FR2961719A1 - Procede de traitement d'une piece en un materiau compose - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de traitement d'une pièce(1) en un matériau composé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : a) la modification localisée des propriétés optiques d'absorption dans une région enterrée de la pièce (1), de sorte à y créer une couche enterrée (2) différenciée, c'est-à-dire dont les propriétés optiques d'absorption sont différentes de celle du reste de la pièce, b) l'application à au travers d'une surface de la pièce (1) d'un flux lumineux (F) présentant : - une longueur d'onde choisie de telle sorte que ladite couche enterrée (2), modifiée optiquement, absorbe ladite longueur d'onde, tandis que le reste de la pièce (1) soit sensiblement transparent pour ladite longueur d'onde, et - une densité d'énergie et une durée d'application du flux lumineux choisis de sorte à échauffer sélectivement, suite à l'absorption de ladite longueur d'onde, la couche modifiée optiquement.

Description

i DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de traitement d'une pièce ou substrat en un matériau composé, c'est-à-dire constitué d'au moins deux éléments chimiques différents.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les semi-conducteurs du type III-N, c'est-à-dire de formule générale Al GayIni_X_yN où 0<x<l, 0<y<l et x+y<l, et en particulier le GaN, présentent des caractéristiques qui les rendent très attractifs pour le domaine optoélectronique, les composants de puissance et les applications radiofréquence. Cependant, le développement de ces applications est freiné par des limites technico-économiques des substrats. En effet, la réalisation de dispositifs repose généralement sur le transfert sur un substrat support d'une couche mince prélevée dans un substrat donneur, qui est un substrat massif en matériau III-N de haute qualité et adapté pour l'application visée. Le procédé Smart CutTM est notamment une technique de transfert bien connue, qui consiste d'une manière générale à implanter une dose d'espèces atomiques ou ioniques dans un substrat donneur, de manière à y créer une zone de fragilisation à une profondeur déterminée, délimitant ainsi la couche mince à transférer, à coller le substrat donneur sur un substrat support, ou substrat receveur, et à provoquer la fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation, permettant ainsi le détachement de ladite couche mince collée au substrat receveur. Toutefois, dans le cas de substrats en matériau III-N, l'implantation requiert des doses d'espèces atomiques ou ioniques qui sont cinq à dix fois plus élevées que dans le silicium, ce qui induit un coût du procédé sensiblement plus élevé. Une des applications visées pour la présente invention est notamment de développer un procédé de traitement d'une pièce en matériau composé permettant ultérieurement de détacher une couche mince d'un substrat de matériau III-N qui ne présente pas les limitations des procédés existants et soit moins onéreux.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un procédé qui comprend les étapes successives suivantes : a) la modification localisée des propriétés optiques d'absorption dans une région enterrée de la pièce, de sorte à y créer une couche enterrée différenciée, c'est-à-dire dont les propriétés optiques d'absorption sont différentes de celle du reste de la pièce, b) l'application à au travers d'une surface de la pièce d'un flux lumineux présentant : - une longueur d'onde choisie de telle sorte que ladite couche enterrée, modifiée optiquement, absorbe ladite longueur d'onde, tandis que le reste de la pièce soit sensiblement transparent pour ladite longueur d'onde, et - une densité d'énergie et une durée d'application du flux lumineux choisis de sorte à échauffer sélectivement, suite à l'absorption de ladite longueur d'onde, la couche modifiée optiquement. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé : - l'étape a) comprend l'augmentation du coefficient d'absorption de la couche enterrée par rapport au coefficient d'absorption du reste de la pièce ; - l'étape a) comprend une implantation de particules dans la pièce ; - lesdites particules implantées sont des ions légers ; - lesdits ions sont des ions H+ ; - lesdits ions sont des ions He+ ; - lesdits ions sont des ions Li+. - la dose implantée est comprise entre 1014 et 2.1016 atomes.cm 2 ; - entre l'étape a) et l'étape b), ou après l'étape b), on rend solidaire la pièce d'une autre pièce ; - l'autre pièce est sensiblement transparente à la longueur d'onde du flux lumineux, et en ce que l'on applique le flux lumineux à travers l'autre pièce ; - ledit matériau composé est un matériau du groupe III-V ; - la composition dudit matériau composé est du type AlxGaylnl-x- yN où 0<x<l, 0<y<l et x+y<1 ; - ledit matériau est un matériau piézoélectrique tel que le Niobate de 35 Lithium, le Titano-Zirconate de Plomb, un alliage, un verre, une solution solide, en particulier hors d'équilibre thermodynamique ; - la pièce est un substrat en un matériau composé semi-conducteur pour l'industrie électronique, optique ou optoélectronique et en ce qu'après l'étape b) on applique une contrainte thermique et/ou mécanique à la couche enterrée, de manière à provoquer le détachement d'une couche située entre la surface du substrat et la couche enterrée.
