FR2864970A1 - Substrat a support a coefficient de dilatation thermique determine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un support composite (10) destiné à recevoir une couche transférée (20) en matériau choisi parmi les matériaux cristallins, afin que l'ensemble forme un substrat pour épitaxie (30), caractérisé en ce qu'il présente un plan de symétrie longitudinal (100) parallèle à ses surfaces principales, et en ce qu'il est constitué de :• une première couche centrale (1) ayant un premier coefficient de dilatation thermique à une température déterminée T, et s'étendant transversalement de part et d'autre du plan de symétrie ; et• au moins une paire de couches latérales (2, 2' ; 3, 3'), les couches de chaque paire ayant l'une vis à vis de l'autre :- des dispositions dans le support composite (10) sensiblement symétriques par rapport au plan de symétrie ;- des deuxièmes coefficients de dilatation thermique à la température T sensiblement identiques l'un à l'autre ; et- des épaisseurs sensiblement identiques l'une à l'autre ;en ce que les matériaux constituant les couches du support composite (10) sont choisis de sorte que le support composite (10) présente un coefficient de dilatation thermique global à la température T proche du coefficient de dilatation thermique du matériau de la couche transférée (20) à la température T.L'invention concerne aussi des procédés de formation de couche utile sur ledit support composite et des structures comprenant des substrats pour épitaxie.
Description
La présente invention concerne un substrat pour l'épitaxie d'une couche
utile en matériau choisi parmi les matériaux semiconducteurs.
Un substrat a des liens étroits avec la couche utile qu'il supporte, et peut ainsi avoir une influence considérable sur la structure de la couche utile, 5 notamment sur plusieurs aspects: Selon un premier aspect, la structure cristalline du substrat pour épitaxie au voisinage de son interface avec la couche utile à faire croître, et plus particulièrement la nature cristalline et le paramètre de maille que le substrat présente à ce niveau, peuvent influencer fortement la structure cristalline de la couche utile.
Cet aspect est particulièrement mis à profit lors d'une épitaxie d'une couche utile sur le substrat, au cours de laquelle le paramètre de maille de la couche utile se réfère au paramètre de maille du substrat.
Pour ne pas générer trop de défauts dans les couches minces à faire croître, le substrat pour épitaxie doit donc avoir au moins en surface un paramètre de maille proche de celui du matériau constituant la couche utile.
Selon un deuxième aspect, le matériau constituant le substrat pour épitaxie ne doit pas avoir un coefficient de dilatation thermique trop différent de celui de la couche utile, aux températures de travail.
On entend par températures de travail , les températures auxquelles est soumis l'ensemble substrat/couche utile lors du process industriel mis en oeuvre, comprenant en particulier la température ambiante, les températures de formation de la couche utile, et d'autres températures de traitements thermiques.
Une trop grande différence de dilatation thermique entre le substrat et la couche utile entraîne dans la couche utile de fortes contraintes internes (en tension ou en compression) qui sont susceptibles de détériorer la qualité structurelle de cette dernière.
Le matériau constituant le substrat pour épitaxie doit donc être choisi 30 pour que le substrat ait un coefficient de dilatation thermique global, aux températures de travail, proche de celui du matériau de la couche utile à faire croître.
Dans le cas d'un substrat massif constitué d'un seul matériau, ces deux propriétés (cristallines et de dilatation thermique) sont indissociables et peuvent 5 ne pas correspondre toutes les deux à l'application visée.
Le choix du matériau de la couche utile à faire croître devient ainsi extrêmement limité aux possibilités de choix du matériau constituant le substrat massif.
Et les applications des composants à réaliser, dont les performances 10 dépendent fortement du matériau et de la structure de la couche utile dans lequel ils sont réalisés, en sont d'autant plus restreintes.
Ainsi un matériau et une structure donnés peuvent être choisis pour la couche utile, dans le but d'obtenir une bande interdite et un paramètre de maille donnés, ce qui est par exemple très recherché dans le domaine des alliages III- V. Des solutions apportées au problème de choix d'un substrat adapté ont été de réaliser des substrats pour épitaxie composites, l'association de plusieurs couches formant une structure cristallographique qui permettent d'adapter un paramètre de maille voulu à l'interface avec la couche utile à former, et/ou de confiner des défauts plastiques.
Des structures multicouches ont ainsi été conçues et exploitées, telles que des structures tampons ou métamorphiques comprenant une succession de plusieurs couches.
Cependant, lors de traitements thermiques, si les différentes couches d'un tel substrat composite ont des coefficients de dilatation thermique différents auxdites températures de travail, elles vont se dilater différemment, et imposer des contraintes de dilatation à la couche qui va être sus-formée (ainsi que peut-être aussi relâcher des contraintes par déformation globale du substrat, faisant ainsi apparaître une flèche).
La difficulté principale qui se pose donc est de trouver un substrat pour épitaxie ayant une structure qui autorise un large choix de matériaux pour la couche utile à épitaxier, et ceci en offrant: É un bon accord de maille avec le matériau de la couche utile à épitaxier; É un coefficient de dilatation thermique proche de celui du matériau de la couche utile à former auxdites températures de travail.
