontable comprenant :
- au moins deux interfaces, une interface d’assemblage et une interface de détachement privilégié,
- un substrat receveur,
- un substrat donneur comportant une couche utile à transférer disposée sur un substrat initial,
l’interface de détachement privilégié étant située entre ladite couche utile et le substrat initial, et l’interface d’assemblage étant située entre ladite couche utile et le substrat receveur.
La structure démontable est remarquable en ce que l’interface d’assemblage présente une zone d’interruption d’assemblage comprenant au moins une cavité présente dans le substrat receveur ou dans la couche utile, la zone d’interruption d’assemblage étant localisée dans une région périphérique de la structure démontable.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
- la zone d’interruption d’assemblage est située à moins de 10mm des bords de la structure démontable ;
- la (au moins une) cavité présente des dimensions latérales comprises entre quelques microns et quelques millimètres, préférentiellement entre 20 microns et 1mm ;
- la (au moins une) cavité présente une profondeur comprise entre 0,5 micron et plusieurs dizaines de microns ;
- la (au moins une) cavité présente, dans un plan parallèle à l’interface d’assemblage, un pourtour carré, rectangulaire, triangulaire, trapézoïdal ou arrondi ;
- au moins un segment rectiligne du pourtour de la (au moins une) cavité est parallèle à un bord de démontage de la structure démontable ou à la tangente à un bord de démontage de la structure démontable ;
- un segment rectiligne du pourtour de la (au moins une) cavité, qui présente la plus grande dimension latérale, est parallèle à un bord de démontage de la structure démontable ou à la tangente à un bord de démontage de la structure démontable ;
- la zone d’interruption d’assemblage comprend une pluralité de cavités espacées entre elles d’une distance comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns ;
- le pourcentage de zones de contact, entre les cavités, de la zone d’interruption d’assemblage, est inférieur à 80%, voire inférieur à 50% ;
- les cavités sont alignées suivant une ligne droite ou suivant une ligne courbe, dont la convexité est orientée vers le centre de la structure démontable ;
- la zone d’interruption d’assemblage est positionnée à moins de 8mm des bords de la structure démontable, voire à moins de 3 mm ;
- la couche utile présente une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et plusieurs centaines de microns ;
- l’interface de détachement privilégié présente une première énergie interfaciale, l’interface d’assemblage présente une deuxième énergie interfaciale, et l’écart d’énergie interfaciale entre l’interface de détachement privilégié et l’interface d’assemblage est supérieur ou égale à 1000mJ/m2 ;
- l’interface de détachement privilégié est une interface de collage par adhésion moléculaire présentant une première énergie de collage, et l’interface d’assemblage est une interface de collage par adhésion moléculaire présentant une deuxième énergie de collage, la première énergie de collage étant inférieure à la deuxième énergie de collage ;
- l’écart d’énergie de collage entre l’interface de détachement privilégié et l’interface d’assemblage est au moins de l’ordre de 1000mJ/m2.
L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche utile d’un substrat donneur sur un substrat receveur, comprenant les étapes suivantes :
a) la fourniture d’une structure démontable telle que ci-dessus,
b) l’application d’une contrainte mécanique au niveau d’un bord de démontage de la structure démontable, ledit bord de démontage étant localisé au plus proche de la zone d’interruption d’assemblage et la contrainte mécanique étant apte à initier une onde de séparation à l’interface d’assemblage ou à l’interface de détachement privilégié,
c) si l’initiation de l’onde de séparation s’opère à l’interface d’assemblage, la déviation de l’onde de séparation dans l’interface de détachement privilégié lorsque l’onde de séparation passe au niveau la zone d’interruption d’assemblage,
d) la propagation de l’onde de séparation à l’interface de détachement privilégié, pour aboutir à la séparation totale de la structure démontable.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
- la contrainte mécanique est appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation soit perpendiculaire à au moins un segment rectiligne d’un pourtour de la (au moins une) cavité de la zone d’interruption d’assemblage ;
- la contrainte mécanique est appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation soit perpendiculaire à un segment rectiligne d’un pourtour de la (au moins une) cavité qui présente la plus grande dimension latérale ;
- la contrainte mécanique est appliquée par insertion d’un outil en biseau entre les bords du substrat receveur et les bords du substrat donneur ;
- l’étape a) comprend :
- la fourniture du substrat donneur comprenant la couche utile disposée sur le substrat initial, l’interface de détachement privilégié étant située entre ladite couche utile et ledit substrat initial,
- la fourniture d’un substrat receveur,
- la formation d’au moins une cavité débouchant au niveau d’une face à assembler du substrat receveur ou au niveau d’une face à assembler de la couche utile, dans une région périphérique du substrat receveur ou de la couche utile,
- l’assemblage de la couche utile et du substrat receveur au niveau de leurs faces à assembler respectives.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature.
Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y.
L’invention concerne une structure démontable 100 comprenant au moins deux interfaces, une interface d’assemblage 30 et une interface de détachement privilégié 1. Sur la figure 1a, les deux interfaces s’étendent dans des plans parallèles au plan (x,y).
La structure démontable 100 comprend un substrat donneur 10 incluant une couche utile 3 à transférer disposée sur un substrat initial 2 ; l’interface de détachement privilégié 1 est située entre la couche utile 3 et le substrat initial 2.
A titre d’exemple, la couche utile 3 peut être formée en un matériau semi-conducteur, tel que le silicium, le carbure de silicium, le germanium, un composé III-V, ..., et/ou en un matériau isolant, notamment piézoélectrique, tel que le tantalate de lithium ou le niobate de lithium. Bien sûr, cette liste n’est pas exhaustive et tout matériau en couche mince que l’on aurait intérêt à transférer d’un substrat donneur 10 vers un substrat receveur 20 pourrait former la couche utile 3.
La couche utile 3 peut également comprendre une pluralité de films de matériaux différents, et/ou des structurations fonctionnelles (par exemple des cavités) en particulier sur sa face en vis-à-vis du substrat receveur 30, et/ou tout ou partie de composants microélectroniques. L’adhérence entre les différents films ou empilements de composants est bien sûr attendue plus élevée que la tenue de l’interface de détachement privilégié 1 dont les caractéristiques seront détaillées plus loin. De manière générale, les caractéristiques de la couche utile 3 dépendent de l’application visée et des fonctionnalités recherchées.
La couche utile 3 présente une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques centaines de microns, par exemple comprise entre 200nm et 200 microns, ou préférentiellement comprise entre 1 micron et 50 microns.
Le substrat initial 2 est avantageusement formé par un matériau bas coût, procurant un bon support mécanique pour la manipulation de la couche utile 3. Bien que d’autres matériaux puissent être envisagés, le silicium est en général le matériau de choix du fait de sa compatibilité avec toute ligne de fabrication microélectronique.
Le substrat initial 2 peut se présenter sous forme de plaquette de diamètre 100mm à 450mm et d’épaisseur comprise entre 250 et 850 microns par exemple. Bien sûr, le substrat initial 2 peut alternativement se présenter sous d’autres formes (carrée par exemple).
La structure démontable 100 comprend en outre un substrat receveur 20, assemblé sur le substrat donneur 10 : l’interface d’assemblage 30 est située entre le substrat receveur 20 et la couche utile 3.
Le substrat receveur 20 pourra être formé par un matériau isolant, semi-conducteur ou conducteur, massif ou comprenant une pluralité de couches ou des structurations fonctionnelles de surface (par exemple des cavités), ou encore comprenant tout ou partie de composants actifs ou passifs. Les caractéristiques du substrat receveur 20 dépendent principalement de l’application visée et des fonctionnalités recherchées.
Comme le substrat initial 2, le substrat receveur 20 peut se présenter sous forme de plaquette de diamètre 100mm à 450mm et d’épaisseur comprise entre 250 et 850 microns par exemple.
La structure démontable 100 selon l’invention est destinée à être séparée, au niveau de l’interface de détachement privilégié 1, de manière à transférer la couche utile 3 depuis le substrat donneur 10, sur le substrat receveur 20.
De manière générale, la tenue mécanique de l’interface de détachement privilégié 1 est donc inférieure, voire très inférieure à la tenue mécanique de l’interface d’assemblage 30, comme cela est habituellement le cas dans une structure démontable comprenant deux interfaces. On visera préférentiellement un écart de tenue mécanique ou d’énergie interfaciale au moins de l’ordre de 1000mJ/m2 entre les deux interfaces 1,30.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’interface de détachement privilégié 1 est une interface de collage par adhésion moléculaire présentant une première énergie de collage E1. L’interface d’assemblage 30 peut alors être une interface de collage direct, par adhésion moléculaire, par thermocompression ou autre, présentant une deuxième énergie de collage E2, la première énergie de collage E1 étant inférieure à la deuxième énergie de collage E2.