DESCRIPTION DES FIGURES D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lumière de la description détaillée qui va suivre, en référence 10 aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre la formation d'une couche enterrée, modifiée optiquement, dans un substrat ; - la figure 2 illustre l'irradiation du substrat contenant ladite couche enterrée par un flux lumineux ; 15 - la figure 3 illustre le collage du substrat sur un support ; - la figure 4 illustre le profil de défauts générés par les particules lors de leur implantation au sein du substrat. Autrement dit, cette figure présente, en fonction de la profondeur, le nombre de collisions, dans une couche de 1 À d'épaisseur, provoquées par un ion incident et susceptibles de conduire à un défaut. 20 Ce graphe est donc représentatif de la forme du profil de défauts après l'étape d'implantation.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention s'applique à toute pièce en un matériau composé, 25 cristallin ou non, dont les propriétés optiques d'absorption (notamment, le coefficient d'absorption optique dans une plage donnée de longueurs d'onde, ou la partie imaginaire de l'indice de réfraction) sont susceptibles d'être modifiées dans une zone localisée par une implantation de particules. Le matériau composé doit être également susceptible de se décomposer dans cette zone sous l'effet d'un 30 apport d'énergie par un flux lumineux dans et au voisinage de cette zone. Par "matériau composé", on entend un matériau constitué d'au moins deux éléments. Par "décomposition" on entend une modification de la structure intime du matériau, qui peut consister, selon le matériau, en une séparation de 35 phases, une fragilisation, la création de nouvelles phases, (la création d'inclusions, le changement de structure cristalline au moins partielle, etc.).
Les matériaux composés sont des matériaux constitués d'au moins de deux types d'atomes. Parmi lesdits matériaux composés, on peut citer notamment les semi-conducteurs composés III-V, et notamment les nitrures (c'est-à-dire les composés III-N, de formule générale Al GayIni_X_yN où 0<x<l, 0<y<1 et x+y<l), mais aussi les matériaux piézoélectriques (Niobate de lithium, Titano-Zirconate de Plomb, ...) les alliages, les verres, les solutions solides, en particulier hors d'équilibre thermodynamique. Dans le présent texte, le terme "pièce" couvre non seulement un substrat pouvant être utilisé dans l'industrie électronique, optique ou optoélectronique, mais aussi un lingot, une boule ou tout autre objet présentant une face au travers de laquelle sera réalisée l'implantation, dont l'amplitude de la rugosité est significativement inférieure à la profondeur de pénétration des ions. Dans l'exemple non limitatif décrit ci-dessous en référence aux figures 1 à 3, on considère que la pièce 1 à traiter est un substrat en un matériau de composition Al GayIn1_X_yN où 0<x<l, 0<y<1 et x+y<l. Toutefois, comme exposé plus haut, l'invention s'applique également à une pièce se présentant sous une forme autre qu'un substrat, et en tout matériau composé. Comme on peut le voir à la figure 1, une première étape du procédé 20 comprend la modification des propriétés optiques d'absorption d'une zone enterrée formant couche enterrée 2 du substrat 1. Par "enterrée" on entend que la couche 2 ne s'étend pas directement sous la surface du substrat mais qu'elle est située entre deux plans parallèles à la surface du substrat, situés chacun à une profondeur non nulle à partir de la surface 25 du substrat. Autrement dit, cette couche enterrée n'affleure pas à la surface du substrat et les propriétés optiques d'absorption ne sont pas significativement modifiées en dehors de cette couche. De préférence, dans cette première étape, on augmente le coefficient d'absorption de la zone devenant la couche enterrée 2 par rapport au coefficient 30 d'absorption du reste du substrat 1. A cet effet, on implante des particules 3 dans le substrat 1, les paramètres de l'implantation (essentiellement la nature des ions, la dose et l'énergie) étant déterminés en fonction de l'épaisseur et de la profondeur de la couche enterrée 2 que l'on souhaite former et de la valeur du coefficient 35 d'absorption visée.
Ainsi, les particules implantées sont de préférence des ions légers, gazeux ou non, tels que des ions hélium, hydrogène ou lithium.