Ce type de substrat est notamment nécessaire à obtenir lorsqu'on souhaite réaliser des composants en matériau III-V, pour des applications par exemple dans l'optoélectronique, pour lesquels le dosage des effets photovoltaïques est commandé par la structure en bandes du matériau III-V.
De manière générale, les substrats connus dans l'état de la technique doivent souvent satisfaire au moins aux deux critères précités pris ensemble.
Les possibilités de choix de substrats pour épitaxie adaptés pour atteindre certaines propriétés de matériaux et de structures des couches minces à faire croître sur leur surface, sont donc restreintes voire nulles dans certains cas.
La présente invention vise selon un premier aspect à améliorer la situation en proposant un support composite destiné à recevoir une couche transférée en matériau choisi parmi les matériaux cristallins, afin que l'ensemble forme un substrat pour épitaxie, caractérisé en ce qu'il présente un plan de symétrie longitudinal parallèle à ses surfaces principales, et en ce qu'il est constitué de: É une première couche centrale ayant un premier coefficient de dilatation thermique à une température déterminée T, et s'étendant transversalement de part et d'autre du plan de symétrie; et É au moins une paire de couches latérales (2, 2' ; 3, 3'), les couches de chaque paire ayant l'une vis à vis de l'autre: / des dispositions dans le support composite (10) sensiblement symétriques par rapport au plan de symétrie; / des deuxièmes coefficients de dilatation thermique à la température T sensiblement identiques l'un à l'autre; et / des épaisseurs sensiblement identiques l'une à l'autre; et en ce que les matériaux constituant les couches du support composite sont choisis de sorte que le support composite présente un coefficient de dilatation thermique global à la température T proche du coefficient de dilatation thermique du matériau de la couche transférée à la température T. D'autres caractéristiques du support composite sont: les matériaux constituant les couches du support composite sont choisis de sorte que le support composite présente un coefficient de dilatation thermique global à plusieurs températures proche du coefficient de dilatation thermique du matériau de la couche transférée à ces températures, - le matériau de la couche supérieure du support composite, qui est destinée à supporter la couche transférée, est choisi de sorte à avoir un paramètre de maille proche de celui du matériau de la couche transférée, - il comprend une couche centrale en SiC et une paire de couches choisies chacune en l'un des matériaux cristallins ou polycristallins suivants: AIN, SiC, Saphir, Si.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé de formation de 20 couche sur ce support composite, caractérisé en ce qu'il comprend: É une croissance cristalline de la couche sur un substrat de croissance autre que le support composite; É collage de la couche et du support composite; É enlèvement du substrat de croissance.
D'autres caractéristiques du procédé de formation de couche sur un support composite sont:: il comprend en outre une réalisation de composants dans la couche, il comprend en outre une croissance cristalline d'une couche utile sur la couche déjà transférée, et - il comprend en outre une réalisation de composants dans la couche utile. Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de formation d'une pluralité de substrats pour épitaxie, comprenant la formation d'une pluralité de couches sur une pluralité desdits supports composite, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à partir d'une plaquette comprenant un substrat de croissance et une structure multicouche sur le substrat de croissance, la structure multicouche comprenant une pluralité de paires de couches constituées chacune de: É une couche à transférer; É une couche intermédiaire sous-jacente à la couche à transférer; et en ce qu'il comprend plusieurs prélèvements de couches dans la structure multicouche, chaque prélèvement comprenant les étapes suivantes: É implantation d'espèces atomiques dans une couche intermédiaire pour y créer une zone de fragilisation au voisinage de la profondeur 15 d'implant; É collage de la couche à transférer à un support composite; É apport d'énergie au niveau de la zone de fragilisation pour détacher la couche à transférer de la structure multicouche; É gravure sélective de la partie de la couche intermédiaire restant sur la 20 couche à transférer détachée réalisant ainsi le substrat pour épitaxie; É enlèvement de matière sur la structure multicouche jusqu'à parvenir à une autre couche à transférer.
D'autres caractéristiques du procédé de formation d'une pluralité de substrats pour épitaxie sont les suivantes: il comprend en outre une formation d'une couche de germination à l'épitaxie d'une nouvelle couche à transférer, sur la structure multi prélèvement, et - il comprend en outre une pluralité de croissances cristallines sur la pluralité de couches transférées, afin de former respectivement une pluralité de couches utiles.
Selon un quatrième aspect, l'invention propose une structure destinée à l'électronique, l'optique ou l'optoélectronique, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat pour épitaxie comprenant un support composite et une couche transférée en matériau choisi parmi les matériaux cristallins.
D'autres caractéristiques de la structure sont: la couche transférée est en GaN, - le support composite a trois couches, et comprend: É une couche centrale en SiC; et É une paire de couches chacune en saphir.
la couche transférée comprend des composants électroniques, la structure comprend en outre une couche utile formée par croissance cristalline sur la couche transférée, et la couche utile comprend des composants électroniques.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de mise en oeuvre de procédés préférés de celle-ci, donnés à titre d'exemple non limitatif et faits en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un premier support composite selon l'invention, le substrat étant ici représenté de façon schématique selon une vue en coupe 20 transversale.
La figure 2 représente un deuxième support compositeselon l'invention, le support compositeétant ici représenté de façon schématique selon une vue en coupe transversale.
La figure 3 représente une répartition de contraintes dans l'épaisseur du 25 premier support composite selon l'invention.
