Brevet FR2797347A1 — publié le 20010209

PROCEDE DE TRANSFERT D'UNE COUCHE MINCE COMPORTANT UNE ETAPE DE SURFRAGILISATION Domaine technique La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche mince d'un substrat, dit substrat source, vers un support appelé support cible. L'invention trouve des applications en particulier dans les domaines de la micro-électronique, de la micro-mécanique, de l'optique intégrée et de l'électronique intégrée. Elle permet, par exemple de réaliser des structures dans lesquelles la couche mince, qui est en un matériau sélectionné pour ses propriétés physiques, est reportée sur un support afin de former un empilement à plusieurs couches. Ainsi, on peut combiner les avantages des matériaux de la couche mince et du support. Le report d'une couche permet notamment d'associer dans une même structure des parties qui présentent a priori des incompatibilités telles qu'une différence importante de coefficients de dilatation thermique. Etat de la technique antérieure Le texte qui suit se réfère à un certain nombre de documents dont les références complètes sont précisées à la fin de la description. Parmi les procédés généralement mis en oeuvre pour la formation de couches minces, on peut citer en particulier un procédé de clivage, bien connu sous la dénomination "Smart-cut", et illustré par le document (1). Le procédé "Smart-cut" est basé essentiellement sur l'implantation d'hydrogène ou d'un autre gaz sous forme neutre ou ionique dans un substrat de façon à y former une zone de clivage fragilisée. Dans le cas d'un substrat plan, la zone de clivage s'étend, de façon sensiblement parallèle à sa surface et est située dans le substrat à une profondeur fixée par l'énergie d'implantation. La zone de clivage délimite ainsi dans le substrat une couche superficielle mince qui s'étend en épaisseur depuis la zone de clivage jusqu'à la surface du substrat. Une deuxième étape comprend la mise en adhérence du substrat source avec un support cible de telle façon que la couche mince soit solidaire du support cible. La fixation de la couche mince sur le support cible peut avoir lieu au moyen d'une colle et/ou par l'intermédiaire d'une couche de liaison. Elle peut avoir lieu également par adhérence moléculaire directe entre la surface du substrat et la surface du support cible. Dans ce dernier cas, il est cependant nécessaire que les faces que l'on souhaite faire adhérer présentent certaines propriétées comme une bonne planéité et une faible rugosité. Une dernière étape du procédé consiste à fracturer le substrat selon la zone de clivage pour en séparer la couche mince. Celle-ci reste alors solidaire du support cible. Dans le cas du procédé décrit par le document (1), la fracture (ou clivage) du substrat est provoquée par apport d'énergie sous forme d'un traitement thermique. Les conditions d'implantation définissent la zone de clivage et conditionnent la séparation de la couche mince d'avec le substrat. Or, on a observé qu'une trop grande fragilisation de la zone de clivage après l'implantation, bien que favorable pour la séparation, provoque des déformations de la surface de la couche mince. Les déformations se présentent sous la forme de cloques et constituent un obstacle pour la fixation de la couche mince sur le support cible. Cette trop grande fragilisation, peut être liée à une implantation ionique à forte dose ou à une implantation ionique à plus faible dose associée à un recuit. La trop grande fragilisation peut donc induire l'apparition de cloques en surface d'autant plus facilement que la zone fragilisée est proche de la surface. Dans certaines applications on souhaite obtenir des films minces autoportés, c'est-à-dire qui peuvent être séparée du substrat source sans être préalablement fixés sur un support. Ces films minces peuvent alors être reportés ultérieurement sur différents supports cibles et, en particulier, sur des supports avec lesquels le substrat source ne peut pas être mis en adhérence avant la séparation de la couche mince, par exemple, pour des raisons de compatibilité des coefficients de dilatation thermique. On peut à ce sujet se reporter au document (2) qui propose un procédé dérivé de celui du document (1). Le document (2) propose un procédé permettant d'obtenir la séparation de son substrat d'origine, d'un film mince qui est autoporté. Pour cela, il faut que les espèces gazeuses implantées se trouvent à une profondeur suffisante et/ou que l'on dépose, après l'étape d'implantation, une couche d'un matériau permettant de rigidifier la structure pour obtenir la séparation au