Les ions relativement lourds tels que le lithium, pour une profondeur donnée, nécessitent des énergies bien plus élevées que l'hydrogène par exemple.
Mais ils sont beaucoup plus efficaces pour créer des défauts et ainsi modifier le coefficient d'absorption
La dose implantée est typiquement comprise entre 1014 et 2.1016 _2 ions.cm .
On notera à cet égard qu'il s'agit d'une dose nettement inférieure à
celle utilisée pour fragiliser un substrat de silicium pour la mise en oeuvre d'un procédé de type Smart CutTM, où la dose habituelle est supérieure à 1017 ions.cm2, dans les matériaux composés III V.
Le fait de choisir des ions "légers" permet que l'énergie dispensée à l'intérieur du matériau soit pour l'essentiel de l'énergie déposée sous forme de
freinage électronique, qui n'induit pas de défauts dans l'épaisseur traversée, sauf en fin de parcours où les particules transfèrent une partie significative de leur énergie par chocs nucléaires, créant des défauts.
Dans ces conditions, et comme on peut le voir sur le graphe de la figure 4 (l'axe des abscisses indiquant la profondeur (en µm) à partir de la surface
du substrat à travers laquelle l'implantation est effectuée, et l'axe des ordonnées indiquant le nombre de défauts), la forme du profil de défauts formés présente une amplitude croissante à partir de la surface, qui se transforme en un pic net P, à une profondeur voisine de la profondeur cible. Plus précisément cette figure présente, en fonction de la profondeur, le nombre de collision, dans une couche de 1 A
d'épaisseur, provoquées par un ion incident et susceptibles de conduire à un défaut. Ce graphe est représentatif de la forme du profil de défauts après l'étape d'implantation.
Lors de l'implantation, il est préférable que la température du substrat ne s'élève pas trop, pour éviter les phénomènes d'auto-guérison qui
rendraient l'implantation moins efficace au regard du changement des propriétés optiques de la couche enterrée. On choisit ainsi les conditions d'implantation pour que la température du substrat reste préférentiellement dans une plage de température peu élevée par exemple entre la température ambiante et 200°C.
Une telle implantation des particules 3 a pour effet de créer des
défauts au niveau de la couche enterrée 2 qui se constitue, qui correspond sensiblement à la région de fin de parcours des particules 3, tandis que la région 4 traversée par les particules 3, entre la surface du substrat et la couche enterrée 2, n'est pas perturbée de manière significative et conserve donc sensiblement ses propriétés optiques initiales. Dans le cas où le matériau est un semi-conducteur cristallin, un des 5 effets possibles des dits défauts dans la couche enterrée est de créer des sous-niveaux à l'intérieur de la bande interdite du semi-conducteur. Ces défauts et les perturbations associées génèrent une augmentation du coefficient d'absorption de la couche enterrée, dans une mesure qui dépend de la dose implantée. D'une manière générale, plus la dose implantée est importante, plus 10 les propriétés optiques sont modifiées. Pour une très forte dose implantée, un effet de saturation peut apparaitre. Par conséquent, l'homme du métier choisira la dose adéquate en fonction du matériau du substrat pour obtenir la variation souhaitée du coefficient d' absorption. 15 A cet effet, il pourra faire des essais d'implantation avec différentes doses et mesurer le coefficient d'absorption en résultant au moyen d'instruments connus, tels qu'un spectrophotomètre par exemple. De manière préférée, l'épaisseur de la couche enterrée 2 est d'au moins 0,1 micromètre, et son coefficient d'absorption est compris entre 1000 et 20 50000 cm-'. Cette première étape du procédé a donc permis de "marquer" c'est-à-dire délimiter localement, dans l'épaisseur du substrat 1, une couche enterrée 2 qui se distingue du reste du substrat 1 par des propriétés optiques différentes. On précise que la couche enterrée 2 est initialement dans le même 25 matériau que le même matériau que le reste du substrat 1, dont elle constitue avant le traitement une région, qui donnera lieu, après traitement, à une couche distincte. La profondeur de la couche 2 dont les propriétés optiques sont notablement modifiées et son épaisseur doivent être telles qu'elle soit réellement enterrée, c'est- à-dire qu'elle ne s'étende pas jusqu'à la surface libre du composé. 30 Il est possible, après cette première étape de traitement, d'épaissir le substrat 1 c'est-à-dire de lui donner une épaisseur plus substantielle, par exemple par une épitaxie du même matériau que celui du substrat 1, voire d'un matériau différent mais dont le paramètre de maille s'accorde avec celui du matériau du substrat 1. Cet "épaississement" va conduire à enterrer encore plus profondément, a 35 posteriori, la couche 2 modifiée optiquement.
