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WO2011161122A1 - Procede de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin - Google Patents

Procede de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin Download PDF

Info

Publication number
WO2011161122A1
WO2011161122A1 PCT/EP2011/060380 EP2011060380W WO2011161122A1 WO 2011161122 A1 WO2011161122 A1 WO 2011161122A1 EP 2011060380 W EP2011060380 W EP 2011060380W WO 2011161122 A1 WO2011161122 A1 WO 2011161122A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
polymer
thickness
substrate
implantation
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/060380
Other languages
English (en)
Inventor
Maxime Argoud
Hubert Moriceau
Christian Fretigny
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives, Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority to EP11727692.3A priority Critical patent/EP2586055A1/fr
Priority to JP2013515872A priority patent/JP2013533622A/ja
Priority to CN2011800309151A priority patent/CN103098196A/zh
Priority to US13/805,796 priority patent/US8906780B2/en
Publication of WO2011161122A1 publication Critical patent/WO2011161122A1/fr

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/0008—Electrical discharge treatment, e.g. corona, plasma treatment; wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0005—Separation of the coating from the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials

Definitions

  • the invention relates to a method of transferring a thin layer of monocrystalline silicon (preferably less than 10 micrometers thick or less than one micrometer thick) on a polymer layer. It applies in particular to the realization of a SOI type structure (Silicon On Insulator) comprising a polymer as insulating layer. It also relates to the transfer of a thin monocrystalline silicon layer on a polymer-based substrate.
  • SOI type structure Silicon On Insulator
  • Document FR-2 681 472 (Bruel) describes the bases of a process known in particular under the name of "Smart Cut TM". In particular, it describes a method of obtaining a thin layer of monocrystalline silicon on a support to provide a substrate of the SOI type (acronym for "Silicon On Insulator").
  • the standard process comprises three successive steps.
  • the first step is an implantation step by ion bombardment, by hydrogen or helium for example, creating in the volume of the implanted substrate (sometimes called the donor substrate) a buried weakened zone delimiting, with respect to the implantation face of the substrate, a thin layer of the implanted material.
  • the second step consists of bringing the implanted face into intimate contact with a receiving substrate.
  • the third step is to achieve a separation (or fracture) of the structure obtained at the buried weakened zone by applying a heat treatment which causes the coalescence of the defects generated by the implanted ions.
  • the receiving substrate has two functions in practice. It serves first of stiffener for the thin layer during its separation, so as to avoid the formation of blisters because of the coalescence of defects and to promote the level of the buried fragile zone the development of cavities in a plane parallel to the implantation surface and thus lead to separation; to do this, the substrate comprises, at least on the surface, a layer whose rigidity is sufficient to perform this role of stiffener. It also serves as a handling substrate for applying subsequent steps to the thin layer after separation, especially when the thin layer is intended to be secured to another substrate, for use.
  • the addition of an additional stiffener may not be necessary for thin film thicknesses greater than a threshold for which the thin film is sufficiently rigid in itself to fulfill this role of stiffener itself; the receiving substrate may in this case be omitted or assembled only for manipulation substrate purposes.
  • direct bonding also known as molecular bonding
  • polymer bonding also called bonding by material or adhesive bonding
  • the thin layer which is taken from the donor substrate is finally carried by the receiving substrate, it is conventionally referred to a transfer operation of the thin layer on the receiving substrate (which it act, or not, of the final substrate).
  • the adhesive polymer layer in itself confers a mechanical adaptability between the underlying part of the receiving substrate and the thin layer, which can in particular contribute to compensating for stresses resulting for example from possible differences in the coefficient of thermal expansion between this layer. underlying part and the thin layer.
  • the receiving substrate has a thermal expansion coefficient identical to or similar to that of the transferred film; it is furthermore explained that this bonding using a thin layer of adhesive polymer has the advantage of having fewer constraints as to the flatness, the roughness and the cleanliness of the surfaces to be bonded.
  • SiO 2 TEOS a layer of three to four microns of SiO 2 (hereinafter referred to as SiO 2 TEOS) is deposited by vapor deposition (CVD) from TEOS (tetraethyl orthosilicate) on the substrate silicon donor as a stiffener; it is between this layer of oxide forming a stiffener and the receiving substrate that the polymer layer is provided; it is specified that, when the thin layer of silicon is not stiffened by the oxide layer, the film does not maintain its integrity during the separation.
  • CVD vapor deposition
  • document FR-2 925 221 (Di Cioccio) explains, in particular, that a double transfer (from a donor substrate to a receiving substrate and then to a final substrate) can not be done using flexible substrates. because either they are too soft and deform during the cavity maturation step in the buried fragile zone created by implantation, or they are thermodeformable or thermodegradable and do not support the temperatures imposed by the fracture process, and they do not keep the necessary rigidity.
  • This document teaches a (direct) bonding between a face of a donor substrate and a face of a silicone-type polymer layer, after having applied a treatment under UV radiation to this face, which has the effect of converting the layer polymer in a rigid oxide over a large thickness, of the order of 10 to 20 microns.
  • the object of the invention is to overcome the apparent impossibility stated above and proposes a method of fracture, by implantation and by essentially thermal treatment, of a thin layer with a thickness of less than 10 (or even 5 or even of the order of one micrometers of monocrystalline silicon adhering directly to a polymer layer.
  • the invention proposes a method of transferring a thin monocrystalline silicon layer from a donor substrate which is made of monocrystalline silicon over a thickness, from a free face, greater than that of the thin layer. to be transferred, according to which ions of a given species are implanted through this free face so as to form, in the monocrystalline silicon, a buried fragile layer, this donor substrate is bonded by said free surface to a receiving substrate by means of a polymer layer, and the thin layer is fractured vis-à-vis the donor substrate at the level of the buried fragile layer by a substantially thermal fracture treatment, characterized in that the implantation conditions are such that the thickness of the thin layer is less than 10 micrometers and the thickness of the polymer layer is less than a threshold, at most equal to 500 nm and the thickness of the futu Re thin layer, defined according to energy and implantation dose.
  • the process of the invention comprises three main stages, namely an ion implantation, a contacting on a polymer and a fracture, the thickness of the polymer layer being sufficiently fine, taking into account the conditions of implantation ( energy - which determines the depth of implantation - and dose - which determines the density of the cavities generated at the level of the buried fragile zone), so that the presence of a stiffener opposite the thin layer compared to the polymer layer provides a stiffening effect of this thin layer through this polymer layer.
  • the threshold of thickness not to be exceeded is less than conventional thickness of a bonding layer;
  • the aforementioned documents about LiNbO3 or InP mention bonding layers of more than one micrometer thick (typically two micrometers or more, which are the standard thicknesses of implementation of the polymers used recommended by the maker) ; in the aforementioned case about germanium, it should be noted that there is no rigid support.
  • bonding adhesive materials such as BCB
  • BCB bonding adhesive materials
  • the donor substrate may be constituted, under its face by which it is bonded by the polymer to the receiving substrate, of a material other than monocrystalline silicon, for example a thermal oxide or a native oxide.
  • This superficial layer may serve in particular to protect the donor substrate during the implantation step.
  • This layer must have a maximum thickness of a few tens of nanometers only, clearly insufficient to cause in itself a significant stiffening effect.
  • the maximum threshold for the thickness of the polymer layer is in a ratio of the order of 1: 15 relative to the average dimension, parallel to said free face, blisters which would be observed in the donor substrate, after implantation with said energy and said implantation dose.
  • this thickness a value of the order of 20 times smaller than this average lateral dimension.
  • Implantation can be done with a wide variety of ionic species, including (but not necessarily) gaseous.
  • ionic species including (but not necessarily) gaseous.
  • the case of a hydrogen implantation is well controlled.
  • the implantation is made with hydrogen ions with an implantation energy of at most 70 keV.