La figure 4 représente un substrat pour épitaxie selon l'invention.
La figure 5 représente un substrat de croissance à partir duquel des couches minces sont prélevées et transférées sur un support composite selon l'invention.
La figure 6 représente un graphe donnant des coefficients de dilatation thermique en fonction des paramètres de maille pour différents matériaux.
Un premier but de l'invention est la réalisation d'un support composite (i.e. comprenant une pluralité de couches) ayant un coefficient de dilatation thermique adapté voisin de celui de la couche cristalline à y transférer (i.e. dans ou sur laquelle seront réalisés des composants pour l'électronique, l'optique ou l'optoélectronique) qu'il supporte, aux températures de travail.
Un deuxième but principal de l'invention est de réaliser un substrat pour épitaxie comportant un support composite supportant une couche qui y a été transférée, cette dernière couche transférée formant un support de croissance cristalline à une couche utile.
Un troisième but principal de l'invention est de pouvoir obtenir beaucoup plus de degrés de liberté, que ce que l'on avait dans l'état de la technique, quant au choix des différents matériaux constituant un substrat pour épitaxie, en y diminuant fortement, voire en y enlevant, les restrictions associées aux risques d'apparition de flèche importante et dont on devait tenir compte dans l'état de la technique.
Ceci permet de choisir les matériaux constituant le substrat dans une gamme plus large de matériaux, le choix se basant de manière fondamentale 20 sur des critères de: É paramètre de maille en surface; et de É coefficient de dilatation thermique global du substrat.
pour la formation en surface d'une couche utile ayant des propriétés cristallographiques et de dilatation thermique souhaitées.
Un quatrième but de l'invention est de proposer une méthode de détermination des matériaux et de la structure d'un substrat qui permette d'envisager la problématique du choix du paramètre de maille séparément de la problématique de la dilatation thermique; Ce qui permet d'agrandir encore les possibilités de réaliser un substrat ayant des propriétés proches de celles que l'on souhaite trouver pour la couche utile à former sur ce substrat.
Un cinquième but est de former à la surface du substrat pour épitaxie selon l'invention une couche utile particulièrement mince, présentant une structure cristalline de qualité, et des contraintes élastiques contrôlées.
En référence à la figure 4, un substrat pour épitaxie 30 selon l'invention a la forme d'une plaquette dont les surfaces sont sensiblement planes. Le substrat pour épitaxie 30 selon l'invention comprend: un support composite 10 présentant un plan de symétrie longitudinal parallèle à ses surfaces principales; une couche transférée 20 sur le support composite 10.
Le support composite 10 selon l'invention est constitué de plusieurs couches.
Les différentes couches constituant le support composite 10 ont typiquement chacune une épaisseur de l'ordre de 1 m à 1000 m, typiquement de l'ordre de 100 m.
En référence à la figure 1, est représenté un support composite 10 selon l'invention permettant de résoudre le problème de différences de dilatation 20 thermique entre substrat pour épitaxie et couche utile à former, ainsi que les problèmes de flèches parfois rencontrés pour les substrats de l'état de la technique.
Ce support composite 10 présente un plan de symétrie géométrique longitudinal 100.
Le support composite 10 est constitué de: É une première couche centrale 1 ayant un premier coefficient de dilatation thermique à une température déterminée T, et s'étendant de façon sensiblement symétrique autour du plan de symétrie 100; et de: É une paire de couches latérales 2 et 2', une couche de chaque paire ayant vis à vis de l'autre couche de la même paire: / une disposition dans le support composite sensiblement symétrique par rapport au plan de symétrie; / un deuxième coefficient de dilatation thermique à la température T sensiblement identique; et / une épaisseur sensiblement identique.
Ce support composite 10 présente une symétrie quant à la configuration des couches par rapport au même plan de symétrie 100 puisqu'il existe autant de couches au-dessus qu'au-dessous du plan 100, et que les couches d'une même paire ont sensiblement les mêmes épaisseurs l'une vis à vis de l'autre.
Il existe en outre une symétrie dans la répartition dans le support composite 10 des dilatations thermiques, à la température T, des matériaux composant les couches par rapport au plan 100, étant donné que la couche 2 a sensiblement le même coefficient de dilatation thermique que la couche 2'.
Les contraintes liées aux différences de dilatations thermiques entre les couches ne peuvent donc pas se relâcher en partie par fléchissement du support composite 10 formant une flèche, étant donné que la couche 2' compense l'asymétrie de dilatation thermique existant entre la couche 1 et la couche 2.
Dans une configuration particulière du support composite 10, la couche 2' ne compense pas parfaitement l'asymétrie de dilatation thermique existant entre la couche 1 et la couche 2, de sorte à former une faible flèche au support composite 10 correspondant de façon sensible à la flèche opposée de la couche à y transférer, de sorte que, lorsque la couche sera transférée, l'ensemble support composite 10 et couche à transférer ait une flèche tendant vers zéro.
Dans tous les cas, des contraintes en cisaillement prennent naissance au niveau de l'interface couche 2' / couche 1 et de l'interface couche 1 / couche 2 30 (elles sont représentées dans la figure 2 par des flèches).
Pour conserver une qualité structurelle de la couche supérieure 2, la différence de dilatation entre couches adjacentes ne doit pas être trop importante sous peine de relaxation d'une partie des contraintes interfaciales dans les couches 1, 2 et 2' par création de défauts plastiques.