niveau de la zone implantée sans avoir de cloques. L'illustration de la technique de formation d'une couche mince par clivage d'un substrat, peut être complétée par le document (3) qui suggère de compléter le traitement thermique de fracture (clivage) du substrat par l'exercice de forces mécaniques de flexion, de traction et/ou de cisaillement. Le document (4) qui décrit également un procédé basé sur le principe établi par le document (1), montre que le budget thermique mis en oeuvre pour provoquer la fracture du substrat source dépend des budgets thermiques de tous les traitements thermiques imposés au substrat source depuis l'implantation jusqu'à la fracture. On entend par budget thermique le couple durée de traitement thermique/température de traitement thermique. Dans un certain nombre d'applications il est nécessaire d'assembler une couche mince d'un substrat source avec un support cible qui présente un coefficient de dilatation thermique différent de celui du substrat source. Dans ces applications, il est généralement délicat de soumettre la structure obtenue après assemblage du substrat source et du support cible, à un traitement thermique avec un budget thermique suffisant pour garantir la séparation de la couche mince d'avec le substrat source. Une solution à ce problème consiste alors à modifier les conditions d'implantation en effectuant un surdosage des espèces implantées. Un tel surdosage permet en effet de réduire le budget thermique de la fracture de séparation (clivage). A titre d'exemple, lorsque le substrat source est une plaque de silicium, une dose d'ions d'hydrogène implantés, de 1.101'/cm2 au lieu de 6.1016/cm2, permet pour une durée de traitement thermique de quelques heures d'en abaisser la température de 400 C à 280 C. La solution consistant à surdoser l'implantation n'est cependant pas toujours satisfaisante en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique pouvant exister entre le substrat et le support. En effet, le budget thermique nécessaire à la séparation peut être tel qu'il provoque le déclollement du substrat et du support et/ou la cassure du substrat et/ou du support dans leur volume. Une solution alternative pour éviter un décollement entre la couche mince et le support cible sous l'effet d'une dilatation différentielle, consiste à amincir le substrat source avant l'étape de fracture (clivage). Cette solution, suggérée par le document (5), présente toutefois l'inconvénient d'une opération supplémentaire d'amincissement et celui d'une consommation de matière importante. La mise en oeuvre de forces mécaniques pour séparer le substrat source de la couche mince, telle qu'évoquée ci-dessus en référence au document (3), permet également de réduire le budget thermique de fracture, notamment dans le cas où les matériaux en contact présentent des coefficients de dilatation différents. L'exercice d'efforts mécaniques sur le substrat source et/ou le support cible n'est toutefois pas toujours possible, notamment lorsque les matériaux mis en oeuvre sont fragiles, ou lorsque la zone de clivage n'est pas assez fragilisée par l'implantation ionique. Finalement, les techniques de séparation et de transfert de couche mince, décrites ci-dessus, impliquent un certain nombre de contraintes et de compromis. Ces contraintes sont imposées en particulier par le type de matériaux utilisés pour constituer le substrat source, la couche mince et le support cible. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé de transfert d'une couche mince, ne présentant pas les difficultés et limitations des procédés indiquées ci-dessus. Un but est en particulier de proposer un tel procédé qui mette en oeuvre un budget thermique réduit voir nul pour obtenir une fracture de séparation de la couche mince. Un autre but est de proposer un procédé adapté au transfert d'une couche mince sur un support cible, dans lequel les matériaux de la couche mince et du support cible présentent des coefficients de dilatation thermique différents. Encore un autre but est de proposer un procédé de transfert dans lequel un excellent état de surface du substrat source (sans cloques) peut être préservé de façon à autoriser une bonne adhérence avec le support cible, avec ou sans apport de liant (colle), et en permettant d'avoir une zone de clivage très fragilisée. Enfin, un but de l'invention est de proposer un procédé de transfert permettant d'obtenir, après transfert, une couche mince sur le support cible, qui présente une surface libre avec une faible rugosité. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de transfert d'une couche mince d'un substrat source vers un support cible comportant, dans l'ordre, les étapes suivantes a) une implantation d'ions ou d'espèces gazeuses dans le substrat source de façon à y former une zone, dite de clivage, qui délimite ladite couche mince dans le substrat source, b) le report du substrat source sur le support cible et la solidarisation de la couche mince avec le support cible, c) la séparation de la couche mince d'avec le substrat source selon la zone de clivage. Conformément à l'invention, le procédé comporte préalablement à l'étape b), - une formation d'une épaisseur de film de matériau entre la zone de clivage et la surface du substrat telle que cette épaisseur soit supérieure, égale ou voisine d'une épaisseur limite pour laquelle le film est autoporté, et - une surfragilisation de la zone de clivage provoquée par un traitement thermique et/ou par l'exercice d'efforts mécaniques sur le substrat source. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'étape de formation d'une épaisseur de film consiste à réaliser l'étape a) d'implantation de façon â obtenir la zone de clivage à ladite épaisseur, le film étant alors constitué par la couche mince. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'étape de formation d'une épaisseur de film consiste à réaliser une étape de formation d'une couche dite d'épaississeur sur la couche mince, la couche mince et la couche d'épaisseur formant alors le film. L'épaisseur limite du film est l'épaisseur permettant de rigidifier la structure pour obtenir la séparation du film au niveau de la zone de clivage sans apparition en surface de cloques. C'est cette épaisseur limite qui permet d'obtenir des films autoportés. Cette épaisseur dépend en particulier des propriétés mécaniques des matériaux, mais aussi des conditions de séparation de l'étape c) telle que par exemple la montée en température du traitement thermique. Selon un mode avantageux, l'invention comporte également la réalisation, avant l'étape b), de tout ou partie de composants micro-électriques et/ou micro mécaniques et/ou optoélectroniques. La séparation de la couche mince d'avec le substrat source, opérée à l'étape c), peut avoir lieu sous l'effet d'un traitement thermique, sous l'effet d'efforts mécaniques ou sous l'effet de ces actions combinées. Or, grâce â l'étape de surfragilisation, le budget thermique et/ou les efforts mécaniques mis en oeuvre lors de l'étape c) pour la fracture de séparation peuvent être particulièrement réduits. Ceci a pour avantage de ne pas provoquer de rupture d'adhérence entre le film mince et le support cible, même en cas d'une différence des coefficients de dilatation thermique des matériaux mis en contact. Un autre avantage de l'invention est de supprimer ou réduire les efforts mécaniques exercés sur les parties en contact et éviter ainsi de les détériorer. On facilite ainsi la séparation. I1 convient de noter que l'étape de surfragilisation n'induit pas de contraintes de dilatation différentielle dans la mesure où cette étape est effectuée avant le report du substrat source sur le support cible (étape b). Selon un aspect avantageux, la surfragilisation comporte un traitement thermique mis en oeuvre avec un budget thermique supérieur ou égal à 50%, et de préférence supérieur à 60%, d'un budget thermique global permettant la séparation. Le budget thermique global considéré ici prend en compte non seulement les traitements thermiques opérés dans le strict cadre du procédé de l'invention, mais comprend également d'éventuels traitements thermiques mis en oeuvre, par exemple, pour la réalisation de composants ou pour le dépôt de matériaux sur la couche mince entre les étapes a) et b). Comme évoqué précédemment, les étapes c) et l'étape de surfragilisation peuvent comporter un exercice d'efforts mécaniques. Ces efforts mécaniques comprennent, par exemple, l'application de forces sous la forme d'une pression mécanique et/ou d'une tension mécanique et/ou des forces sous la forme d'une pression de gaz. Le traitement thermique de séparation peut aussi être choisi suffisant pour provoquer lors de l'étape c) une séparation de la couche mince, par simple écartement du substrat source et du support cible. L'étape d'implantation a) permet de former dans le substrat source des cavités situées dans la zone de clivage. Les cavités (ou micro-cavités ou platelets ou microbulles) peuvent se présenter sous différentes formes. Elles peuvent être sphériques et/ou aplaties avec une épaisseur de seulement quelques distances inter-atomiques. Par ailleurs, les cavités peuvent