  • the implantation is made with hydrogen ions with a dose of between 3.10 16 H + / cm 2 and 1, 5.10 17 H + / cm 2 .
  • Co-implantation of hydrogen in the dose range of 2.10 16 H + / cm 2 to 10 17 H + / cm 2
  • boron in the dose range of some 10 14 / cm 2 to 5.10 15 / cm 2
  • Co-implantation of hydrogen and helium can also be considered with doses for each species between 2.10 16 / cm 2 and 10 1 cm 2 and preferably between 2 and 5.10 16 / cm 2 .
  • the polymer layer is benzocyclobutene or BCB (or a product based on BCB, such as divinylsiloxane-bis-benzocyclobutene, or DVS-bis-BCB).
  • the process of the invention is compatible with fracture temperatures that may be high relative to the temperature range of the polymers;
  • the fracture heat treatment may in particular be carried out at a temperature of at least 275 ° C, or even 320 ° C or even 350 ° C.
  • the receiving substrate may be any. However, advantageously it can itself be based on polymer.
  • the receiving substrate comprises a stiffener layer carried by a polymer substrate.
  • the layer forming a stiffener is advantageously formed of a silicon oxide or nitride with a thickness typically of between 2 and 10 microns.
  • This polymer substrate may be of a material different from that of the polymer layer. This material is advantageously polyimide, for example "Kapton®".
  • FIG. 1 is a block diagram of a donor substrate being implanted
  • FIG. 2 is a schematic diagram of this substrate after polymer bonding to a receiving substrate
  • FIG. 3 is a schematic diagram of this substrate after transfer of a thin layer by thermal fracture
  • FIG. 4 is a diagram similar to that of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a diagram similar to that of FIG. 2, the receiving substrate being based on a polymer, and
  • FIG. 6 is a block diagram representing the layer; obtained thin film, transferred to the polymer-based receptor substrate.
  • the method of the invention mainly comprises three steps.
  • the first step (see FIG. 1) consists in implanting ions of a given species, preferably a gaseous species, in particular hydrogen or helium, into a monocrystalline silicon starting substrate 1, referred to as a donor substrate.
  • a donor substrate is here massive; alternatively, it is monocrystalline silicon only on a given thickness, from the implantation face, greater than the implantation depth.
  • this substrate may comprise a very thin surface layer in a material other than silicon on the surface, for example an oxide of 2 to 100 nanometers.
  • a weakened zone 2 is created in the volume, delimiting, with respect to the implantation face of the substrate 1A, a thin layer 3 of the implanted material.
  • the implantation conditions are advantageously such that the implantation depth which determines the thickness of the future thin layer is less than 10 microns or less than one micrometer, or even 750 nm, or even 500 nm.
  • the second step (see FIG. 2) consists in assembling the implanted substrate and a substrate 4 of any kind, called a receiver, via a polymer layer 5 of a certain thickness, interposed between the two substrates.
  • the stack consisting of the thin layer to be taken, the polymer 5 and the substrate 4 must have a stiffening role, that is to say favor the development in a plane parallel to the implantation face of the cavities generated by the implantation and thus allow a correct transfer of the thin layer on the substrate.
  • the transfer of the thin layer is considered to be correct if at least 50% and, preferably at least 80% or 98%, of the surface of the thin layer is transferred onto the substrate 4.
  • the substrate 4 must comprise at least on the surface, directly in contact with the polymer 5 a hard material.
  • a material is considered hard if its Young's modulus is greater than 10GPa and preferably 50GPa or 100GPa at 25 ° C.
  • the substrate 4 may for example be a solid substrate of this hard material or a stack of layers of different hard materials. In the case of a solid substrate, it will have a thickness at least greater than 10 ⁇ and, preferably, greater than 20 ⁇ , 30 ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇ or 200 ⁇ .
  • the material is, for example, silicon.
  • the substrate 4 is made by a solid layer.
  • ⁇ thickness of the polymer layer is less than a critical thickness which is less than 500 nm
  • the layer to be separated (possibly covered with a thin oxide layer of a few nanometers) is in direct contact with the polymer layer.
  • the third step (see FIG. 3) consists in producing a fracture of the structure obtained at the weakened zone by applying an essentially thermal treatment; a thin layer 3 secured to the substrate 4 is thus obtained, and a residue of the donor substrate, denoted 1 '.
  • this fracture has the specificity that the polymer is subjected partially or totally to an oedometric type compression (term taken in the sense discussed in the article “Measurement of the mechanical properties of thin films mechanically confined within contacts "by Gacoin et al (2006)).
  • One aspect of the invention resides in the detection of the existence of a critical thickness of the polymer layer located between a donor substrate and a receiving substrate, a layer directly in contact with the donor substrate:
  • the transfer is possible.
  • the maximum threshold for the thickness of the polymer layer can be determined empirically, depending on the various treatment parameters applied to the donor substrate between implantation and fracture.
  • the threshold is in practice less than 500 nm and often less than 400 nm or 300 nm. In addition, it is generally less than the thickness of the thin layer to be transferred.
  • One way to determine this threshold may be to rely on the characterization of the defects that form in the buried embrittled layer.
  • blisters can be generated during heat treatments of these implanted plates; these blisters can develop in thickness if there is no stiffener in line with the implanted area.
  • These blisters have lateral dimensions (in a plane parallel to the implantation face) than their 3 rd dimension (thickness perpendicular to this plane), for example one or two orders of magnitude.
  • the lateral dimension of a blister is the diameter of the circle that minimizes the differences, according to the least squares method, between the perimeters of this circle and the orthogonal projection of the blister in the same plane parallel to the implantation face.
  • these blisters vary according to the implantation parameters, mainly the energy (which determines the depth of implantation) and the dose (which determines the size and density of the defects generated); in fact, these dimensions also vary according to the species implanted.
  • the ratio of the critical polymer thickness and the average lateral size of these blisters is 1: 15 (i.e. a thickness will be chosen for the polymer layer at least 15 times smaller than the lateral dimension of the blisters created by implantation), for example of the order of 1:20. Such a ratio appeared to correctly represent results obtained for several combinations of implantation parameters.
  • Implanted silicon wafers are used without stiffeners added to their surface.
  • the critical thickness of the polymer is determined by applying a ratio of the order of 1: 20 to the average lateral size of blisters (the limit thickness of a polymer layer is thus of the order of 20 times smaller than the average lateral dimension of the blisters in the zone weakened formed by implantation).
  • the average lateral size of blisters is the average of the transverse dimensions measured for blisters.
  • polymer layer is meant any type of polymer:
  • the step of assembling the implanted donor substrate, the polymer layer and the receiving substrate support does not require to be performed in a specific order.
  • the polymer layer may be in the form of a composite layer comprising a stack of different polymers.
  • DVS-bis-BCB i.e., divinylsiloxane bis benzocyclobutene, abbreviated as BCB
  • BCB divinylsiloxane bis benzocyclobutene
  • silicon wafers have been implanted with hydrogen (27 KeV, 4.10 16 H + cm 2 ) and boron (80 KeV, 10 15 cm -2 ).
  • Other implantation conditions could have been retained, for example implantation of hydrogen alone (27 KeV, 8 ⁇ 10 16 H + cm -2 ).
  • BCB layers of different thicknesses were deposited on the plates thus implanted. The thicknesses of these layers are given in the following table.
  • This average lateral dimension was measured by observation by optical microscopy of an implanted plaque having bubbled, bubbling having been obtained by a heat treatment of two hours at 300 ° C. This test must in fact advantageously be performed at the temperature at which the fracture will be obtained. It is also recommended for this test a heat treatment time substantially equal (or slightly higher than a few percent) the time required to obtain the fracture in the presence of a stiffener to ensure that the bubbles have reached their maximum size.