Cependant, ces couches 1, 2 et 2' (et notamment la couche 2 qui est destiné à recevoir la couche transférée) ont chacune une épaisseur typique de l'ordre de plusieurs unités voire plusieurs dizaines de microns, et donc une épaisseur apte à confiner ces défauts au niveau de son interface avec la couche centrale 1.
En référence à la figure 3, un graphe représente un exemple de répartition des contraintes internes (en abscisses, notées ff) le long de l'épaisseur du support composite 10 (en ordonnées), à une température T. Les contraintes dans la couche centrale 1, dans la couche supérieure 2 et dans la couche inférieure 2' sont représentées respectivement dans le graphe par les aires AI, A2 et A2'.
Les contraintes internes apparaissant dans une couche correspondent aux contraintes à la libre dilatation du matériau composant cette couche, ces contraintes provenant de la dilatation différente de la couche voisine.
Ainsi, en référence à la figure 4, on voit que: É A2 est sensiblement identique à A2, ; É AI se répartit en deux aires sensiblement identiques, chacune étant de part et d'autre du plan de symétrie 100.
Ce graphe permet donc de mettre en évidence la répartition symétrique des contraintes par rapport au plan de symétrie 100, dans un support composite 10 étant symétrique dans sa configuration en couches.
Avec une telle structure de support composite 10 selon l'invention, on élargit les possibilités de choix des matériaux constituant un support composite 10 à faible flèche, par rapport à un support composite 10 de l'état de la technique pour lequel devaient être prises en compte de façon stricte les différentes dilatations existant entre les différents matériaux le constituant, puisqu'on remplace le problème des différences de dilatation par une solution de dilatation compensée .
En référence à la figure 2, est représenté un support composite 10 à cinq couches selon l'invention dont une couche principale centrale 1 ayant un coefficient de dilatation thermique ai(T) et deux paires de couches 2-2' et 3-3' ayant chacune et respectivement des coefficients de dilatation thermique a2(T) et a3(T), le tout ayant une structure et une configuration en couches sensiblement symétrique par rapport au plan de symétrie 100.
De même que le support composite 10 à trois couches discuté en référence à la figure 1, ce support composite 10 à cinq couches présente une symétrie de dilatation thermique par rapport au plan de symétrie 100.
Ce support composite 10 a donc un coefficient de dilatation adapté à la couche à transférer, ainsi qu'une faible flèche selon l'invention.
De même, des supports composite 10 constitués de plus de cinq couches et présentant cette symétrie de dilatation thermique par rapport au plan de symétrie 100 sont des supports composite selon l'invention.
Le problème de flèche étant résolu par la configuration particulière d'un support composite 10 selon l'invention, le choix des matériaux va essentiellement se fonder sur des critères de paramètre de maille en surface du support composite 10 et de coefficient de dilatation thermique global.
Est appelé ici coefficient de dilatation thermique global le coefficient de dilatation thermique qu'aurait le support composite 10 s'il était formé d'un unique matériau.
La méthode présentée ci-après est une méthode préférée, mais non limitative, selon l'invention pour faire un choix des matériaux et de la configuration des couches composant le support composite 10.
Cette méthode se décompose en deux phases: (a) choix d'une liste de matériaux susceptibles de composer la couche 30 supérieure du support composite 10 qui est destinée à être adjacente à la couche à transférer, basé principalement sur un paramètre de maille suffisamment proche du matériau de la couche à transférer; (b) pour chaque matériau composant la couche supérieure du support composite 10 selon l'étape (a), choix d'une liste de matériaux susceptibles de composer les autres couches du support composite 10, de sorte que le support composite 10 ait au final une dilatation globale aux températures de travail proche de la dilatation du matériau composant la couche à transférer.
Cette méthode de détermination des matériaux et de la structure du support composite 10 permet ainsi d'envisager la problématique du choix du paramètre de maille séparément de la problématique de la dilatation thermique; Ce qui permet d'agrandir encore les possibilités de réaliser un support composite ayant des propriétés proches de celles que l'on souhaite trouver pour la couche à transférer sur ce support composite, et donc pour l'éventuelle couche utile à former par épitaxie sur la couche transférée.
De façon avantageuse, les matériaux constituant les couches du support composite 10 sont en matériaux cristallins.
Or la dilatation d'un matériau cristallin évolue le plus souvent avec les températures de façon linéaire en première approximation.
Le coefficient de dilatation thermique de chaque couche cristalline constituant le support composite 10 reste donc à peu près constant avec les changements de température.
Le coefficient de dilatation thermique global a du support composite 10, correspondant à la dilatation surfacique (ou linéique si la surface du support composite 10 a une symétrie circulaire) du support composite 10 à une température donnée, est calculée pour un nombre N de couches constituant le support composite 10 par une formule linéaire du type: a = f(ai, a2, ... , aN) Cette formule tient aussi compte de la valeur des épaisseurs des couches constituant le support composite 10.
Le coefficient de dilatation thermique global a du support composite 10 évolue donc aussi avec les températures de façon à peu près constante.