Comme cela est connu en soi, la différence entre la première E1 et la deuxième E2 énergies de collage pourra être obtenue par la gestion des rugosités de surface des faces à coller, par les matériaux mis en contact pour le collage par adhésion moléculaire, par le traitement chimique (nettoyage humide ou activation plasma) appliqué aux faces préalablement au collage, etc. Des matériaux tels que l’oxyde de silicium, le nitrure de silicium pourront être déposés sur les faces à coller (pour former l’interface de détachement privilégié 1 ou l’interface d’assemblage 30) et traités (nettoyage, polissage, activation plasma, gravure,...) de manière à ajuster l’énergie interfaciale résultant du collage par adhésion moléculaire desdites faces.
Avantageusement, comme énoncé précédemment, l’écart d’énergie de collage (E2-E1) entre les deux interfaces 1,30 est choisi, au moins de l’ordre de 1000mJ/m2. A titre d’exemple, la première énergie de collage E1 pourra être de l’ordre de 2000 mJ/m2, et la deuxième énergie de collage E2 pourra être supérieure à 3000 mJ/m2. Comme cela est bien connu en soi, nous rappelons qu’une énergie de collage peut notamment être évaluée par la mesure de la lame de Mazara.
La structure démontable 100 selon l’invention est remarquable en ce que l’interface d’assemblage 30 présente une zone d’interruption d’assemblage 31 comprenant au moins une cavité 31a aménagée dans le substrat receveur 20 ou dans la couche utile 3. La zone d’interruption d’assemblage 31 correspond à une zone où l’interface d’assemblage est interrompue, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de contact entre le substrat receveur 20 et la couche utile 3.
La zone d’interruption d’assemblage 31 est localisée dans une région périphérique de la structure démontable 100. Préférentiellement, la zone d’interruption d’assemblage 31 est située à moins de 10mm des bords 100a de ladite structure 100. Avantageusement, la zone d’interruption d’assemblage 31 est même positionnée à moins de 8mm des bords 100a de la structure démontable, voire à moins de 5mm, voire encore à moins de 3mm.
Il est habituel que les structures démontables 100 formées à partir de l’assemblage de deux plaquettes 10,20 de grade microélectronique présentent une zone d’exclusion périphérique 100b, non collée, liée à la géométrie de bord desdites plaquettes (chanfrein) ou à la géométrie de bord de la couche utile 3 présente sur l’une des deux plaquettes ; cette zone d’exclusion 100b excède rarement 1mm à 2mm. En présence de cette zone d’exclusion 100b, la zone d’interruption d’assemblage 31 est décalée radialement vers l’intérieur de la structure démontable 100 par rapport à ladite zone d’exclusion 100b, puisqu’elle doit, par définition, interrompre l’interface d’assemblage 30 qui met en contact le substrat receveur 20 et la couche utile 3. Elle pourra par exemple être positionnée à 0,5mm, 1mm ou 2mm de la zone d’exclusion 100b.
Avantageusement, la zone d’interruption d’assemblage 31 est très localisée, c’est-à-dire qu’elle ne s’étend pas, dans la région périphérique, selon tout le pourtour de la structure démontable 100, mais uniquement sur une longueur de quelques centaines de microns à quelques dizaines de millimètres, par exemple entre 1mm et 20mm, préférentiellement entre 5mm et 15mm. Cela présente l’avantage de limiter son impact sur la surface utilisable de la couche utile 3.
Comme évoqué précédemment, la zone d’interruption d’assemblage 31 comprend au moins une cavité 31a formée soit dans le substrat receveur 20 (comme illustré sur la figure 1a), soit dans la couche utile 3 (comme illustré sur la figure 2a). Il est à noter que dans le cas où la (au moins une) cavité 31a est aménagée dans la couche utile 3, sa profondeur pourra par exemple varier entre 5% et 95% de l’épaisseur de la couche utile 3, n’excédant bien-sûr jamais en profondeur l’épaisseur de ladite couche 3.
Avantageusement, la zone d’interruption d’assemblage 31 comprend une pluralité de cavités 31a.
