Brevet FR2518806A1 — publié le 19830624

La présente invention concerne un procédé économique pour détacher des couches obtenues par épitaxie (couches épitaxiales) des substrats sur lesquels leur croissance a été effectuée Il peut être appliqué, par exemple, pour produire des pellicules monocristallines minces de semiconducteurs, utilisables dans la fabrication de photopiles solaireset dans la fabrication de circuits intégrés à semiconducteur. Dans une demande de brevet aux Etats-Unis du même Demandeur, intitulée "Procédé pour la production de feuilles monocristallines minces" N O de série 127 114, déposée le 4 mars 1980, il est décrit un procédé pour la production de feuilles minces de cristal; dans une autre demande de brevet aux Etats- Unis,du reste abandonnée, le Demandeur, intitulée "Procédé pour la production de feuilles monocristallines minces de semi- conducteurs à jonctions p-n", no de série 146 104, déposée le 2 mai 1980, il est décrit un procédé pour la production de feuilles minces de semiconducteurs, comportant des jonctions p-n superficiellesformées sur elles; dans la demande de brevet aux Etats-Unis du même Demandeur, intitulée "Procédé pour la produc- tion de pellicules monocristailines de semiconducteurs par traite- ment au laser", N O de série 156 879, déposée le 6 juin 1980, il est décrit un procédé pour la production de cristaux-minces; dans la demande de brevet aux Etats-Unis du même Demandeur, intitulée "Procédé pour détacher des pellicules minces par utili- sation d'un écoulement directionnel de chaleur", n Y de série 192 063, déposée le 29 septembre 1980, il est décrit un procédé pour détacher des couches minces de cristal des substrats sur lesquels leur croissance a été effectuée; dans la demande de brevet aux Etats-Unis du même Demandeur, intitulée "Procédé pour détacher des pellicules cristallines minces", no de série 305 521, s 9 = O2518806 déposée le-25 septembre 1981, il est décrit un procédé pour détacher des pellicules métalliques minces de substrats sur lesquels elles ont été formées par croissance épitaxiale. Ces différentes demandes de brevet définissent l'état antérieur de la technique et fournissent des solutions économiques à certains problèmes qui se posent dans cet état de la-technique. Les procédés décrits dans ces différentes demandes de brevet utilisent des moyens divers pour engendrer un liquide dans la région entre une couche et son substrat, afin de libérer la couche et de la détacher du substrat pour former une pellicule. Toutefois, il se peut que les techniques décrites pqur effectuer réellement la séparation des-couches d'avec leurs substrats ne soient pas toujours-les plus commodes ou les plus efficaces pour détacher les pellicules des substrats Dans le cas typique, les pellicules cristallines minces ont une fragilité mécanique extrême, ce qui fait que l'on doit prendre de grandes précau- tions pour appliquer des forces extérieures à de telles pelli- cules dans le but de les séparer de leurs substrats, même lors- qu'un liquide a été engendré entre la couche et le substrat. La présente-invention a pour but de fournir un procédé économique pour séparer des couches de leurs substrats afin de former des pellicules. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé économique pour séparer de son substrat une couche obte- nue par croissance épitaxiale, lorsqu'une zone de matière liquéfiée a été produite entre la couche et le substrat. En bref, suivant les principes de la présente invention et dans le mode de réalisation préféré de celle-ci, une couche mince (par exemple de 5 microns d'épaisseur) de cristal est formée par croissance épitaxiale sur un substrat monocristallin, la matière à l'interface de la couche et du substrat ayant une température de point de fusion inférieure à celle de la couche. Une telle couche peut être formée par croissance sur un substrat par application de procédés bien connus dans la technique, par exemple par dépôt de vapeurs -de substances chimiques, par épitaxie en phase liquide, Dar épitaxie par faisceau moléculaire. Pour prendre un exemple particulier, la couche épitaxiale peut être un arséniure de gallium-aluminium, par exemple dans les proportions Ga Al As et le substrat peut être en germanium 0,5 0,5 251880 i La température de point de fusion du germanium est 937,40 C et celle de la couche épitaxiale est de l'ordre de 1380 'C, ce qui fait que le substrat a une température de point de fusion infé- rieure à celle de la couche au niveau de leur interface. Le faisceau de sortie d'un laser est focalisé à travers la couche sur le