En référence à la figure 6, est représenté un graphe ayant en abscisses des valeurs de paramètres de maille exprimées en nanomètres et en ordonnées des valeurs de coefficients de dilatation thermique exprimées en 10-6 K-' Des matériaux cristallins se situant dans le graphe y sont représentés par 10 des points: É blancs pour les matériaux à structure cubique; É noirs pour les matériaux à structure hexagonale.
Ainsi, par exemple, si on souhaite former une couche à transférer en matériau de type GaN cubique (symbolisé GaN(c)), on choisira, conformément à la phase (a) de ladite méthode, une couche supérieure du support composite 10 en saphir ou en MgO.
En phase (b) de ladite méthode, en approximant le coefficient de dilatation global du support composite par une moyenne de la somme des coefficients de dilatation thermique des matériaux constituant le support composite 10, on voit que la moyenne entre les coefficients de dilatation thermique respectifs du 6H-SiC et du saphir donne à peu près le coefficient de dilatation thermique du GaN.
La structure saphir / 6H-SiC / saphir constitue donc un support composite 10 particulièrement adapté à la formation sur ce support composite 10 d'une 25 couche de GaN cubique, puisqu'il possède: É une faible flèche; É un paramètre de maille en surface proche de la couche de GaN; une dilatation thermique globale proche du GaN aux températures de travail.
En outre, la grande robustesse particulière du saphir et du SiC vont permettre de réduire l'épaisseur du support composite 10, par rapport à un substrat composite 10 réalisé en des matériaux moins robustes.
Pour certaines structures finales recherchées, comprenant donc le 5 support composite 10 et la couche transférée 20, il n'y a pas besoin de tenir compte dans ladite méthode de la phase (a).
C'est notamment le cas dans les structures SeOl (acronyme anglo-saxon de Semiconductor On Insulator ) où une couche de matériau isolant sépare le support composite 10 de la couche transférée.
La réalisation d'un support composite 10 selon l'invention est mise en oeuvre avantageusement en deux étapes.
Une première étape de réalisation du support composite 10 consiste à se procurer une plaquette qui servira d'élément de base à cette réalisation, cette plaquette étant avantageusement choisie en matériau massif.
Cette plaquette constitue par exemple ladite première couche du support composite 10.
Une deuxième étape de réalisation du support composite 10 consiste à former les autres couches à partir de la première couche procurée au cours de la première étape, par dépôt (cristallin, amorphe,...), par des techniques de réalisation de céramiques, frittage, etc. Cette formation de couche comprend avantageusement une opération de transfert de la couche à former d'un substrat dit donneur (en matériau massif ou en multicouches) sur une des surfaces d'une couche déjà formée du support composite 10, cette opération se faisant en deux temps successifs: É collage du substrat donneur et d'une couche déjà formée du support composite 10; É enlèvement d'une partie du substrat donneur, la partie restante constituant alors la couche à transférer.
Ledit collage, succédant à une mise en contact intime du substrat 30 donneur avec la couche déjà formée du support composite 10, est avantageusement effectué par adhésion moléculaire entre les deux couches à coller.
Cette technique de collage, ainsi que des variantes, est notamment décrite dans le document intitulé Semiconductor Wafer Bonding (Science and technology, Interscience Technology) par Q. Y. Tong, U. Gôsele et Wiley.
Le collage est accompagné, si nécessaire, d'un traitement approprié des surfaces respectives à coller au préalable et/ou un apport d'énergie thermique.
Ainsi, par exemple, un traitement thermique mis en oeuvre pendant le 10 collage permet de solidifier les liaisons de collage.
Le collage peut aussi être renforcé par une couche de collage intercalée entre les deux substrats à coller.
Cette couche de collage est appliquée sur au moins une des deux surfaces à coller.
L'oxyde de silicium (encore appelé silice ou SiO2) est un matériau que l'on peut choisir pour réaliser une telle couche de collage, sa réalisation pouvant être mise en oeuvre par dépôt d'oxyde ou par oxydation thermique ou par toute autre technique.
Une étape de finition de surface avant et/ou après collage peut être mise en oeuvre, par exemple au moyen d'une des techniques décrites plus haut. Ledit enlèvement de matière utilise préférentiellement une des techniques suivantes, prise seules ou en combinaison: gravure chimique et/ou mécanochimique, polissage, rodage.
On peut par exemple mettre en oeuvre des gravures éventuellementsélectives des matériaux à retirer, selon un procédé de type etch-back . Cette technique consiste à graver ces matériaux par derrière , c'est à dire à partir de la face libre du substrat de croissance de la couche à transférer, pour conserver au final la couche à transférer.
Des gravures par voie humide mettant en oeuvre des solutions de 30 gravure adaptées aux matériaux à enlever peuvent être mises en oeuvre.
Des gravures par voie sèche peuvent également être mises en oeuvre pour enlever de la matière, telles que des gravures par plasma ou par pulvérisation.
La ou les gravures peuvent en outre être seulement chimiques ou 5 électrochimiques ou photoélectrochimiques.
La ou les gravures peuvent être précédées ou suivies par une attaque mécanique, tel un rodage, un polissage, une gravure mécanique ou une pulvérisation d'espèces atomiques.
La ou les gravures peuvent être accompagnées d'une attaque 10 mécanique, tel qu'un polissage éventuellement combiné avec une action d'abrasifs mécaniques dans un procédé CMP.