  • the polymer was spread, not on the implanted plate, but on the second plate (receiver) and then brought into contact with the first plate (donor). The fact of depositing the polymer layer on one or the other of the plates did not lead to different results.
  • silicon wafers have been implanted, also with hydrogen and boron, but with different conditions: for hydrogen 70 KeV, 5.10 16 H + cm- 2 and for 250 keV boron, 1, 2.10 15 cm 2 BCB layers of different thicknesses were deposited on these implanted plates It should be noted that these implantation conditions corresponded to a higher energy than in the preceding examples, with a slightly higher dose. depth lateral dimensions average implantation transfer thickness of the polymers (nm)
  • the implantation energy is varied, for example, the implantation depth is modified; in addition, any other parameter being constant, there is a change in the lateral size of the blisters. It follows a modification of the critical thickness of polymer.
  • the implantation dose is increased, the number of defects is increased, which may lead, depending on the case, to an increase in the number of blisters, or to an increase in the lateral size of the blisters.
  • the thickness critical is less than 500 nm or 400nm or 300nm, and at most equal to the implantation depth.
  • the thickness of the polymer layer is sufficient for this layer to constitute an effective insulation layer.
  • the method of the invention therefore makes it possible to obtain a structure of the SOP (Silicon On Polymer) type which is similar to an SOI (Silicon On Insulator) type structure, with the difference that the insulating layer is a polymer layer and not a traditional insulator type silicon oxide.
  • Figures 4 to 6 describe another embodiment of the invention, unlike the teachings of the state of the art, the transfer of a silicon film on a thick flexible support.
  • a starting plate (donor substrate) 1 1 is implanted so as to generate a buried embrittled layer 12 (FIG. 4) delimiting within this substrate a thin layer 13 to be transferred.
  • a film 16 of a sufficient thickness is generated so that the stack of layers thus obtained fulfills the function of stiffener.
  • the thickness of the polymer 14 is greater than 10 ⁇ or ⁇ ⁇ and the thickness of the film 16 is between 2 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the film 16 is made of a hard material.
  • a thin layer of bonding polymer 15 thinner than the critical thickness is then applied to the free surface of the stiffener film and / or to the surface of a first (donor) plate.
  • the implanted donor substrate 1 1 is assembled (FIG. 5) to the surface-stiffened polymer substrate 14.
  • the fracture is carried out by heat treatment (FIG. 6) so that the thin layer 13 is transferred onto the substrate 14 based on polymer, leaving behind a remnant of the donor substrate (noted 11 ') that can be reused for new transfer cycles. .
  • the stiffener film is advantageously made of a silicon-based compound, for example an oxide or a nitride (SiO 2, SiO x, SiN, Si 3 N 4, SiNx, etc.); it is created by any appropriate technique known in microelectronics, for example a deposition technique (CVD, sputtering, spin glass %) or modification of polymer surface properties (plasma, UV, oxidation of Si-X bonds. .).
  • a silicon-based compound for example an oxide or a nitride (SiO 2, SiO x, SiN, Si 3 N 4, SiNx, etc.); it is created by any appropriate technique known in microelectronics, for example a deposition technique (CVD, sputtering, spin glass ...) or modification of polymer surface properties (plasma, UV, oxidation of Si-X bonds. .).
  • BCB 200 nm is deposited by spin coating on the implanted face of the silicon wafer implanted.
  • ⁇ 6 ⁇ of SiO2 is deposited by PECVD at 150 ° C. on a Kapton® substrate with a thickness of 125 ⁇ .
  • ⁇ are assembled by thermocompression both sides and carried by keeping facing surfaces which were deposited oxide film and the BCB.
  • the fracture is achieved by a heat treatment at 300 ° C for 2 hours.
  • the polymer layer may be formed of several sub-layers, the cumulative thickness remaining at most equal to the critical threshold defined above.
  • the correlation between this threshold and the size of the blisters is only an example of determination, other approximations that can be implemented.
  • the essentially thermal fracture can be done in a wide range of temperature and duration.
  • the measurement of the size of the blisters can also be performed by atomic force microscopy, known by the acronym AFM (Atomic Force Microscopy) or by mechanical profilometry. It is also possible to use optical microscopy which is sufficient for blister sizes of the order of 10 ⁇ m to be measured with a resolution of 100 ⁇ m. Any other sufficiently resolved measurement method is suitable.

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Abstract

Procédé de transfert d'une couche mince (3) de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur (1) qui est en silicium monocristallin, dans lequel : - des conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince (3) est inférieure à 10 micromètres, et - l'épaisseur d'une couche de polymère (5) pour le collage de la couche mince sur un substrat récepteur est inférieure à un seuil critique défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation, ce seuil critique étant inférieur ou égal à la plus petite des deux grandeurs suivantes : •500 nm, et •à l'épaisseur de la future couche mince.

Description

PROCÉDÉ DE TRANSFERT D'UNE COUCHE MINCE DE SILICIUM
MONOCRISTALLIN
Domaine technique
L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin (d'épaisseur de préférence inférieure à 10 micromètres voire inférieure à de l'ordre du micromètre), sur une couche de polymère. Elle s'applique en particulier à la réalisation d'une structure de type SOI (Silicon On Insulator) comportant un polymère comme couche isolante. Elle vise également le transfert d'une couche mince de silicium monocristallin sur un substrat à base de polymère.
Le document FR - 2 681 472 (Bruel) décrit les bases d'un procédé notamment connu sous le nom de « Smart Cut™ ». Il décrit en particulier un procédé d'obtention d'une couche mince de silicium monocristallin sur un support pour fournir un substrat de type SOI (acronyme anglais pour « Silicon On Insulator »). Le procédé standard comprend trois étapes successives. La première étape est une étape d'implantation par bombardement ionique, par de l'hydrogène ou de l'hélium par exemple, créant dans le volume du substrat implanté (parfois appelé substrat donneur) une zone fragilisée enterrée, délimitant, par rapport à la face d'implantation du substrat, une couche mince du matériau implanté. La seconde étape consiste à mettre en contact intime la face implantée avec un substrat récepteur. La troisième étape consiste à réaliser une séparation (ou fracture) de la structure obtenue au niveau de la zone fragilisée enterrée en appliquant un traitement thermique qui provoque la coalescence des défauts générés par les ions implantés. Le substrat récepteur a en pratique deux fonctions. Il sert tout d'abord de raidisseur pour la couche mince lors de sa séparation, de manière à éviter la formation de cloques du fait de la coalescence des défauts et favoriser au niveau de la zone fragile enterrée le développement de cavités selon un plan parallèle à la surface d'implantation et mener ainsi à la séparation ; pour ce faire, le substrat comporte, au moins en surface, une couche dont la rigidité est suffisante pour assurer ce rôle de raidisseur. Il sert en outre de substrat de manipulation permettant d'appliquer des étapes ultérieures à la couche mince après sa séparation, surtout lorsque la couche mince est destinée à être solidarisée d'un autre substrat, pour son utilisation. En pratique il est apparu que l'ajout d'un raidisseur supplémentaire pouvait ne pas être nécessaire pour des épaisseurs de couche mince supérieures à un seuil pour lequel la couche mince est suffisamment rigide en soi pour remplir elle-même ce rôle de raidisseur; le substrat récepteur peut dans ce cas être omis ou être assemblé uniquement à des fins de substrat de manipulation.
En ce qui concerne l'assemblage du substrat implanté, par sa face implantée, au substrat récepteur, on a distingué deux techniques, à savoir un collage direct, et un collage par polymère (encore appelé collage par apport de matière ou collage par adhésif). Le collage direct, aussi appelé collage moléculaire, impose une grande planéité et une faible rugosité des deux surfaces à coller, alors que le collage par polymère permet de réduire ces contraintes de planéité et de rugosité, puisque la couche d'adhésif peut compenser un certain écart de planéité ou un certain niveau de rugosité sur chacune des surfaces à coller.