Ce dépôt doit être "transparent" à la lumière ainsi qu'on l'expliquera ci-après et doit être formé par un procédé qui n'a pas d'impact sur la modification du coefficient d'absorption réalisée précédemment. En référence à la figure 2, on irradie la surface du substrat 1 avec un flux lumineux F présentant une longueur d'onde choisie de telle sorte que la couche enterrée 2 absorbe ladite longueur d'onde tandis que le reste du substrat (couche 4), compris entre la surface et la dite couche enterrée dont les propriétés optiques ont été modifiées, est sensiblement transparent à ladite longueur d'onde. Par "sensiblement transparent", on entend le fait que le substrat 1 est éventuellement susceptible d'absorber une faible quantité du flux lumineux mais que cette faible absorption éventuelle ne générerait, durant le temps nécessaire à l'irradiation de la couche enterrée qu'un faible échauffement de la partie du substrat traversé et plus précisément limité à une température bien inférieure à la température de décomposition du matériau. De plus on entend que la modification des propriétés optiques de la couche 4 du substrat, du fait de cette élévation de température, ne perturbe pas sensiblement le passage du flux lumineux qui atteint la zone enterrée 2. En revanche, le flux lumineux présente une densité d'énergie et une durée de d'interaction choisies de sorte que l'absorption de la longueur d'onde par 20 la couche enterrée 2 conduise à un échauffement de cette couche. Le flux lumineux F peut présenter toute longueur d'onde appropriée en fonction du coefficient d'absorption de la couche enterrée 2, et peut donc appartenir au domaine du visible, de l'infrarouge ou de l'ultraviolet. Le flux lumineux F peut être impulsionnel, c'est à dire constitué 25 d'impulsions lumineuses réparties dans le temps, ou continu. Dans ce dernier cas, l'irradiation de la surface du substrat 1 sera préférentiellement réalisée par balayage du flux lumineux, de telle sorte qu'un point donné de sa surface reçoive le flux lumineux, sous formes d'impulsions réparties dans le temps, De façon générale, on choisira préférentiellement que l'interaction 30 du flux lumineux avec la zone enterrée 2 soit sensiblement adiabatique, c'est-à-dire de telle sorte que l'élévation de température soit sensiblement limitée à la zone où le flux lumineux dépose son énergie, (qui est aussi la zone où les propriétés optiques ont été modifiées). Pour cela, on choisira les paramètres du flux lumineux de telle sorte 35 que la durée d'interaction nécessaire soit la plus courte possible.
Une règle simple pour fixer l'ordre de grandeur est par exemple de choisir la durée tau d'interaction de telle sorte que la longueur de diffusion thermique correspondant à cette durée T (tau) soit inférieure ou du même ordre que l'épaisseur de la zone 2 dont les propriétés optiques ont été modifiées.
Par exemple, avec une diffusivité thermique de 0,1 cm /s et une épaisseur de couche 2 optiquement modifiée de 500 nm et de coefficient d'absorption supérieure à 20000cm 1 rendant cette couche absorbante pour la quasi-totalité du flux incident, on choisira T (tau) tel que D ti =500nm, ce qui donne pour T (tau), la valeur de 25 nanosecondes, D étant le coefficient de diffusion thermique. Pour plus de précisions, si souhaité, une simulation rapide avec un logiciel commercial en 2D, par exemple, permet d'affiner très rapidement cette valeur. Connaissant l'épaisseur de la couche 2, on connaît alors le volume du matériau qui reçoit l'énergie lumineuse, et on en déduit, au travers de la capacité calorifique la densité d'énergie volumique nécessaire, la densité énergétique du flux lumineux dont on a besoin pour atteindre la température souhaitée. Par exemple, dans le cas précédent, avec une épaisseur de 500nm, où la capacité calorifique serait de 1J/(cm3x°C) et la température à atteindre 500°C 20 au dessus de la température ambiante, on procède au calcul suivant : Pour un volume de section d'un cm2 le volume concerné est alors de (lori x 500nm) soit 5 x 10 cm3. L'énergie volumique nécessaire pour porter ce matériau à 500°C au-delà de l'ambiante est donc : 500°CxlJ/(cm3x°C) = 500J/cm3. 25 L'énergie nécessaire est donc 500x5x10-7 = 2,5x10-4J, ce qui correspond donc à un flux lumineux de densité d'énergie de 2,5x10-4 J /cm 2. Cette énergie étant apportée en 25 nanosecondes (ils), le flux de puissance requis a donc une valeur de (2,5x10-4 J/cm2/25x10-9 = lOkW/cm . Ce flux lumineux peut être obtenu au moyen d'un laser. 30 Le flux lumineux peut être appliqué sur la face du substrat à travers laquelle a eu lieu l'implantation des particules 3, mais aussi, de manière alternative, par la face opposée du substrat. Selon un mode particulier de réalisation, une face du substrat 1 peut être, après l'implantation, rendue solidaire d'une autre pièce 5, comme le montre la 35 figure 3.