Les cavités 31a peuvent par exemple être espacées entre elles d’une distance comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns. Elles peuvent être alignées sur une ligne droite ou sur une ligne courbe dans le plan (x,y) parallèle à l’interface d’assemblage 30. La ligne droite est préférentiellement parallèle au bord 100a de la structure démontable 100 ou parallèle à la tangente T audit bord 100a (figures 1b et 2c). La ligne courbe pourra présenter une courbure convexe orientée vers le centre de la structure démontable 100 ; autrement dit, comme cela est visible dans l’exemple de la figure 2b, la ligne courbe suit une courbure opposée à celle des bords 100a de la structure démontable 100.
Par la suite, nous parlerons d’une cavité 31a, étant entendu que les caractéristiques énoncées peuvent s’appliquer à toutes les cavités 31a formant la zone d’interruption d’assemblage 31, si celle-ci en comprend une pluralité.
Avantageusement, la cavité 31a présente des dimensions latérales comprises entre quelques microns et quelques millimètres, et typiquement entre 20microns et 1mm. Elle peut par ailleurs présenter une profondeur comprise entre 0,5 micron et plusieurs dizaines de microns, typiquement jusqu’à 20 microns, voire jusqu’à 100 microns.
Lorsque la zone d’interruption d’assemblage 31 comprend une pluralité de cavités 31a, le pourcentage des zones de contact entre le substrat receveur 20 et la couche utile 3 (c’est-à-dire le pourcentage de zones de contact, entre les cavités 31a, de la zone d’interruption d’assemblage 31) est préférentiellement inférieur à 80%, voire inférieur à 50%.
La (au moins une) cavité 31a de la zone d’interruption d’assemblage 31 peut présenter, dans un plan (x,y) parallèle à l’interface d’assemblage 30, un pourtour carré, rectangulaire, triangulaire, trapézoïdal ou arrondi.
Préférentiellement, au moins un segment rectiligne du pourtour de la cavité 31a est parallèle à un bord de démontage 100a’ de la structure démontable 100 ou à la tangente T à un bord de démontage 100a’ de la structure démontable 100.
Selon un autre aspect préférentiel, un segment rectiligne du pourtour de la cavité 31a, qui présente la plus grande dimension latérale, est parallèle à un bord de démontage 100a’ de la structure démontable 100 ou à la tangente T à un bord de démontage 100a’ de la structure démontable 100. Par exemple, dans le cas de cavités rectangulaire, le grand côté des cavités 31a dans le plan (x,y) serait disposé parallèlement à la tangente T.
De plus, lorsque la forme de la cavité 31a n’est pas symétrique, il existe un sens préférentiel pour orienter le motif de la cavité 31a par rapport au bord de démontage 100a’ (ou à sa tangente T) ou plus précisément par rapport à la direction de propagation de l’onde de séparation, comme cela sera décrit en référence au procédé de transfert selon l’invention. Il apparait plus avantageux qu’un segment de plus grande dimension soit traversé en dernier lieu par l’onde de séparation. Dans l’exemple de la figure 2c, si les cavités 31a de la zone d’interruption d’assemblage 31 présentent un pourtour triangulaire, il est donc avantageux de les positionner de sorte que le sommet du triangle pointe vers le bord de démontage 100a’.
L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche utile 3 d’un substrat donneur 10 sur un substrat receveur 20.
Le procédé comprend tout d’abord une étape a) de fourniture d’une structure démontable 100 telle que précédemment décrite.
Selon un mode de réalisation particulier, l’étape a) comporte les sous-étapes ci-après, référencées a1) à a4).
Tout d’abord une étape a1) consiste en la fourniture du substrat donneur 10 qui comprend la couche utile 3 disposée sur le substrat initial 2, l’interface de détachement privilégié 1 étant située entre ladite couche utile 3 et ledit substrat initial 2 (figure 3a).
La couche utile 3 du substrat donneur 10 peut être élaborée par toute technique de report de couche connue, par exemple :
- par collage puis amincissement mécano-chimique basé sur des techniques de rectification, de polissage, de gravure chimique et de nettoyage ; dans ce cas, la couche utile 3 est issue d’un substrat utile collé sur le substrat initial puis aminci.
- par le procédé Smart Cut®, pour le report de couche mince, typiquement d’épaisseur inférieure à 2 microns ; dans ce cas, la couche utile 3 est également issue d’un substrat utile implanté en espèces légères, collé sur le substrat initial, puis séparé au niveau du plan fragile enterré défini par l’implantation.
- par le procédé Smart Cut® suivi d’une étape d’épitaxie ou de dépôt visant à épaissir la couche utile reportée.