Puisque, par application de la technologie précitée, la couche mince qui est prélevée dans le substrat donneur est finalement portée par le substrat récepteur, on parle classiquement d'une opération de transfert de la couche mince sur le substrat récepteur (qu'il s'agisse, ou non, du substrat final).
Parmi les principaux avantages qu'apporte l'utilisation d'un polymère comme couche adhésive, on peut citer :
■ La simplification des traitements de surface à réaliser dans d'éventuelles étapes de collage, ■ Le faible coût de l'étape de collage,
■ Une forte adhérence dès les basses températures,
■ Une bonne capacité de démontage (c'est-à-dire de décollement) par traitement spécifique du polymère...
On comprend en outre que, plus l'épaisseur de polymère est importante au sein du substrat récepteur, meilleure est la flexibilité mécanique de ce substrat mécanique. En pratique la couche de polymère formant adhésif confère en soi une adaptabilité mécanique entre la partie sous-jacente du substrat récepteur et la couche mince, qui peut notamment contribuer à compenser des contraintes résultant par exemple d'éventuelles différences de coefficient de dilatation thermique entre cette partie sous-jacente et la couche mince.
Etat de la technique antérieure
Divers matériaux ont déjà fait l'objet d'opérations de transfert par application du procédé « Smart Cut™ » avec mise en œuvre d'une couche de polymère.
Ainsi, le document « lon-sliced lithium niobate thin films for active photonic devices » de Poberaj et al paru dans Optical Materials 30 (2009) 1054- 1058 (voir aussi le document WO - 2008/098404) décrit, dans le domaine de l'optique, le transfert de couches minces de niobate de lithium sur un substrat de niobate de lithium, après collage par polymère des substrats donneur et récepteur au travers d'une couche d'adhésif en benzocyclobutène (BCB). Il est indiqué comme important que le substrat récepteur ait un coefficient de dilatation thermique identique ou similaire à celui du film transféré ; il est par ailleurs expliqué que ce collage utilisant une fine couche de polymère adhésif a l'avantage de présenter moins de contraintes quant à la planéité, la rugosité et la propreté des surfaces à coller. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi une structure formée d'un substrat récepteur de niobate de lithium recouvert d'une fine couche de chrome (50 nm d'épaisseur) formant électrode, d'une couche de BCB de 1 à 2.5 micromètres d'épaisseur et une couche mince de niobate de lithium de 670 nm d'épaisseur.
Par ailleurs, l'article « Double-flip transfer of indium phosphide layers via adhesive wafer bonding and ion-cutting process » de Chen et al. paru dans Applied Physics Letters 90, 0521 14 (2007) décrit le transfert de couches d'InP sur un substrat de verre, après un collage au moyen d'une couche d'adhésif formée de résine Microchem SU-8 5, qui est réticulée par rayonnement UV après rapprochement des substrats. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi une structure formée d'un substrat de verre surmonté d'une couche de résine (2.6 micromètres d'épaisseur) et d'une couche mince d'InP (d'épaisseur 500 nm).
On peut aussi citer l'article « Flexible Ge-on-polyimide detectors » de Ho et al. paru dans Applied Physics Letters 94, 261 107 (2009) qui décrit le transfert de germanium (Ge) sur du polyimide, après un collage au moyen d'une couche d'adhésif. On peut rappeler ici que l'un des polyimides les plus connus sous forme de film sec est le Kapton®. Dans l'exemple décrit, on obtient ainsi, à titre provisoire, une structure comportant un substrat de polyimide, donc souple, recouvert d'une couche de résine photosensible SU-8 2100, portant une couche mince de germanium (1 ,6 micromètres d'épaisseur).
Il mérite d'être noté que les publications précitées concernent des matériaux divers qui sont, tous, différents du silicium. Or il est apparu que le transfert de couches minces de silicium après un collage par polymère soulève des difficultés particulières dont l'explication reste inconnue.
Ainsi l'article « Fabrication Techniques for Thin-Film Silicon Layer Transfer » de Holl et al. paru dans ECS transactions- Vol 3 issue 6 (2006) pp67-73 commente le transfert de couches minces de silicium après un collage direct et après un collage au moyen d'une couche de polymère. Plusieurs types de substrats récepteurs pouvant servir de raidisseurs sont mentionnés, à savoir de la silice fondue, du quartz et du silicium. Dans les résultats concernant le transfert proprement dit, il est indiqué que, après une implantation d'hydrogène à une profondeur de 360 nm, une couche de trois à quatre micromètres de SiO2 (référencé par la suite sous le terme SiO2 TEOS) est déposée par dépôt en phase vapeur (CVD) à partir de TEOS (tetraéthyl orthosilicate) sur le substrat donneur en silicium en tant que raidisseur ; c'est entre cette couche d'oxyde formant raidisseur et le substrat récepteur qu'est prévue la couche de polymère ; il est précisé que, lorsque la couche mince de silicium n'est pas raidie par la couche d'oxyde, le film ne conserve pas son intégrité lors de la séparation. Ce document ajoute que des essais ont permis la formation de couches minces par séparation après implantation, en utilisant un polymère de haute température en tant qu'adhésif ; mais le document auquel il est ainsi fait référence, à savoir l'article « Silicon Layer Transfer Using Wafer Bonding and Debonding » de Colinge et al, paru dans Journal of Electronic Materials, Vol 30, N°7, 2001 , pp841 -844 - voir aussi le document WO - 2004/0102020 (Roberds et al) -, confirme la nécessité d'une couche épaisse de SiO2 TEOS le long de la couche mince à transférer, en expliquant que le polymère est trop souple et qu'il peut fluer durant l'étape de séparation, d'où la formation de cloques. Cet article de 2001 mentionne, en combinaison avec des épaisseurs de un à quatre micromètres pour le SiO2 TEOS et une épaisseur de silicium de 360 nm, des épaisseurs de 400 à 750 nm pour la couche de polymère.
Dans un contexte différent, le document FR - 2 925 221 (Di Cioccio) explique, notamment, qu'un double transfert (depuis un substrat donneur vers un substrat récepteur puis vers un substrat final) ne peut pas se faire en utilisant des substrats souples car, soit ils sont trop mous et se déforment au cours de l'étape de maturation des cavités au niveau de la zone fragile enterrée créée par implantation, soit ils sont thermodéformables ou thermodégradables et ne supportent pas les températures imposées par le procédé de fracture, et ils ne gardent donc plus la rigidité nécessaire. Ce document enseigne un collage (direct) entre une face d'un substrat donneur et une face d'une couche de polymère de type silicone, après avoir appliqué à cette face un traitement sous rayonnement UV, ce qui a pour effet de convertir la couche de polymère en un oxyde rigide sur une grande épaisseur, de l'ordre de 10 à 20 micromètres.
Le transfert d'un film mince, notamment de silicium, directement sur un substrat en polymère (plus précisément un support souple en « Kapton ® » d'épaisseur typique de l'ordre de 100 micromètres) est mentionné dans le document FR - 2 748 851 , mais selon une version de la technologie « Smart Cut™ » dans laquelle la fracture au niveau de la couche implantée est obtenue par application de force(s) mécanique(s) supplémentaire depuis l'extérieur. Il n'y a pas de couche supplémentaire en complément de ce substrat en polymère, mais il faut noter que, puisque la fracture implique, selon cette technologie, un traitement thermique bien moindre que dans le cas d'une fracture d'origine exclusivement thermique, le phénomène de cloquage est bien moindre de sorte que la présence d'un raidisseur ne s'impose pas.
