Brevet FR2755298A1 — publié le 19980430

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE POSITIONNEMENT PRECIS D 'OBJETS MONOCRISTALLINS LES UNS PAR RAPPORT AUX AUTRES EN FONCTION DE LEURS PLANS CRISTALLOGRAPHIQUES La présente invention concerne le positionnement précis d'objets monocristallins les uns par rapport aux autres en fonction de leurs plans cristallographiques. Ces objets monocristallins peuvent être notamment destinés à être assemblés les uns aux autres. L'invention s'applique en particulier au positionnement et à l'assemblage de plaquettes de matériau semiconducteur, par exemple en silicium. On peut être amené, dans le domaine des semiconducteurs notamment, à réaliser l'assemblage d'objets monocristallins entre eux. Il peut s'agir de deux plaquettes de silicium monocristallin que l'on fixe ensemble après les avoir superposées. Un tel assemblage est notamment nécessaire pour l'application du procédé de fabrication de matériau Silicium Sur Isolant (SOI) décrit dans le document FR-A-2 681 472. Le procédé divulgué par ce document comporte une première étape d'implantation ionique, de préférence une implantation d'ions hydrogène, effectuée dans une plaquette de silicium recouverte d'une couche diélectrique, par exemple une couche d'oxyde thermique, destinée à constituer la couche diélectrique enterrée de la structure SOI. Lors d'une deuxième étape, la plaquette de silicium implantée est rendue solidaire d'une autre plaquette de silicium, qui sert également de raidisseur, la couche d'oxyde se trouvant enfermée dans la structure. Lors d'une troisième étape, l'ensemble constitué par les deux plaquettes solidarisées est porté à une température suffisante pour obtenir une séparation de cet ensemble selon un plan situé à la profondeur correspondant au maximum de concentration des ions implantés. A 1 issue de la troisième étape, on obtient une structure SOI d'une part et une plaquette de silicium privée d'une mince couche superficielle d'autre part. L'étape de solidarisation intervenant dans le procédé décrit dans le document FR-A-2 681 472 doit avantageusement respecter le mieux possible la superposition des plans de clivage des deux plaquettes. Ceci permet d'obtenir une découpe nette des motifs réalisés ultérieurement. Pour cela il faut arriver à obtenir l'alignement cristallographique des deux plaquettes de silicium monocristallin. Les plaquettes de silicium monocristallin sont livrées par le fabricant avec des marques indicatives de l'orientation cristallographique et éventuellement du type de dopage de la plaquette. De manière classique, l'orientation cristallographique est déterminée par diffraction d'un faisceau de rayons X sur le lingot de monocristal qui fournira les plaquettes de matériau semiconducteur. Un méplat, usiné sur le lingot, permet de repérer cette orientation et servira de référence de positionnement pour les plaquettes de silicium lors d'opérations effectuées sur ces plaquettees. Pour distinguer un lingot n d'un lingot p les fabricants utilisent un code qui est basé sur l'usinage d'une encoche ou d'un méplat plus petit que le précédent. Jusqu'à présent, pour obtenir l'alignement cristallographique de deux plaquettes destinées à etre assemblées, on juxtapose ces plaquettes en superposant les deux méplats repérant cette orientation et qui sont supposés être parallèles à une direction de clivage. La précision obtenue dans ce parallélisme est de l'ordre du degré et dépend essentiellement de deux erreurs. Une première erreur s1 est obtenue lors de la taille des méplats et correspond à l'écart angulaire entre le méplat et la direction [hkl] de clivage. Une seconde erreur s2 est introduite lors de la superposition de ces méplats au cours de l'étape de solidarisation des plaquettes entre elles et correspond à l'écart angulaire de positionnement entre les deux méplats. Le principe même de la solidarisation peut augmenter (voire doubler) le premier type d'erreur. En effet, on peut demander au fournisseur des plaquettes de silicium issues d'un même lingot. Le méplat étant réalisé sur le lingot avant découpe, chacune des plaquettes aura ainsi son méplat avec la même erreur s1. Ces plaquettes sont alors rodées et une seule face est polie (en général la face polie est celle située du côté germe du lingot). Lors de l'étape de solidarisation, on assemble les plaquettes avec leur face polie l'une contre l'autre, ce faisant on double l'erreur El. Une solution pour éviter de doubler l'erreur