Cette pièce 3 peut avoir par exemple une fonction de support rigide ou souple, notamment lorsque le détachement ultérieur d'une couche du substrat est envisagé. Dans ce cas, l'irradiation par le flux lumineux peut avoir lieu sur la face libre du substrat, ou bien sur la face libre et exposée de ladite pièce 5, si celle-ci est également sensiblement transparente à la longueur d'onde du flux lumineux. Si l'échauffement de la couche enterrée 2 résultant de l'application du flux lumineux est suffisamment intense, on produit au sein de cette couche, au moins partiellement, une décomposition du matériau, ou une séparation de phases, une fragilisation, la création de nouvelles phases, etc. Par exemple, dans le cas du GaN, il a été observé qu'une élévation de température au-delà d'environ 900°C environ conduisait à une décomposition se traduisant par l'apparition d'une phase métallique de gallium et d'une phase gazeuse d'azote.
De manière particulièrement avantageuse, cette modification peut être mise à profit pour fragiliser le substrat 1 au niveau de la couche enterrée 2, puis pour détacher du substrat 1, la couche 4 qui est située entre la surface du substrat et la couche 2. L'étape de détachement peut nécessiter l'apport d'énergie thermique 20 et/ou mécanique, par des moyens bien connus de l'homme du métier.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'une pièce(1) en un matériau composé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : a) la modification localisée des propriétés optiques d'absorption dans une région enterrée de la pièce (1), de sorte à y créer une couche enterrée (2) différenciée, c'est-à-dire dont les propriétés optiques d'absorption sont différentes de celle du reste de la pièce, b) l'application à au travers d'une surface de la pièce (1) d'un flux lumineux (F) présentant : - une longueur d'onde choisie de telle sorte que ladite couche enterrée (2), modifiée optiquement, absorbe ladite longueur d'onde, tandis que le reste de la pièce (1) soit sensiblement transparent pour ladite longueur d'onde, et - une densité d'énergie et une durée d'application du flux lumineux choisis de sorte à échauffer sélectivement, suite à l'absorption de ladite longueur d'onde, la couche modifiée optiquement.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape a) comprend l'augmentation du coefficient d'absorption de la couche enterrée (2) par rapport au coefficient d'absorption du reste de la pièce (1).
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape a) comprend une implantation de particules dans la pièce (1).
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules implantées sont des ions légers.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits ions sont des ions H+.
  6. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que 25 lesdits ions sont des ions He+.
  7. 7. 1. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits ions sont des ions Li+.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la dose implantée est comprise entre 1014 et 2.1016 atomes.cm 2. 30
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'entre l'étape a) et l'étape b), ou après l'étape b), on rend solidaire la pièce (1) d'une autre pièce (5). 2961719 ii
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'autre pièce (5) est sensiblement transparente à la longueur d'onde du flux lumineux, et en ce que l'on applique le flux lumineux à travers l'autre pièce (5).
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que ledit matériau composé est un matériau du groupe III-V.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la composition dudit matériau composé est du type Al GayIni_X_yN où 0<x<l, 0<y<1 et x+y<1.
  13. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le 10 fait que ledit matériau est un matériau piézoélectrique tel que le Niobate de Lithium le Titano-Zirconate de Plomb, un alliage, un verre, une solution solide, en particulier hors d'équilibre thermodynamique.
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce (1) est un substrat en un matériau composé semi-conducteur pour 15 l'industrie électronique, optique ou optoélectronique et en ce qu'après l'étape b) on applique une contrainte thermique et/ou mécanique à la couche enterrée (2), de manière à provoquer le détachement d'une couche (4) située entre la surface du substrat (1) et la couche enterrée (2). 20
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