Il découle en synthèse des documents ci-dessus que, bien qu'une fracture au sein d'un substrat donneur implanté peut être obtenue, par un traitement essentiellement thermique, lorsque ce substrat donneur est en germanium, en niobate de lithium ou en phosphure d'indium, et est collé par l'intermédiaire d'une couche de polymère, à un substrat récepteur, il n'en est pas de même dans le cas d'un substrat donneur en silicium, pour lequel la présence d'une couche intermédiaire faisant fonction de raidisseur le long de la future couche mince semble impératif.
On comprend que le phénomène de cloquage qui provoque le morcellement de la couche mince de silicium en l'absence d'un raidisseur le long de cette couche est d'autant plus important que l'épaisseur de cette couche mince est faible. Or l'évolution actuelle va vers l'utilisation de couches minces de silicium de plus en plus fines, dont l'épaisseur est désormais habituellement inférieure à 10 micromètres, voire inférieure à 5 micromètres, voire inférieure au micromètre, voire même inférieure à 500 nm.
Il semble donc actuellement impossible de réaliser, par fracture le long d'une couche implantée, le transfert d'une couche mince de silicium monocristallin d'épaisseur inférieure à 10 micromètres par un traitement de fracture essentiellement thermique, lorsque l'on souhaite profiter des avantages de la présence d'une couche de polymère adjacente à la face de cette couche mince au travers de laquelle l'implantation a été effectuée. Pourtant le besoin est grand, notamment pour des applications photovoltaïques nécessitant des procédés à coûts faibles (que ne permet pas d'atteindre la mise en œuvre d'un collage direct). Présentation de l'invention L'invention vise à surmonter l'apparente impossibilité énoncée ci- dessus et propose un procédé de fracture, par implantation et par traitement essentiellement thermique, d'une couche mince d'épaisseur inférieure à 10 (voire 5 ou même de l'ordre de un) micromètres de silicium monocristallin adhérant directement à une couche de polymère.
L'invention propose à cet effet un procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur qui est en silicium monocristallin sur une épaisseur, à partir d'une face libre, supérieure à celle de la couche mince à transférer, selon lequel on implante des ions d'une espèce donnée au travers de cette face libre en sorte de former, dans le silicium monocristallin, une couche fragile enterrée, on colle ce substrat donneur, par ladite surface libre, à un substrat récepteur au moyen d'une couche de polymère, et on provoque la fracture de la couche mince vis-à-vis du substrat donneur au niveau de la couche fragile enterrée par un traitement de fracture essentiellement thermique, caractérisé en ce que les conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince est inférieure à 10 micromètres et l'épaisseur de la couche de polymère est inférieure à un seuil, au plus égal à 500 nm et à l'épaisseur de la future couche mince, défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation.
Ainsi, le procédé de l'invention comporte trois étapes principales, à savoir une implantation ionique, une mise en contact sur un polymère et une fracture, l'épaisseur de la couche de polymère étant suffisamment fine, compte tenu des conditions d'implantation (énergie - ce qui détermine la profondeur d'implantation- et dose - ce qui détermine la densité des cavités générées au niveau de la zone fragile enterrée), pour que la présence d'un raidisseur à l'opposé de la couche mince par rapport à la couche de polymère assure un effet de raidissement de cette couche mince au travers de cette couche de polymère. Il est apparu que, surtout dans les conditions d'implantation conduisant à une couche mince d'épaisseur inférieure à 10 micromètres, voire inférieure à 5 micromètres, ou même inférieure au micromètre, le seuil d'épaisseur à ne pas dépasser est inférieur à l'épaisseur classique d'une couche de collage ; en effet, les documents précités à propos de LiNbO3 ou de InP mentionnent des couches de collage de plus d'un micromètre d'épaisseur (typiquement deux micromètres, voire plus, qui sont les épaisseurs standard de mise en œuvre des polymères utilisés préconisées par le fabricant) ; dans le cas précité à propos du germanium, il convient de noter qu'il n'y a pas de support rigide. Quant aux documents commentés ci-dessus à propos du silicium, ils mentionnent des épaisseurs de polymère de 400 à 750 nm en combinaison avec une couche de plusieurs micromètres d'oxyde SiO2 TEOS entre le polymère et le film mince à détacher (en complément d'une couche d'oxyde à la surface du polymère)
II mérite d'être souligné que, en pratique, les matériaux adhésifs de collage, tels que le BCB, sont fournis sous une forme telle que leur épandage sur une surface à coller se fait naturellement sur une épaisseur supérieure au micromètre ; ce n'est généralement qu'en pensant à diluer ces matériaux qu'on peut facilement réduire cette épaisseur. Pourtant, l'homme de métier avait tendance à penser qu'un collage par adhésif est d'autant meilleur que l'adhésif est uniformément réparti (c'est-à-dire qu'il est présent partout), ce qui est d'autant plus facile à obtenir que l'épaisseur de cet adhésif est importante.
Il était donc contraire à la tendance naturelle de l'homme de métier de penser à réduire l'épaisseur de la couche de collage jusqu'en dessous d'un seuil inférieure à 500 nm, en principe inférieur à l'épaisseur de la couche mince à détacher.
En outre, face à la difficulté à obtenir un raidissement satisfaisant avec les couches de polymère mises en œuvre, il a été constaté qu'une tendance naturelle de l'homme de métier consistait à penser qu'un meilleur effet de raidissement serait obtenu en augmentant l'épaisseur du polymère en question, éventuellement dans des conditions lui conférant une rigidité améliorée. Mais cette tendance naturelle a elle aussi été contraire à la démarche que l'invention a enseignée.
Le substrat donneur peut être constitué, sous sa face par laquelle il est collé par le polymère au substrat récepteur, d'un matériau autre que du silicium monocristallin, par exemple un oxyde thermique ou un oxyde natif. Cette couche superficielle peut avoir pour rôle notamment de protéger le substrat donneur pendant l'étape d'implantation. Cette couche doit avoir une épaisseur maximum de quelques dizaines de nanomètres seulement, nettement insuffisante pour provoquer en soi un effet de raidissement significatif.
Une manière de corréler les conditions d'implantation au seuil maximum d'épaisseur de la couche de polymère est de corréler ce seuil à la dimension moyenne des cavités générées par l'implantation et le traitement thermique juste avant la fracture purement thermique. C'est ainsi que, de manière avantageuse, le seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère est dans un rapport de l'ordre de 1 :15 par rapport à la dimension moyenne, parallèlement à ladite face libre, des cloques qui seraient observées dans le substrat donneur, après implantation avec ladite énergie et ladite dose d'implantation. Typiquement, on pourra choisir pour cette épaisseur une valeur de l'ordre de 20 fois plus petite que cette dimension latérale moyenne.
L'implantation peut être faite avec une grande variété d'espèces ioniques, notamment (mais pas nécessairement) gazeuses. Le cas d'une implantation d'hydrogène est bien maîtrise. C'est ainsi que, de manière avantageuse, l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une énergie d'implantation d'au plus de 70 keV. De même, de manière avantageuse, l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une dose comprise entre 3.1016 H+ /cm2 et 1 ,5.1017 H+ /cm2.
Une co-implantation d'hydrogène (dans la gamme de doses de 2.1016 H+ /cm2 à 1017 H+ /cm2) et de Bore (dans la gamme de doses de quelques 1014/cm2 à 5.1015/cm2) peut être réalisée afin de baisser la température de fracture. Une co-implantation d'hydrogène et d'hélium peut également être envisagée avec des doses pour chaque espèce comprise entre 2.1016/cm2 et 101 cm2 et de préférence entre 2 et 5.1016/cm2.
Divers types de polymère peuvent être utilisés, vitreux ou caoutchoutiques, thermodurcissables ou thermoplastiques. De manière avantageuse, la couche de polymère est en benzocyclobutène ou BCB (ou en un produit à base de BCB, tel que du divinylsiloxane-bis-benzocyclobutène, ou DVS-bis-BCB).