Les collages évoqués dans ces différentes techniques mènent à l’élaboration de l’interface de détachement privilégié 1. Il est donc nécessaire d’ajuster les paramètres de collage (matériaux en contact, rugosités des surfaces à coller, nettoyages et traitements chimiques d’activation des surfaces à coller...) de manière à obtenir la première énergie de collage (ou première énergie interfaciale) E1 dans la gamme souhaitée, après que le substrat donneur 10 ait potentiellement subi des traitements thermiques. Cela est notamment le cas lorsque des films sont déposés, et/ou que des structurations fonctionnelles sont faites, et/ou que tout ou partie de composants sont élaborés sur ou dans la couche utile 3, avant son transfert sur le substrat receveur 20.
Préférentiellement, la première énergie de collage (ou première énergie interfaciale) E1 est comprise entre 1000mJ/m2 et 3000mJ/m2. Comme cela a été énoncé précédemment, on visera avantageusement un écart d’énergie de 1000mJ/m2 au moins entre l’interface de détachement privilégié 1 (énergie E1) et l’interface d’assemblage 30, qui sera formée dans une étape ultérieure a4) du procédé.
L’étape a2) du procédé consiste en la fourniture du substrat receveur 20, dont les caractéristiques dépendent de l’application visée et des fonctionnalités recherchées comme précédemment évoqué (figure 3b).
L’étape a3) suivante comprend la formation d’une ou plusieurs cavité(s) 31a débouchant au niveau d’une face à assembler 20c du substrat receveur 20 (figure 3c(i)) ou au niveau d’une face à assembler 3c de la couche utile 3 (figure 3c(ii)), dans une région périphérique respectivement du substrat receveur 20 ou de la couche utile 3. Cette (au moins une) cavité 31a permettra de former la zone d’interruption d’assemblage 31 lorsque le substrat donneur 10 sera assemblé sur le substrat receveur 20.
La zone d’interruption d’assemblage 31 est localisée dans une région périphérique du substrat donneur 10 ou du substrat receveur 20, à moins de 10mm des bords. Avantageusement, la zone d’interruption d’assemblage 31 est même positionnée à moins de 8mm des bords desdits substrats, à moins de 5mm, voire à moins de 3mm.
La zone d’interruption d’assemblage 31 est préférentiellement très localisée, c’est-à-dire qu’elle ne s’étend pas, dans la région périphérique, selon tout le pourtour du substrat donneur 10 ou du substrat receveur 20, mais uniquement sur une longueur de quelques centaines de microns à quelques dizaines de millimètres.
La formation de la cavité 31a peut être réalisée par des techniques classiques de lithographie et gravure. Comme énoncé précédemment, chaque cavité 31a présente préférentiellement des dimensions latérales comprises entre quelques microns et quelques millimètres, une profondeur comprise entre 0,5 micron et plusieurs dizaines de microns et des formes variées dans le plan (x,y).
Enfin, une étape a4) comprend l’assemblage de la couche utile 3 et du substrat receveur 20 au niveau de leurs faces à assembler 3a, 20a respectives, pour former la structure démontable 100 (figure 3d (i) et (ii)).
Comme cela est bien connu en soi, l’assemblage des deux substrats peut être réalisé par collage direct par adhésion moléculaire, par collage métallique ou par collage adhésif, selon l’application visée et la compatibilité desdits collages.
L’étape a4) peut comprendre préalablement à la mise en contact des substrats 10,20 des séquences de nettoyages, de dépôt de couches favorables au collage, d’activation de surface ou autres préparations de surface. L’étape a4) peut comprendre après la mise en contact des substrats 10,20, des traitements thermiques de consolidation de l’interface d’assemblage 30, à plus ou moins haute température, selon le type de collage et la nature des matériaux assemblés et composant les substrats 10,20.
L’interface d’assemblage 30 formée à l’issue de cette étape a4) présente une énergie de collage E2 supérieure à l’énergie de collage E1 de l’interface de détachement privilégié 1. En particulier, l’écart entre l’énergie de collage E2 et l’énergie de collage E1 est de l’ordre de 1000mJ/m2, voire supérieur.
A la suite de l’étape a), dont un mode de réalisation particulier vient d’être décrit, le procédé selon l’invention comprend une étape b) consistant en l’application d’une contrainte mécanique au niveau d’un bord de démontage 100a’ de la structure démontable 100 (figure 3e (i) et (ii)).