La partie de la plaquette 10 que l'on souhaite retirer peut ainsi être entièrement enlevée par unique voie chimique ou par voie mécano-chimique.
Cette technique permet notamment de conserver une qualité de surface et une homogénéité d'épaisseur de la couche à transférer proche de celles d'origine.
Ces techniques sont proposées ici à titre d'exemple, mais ne constituent en rien une limitation, l'invention s'étendant à tous types de techniques aptes à enlever de la matière conformément au procédé selon l'invention.
Quelle que soit la technique d'enlèvement de matière choisie une étape de finition de la surface du support composite est avantageusement mise en oeuvre, au moyen par exemple d'une des techniques déjà exposées.
Après formation des différentes couches du support composite 10 selon une de ces techniques, le support composite 10 est alors réalisé.
Une première méthode de réalisation d'un substrat pour épitaxie 30 (tel que par exemple représenté sur la figure 4) comprend une croissance cristalline de la couche à transférer 20 sur le support composite 10, selon par exemple une épitaxie CVD ou MBE. Cette première méthode implique que le substrat composite 10 a au moins sa surface supérieure en matériau cristallin.
Cette épitaxie peut éventuellement être précédée d'une formation d'une couche de germination.
En référence à la figure 4, une couche à transférer 20 en GaN cubique est ainsi épitaxiée sur un support composite 10 constitué d'une structure 5 couche 2' en saphir / couche 1 en 6H-SiC / couche 2 en saphir.
Une deuxième méthode de réalisation d'un substrat pour épitaxie 30 comprend les étapes suivantes: É croissance cristalline de la couche à transférer 20 sur un substrat de croissance autre que le support composite 10; É collage de la couche à transférer 20 et du support composite 10; É enlèvement de matière, la matière à enlever étant ici le substrat de croissance et éventuellement une partie de la couche à transférer 20. Le collage, de même que précédemment, peut être réalisé avec ou sans couche de collage; L'enlèvement de matière peut être réalisé selon une des trois techniques suivantes: Une première technique d'enlèvement de matière comprend: É une formation dans le substrat de croissance de la couche à transférer, d'une interface fragile par formation d'au moins une couche poreuse par anodisation, par implantation d'espèces atomiques, ou par toute autre technique de porosification, tel que décrit par exemple dans le document EP 0 849 788 A2.
É un apport d'énergie à la couche fragile, tel qu'un traitement mécanique, ou autre apport d'énergie, pour réaliser un détachement de la couche à 25 transférer au niveau de la couche fragile.
Pour former une couche fragile au sein du substrat de croissance de la couche à transférer, la couche poreuse est avantageusement formée sur une tranche d'un matériau monocristallin, puis une seconde croissance est réalisée sur la couche poreuse d'une couche de matériau cristallin nonporeux ayant sensiblement le même paramètre de maille que celui de la tranche, ledit substrat de croissance est alors constitué de la tranche, de la couche poreuse et de la couche de Si non-poreux.
Une deuxième technique d'enlèvement de matière, appelée Smart-out , peut aussi être utilisée ici, celle-ci comprenant les étapes suivantes: É une implantation, avant le collage, dans la couche à transférer ou dans son substrat de croissance des espèces atomiques (tels que des ions d'hydrogène ou d'hélium) pour former une zone de fragilisation à une profondeur voisine de la profondeur d'implant; É puis un apport d'énergie, après collage, à la zone de fragilisation, tel qu'un traitement thermique et/ou mécanique, ou autre apport d'énergie, pour réaliser un détachement de la couche à transférer au niveau de la zone de fragilisation.
De façon avantageuse, on soumet la zone de fragilisation à un 15 traitement thermique pendant ou après implantation pour d'avantage la fragiliser.
Cette technique d'enlèvement de matière, non limitative, permet de retirer rapidement et en bloc une partie importante du substrat de croissance de la couche à transférer.
Elle permet en outre de pouvoir réutiliser la partie retirée de ce substrat de croissance dans un autre procédé, comme par exemple un procédé selon l'invention.
La technique Smart-cut connue est notamment décrite dans un certain nombre d'ouvrages traitant de techniques de réduction de plaquettes, tels que par exemple Silicon-On-Insulator Technology: Materials to VLSI, 2nd Edition de Jean-Pierre Colinge chez Kluwer Academic Publishers , p. 50 et 51).
Une troisième technique d'enlèvement de matière pouvant être employée est une gravure par l'arrière chimique ou mécano-chimique.
Une technique d'enlèvement de matière préférée selon l'invention comprend la mise en oeuvre d'un de ces trois types d'enlèvement de matière, suivi d'une gravure sélective entre le matériau du substrat de croissance restant et la couche à transférer 20 permettant ainsi d'enlever la matière restante sur la couche à transférer 20.
La gravure chimique sélective peut être mise en oeuvre par voie humide en employant une solution de gravure adaptée aux matériaux de gravure.
La gravure chimique sélective peut être mise en oeuvre par voie sèche, telle qu'une gravure par plasma ou par pulvérisation.
La gravure peut en outre être uniquement chimique, électrochimique ou photo électrochimique.
La couche à transférer 20 constitue dans ce cas de figure une couche d'arrêt à la gravure de la partie restante du substrat de croissance après enlèvement de matière selon l'une des trois techniques.