Le procédé de l'invention est compatible avec des températures de fracture pouvant être élevées par rapport à la gamme de températures des polymères ; c'est ainsi que le traitement thermique de fracture peut être notamment effectué à une température d'au moins 275°C, voire 320°C ou même 350°C.
Le substrat récepteur peut être quelconque. Toutefois, de manière avantageuse il peut lui-même être à base de polymère. C'est ainsi que, de manière avantageuse, le substrat récepteur comporte une couche formant raidisseur porté par un substrat de polymère. La couche formant raidisseur est avantageusement formée d'un oxyde ou d'un nitrure de silicium sur une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 10 micromètres. Ce substrat en polymère peut être en un matériau différent de celui de la couche de polymère. Ce matériau est avantageusement en polyimide, par exemple en « Kapton® ».
Description détaillée d'exemples de mise en oeuyre
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel :
la figure 1 est un schéma de principe d'un substrat donneur en cours d'implantation,
la figure 2 est un schéma de principe de ce substrat après collage par polymère à un substrat récepteur, la figure 3 est un schéma de principe de ce substrat après transfert d'une couche mince par fracture thermique,
la figure 4 est un schéma analogue à celui de la figure 1 , - la figure 5 est un schéma analogue à celui de la figure 2, le substrat récepteur étant à base de polymère, et la figure 6 est un schéma de principe représentant la couche mince obtenue, transférée sur le substrat récepteur à base de polymère.
Ainsi que cela ressort des figures 1 à 3, le procédé de l'invention comporte principalement trois étapes.
La première étape (voir la figure 1 ) consiste à implanter des ions d'une espèce donnée, de préférence une espèce gazeuse, notamment de l'hydrogène ou de l'hélium, dans un substrat de départ 1 en silicium monocristallin, dit substrat donneur, duquel la couche mince sera prélevée. Ce substrat donneur est ici massif ; en variante, il est en silicium monocristallin seulement sur une épaisseur donnée, à partir de la face d'implantation, supérieure à la profondeur d'implantation. Dans une autre variante, ce substrat peut comporter une très fine couche superficielle dans un autre matériau que du silicium en surface, par exemple un oxyde de 2 à 100 nanomètres.
En conséquence de cette implantation, une zone fragilisée 2 est créée dans le volume, délimitant, par rapport à la face d'implantation du substrat 1A, une couche mince 3 du matériau implanté.
Les conditions d'implantation sont avantageusement telles que la profondeur d'implantation qui détermine l'épaisseur de la future couche mince est inférieure à 10 micromètres voire inférieure à un micromètre, voire 750 nm, voire 500 nm.
La deuxième étape (voir la figure 2) consiste à assembler le substrat implanté et un substrat 4 de nature quelconque, dit récepteur, par l'intermédiaire d'une couche de polymère 5 d'une certaine épaisseur, intercalée entre les deux substrats. L'empilement constitué de la couche mince à prélever, du polymère 5 et du substrat 4 doit avoir un rôle raidisseur, c'est-à-dire favoriser le développement dans un plan parallèle à la face d'implantation des cavités générées par l'implantation et ainsi permettre un transfert correct de la couche mince sur le substrat. Le transfert de la couche mince est considéré comme correct si au moins 50% et, de préférence au moins 80% ou 98%, de la surface de la couche mince est transférée sur le substrat 4. Pour remplir cette fonction de raidisseur, le substrat 4 doit comporter au moins en surface, directement au contact du polymère 5 un matériau dur. Un matériau est considéré comme dur si son module de Young est supérieur à 10GPa et, de préférence, à 50GPa ou 100GPa à 25°C. Le substrat 4 peut être par exemple un substrat massif de ce matériau dur ou un empilement de couches de différents matériaux dur. Dans le cas d'un substrat massif, il aura une épaisseur au moins supérieure à 10μηη et, de préférence, supérieure à 20μηη, 30μηη, δθμιτι, Ι ΟΟμιτι ou 200μηη . Le matériau est par exemple du silicium.
Il peut s'agir également d'un empilement d'une ou plusieurs couches de matériaux durs (identiques ou différents) et d'une ou plusieurs couches de polymères (identiques ou différents), une couche de matériau dur étant directement en contact avec le polymère 5, l'ensemble de cet empilement étant suffisamment rigide pour obtenir un transfert correct. Dans ce mode de réalisation, le substrat 4 est réalisé par une couche massive.
Il est caractérisé par ailleurs en ce que :
■ l'épaisseur de la couche de polymère est inférieure à une épaisseur critique qui est inférieure à 500 nm,
■ la couche à séparer (éventuellement recouverte d'une fine couche d'oxyde de quelques nanomètres) est en contact direct avec la couche de polymère.
La troisième étape (voir la figure 3) consiste à réaliser une fracture de la structure obtenue au niveau de la zone fragilisée en appliquant un traitement essentiellement thermique ; on obtient ainsi une couche mince 3 solidaire du substrat 4, et un reliquat du substrat donneur, noté 1 '. En fait, il a été constaté que cette fracture a ceci de spécifique que le polymère est soumis partiellement ou totalement à une compression de type oedométrique (terme pris au sens discuté dans l'article « Measurement of the mechanical properties of thin films mechanically confined within contacts » de Gacoin et al. (2006)).
Un aspect de l'invention réside dans la détection de l'existence d'une épaisseur critique de la couche de polymère située entre un substrat donneur et un substrat récepteur, couche directement en contact avec le substrat donneur :
■ si l'épaisseur de la couche de polymère est au-dessus d'une certaine épaisseur critique de polymère, il n'est pas possible d'effectuer un transfert de qualité (des phénomènes de cloquage sont observés).
■ si l'épaisseur de la couche de polymère est au-dessous d'une certaine épaisseur critique de polymère, le transfert est possible. Le seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère peut se déterminer de manière empirique, en fonction des divers paramètres des traitements appliqués au substrat donneur entre l'implantation et la fracture.
Il a été constaté que, pour des couches minces de silicium d'épaisseur au plus égale à 10 micromètres (a fortiori dans le cas d'une épaisseur inférieure à de l'ordre du micromètre), le seuil est en pratique inférieur à 500 nm et souvent inférieur à 400 nm ou 300 nm. De plus, il est généralement inférieur à l'épaisseur de la couche mince à transférer.
Une manière de déterminer ce seuil peut consister à se fonder sur la caractérisation des défauts qui se forment dans la couche fragilisée enterrée.
II est rappelé que, lorsqu'une plaque est implantée en vue d'une séparation ultérieure d'une couche mince, des cloques (bulles) peuvent être générées lors de traitements thermiques de ces plaques implantées ; ces cloques peuvent se développer en épaisseur s'il n'y a pas de raidisseur à l'aplomb de la zone implantée. Ces cloques ont des dimensions latérales (dans un plan parallèle à la face d'implantation) supérieures à leur 3ème dimension (épaisseur perpendiculairement à ce plan) par exemple d'un ou deux ordres de grandeur. Par exemple, la dimension latérale d'une cloque est le diamètre du cercle qui minimise les écarts, selon la méthode des moindres carrés, entre les périmètres de ce cercle et de la projection orthogonale de la cloque dans un même plan parallèle à la face d'implantation.
Les dimensions de ces cloques varient en fonction des paramètres d'implantation, principalement l'énergie (qui détermine la profondeur d'implantation) et la dose (qui détermine la taille et la densité des défauts générés) ; en fait ces dimensions varient aussi en fonction des espèces implantées.
Une approximation du seuil maximum pour l'épaisseur de la couche de polymère consiste à dire que le rapport de l'épaisseur critique de polymère et de la taille latérale moyenne de ces cloques est de 1 :15 (c'est-à-dire qu'on choisira une épaisseur pour la couche de polymère au moins 15 fois inférieure à la dimension latérale des cloques créées par implantation), par exemple de l'ordre de 1 :20. Un tel rapport est apparu représenter correctement des résultats obtenus pour plusieurs combinaisons de paramètres d'implantation.