substrat, de préférence sur toute la largeur du substrat, avec utilisation d'un rayonnement laser qui est absorbé efficacement par le substrat et auquel la couche est transparente Dans l'exemple particulier d'un-substrat de germanium, on peut utiliser un laser Nd:YAG fonctionnant à 1,06 ou 1,33 microns, chacune de ces longueurs d'onde étant absorbée par le germanium, mais non par l'arséniure de gallium-aluminium. L'absorption du rayonnement laser chauffe la matière à l'inter- face de la couche et du substrat Si une quantité suffisante d'énergie est absorbée, de la matière va être liquéfiée entre la couche et le substrat La présence de cette matière liquéfiée permet de détacher la couche du substrat, la structure cristal- line de la couche restant intacte. Un corps maintenu à un potentiel électrique plus élevé que celui de la couche est placé à proximité de cette dernière Cela produit, sur la couche, une force qui a tendance à la séparer du substrat La couche est reçue sur une plaque transparente au faisceau du laser, placée au voisinage immédiat de la couche dont elle est séparée par une petite distance, par exemple de 0,005 pouces ( 0,127 mm) Si on le juge désirable, la couche détachée peut être retirée ultérieurement de la plaque transparente. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 est une représentation schématique d'une couche formée sur un substrat. La figure 2 est une représentation schématique de la couche cristalline (couche épitaxiale) en train d'être détachée du substrat et d'être placée sur une plaque transparente. La figure 3 est une représentation schématique de la couche en train d'être détachée du substrat et d'être reçue sur un ruban flexible. Sur la figure 1 est représenté un substrat 11, sur lequel est formée une couche épitaxiale 13 La couche épitaxiale et le substrat s'unissent à l'interface 15 La matière épitaxiale a une température de point de fusion plus élevée que celle de lamatière du substrat située à l'interface Parmi les combinaisons possibles de matières, on citera entre autres l'arséniure de gallium-alumi- nium sur le germanium et l'arséniure d'aluminium sur l'arséniure de gallium. Sur la figure 2, le substrat Il est représenté tandis què la couche épitaxiale 13 est en train d'en être détachée, au niveau de la matière liquéfiée 21 La matière liquéfiée est produite O 10 par absorption du rayonnement laser 17 dirigé par un système optique 19 Le système optique se déplaçant dans le sens de la flèche 27, la matière liquéfiée 21 se déplace également dans le sens 27 et la couche peut être progressivement détachée du substrat Le faisceau du laser traverse une plaque réceptrice 23 placée au voisinage immédiat de la couche, mais séparée de celle- ci par un intervalle 25 La plaque réceptrice peut être faite d'un diélectrique, par exemple le quartz ou le verre, ou d'un semiconducteur, par exemple le silicium ou l'arséniure d'alumi- nium Au fur et à mesure que la couche est détachée du substrat, elle est reçue sur la plaque réceptrice Un générateur de tension électrique 33 est monté électriquement entre une plaque de base 31 et une plaque décalée 29 Lorsque le générateur établit une tension V entre la plaque de base et la plaque décalée, un champ électrique est créé En outre, le générateur fait que la couche se charge Le champ électrique agit sur la couche chargée et exerce sur elle une force qui l'attire en direction de la plaque décalée Dans la région o existe la matière liquéfiée 21, cette force d'attraction a pour effet de détacher la-couche du substrat. Lorsque la couche est détachée du substrat, elle effectue un mouvement vers la plaque réceptrice qui la reçoit et qui la supporte ensuite mécaniquement Tandis que le système optique se déplace, la plaque décalée se déplace elle aussi dans le même sens et à la même vitesse Ainsi, la couche est progressivement détachée. Les moyens utilisés pour déplacer le système optique et la plaque décalée et pour produire la tension V n'ont pas été représentés, mais on peut utiliser n'importe lequel des disposi tifs classiques à cet effet Le système optique et la plaque décalée peuvent faire partie dumême ensemble matériel, puisqu'ils se déplacent de concert Selon une autre disposition possible, ils peuvent être maintenus en position fixe, tandis que le substrat et la couche sont déplacés. Si l'on utilise un substrat semiconducteur, sa résistance électrique est, dans le cas typique, extrêmement faible à sa température de point de fusion La quasi-totalité du potentiel V apparaît donc entre la couche et la plaque décalée Si la plaque