De manière générale, la sélectivité de gravure d'une couche B vis à vis d'une couche A se quantifie par un facteur de sélectivité lié au rapport: vitesse de gravure de la couche A vitesse de gavure de la couche B Les espèces chimiques de gravure doivent donc être choisies de sorte à maximiser ce rapport, dans le cas où la couche A est la couche à transférer et la couche B est la partie restante du substrat de croissance.
Ainsi, la couche à transférer 20 sera très peu voire ne sera pas du tout 20 gravée par ces espèces chimiques.
En mettant en oeuvre une telle technique préférée selon l'invention, on peut ainsi former sur le support composite 10 une couche particulièrement mince, avec une structure voisine de la structure initiale obtenue lors de sa croissance sur le substrat de croissance.
En mettant en oeuvre une telle technique, on peut former sur le support composite 10 une couche 20 si mince qu'elle ait une structure sensiblement élastique de sorte à ce qu'elle suive les moindres déformations du support composite 10.
Une couche de 10 nanomètres environ peut être formée ainsi.
Dans ce dernier cas de figure, un support composite 10 selon l'invention est très avantageux, notamment pour la faible flèche qu'il présente.
En référence à la figure 5, un procédé de réalisation d'une pluralité de substrat pour épitaxie 30 (tel que par exemple représenté sur la figure 4) par multiprélèvement de couches minces 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F et 20G dans une structure multicouche I épitaxiée sur un substrat de croissance 30, afin de les transférer chacune sur un support composite 10 selon l'invention, y est représenté.
La structure multicouche I comprend les couches minces 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F et 20G en alternance respective avec des couches intermédiaires 40A, 40B, 40C, 40D, 40E, 40F et 40G, l'ensemble ayant été avantageusement épitaxié couche après couche, à partir du substrat de croissance 50, par des techniques telles que des croissances par CVD ou MBE.
Un procédé multiprélèvement préféré selon l'invention, comprend une étape comprenant les opérations suivantes: (A) implantation d'espèces atomiques dans la couche intermédiaire 40G afin d'y créer une zone de fragilisation 101 au voisinage de la profondeur d'implant; (B) collage de la couche 20G avec un support composite 10 selon l'invention; (C) apport d'énergie au niveau de la zone de fragilisation 101 pour détacher la couche à transférer 20G et la partie de la couche intermédiaire 40G située entre la zone de fragilisation 101 et la couche à transférer 20G, et ainsi effectuer un prélèvement de la couche à transférer 20G;; (D) gravure sélective de la partie restante de la couche intermédiaire 40G sur la couche à transférer 20G détachée et réaliser ainsi un premier substrat pour épitaxie 30; 25 (E) enlèvement de la partie restante de la couche intermédiaire 40G, afin de recycler la structure multicouche, l'enlèvement pouvant par exemple être fait par gravure sélective.
Une structure multicouche I' finalement obtenue est alors constituée des 5 couches 20F/40F/20E/40E/20D/40D/20C/40C/20B/40B/20A/40A.
Des étapes sensiblement identiques à l'étape précédente peuvent alors être mises en oeuvre, pour: prélever respectivement et successivement les couches minces 20F, 20E, 20D, 20C, 20B et 20A par rapport aux zones de fragilisation respectives 102, 103, 104, 105, 106 et 107 pour les transférer respectivement sur des deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième supports composite 20, de sorte à former respectivement des deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième substrats pour épitaxie 30; É recycler respectivement les structures multicouches après prélèvement afin qu'un prochain prélèvement soit possible.
Cette structure multicouches I est particulièrement intéressante à utiliser lorsque la formation d'une couche à transférer 20 requiert un substrat de croissance 50 complexe à réaliser, tel qu'un substrat de croissance 50 comprenant des couches métamorphiques.
Avec ce procédé préféré multiprélèvement, un tel substrat de croissance 50 est utilisé pour plusieurs prélèvements.
Et il peut donc ainsi être rentabilisé, notamment au niveau du coût économique qu'un tel substrat de croissance 50 représente.
Dans une configuration encore plus avantageuse, ce substrat de croissance 40 est protégé par une couche d'arrêt à une gravure chimique sélective de la couche inférieure de la structure multicouche I, ce qui permettrait, une fois la structure multicouche I consommée entièrement par les différents prélèvements et recyclages, de lisser la surface du substrat de croissance 40 par une gravure sélective adaptée, et de reprendre éventuellement la formation d'une autre structure multicouche I pour d'autres multiprélèvements.
Optionnellement, des composants électroniques ou optoélectroniques peuvent être réalisés dans la couche à transférer 20, avant ou après transfert 5 de couche.
Optionnellement, une croissance cristalline d'une couche utile (non représentée) est réalisée sur la couche transférée 20 du substrat pour épitaxie 30.
Des composants électroniques ou optoélectroniques peuvent être réalisés dans cette couche utile, avant ou après transfert de couche.
La présente invention est particulièrement adaptée pour des alliages constituant la couche à transférer 20 choisis parmi la famille des matériaux III-V ou des matériaux II-VI, mais peuvent aussi s'appliquer à des alliages IV-IV.