Le bord de démontage 100a’ est localisé au plus proche de la zone d’interruption d’assemblage 31 et la contrainte mécanique est apte à initier une onde de séparation dans l’interface d’assemblage 30 ou dans l’interface de détachement privilégié 1. A titre d’exemple, la contrainte mécanique peut être appliquée par insertion d’un biseau 40 entre les bords des substrats donneur 10 et receveur 20 assemblés. Elle peut alternativement être appliquée par injection d’un fluide liquide ou gazeux entre ces mêmes bords, ou par toute autre technique adaptée.
Typiquement, la direction de l’onde de propagation est dans le plan (x,y) et perpendiculaire au bord de démontage 100a’ ou à la tangente T au bord de démontage 100a’.
Comme évoqué précédemment, il est habituel qu’une structure démontable 100 présente une zone périphérique d’exclusion, du fait de la géométrie de bord des substrats donneur 10 et receveur 20. A noter que cette zone d’exclusion n’est pas représentée sur les figures 3a à 3g par souci de simplification.
Lorsque qu’une contrainte mécanique par exemple par insertion d’un biseau 40 est appliquée, il est possible que l’onde de séparation 41 démarre à l’interface d’assemblage 30, et ce malgré la plus faible tenue mécanique de l’interface de détachement privilégié 1. Ce démarrage de l’onde de séparation 41 dans l’interface d’assemblage 30 est notamment favorisé par la présence de la zone d’exclusion, qui donne directement accès à ladite interface 30.
Pour cela, le procédé selon l’invention se poursuit par l’étape c), au cours de laquelle, si l’initiation de l’onde de séparation 41 se fait à l’interface d’assemblage 30, une déviation de l’onde de séparation dans l’interface de détachement privilégié 1 s’opère lorsque l’onde de séparation 41 passe au niveau la zone d’interruption d’assemblage 31 (figure 3f (i) et (ii)). En effet, les cavités 31a de la zone d’interruption d’assemblage 31 permettent de modifier le champ de contraintes en tête du front de l’onde de séparation 41, favorisant sa déviation vers l’interface de plus faible énergie, en l’occurrence l’interface de détachement privilégié 1.
Il est avantageux que la contrainte mécanique soit appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation 41, parallèle à l’axe y sur les figures, soit perpendiculaire à au moins un segment rectiligne d’un pourtour de la (ou des) cavité(s) 31a de la zone d’interruption d’assemblage 31 (figure 4a).
Selon un autre mode avantageux, la contrainte mécanique est appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation 41 soit perpendiculaire à un segment rectiligne d’un pourtour de la cavité 31a qui présente la plus grande dimension latérale. Ce cas peut par exemple se rencontrer lorsque la (ou les) cavité(s) 31a présente(nt) une forme rectangulaire. La dimension la plus grande du rectangle (longueur) sera préférentiellement orientée de manière à être perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde de séparation 41.
Comme évoqué précédemment, il est également avantageux, dans le cas d’une cavité 31a présentant une forme triangulaire que le sommet du triangle pointe vers le bord de démontage 100a’ ; ou en d’autres termes, il est préférentiel que la base du triangle soit traversée en dernier lieu par l’onde de séparation initiée au niveau du bord de démontage 100a’ (figure 4a).
Il est à noter que, lorsque l’onde de séparation 41 est initiée directement dans l’interface de détachement privilégié 1 à l’étape b), le passage de ladite onde au niveau de la zone d’interruption d’assemblage 31 ne modifie pas sa localisation : après la traversée de la zone d’interruption 31, l’onde de séparation 41 continue de se propage à l’interface de détachement privilégié 1.
Le procédé de transfert comprend ensuite une étape d) de propagation de l’onde de séparation au niveau de l’interface de détachement privilégié 1, pour aboutir à la séparation totale de la structure démontable 100 (figures 3g(i) et 3g(ii)).
Une fois déviée dans la bonne interface, l’onde de séparation 41 se propage aisément le long de l’interface de détachement privilégié 1, de moindre tenue mécanique, soit spontanément, la contrainte mécanique appliquée pour initier l’onde de séparation 41 étant suffisante pour propager l’onde de séparation, soit grâce au maintien continu ou intermittent de l’application de la contrainte mécanique.