La démarche à suivre pour déterminer les épaisseurs limites (critiques) de polymère à ne pas dépasser afin d'obtenir un transfert thermique sans cloquage pour des couches minces d'épaisseur inférieure à 10 micromètres (a fortiori inférieure à de l'ordre du micromètre) est décrite ci- dessous :
■ On utilise des plaques de silicium implantées sans raidisseurs ajoutés à leur surface.
■ On applique les mêmes conditions d'implantation (natures des espèces, implantations uniques ou multiples, énergies et doses d'implantation ionique) et les mêmes traitements thermiques
(température, RTP, ramping...) que ceux utilisés lors du transfert de la couche mince 3 mais en absence du substrat 4. A partir de la mesure des dimensions latérales des cloques ainsi obtenues, on détermine l'épaisseur critique de polymère en appliquant un rapport de l'ordre de 1 :20 à la taille latérale moyenne de cloques (l'épaisseur limite d'une couche de polymère est ainsi de l'ordre de 20 fois plus petite que la dimension latérale moyenne des cloques dans la zone fragilisée formée par implantation). La taille latérale moyenne de cloques est la moyenne des dimensions transversales mesurées pour les cloques.
Le procédé précité peut être mis en œuvre suivant une grande variété de modalités.
On entend par couche de polymère tout type de polymère :
■ qu'il soit liquide ou solide, vitreux, cristallin ou caoutchoutique lors des diverses étapes du procédé,
■ qu'il soit mis en forme (séchage, polymérisation, réticulation) avant, pendant ou après le procédé,
■ qu'il se présente sous forme liquide, viscoélastique ou solide.
L'étape d'assemblage du substrat donneur implanté, de la couche de polymère et du substrat récepteur servant de support ne nécessite pas de s'effectuer dans un ordre précis. On pourra ainsi :
■ solidariser le substrat implanté, la couche de polymère et le substrat récepteur en une seule étape,
■ solidariser d'abord le substrat implanté et la couche de polymère puis cet ensemble au substrat récepteur,
■ solidariser d'abord le substrat récepteur et la couche de polymère puis cet ensemble au substrat implanté, ■ solidariser le substrat implanté et une couche de polymère puis et le substrat récepteur et une autre couche de polymère (éventuellement de nature différente) puis assembler les couches de polymères en regard.
La couche de polymère peut se présenter sous forme d'une couche composite comportant un empilement de différents polymères.
On comprend que le concept d'épaisseur limite de polymère n'a ici d'intérêt que tant que les profondeurs d'implantation ajoutées aux épaisseurs de raidisseurs additionnels sont inférieures aux épaisseurs qui suffisent pour la réalisation d'un film autoporté (un film est dit autoporté lorsqu'il peut être séparé sans l'adjonction d'un raidisseur). Pour un film de silicium, ce seuil est atteint pour une épaisseur de l'ordre de 15 à 20 micromètres. Des essais ont été réalisés pour illustrer la faisabilité du procédé exposé.
Différentes épaisseurs de polymère de DVS-bis-BCB (c'est-à-dire de divinylsiloxane bis benzocyclobutene, soit en abrégé BCB) ont été appliquées sur des substrats de silicium monocristallin. Il est apparu que pour de faibles épaisseurs de polymère le transfert de silicium sur polymère était effectivement réalisable. En revanche, pour des épaisseurs de polymère supérieures à l'épaisseur critique, plus l'épaisseur de polymère était forte, plus faible était le pourcentage surfacique des zones transférées. La notion d'épaisseur limite de polymère a pu ainsi être clairement identifiée.
Suivant un premier exemple, des plaques de silicium ont été implantées avec de l'hydrogène (27 KeV, 4.1016 H+ cm 2) et du bore (80 KeV, 1015 cm-2). D'autres conditions d'implantation auraient pu être retenues, par exemple une implantation d'hydrogène seul (27 KeV, 8.1016 H+ cm-2). Des couches de BCB de différentes épaisseurs ont été déposées sur les plaques ainsi implantées. Les épaisseurs de ces couches sont données dans le tableau suivant.
Figure imgf000018_0001
Résultats expérimentaux Les films de BCB ont été séchés (par évaporation du solvant) pendant 5 minutes à 150°C. Les plaques ainsi revêtues ont alors été mises en contact avec de secondes plaques, dans l'exemple en silicium également ; cette mise en contact a été réalisée par l'intermédiaire de la couche de polymère. Le collage a été assisté par thermocompression pour assurer une bonne mise en contact des plaques. Dans l'exemple considéré, cette étape a servi de traitement thermique de fracture, ici à une température de 300°C pour un traitement pendant 2 heures. En fonction de l'épaisseur de polymère, on a observé une fracture, soit sur toute la surface, soit sur une partie seulement, ou pas de fracture. L'examen des résultats du tableau précité montre qu'une bonne fracture a lieu pour une épaisseur au plus égale à 300nm, ce qui correspond à environ 1 :20 de la dimension latérale moyenne des cloques.
Cette dimension latérale moyenne avait été mesurée par observation par microscopie optique d'une plaque implantée ayant bullée, le bullage ayant été obtenu par un traitement thermique de deux heures à 300°C. Ce test doit en effet avantageusement être réalisé à la température à laquelle sera obtenue la fracture. On préconise par ailleurs pour ce test un temps de traitement thermique sensiblement égal (voire légèrement supérieur de quelques pourcents) au temps nécessaire pour obtenir la fracture en présence d'un raidisseur afin de s'assurer que les bulles aient atteint leur taille maximale.
Suivant un second exemple, qui constitue une variante du premier, le polymère a été épandu, non pas sur la plaque implantée, mais sur la seconde plaque (récepteur) et mis ensuite en contact avec la première plaque (donneur). Le fait de déposer la couche de polymère sur l'une ou l'autre des plaques n'a pas conduit à des résultats différents.
Des résultats comparables ont été obtenus dans de troisième et quatrième exemples, variantes des deux premiers, dans lesquels la seconde plaque (récepteur) était une plaque de verre (par exemple de type « Borofloat® » 33 de chez Schott).
Suivant un cinquième exemple, des plaques de silicium ont été implantées, également avec de l'hydrogène et du bore, mais avec des conditions différentes : pour l'hydrogène 70 KeV, 5.1016 H+ cm"2 et pour le bore 250 KeV, 1 ,2.1015 cm 2. Des couches de BCB d'épaisseurs différentes ont été déposées sur ces plaques implantées. On peut noter que ces conditions d'implantation ont correspondu à une énergie plus importante que dans les exemples précédents, avec une dose légèrement supérieure. profondeur dimension latérales épaisseur de transfert d'implantation moyennes des polymère (nm)
(nm) cloques (μιτι)
670 7 à 9 200 oui
670 7 à 9 500 «50% 670 7 à 9 1000 <20%
Résultats expérimentaux Les films de BCB ont été séchés (par évaporation du solvant) pendant 5 minutes à 150°C. Ces plaques implantées ont alors été mises en contact, au travers de la couche respective de polymère, avec de secondes plaques, en silicium. Le collage a été assisté par thermocompression pour assurer une bonne mise en contact des plaques. Dans les exemples considérés, cette étape a servi de traitement thermique de fracture, à une température de 300°C pour un traitement pendant 2 heures. Suivant l'épaisseur de polymère, on a observé une fracture, soit sur toute la surface, soit sur une partie seulement, ou pas de fracture. L'épaisseur critique dans cet exemple a ainsi été déterminée comme étant de l'ordre de 400nm pour obtenir un transfert de plus de 98% de la couche mince, ce qui est de l'ordre de 1 :20 de la dimension latérale des cloques observées. L'épaisseur critique est de l'ordre de 500nm pour obtenir un transfert d'au moins 50% de la couche mince.