sî consiste à utiliser des plaquettes issues du même lingot, la face polie de l'une des plaquettes étant celle qui se trouvait côté germe du lingot et la face polie de l'autre plaquette étant celle qui se trouvait côté pied du lingot. Si on peut ainsi éviter de doubler l'erreur E1 t en imposant des contraintes de sélection au fabricant de plaquettes, cette erreur continue néanmoins d'exister. L'alignement de deux plaquettes de silicium monocristallin obtenu en utilisant comme repère un méplat ou une encoche pose donc un sérieux problème de précision puisque la taille du méplat (ou la position de l'encoche) est réalisée avec une précision de plus ou moins un degré comme l'indiquent les normes SEMI M1.6-89, SEMI M1.10-92 et SEMI M1.13-90. Cette précision peut s'avérer nettement insuffisante et devrait être améliorée au moins d'un facteur 10 lors de la mise en oeuvre de l'étape de superposition du procédé décrit dans le document FR-A-2 681 472. Le problème qui se pose donc est de pouvoir obtenir l'alignement de deux objets monocristallins, en particulier pour les assembler (par superposition et collage), selon des plans ou des directions cristallographiques donnés avec une précision inférieure à 0,1 degré. Cet alignement doit pouvoir être réalisé pour des objets monocristallins issus de lingots différents. L'invention apporte une solution à ce problème en mettant en oeuvre une technique de diffraction des rayons X. Cette technique peut être appliquée par transmission des rayons X (cas de Laue) ou par retour (cas de Bragg) . Selon le cas de Laue, le faisceau de rayons X dirigé vers l'objet monocristallin (par exemple une plaquette de silicium monocristallin) pénètre par une face de l'objet et diffracte sur une famille de plans cristallographiques. Les faisceaux transmis et diffracté sortent par la face opposée. Selon le cas de Bragg, le faisceau incident pénètre par une face de l'objet et diffracte sur une famille de plans cristallographiques. Le faisceau diffracté sort par la même face. Ces méthodes utilisant la diffraction des rayons X sont mises en oeuvre dans des ensembles goniométriques, commercialisés depuis longtemps, et qui permettent de positionner dans l'espace, avec une grande précision, un seul objet monocristallin à la fois. La présente invention permet quant à elle de positionner, pour généralement les assembler, deux ou plusieurs objets monocristallins en les alignant selon des plans cristallographiques donnés et avec une précision inférieure à 0,1 degré. L'invention a donc pour objet un procédé de positionnement précis d'au moins un premier et un deuxième objet monocristallin l'un par rapport à l'autre afin d'obtenir leur alignement selon au moins une direction cristallographique déterminée, caractérisé en ce qu'il consiste à orienter chaque objet monocristallin par une méthode de diffraction des rayons X sur une famille de plans cristallographiques afin de satisfaire la loi de Bragg, et à repérer cette orientation pour permettre ledit alignement des objets monocristallins. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, l'orientation de chaque objet monocristallin est repérée à partir de la position d'une tache produite par le faisceau diffracté sur la surface d'un élément détecteur. Cette solution permet, si l'orientation de chaque objet monocristallin est réalisée successivement au moyen d'un unique faisceau de rayons X, de réaliser l'orientation du deuxième objet monocristallin en cherchant à disposer la tache produite sur la surface de l'élément détecteur par le faisceau de rayons X diffracté par ce deuxième objet sur la position de la tache produite sur la surface de l'élément détecteur par le faisceau de rayons X diffracté par le premier objet orienté. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour le positionnement précis d'au moins un premier et un deuxième objet monocristallin l'un par rapport à l'autre afin d'obtenir leur alignement selon au moins une direction cristallographique déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour soumettre chaque objet monocristallin à un faisceau de rayons X, - des moyens de maintien de chaque objet monocristallin permettant de l'orienter par rapport au faisceau de rayons X afin d'obtenir un faisceau de rayons X diffracté par une famille de plans cristallographique de l'objet et d'obtenir que ce faisceau de rayons X diffracté satisfasse la loi de Bragg, - des moyens d'évaluation de l'intensité du faisceau de rayons X diffracté, - des moyens de repérage de l'orientation donnée à chaque objet afin de permettre ledit alignement de ces objets. Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens de repérage comprennent un élément détecteur dont une surface reçoit le faisceau de rayons X diffracté qui provoque la formation d'une tache indicative de l'orientation donnée à un objet monocristallin. Le faisceau de rayons X peut etre un faisceau unique et, dans ce cas, les moyens de maintien peuvent comprendre - des premiers moyens de maintien pour le premier objet monocristallin permettant de placer ce premier objet sur le trajet du faisceau de rayons X pour l'orienter1 puis de l'écarter du faisceau de rayons X en conservant l'information de son orientation, - des deuxièmes moyens de maintien pour le deuxième objet monocristallin permettant de placer ce deuxième objet sur le trajet du faisceau de rayons X pour l'orienter, puis de l'écarter du faisceau de rayons X en conservant l'information de son orientation. Avantageusement, les premiers et deuxièmes moyens de maintien peuvent permettre l'assemblage des objets en réalisant l'alignement desdites directions cristallographiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - les figures 1A et 1B sont des vues, respectivement de face et de profil, illustrant la recherche de plans diffractants sur un échantillon de matériau monocristallin au moyen d'un faisceau de rayons X, - la figure 2 illustre le procédé selon l'invention pour orienter un échantillon de matériau monocristallin, - la figure 3 illustre un porte-échantillons utilisable sur un dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention. Si le procédé selon l'invention met en oeuvre le cas de Laue, il est commode de choisir comme plans de diffraction les familles de plans cristallographiques que l'on veut superposer avec la précision requise. Si le procédé met en oeuvre le cas de Bragg, on détermine, par diffraction d'une famille de plans, les directions cristallographiques que l'on désire superposer, ces directions pouvant être parallèles à l'intersection de la famille de plans diffractant avec la surface par exemple. Quelle que soit la méthode mise en oeuvre, le faisceau diffracté est recueilli par un détecteur de rayons X approprié (compteur proportionnel, caméra, etc.). Les figures 1A et 1B illustrent le principe de mesure mis en oeuvre lorsque le cas de Laue est utilisé. Sur ces figures, on a représenté un echantillon 1 de matériau monocristallin, par exemple en silicium monocristallin, et un faisceau 2 de rayons X incident à l'échantillon 1. Le faisceau incident 2 est limité, grâce à un collimateur 3, à un pinceau de 1 mm de diamètre. Le faisceau diffracté 4 est détecté par un détecteur 5 placé à 1 m de l'échantillon 1. Une fente d'analyse 6, de 1 mm de hauteur, est placée sur le trajet du faisceau diffracté 4, entre l'échantillon et le détecteur et à 10 mm de ce dernier. L'orientation de l'échantillon est réalisée lorsque l'intensité du faisceau diffracté, mesurée par le détecteur 5, est maximale. L'orientation de l'échantillon se fait grâce à deux mouvements de rotation - un mouvement de rotation o autour d'un axe 7 passant par la surface de l'échantillon et perpendiculaire au faisceau de rayons X incident, - un mouvement de rotation ç autour d'un axe 8 qui est normal à la surface de l'échantillon. Un dispositif permettant d'appliquer ce principe de mesure comporte un système de préhension des échantillons, un porte-échantillon avec possibilité de rotation ç et o , une source de rayons X, un détecteur avec une électronique de comptage associée capable d'enregistrer l'intensité du signal diffracté . Ce dispositif peut aussi être capable d'assembler les échantillons orientés selon les rotations ç et o sans détruire ces réglages angulaires. Les tranches de silicium utilisées le plus couramment ont leur plan de surface parallèle à un plan (100). Dans cette géométrie, les plans de clivage les plus faciles sont les plans (011) perpendiculaires au plan (100) . Il y a ainsi deux familles de plans de clivages, (011) et (011) qui sont perpendiculaires entre elles. Les fabricants de silicium usinent le méplat, repérant l'orientation cristallographique, sur le lingot parallèlement à l'une de ces deux familles avec une tolérance de + ou -1". En faisant diffracter un pinceau de rayons X sur une telle famille de plans, on est capable d'orienter la direction de clivage correspondante (intersection de la surface et du