transparente 23 a une épaisseur t et une constante diélectrique kso, et si elle est séparée de la couche par une distance de grandeur d, il agira sur la couche une force F qui est égale à F = 8,85 x 10-12 (k V)2/(kd + t)2 newtons/m Dans le cas particulier o k = 5, d = 10 3 m, t = 10 3 met V = 4 x 103 V, la valeur de F est 980 dynes/cm 2. Si la plaque transparente 23 est faite de silicium, on peut utiliser un laser Nd:YAG fonctionnant à 1,33 microns. Sur la figure 3, le substrat 11 est représenté tandis que la couche 13 en est détachée au niveau de la matière liquéfiée 21 La matière liquéfiée est produite par absorption de rayon- nement laser 17, dirigé par le système optique 19 Un champ électrique agit sur la couche dans la région de la matière liquéfiée Ce champ est créé par le générateur de tension-33 monté entre la plaque décalée 29 et la plaque de base 31. Lorsque le champ est suffisamment fort pour détacher la couche di substrat, la couche effectue un mouvement vers le ruban flexible qui la supporte et l'éloigne du substrat dans le sens 49 Le ruban peut être fait d'une matière diélectrique telle que le Téflon ou le verre, d'une matière semiconductrice telle que le silicium ou l'arséniure d'aluminium, ou d'une matière métallisée telle que le téflon argenté ou le verre argenté entre autres Les mnyens servant à déplacer le ruban n'ont pas été représentés, mais on peut utiliser à cet effetn'importe lequel des dispositifs classiques Le substrat est déplacé dans le sens de la flèche 51 au fur et à mesure que la couche est détachée du substrat Dans le cas particulier d'un ruban métallisé dont la face diélec- trique est dirigée vers la couche, l'épaisseur du diélectrique peut être de 5 x 10-4 m, la distance séparant le ruban de la couche peut être de 5 x 104 m et la constante diélectrique du diélectrique peut être 3 E 0, ce qui fait que F = 2 x 10-4 V et 3 2. que, si V = 2 x 10 volts, F = 800 dynes/cm 2 - -25-18806 La mg-me technique de séparation 'Peut être uti 1 iséeepu fabriquer une pile solaire en cascade à jonctions multiples une première jonctiorh pn peut être formée sur un substrat de silicium qui sert ensuite de plaque 23 sur la figure 2, la couche détachée et transférée comprenant une structure de secondé. jonctioni pn (ou de jonctions multiples). Au lieu d'utiliser une plaque 29 séparée comme sur la figure Z, on peut former une grille conductrice sur la face de la plaque réceptrice 23 qui est dirigée vers le rayonnement laser, le générateur de tension 33 étant connecté à cette grille. La grille peut être formée d'un réseau de dépôts conducteurs linéaires, par exemple d'aluminium, de cuivre oui de nickel, en une disposition à claire-voie S elon une autre disposition possible, la grille peut être une couche continue de matière qui est pratiquement transpa Lrente au rayonnement, comme par exemple l'oxyde d'étain. La source d'énergie thermique, utilisée pour liquéfier la matière à l'interface de la couche et du substrat, a été décrite à titre d'illustrat-ion comme étant un laser, mais il apparaîtra, au spécialiste à qui les demandes de brevet précitées sont familières, que d'autres sources d'énergie thermique peuvent être utilisées C'est dire que si les principes de l'invention ont été illustrés par des modes de réalisation particuliers, il est bien entendu que leur description n'a été donnée qu'à titre d'exemple et non pour limiter la portée de l'invention,, telle qu'elle est définie dans les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS - 1 Procédé pour détacher d'un substrat une couche cristal- line, la matière à l'interface de ce substrat et de cette couche cristalline ayant une température de point de fusion qui est inférieure à celle de la couche cristalline, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à chauffer cette matière à l'interface de telle manière qu'une partie au moins de cette matière à l'interface se liquéfie, et à détacher la couche cristalline ( 13) du substrat ( 11), au niveau de la matière liquéfiée, par l'application d'une force électrique sur la couche cristalline ( 13) dans la région de la matière liquéfiée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force électrique est produite par un champ électrique qui agit sur la couche cristalline ( 13). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ électrique est créé par le montage d'un générateur ( 33) de champ électrique entre le substrat ( 11) et une plaque électri- quementconductrice ( 23), placé au voisinage immédiat de la couche cristalline, mais sans toucher celle-ci, au niveau de la matière liquéfiée.