Dans les couches en matériaux cristallins ou semiconducteurs présentées dans ce document, d'autres constituants peuvent y être ajoutés, tel que du carbone avec une concentration de carbone ou de diamant dans la couche considérée sensiblement inférieure ou égale à 50 % ou plus particulièrement avec une concentration inférieure ou égale à 5 %.
Le support composite 10 peut être formé de tous types de matériaux susceptibles, en combinaison, d'atteindre lesdites propriétés physiques du substrat composite (notamment un coefficient de dilatation thermique adapté à la couche à y transférer).
II est à préciser que dans le cas de matériaux en alliage, les alliages choisis peuvent être binaires, ternaires, quaternaires ou de degré supérieur.
Claims (1)
- 23 REVENDICATIONS1. Support composite (10) destiné à recevoir une couche transférée (20) en matériau choisi parmi les matériaux cristallins, afin que l'ensemble forme un substrat pour épitaxie (30), caractérisé en ce qu'il présente un plan de symétrie longitudinal (100) parallèle à ses surfaces principales, et en ce qu'il est constitué de: É une première couche centrale (1) ayant un premier coefficient de dilatation thermique à une température déterminée T, et s'étendant transversalement de part et d'autre du plan de symétrie; et É au moins une paire de couches latérales (2, 2' ; 3, 3'), les couches de chaque paire ayant l'une vis à vis de l'autre: / des dispositions dans le support composite (10) sensiblement symétriques par rapport au plan de symétrie; / des deuxièmes coefficients de dilatation thermique à la température T sensiblement identiques l'un à l'autre; et / des épaisseurs sensiblement identiques l'une à l'autre; et en ce que les matériaux constituant les couches du support composite (10) sont choisis de sorte que le support composite (10) présente un coefficient de dilatation thermique global à la température T proche du coefficient de dilatation thermique du matériau de la couche transférée (20) à la température T. 2. Support composite selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les matériaux constituant les couches du support composite (10) sont choisis de sorte que le support composite (10) présente un coefficient de dilatation thermique global à plusieurs températures proche du coefficient de dilatation thermique du matériau de la couche transférée (20) à ces températures.3. Support composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la couche supérieure du support composite (10) , qui est destinée à supporter la couche transférée(20) , est choisi de sorte à avoir un paramètre de maille proche de celui du matériau de la couche transférée (20).4. Support composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une couche centrale en SiC et une paire de couches choisies chacune en l'un des matériaux cristallins ou polycristallins suivants: AIN, SiC, Saphir, Si.5. Procédé de formation de couche sur un support composite (10) conforme à une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: É une croissance cristalline de la couche (20) sur un substrat de croissance (50) autre que le support composite; É collage de la couche et du support composite (10) ; É enlèvement du substrat de croissance (50).9. Procédé de formation de couche sur un support composite conforme à la 20 revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une réalisation de composants dans la couche (20).10. Procédé de formation de couche sur un support composite conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une croissance 25 cristalline d'une couche utile sur la couche (20) déjà transférée.11. Procédé de formation de couche sur un support composite selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une réalisation de composants dans la couche utile.9. Procédé de formation d'une pluralité de substrats pour épitaxie comprenant la formation d'une pluralité de couches sur une pluralité de supports composite chacun conforme à une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à partir d'une plaquette comprenant un substrat de croissance (50) et une structure multicouche sur le substrat de croissance, la structure multicouche comprenant une pluralité de paires de couches constituées chacune de: É une couche à transférer (20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G) ; É une couche intermédiaire sous-jacente (40A, 40B, 40C, 40D, 40E, 40F, 40G) à la couche à transférer; et en ce qu'il comprend plusieurs prélèvements de couches dans la structure multicouche, chaque prélèvement comprenant les étapes suivantes: É implantation d'espèces atomiques dans une couche intermédiaire pour y créer une zone de fragilisation au voisinage de la profondeur d'implant; É collage de la couche à transférer à un support composite (10); É apport d'énergie au niveau de la zone de fragilisation pour détacher la couche à transférer de la structure multicouche; É gravure sélective de la partie de la couche intermédiaire restant sur la couche à transférer détachée, réalisant ainsi le substrat pour épitaxie (30) ; É enlèvement de matière sur la structure multicouche jusqu'à parvenir à une autre couche à transférer.10. Procédé de formation d'une pluralité de substrats pour épitaxie selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une formation d'une couche de germination à l'épitaxie d'une nouvelle couche à transférer, sur la structure multicouche.11. Procédé de formation d'une pluralité de substrats pour épitaxie selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de croissances cristallines sur la pluralité de couches transférées, afin de former respectivement une pluralité de couches utiles.12. Structure destinée à l'électronique, l'optique ou l'optoélectronique, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat pour épitaxie (30) qui comprend un support composite (10) conforme à l'une des revendications 1 à 4 et une couche transférée (20) en matériau choisi parmi les matériaux cristallins.13. Structure selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la couche transférée (20) est en GaN.14. Structure selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le support composite (10) est à trois couches, et comprend: É une couche centrale (1) en SiC; et É une paire de couches (2, 2') chacune en saphir.15. Structure selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche transférée (20) comprend des composants électroniques.16. Structure selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une couche utile formée par croissance cristalline sur 25 la couche transférée (20).17. Structure selon la revendication précédente, caractérisée en ce la couche utile comprend des composants électroniques.
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