La figure 4b montre une photo en vue de dessus, d’une couche utile 3 (en silicium) reportée sur un substrat receveur 20 (en silicium) à partir d’une structure démontable 100 selon l’invention. La photo montre en particulier un zoom autour de la zone d’interruption d’assemblage 31, laquelle est formée dans le substrat receveur 20. On observe la déviation de l’onde de séparation entre l’interface d’assemblage 30 (collage direct de type oxyde SiO2 / silicium) en amont de la zone d’interruption d’assemblage 31, et l’interface de détachement privilégié (collage direct de type SiO2 / SiO2), en aval de la zone d’interruption d’assemblage 31. En aval des cavités 31a, la couche utile 3 est reportée sur le substrat receveur 20. Dans l’exemple de la figure 4b, les huit cavités 31a formant la zone d’interruption d’assemblage 31 sont de forme carrée, de dimensions latérales 500 microns x 500 microns et de profondeur 3 microns. Elles sont situées à environ 3mm du bord.
Le procédé de transfert appliqué à la structure démontable 100 selon la présente invention permet de dévier efficacement l’onde de séparation 41, de l’interface d’assemblage 30 de la structure démontable 100 vers l’interface de détachement privilégié. Il est ainsi possible de maximiser la surface transférée de la couche utile 3 sur un substrat receveur 20 et de reporter une couche utile 3 de grande qualité.
Bien-sur, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
Bien que les modes de réalisation préférés de la structure démontable 100 décrivent une interface de détachement privilégié 1 basée sur un collage direct par adhésion moléculaire, la présente invention s’applique également à d’autre types de d’interfaces.
Par exemple, l’interface de détachement privilégié 1 pourrait être constituée par un plan fragile enterré obtenu par implantation d’espèces légères, ou par formation d’une couche en matériau poreux (par exemple silicium poreux), ou encore par formation de dépôts multicouches dont une interface possède une faible énergie (par exemple comme décrit dans la demande FR3082997). En référence à cette dernière option, on peut par exemple citer un multicouche impliquant une couche d’oxyde de silicium ou de nitrure de silicium, sur une couche d’un métal noble (Au, Pt, Ag...), l’interface entre ces couches présentant une faible énergie interfaciale.
De manière générale, le présent procédé s’applique dès lors que la structure démontable 100 comporte deux interfaces 1,30 présentant un écart d’énergie interfaciale suffisant, en particulier supérieur ou égale à 1000mJ/m2.
Claims (20)
- Structure démontable (100) utilisée pour le transfert ou la manipulation de couches, comprenant :
- au moins deux interfaces, une interface d’assemblage (30) et une interface de détachement privilégié (1),
- un substrat receveur (20)
- un substrat donneur (10) comportant une couche utile (3) à transférer disposée sur un substrat initial (2),
l’interface de détachement privilégié (1) étant située entre ladite couche utile (3) et le substrat initial (2), et l’interface d’assemblage (30) étant située entre ladite couche utile (3) et le substrat receveur (20),
la structure démontable (100) étant caractérisée en ce que l’interface d’assemblage (30) présente une zone d’interruption d’assemblage (31) comprenant au moins une cavité (31a) présente dans le substrat receveur (20) ou dans la couche utile (3), la zone d’interruption d’assemblage (31) étant localisée dans une région périphérique de la structure démontable (100). - Structure démontable (100) selon la revendication précédente, dans laquelle la zone d’interruption d’assemblage (31) est située à moins de 10mm des bords de la structure démontable (100).
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la (au moins une) cavité (31a) présente des dimensions latérales comprises entre quelques microns et quelques millimètres, préférentiellement entre 20 microns et 1mm.
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la (au moins une) cavité (31a) présente une profondeur comprise entre 0,5 micron et plusieurs dizaines de microns.
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la (au moins une) cavité (31a) présente, dans un plan parallèle à l’interface d’assemblage, un pourtour carré, rectangulaire, triangulaire, trapézoïdal ou arrondi.
- Structure démontable (100) selon la revendication précédente, dans laquelle au moins un segment rectiligne du pourtour de la (au moins une) cavité (31a) est parallèle à un bord de démontage (100a’) de la structure démontable (100) ou à la tangente (T) à un bord de démontage (100a’) de la structure démontable (100).
- Structure démontable (100) selon la revendication 5, dans laquelle un segment rectiligne du pourtour de la (au moins une) cavité (31a), qui présente la plus grande dimension latérale, est parallèle à un bord de démontage (100a’) de la structure démontable (100) ou à la tangente (T) à un bord de démontage (100a’) de la structure démontable (100).