plan de clivage) avec une précision inférieure à 0,10. La figure 2 illustre le procédé selon l'invention pour orienter un échantillon de matériaiu monocristallin. Dans le montage représenté, le faisceau 2 de rayons X incident sur l'échantillon monocristallin 1 a une divergence de 3' d'arc. Il diffracte sur les plans (011), en utilisant la réflexion 022, selon la loi de Bragg. Le faisceau diffracté o est recueilli par un détecteur 5, par exemple du type caméra. Ce faisceau diffracté 4 fait un angle 20 avec le faisceau transmis 9. On définit un plan d'incidence 10 comprenant le faisceau incident 2 et la normale à la surface de l'échantillon 1 et qui est l'axe de rotation 8. Par rotation de l'échantillon 1 autour de cette normale, on amène le vecteur diffraction (perpendiculaire aux plans diffractants) dans ce plan d'incidence 10. Ceci est réalisé lorsque le faisceau diffracté 4 est lui aussi dans ce plan d'incidence. Au cours de cette rotation , il est possible de suivre le déplacement du faisceau diffracté sur l'écran d'un récepteur de télévision relié à la caméra 5. En pratique, la caméra est placée de façon que son objectif reçoive les faisceaux diffractés alors que l'échantillon monocristallin est positionné au centre d'une platine permettant la rotation ç autour de sa normale 8. Son réglage en position de Bragg se fait à l'aide de la rotation . La source de rayons X doit être d'énergie suffisante pour pouvoir donner un faisceau diffracté décelable par l'électronique de comptage. Dans le cas ou l'on utilise le cas de Laue, une source au molybdène est nécessaire. Si on utilise le cas de Bragg, une source au cuivre est préférée. Une puissance de 50 kV par 30 mA est suffisante dans la plupart des cas. Dans le cas de la figure 2 (cas de Laue), si on utilise la raie Kal d'une source au molybdène (R = 7,09 nm), l'angle e pour la réflexion 220 du silicium monocristallin vaut 10,64". Le diamètre de la tache 220, en plaçant la caméra à 1 m de l'échantillon, est de l'ordre du millimètre et une rotation de ç de 0,10 a pour effet de déplacer la tache de 3,5 mm, ce qui est parfaitement repérable sur un écran de télévision. Une fois que le premier échantillon est convenablement orienté, il faut orienter le deuxième en le faisant tourner selon p et , sans modifier l'orientation du premier. On repère sur l'écran de télévision la tache 220 correspondante que l'on superpose à la position correspondant à la tache du premier échantillon correctement orienté, par rotation à à mieux que 3,5 mm. Si le réglage du deuxième échantillon se fait en laissant en place le premier échantillon, les deux taches ne peuvent pas être tout à fait confondues car les centres de diffraction des deux échantillons sont alors distants d'au moins l'épaisseur des échantillons. Le bon réglage est atteint lorsque les deux taches sont dans le plan d'incidence précédemment défini. Au lieu d'utiliser une caméra, on peut placer un détecteur du type compteur proportionnel muni d'une fente d'analyse ouverte à 1 mm. Le bon réglage est atteint lorsque ce détecteur reçoit le maximum de l'intensité diffractée successivement par les deux échantillons. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention peut comprendre un système de préhension des échantillons manuel ou automatisé. Ce système doit permettre de saisir un échantillon, de le positionner sur un porte-échantillon et de répéter ces opérations autant de fois qu'il y a d'échantillons à assembler. Le porte-échantillon peut subir les rotations ç et o et éventuellement une rotation X d'axe. perpendiculaire aux deux autres rotations. Cette troisième rotation permet d'orienter et d'assembler des échantillons de forme variée (plaquette, sphère, etc.). La figure 3 représente un exemple de porte-échantillons utilisable pour la présente invention et permettant l'orientation de deux échantillons. Les porte-échantillons 21 et 22 sont fixées sur un banc de déplacement 20 qui permet de rapprocher des échantillons 23 et 24, supportés respectivement par les porte-échantillons 21 et 22, à une distance connue et de les plaquer 1 un à l'autre une fois les réglages de diffraction effectués. Les porte-échantillons 21 et 22 sont pourvus de trous d'aspiration, respectivement 25 et 26, reliés à une pompe primaire pour maintenir les échantillons 23 et 24 par aspiration. Le mouvement de rotation ç est obtenu grâce à une couronne dentée, référencée respectivement 27 et 28 pour les porte-échantillons 21 et 22, solidaire