On peut noter que, lorsqu'on fait varier l'énergie d'implantation par exemple, on modifie la profondeur d'implantation ; en outre, tout autre paramètre étant constant, on constate une modification de la dimension latérale des cloques. Il s'en suit une modification de l'épaisseur critique de polymère. Lorsqu'on augmente la dose d'implantation, on augmente le nombre de défauts, ce qui peut conduire, selon les cas, à une augmentation du nombre de cloques, ou à une augmentation de la dimension latérale des cloques.
Il est à noter que le fait que la fracture ait lieu pendant ou après le traitement thermique de consolidation du collage n'a pas d'effets sur les résultats ; de même, le choix de la température et de la durée du traitement thermique de fracture conduit à des résultats également compatibles avec la corrélation proposée ici entre l'épaisseur critique de la couche de collage en polymère et la taille des cloques sous réserve de respecter la méthodologie précédente de détermination de l'épaisseur critique.
On peut aussi noter que, pour des couches minces d'épaisseur inférieure à 10 micromètres (a fortiori à de l'ordre du micromètre), l'épaisseur critique est inférieure à 500 nm ou 400nm ou 300nm, et au plus égale à la profondeur d'implantation.
Il est à noter que, malgré sa faible valeur, l'épaisseur de la couche de polymère est suffisante pour que cette couche constitue une couche efficace d'isolation. Le procédé de l'invention permet donc d'obtenir une structure de type SOP (Silicium On Polymer) qui est similaire à une structure de type SOI (Silicon On Insulator) à la différence près que la couche isolante est une couche de polymère et non un isolant traditionnel type oxyde de silicium. Les figures 4 à 6 décrivent un autre exemple de réalisation de l'invention permettant, contrairement aux enseignements de l'état de la technique, le transfert d'un film de silicium sur un support souple épais.
Comme précédemment, une plaque de départ (substrat donneur) 1 1 est implantée en sorte de générer une couche fragilisée enterrée 12 (figure 4) délimitant au sein de ce substrat une couche mince 13 à transférer
On génère en surface d'un substrat (receveur) en polymère 14 un film 16 d'une épaisseur suffisante pour que l'empilement de couches ainsi obtenu remplisse la fonction de raidisseur. Par exemple, pour cela, l'épaisseur du polymère 14 est supérieur à 10μηη ou Ι ΟΟμιτι et l'épaisseur du film 16 est comprise entre 2μηη et 10μηη. Le film 16 est réalisé dans un matériau dur.
On épand alors une couche fine de polymère de collage 15 d'épaisseur plus fine que l'épaisseur critique, sur la surface libre du film raidisseur et/ou sur la surface d'une première plaque (donneur).
On assemble (figure 5) le substrat donneur implanté 1 1 au substrat à base de polymère 14 raidi en surface.
On effectue (figure 6) la fracture par traitement thermique de sorte que la couche mince 13 est transférée sur le substrat 14 à base de polymère, en laissant subsister un reliquat de substrat donneur (noté 1 1 ') réutilisable pour de nouveaux cycles de transfert.
Une alternative peut être :
■ De déposer le film de polymère d'épaisseur inférieure à l'épaisseur critique sur le substrat donneur, ■ D'élaborer ensuite le raidisseur sur le film de polymère précédent,
■ De réaliser le collage adhésif avec le substrat receveur de polymère,
« Et d'effectuer la fracture.
Le film raidisseur est avantageusement réalisé en un composé à base de silicium, par exemple un oxyde ou un nitrure (SiO2, SiOx, SiN, Si3N4, SiNx,...) ; il est créé par toute technique appropriée connue en microélectronique, par exemple une technique de dépôt (CVD, pulvérisation, spin glass...) ou de modification de propriétés de surface de polymère (plasma, UV, oxydation de liaisons Si-X...).
A titre d'exemple, on peut réaliser un tel transfert de film de silicium monocristallin sur un substrat souple de polyimide, par exemple en « Kapton® » (ou en PI, PDMS, PET, PAN...) avec l'introduction d'une couche de SiO2 déposée par PECVD comme film raidisseur.
Pour ce faire, on peut suivre la procédure suivante :
■ une plaque de silicium est implantée avec de l'hydrogène (70 KeV, 5.1016 H+ cm-2).
■ on dépose 200nm de BCB par spin-coating sur la face implantée de la plaque de silicium implantée.
■ on dépose 6μηη de SiO2 par PECVD à 150°C sur un substrat de Kapton® d'une épaisseur de 125μηη.
■ on assemble par thermocompression les deux parties ainsi réalisées en mettant en regard les surfaces où ont été déposés l'oxyde et le film de BCB.
■ la fracture est réalisée par un traitement thermique de 300°C pendant 2 heures.
On comprend aisément que la couche de polymère peut être formée de plusieurs sous-couches, l'épaisseur cumulée restant au plus égale au seuil critique défini ci-dessus. La corrélation entre ce seuil et la taille des cloques n'est qu'un exemple de détermination, d'autres approximations pouvant être mises en œuvre.
La fracture essentiellement thermique peut se faire dans une large gamme de température et de durée.
La mesure de la taille des cloques peut aussi être réalisée par microscopie à force atomique, connue sous l'acronyme AFM (Atomic Force Microscopy) ou par profilométrie mécanique. On peut aussi utiliser de la microscopie optique qui suffit pour des tailles de cloques de l'ordre de 10μηη à mesurer avec une résolution de 100nm. Tout autre méthode de mesure suffisamment résolue convient.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de transfert d'une couche mince de silicium monocristallin à partir d'un substrat donneur (1 , 1 1 ) qui est en silicium monocristallin sur au moins une épaisseur, à partir d'une face libre, supérieure à celle de la couche mince à transférer (3, 13), selon lequel :
- on implante des ions d'au moins une espèce donnée au travers de cette face libre en sorte de former, dans le silicium monocristallin, une couche fragile enterrée (2, 12),
- on colle ce substrat donneur, par ladite face libre, à un substrat récepteur (4, 14), au moyen d'une couche de polymère (5, 15), et
- on provoque la fracture de la couche mince vis-à-vis du substrat donneur au niveau de la couche fragile enterrée (2, 12) par un traitement de fracture thermique,
caractérisé en ce que :
- les conditions d'implantation sont telles que l'épaisseur de la couche mince (3, 13) est inférieure à 10 micromètres, et
- l'épaisseur de la couche de polymère (5, 15) est inférieure à un seuil critique défini en fonction de l'énergie et de la dose d'implantation, ce seuil critique étant inférieur ou égal à la plus petite des deux grandeurs suivantes :
• 500 nm, et
l'épaisseur de la future couche mince.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le seuil critique pour l'épaisseur de la couche de polymère est quinze fois plus petit que la dimension moyenne, parallèlement à ladite face libre, des cloques qui sont observées dans un substrat donneur identique, après implantation avec ladite énergie et ladite dose d'implantation et après le même traitement thermique de fracture mais en absence du raidisseur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une énergie d'implantation d'au plus de 70 keV.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'implantation est faite avec des ions hydrogène avec une dose comprise entre 2.1016 H+ /cm2 et 6.1016 H+ /cm2.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de polymère est en benzocyclobutène ou BCB.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement thermique de fracture est effectué à une température d'au moins 300°C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat récepteur comporte un film rigide (16) porté par un substrat de polymère (14) formant un raidisseur.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le film rigide (16) est formée d'un oxyde ou d'un nitrure de silicium sur une épaisseur comprise entre 2 et 10 micromètres.
9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat en polymère est en un matériau différent de celui de la couche de polymère.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le substrat de polymère est en polyimide.
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