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la zone d’interruption d’assemblage (31) comprend une pluralité de cavités (31a) espacées entre elles d’une distance comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns.
- Structure démontable (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le pourcentage de zones de contact, entre les cavités (31a), de la zone d’interruption d’assemblage (31), est inférieur à 80%, voire inférieur à 50%.
- Structure démontable (100) selon l’une des deux revendications précédentes, dans laquelle les cavités (31a) sont alignées suivant une ligne droite ou suivant une ligne courbe, dont la convexité est orientée vers le centre de la structure démontable (100).
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la zone d’interruption d’assemblage (31) est positionnée à moins de 8mm des bords de la structure démontable (100), voire à moins de 3mm.
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la couche utile (3) présente une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et plusieurs centaines de microns.
- Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle :
- l’interface de détachement privilégié (1) présente une première énergie interfaciale (E1),
- l’interface d’assemblage (30) présente une deuxième énergie interfaciale (E2),
- l’écart d’énergie interfaciale entre l’interface de détachement privilégié (1) et l’interface d’assemblage (30) est supérieur ou égale à 1000mJ/m2. - Structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’interface de détachement privilégié (1) est une interface de collage par adhésion moléculaire présentant une première énergie de collage (E1), et l’interface d’assemblage (30) est une interface de collage par adhésion moléculaire présentant une deuxième énergie de collage (E2), la première énergie de collage (E1) étant inférieure à la deuxième énergie de collage (E2).
- Structure démontable (100) selon la revendication précédente, dans laquelle l’écart d’énergie de collage entre l’interface de détachement privilégié (1) et l’interface d’assemblage (30) est au moins de l’ordre de 1000mJ/m2.
- Procédé de transfert d’une couche utile (3) d’un substrat donneur (10) sur un substrat receveur (20), comprenant les étapes suivantes :
a) la fourniture d’une structure démontable (100) selon l’une des revendications précédentes,
b) l’application d’une contrainte mécanique au niveau d’un bord de démontage (100a’) de la structure démontable (100), ledit bord de démontage (100a’) étant localisé au plus proche de la zone d’interruption d’assemblage (31) et la contrainte mécanique étant apte à initier une onde de séparation (41) à l’interface d’assemblage (30) ou à l’interface de détachement privilégié (1),
c) si l’initiation de l’onde de séparation (41) s’opère à l’interface d’assemblage (30), la déviation de l’onde de séparation (41) dans l’interface de détachement privilégié (1) lorsque l’onde de séparation (41) passe au niveau de la zone d’interruption d’assemblage (31),
d) la propagation de l’onde de séparation (41) à l’interface de détachement privilégié (1), pour aboutir à la séparation totale de la structure démontable (100). - Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel la contrainte mécanique est appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation (41) soit perpendiculaire à au moins un segment rectiligne d’un pourtour de la (au moins une) cavité (31a) de la zone d’interruption d’assemblage (31).
- Procédé de transfert selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel la contrainte mécanique est appliquée de sorte que la direction de propagation de l’onde de séparation (41) soit perpendiculaire à un segment rectiligne d’un pourtour de la (au moins une) cavité (31a) qui présente la plus grande dimension latérale.
- Procédé de transfert selon l’une des trois revendications précédentes, dans lequel la contrainte mécanique est appliquée par insertion d’un outil en biseau (40) entre les bords du substrat receveur (20) et les bords du substrat donneur (10).
- Procédé de transfert selon l’une des quatre revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend :
- la fourniture du substrat donneur (10) comprenant la couche utile (3) disposée sur le substrat initial (2), l’interface de détachement privilégié (1) étant située entre ladite couche utile (3) et ledit substrat initial (2),
- la fourniture d’un substrat receveur (20),
- la formation d’au moins une cavité (31a) débouchant au niveau d’une face à assembler (20c) du substrat receveur (20) ou au niveau d’une face à assembler (3c) de la couche utile (3), dans une région périphérique du substrat receveur (20) ou de la couche utile (3),
- l’assemblage de la couche utile (3) et du substrat receveur (20) au niveau de leurs faces à assembler (3c, 20c) respectives.
structure démontabLe UTILISEE POUR LE TRANSFERT OU LA MANIPULATION DE COUCHES, et procédé de transfert d’une couche mettant en œuvre ladite structure démontable
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