de chaque porte-échantillon et entrainée par une vis sans fin 31 qui est représentée en prise avec la couronne dentée 28 du porte-échantillon 22. La rotation o est obtenue à l'aide d'un berceau de rotation 32. Il faut remarquer que les directions ou plans cristallographiques peuvent être différents d'un objet à l'autre. Par exemple, on peut associer la direction [100] d'un premier objet à la direction [110] d'un deuxième objet. Les systèmes cristallins peuvent eux aussi être différents. On peut ainsi associer un échantillon de type cubique avec un échantillon de type hexagonal ou avec un échantillon de type rhomboédrique, par exemple du silicium (type cubique) avec du saphir (type rhomboédrique). La source de rayons X peut être monochromatique ou polychromatique. Avec une source polychromatique, on obtient un diagramme de Laue pour chaque objet. Pour obtenir un alignement relatif des échantillons, il suffit d'ajuster ces diagrammes les uns par rapport aux autres par un mouvement de rotation de l'objet. REVENDICATIONS 1. Procédé de positionnement précis d'au moins un premier et un deuxième objet monocristallin (1, 23, 24) l'un par rapport à l'autre afin d'obtenir leur alignement selon au moins une direction cristallographique déterminée, caractérisé en ce qu'il consiste à orienter chaque objet monocristallin (1, 23, 24) par une méthode de diffraction des rayons X sur une famille de plans cristallographiques afin de satisfaire la loi de Bragg, et à repérer cette orientation pour permettre ledit alignement des objets monocristallins (1, 23, 24). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation de chaque objet monocristallin (1, 23, 24) est repérée à partir de la position d'une tache produite par le faisceau diffracté (4) sur la surface d'un élément détecteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orientation de chaque objet monocristallin (1) étant réalisée successivement au moyen d'un unique faisceau de rayons X (2), l'orientation du deuxième objet monocristallin est réalisée en cherchant à disposer la tache produite sur la surface de l'élément détecteur par le faisceau de rayons X diffracté par ce deuxième objet sur la position de la tache produite sur la surface de l'élément détecteur par le faisceau de rayons X diffracté par le premier objet orienté. 4. Utilisation du procédé de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour positionner des plaquettes de matériau semiconducteur monocristallin (23, 24) en vue de réaliser leur assemblage. 5. Dispositif pour le positionnement précis d'au moins un premier (23) et un deuxième (24) objet monocristallin l'un par rapport à l'autre afin d'obtenir leur alignement selon au moins une direction cristallographique déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour soumettre chaque objet monocristallin à un faisceau de rayons X, - des moyens de maintien (21, 22) de chaque objet monocristallin (23, 24) permettant de l'orienter par rapport au faisceau de rayons X afin d'obtenir un faisceau de rayons X diffracté par une famille de plans cristallographique de l'objet et d'obtenir que ce faisceau de rayons X diffracté satisfasse la loi de Bragg, - des moyens d'évaluation de l'intensité du faisceau de rayons X diffracté, - des moyens de repérage de l'orientation donnée à chaque objet afin de permettre ledit alignement de ces objets. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de repérage comprennent un élément détecteur (5)dont une surface reçoit le faisceau de rayons X diffracté qui provoque la formation d'une tache indicative de l'orientation donnée à un objet monocristallin. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que, le faisceau de rayons X étant unique, les moyens de maintien comprennent - des premiers moyens de maintien (21) pour le premier objet monocristallin (23) permettant de placer ce premier objet sur le trajet du faisceau de rayons X pour l'orienter, puis de l'écarter du faisceau de rayons X en conservant l'information de son orientation, - des deuxièmes moyens de maintien (22) pour le deuxième objet monocristallin (24) permettant de placer ce deuxième objet sur le trajet du faisceau de rayons X pour l'orienter, puis de l'écarter du faisceau de rayons X en conservant l'information de son orientation. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premiers et deuxièmes moyens de maintien (21, 22) permettent l'assemblage des objets en réalisant l'alignement desdites directions cristallographiques.