contenir une phase gazeuse libre et/ou des atomes de gaz issus des ions implantés, fixés sur les atomes du matériau formant les parois des cavités. Les traitements thermiques subis par le support source, et en particulier un traitement thermique de surfragilisation du procédé, conduisent à la coalescence de tout ou partie des cavités. La coalescence provoque ainsi la surfragilisation du substrat dans la zone de clivage. Ce phénomène permet en outre d'obtenir, après le report et la fracture de séparation, une surface libre de la couche mince avec une faible rugosité. La couche d'épaississeur, par exemple en Si, Si02, Si3N4 ou encore SiC, recouvre la couche mince en tout ou partie. L'épaisseur de la couche d'épaississeur pour obtenir une épaisseur de film est choisie par exemple dans une gamme allant de 3 à 10 Dun pour un épaississeur Si02. Il convient de préciser qu'une couche utilisée comme couche d'épaississeur peut être une couche qui sert également en tout ou partie à la réalisation de composants électroniques, optoélectroniques, ou mécaniques à la surface de la couche mince. L'invention concerne également un procédé de transfert d'une couche mince d'un substrat source comportant les étapes suivantes a) une implantation d'ions ou d'espèces gazeuses dans le substrat source de façon à y former une zone, dite de clivage, qui délimite ladite couche mince dans le substrat source, b) la séparation de la couche mince d'avec le substrat source selon la zone de clivage, conformément à l'invention, le procédé comporte en outre, préalablement à l'étape b) - une formation d'une épaisseur de film de matériau entre la zone de clivage et la surface du substrat telle que cette épaisseur soit supérieure, égale ou voisine d'une épaisseur limite pour que le film soit autoporté, et - une surfragilisation de la zone de clivage provoquée par un traitement thermique et/ou par l'exercice d'efforts mécaniques sur le substrat source. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - La figure 1 est une coupe schématique d'un substrat source et illustre une opération d'implantation d'ions. - La figure 2 est une coupe schématique du substrat source de la figure 1 et illustre la formation d'une couche d'épaisseur. - La figure 3 est une coupe schématique du substrat source de la figure 2 et illustre une étape de fragilisation. - La figure 4 est une coupe schématique d'une structure formée du substrat source de la figure 3, reporté sur un support cible. - La figure 5 est une coupe schématique de la structure de la figure 4 après fracture de séparation du substrat source. Description détaillée d'un mode de mise en oeuvre de l'invention La description qui suit se rapporte à un transfert d'une couche mince de silicium sur un support cible de silice fondue (appelée abusivement quartz). L'invention peut cependant être mise en oeuvre pour d'autres matériaux solides, qu'ils soient cristallins - ou non. Ces matériaux peuvent être diélectriques, conducteurs, semi-isolants ou semi conducteurs. De même, le support cible peut être un support final ou intermédiaire, tel qu'une poignée, un substrat massif ou un substrat multicouche. Le procédé peut en particulier être mis à profit pour le report de couches de LiNb03 ou de semi conducteurs III-V tel que AsGa, InP sur du silicium ou du SiC. La figure 1 montre un substrat initial 10 en silicium. Celui-ci subit une implantation d'ions hydrogène indiquée avec des flèches 12. Cette implantation correspond à l'étape al) du procédé. L'implantation, effectuée par exemple avec une dose de 6.1016/cm2 et une énergie de 70 keV, permet de former des microcavités 14 dans le substrat 10 à une profondeur de l'ordre de 7000 Cette profondeur correspond également à l'épaisseur d'une couche mince 18. Celle-ci est délimitée à la surface du substrat par une zone 16, dite de clivage, comprenant les microcavités 14. Antérieurement ou de préférence postérieurement à cette implantation, la couche mince superficielle 18 peut être soumise à d'autres traitements, connus en soi, pour la formation dans cette couche de composants électroniques, optiques, ou mécaniques. Ces composants ne sont pas représentés sur la figure pour des raisons de clarté. De même, pour une meilleure lisibilité des figures, les différentes couches ou caractéristiques représentées, ne le sont pas selon une échelle uniforme. En particulier, les couches très minces sont représentées avec une épaisseur exagérée. La figure 2 qui correspond à l'étape d'utilisation d'un épaisseur du procédé, montre le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium 20 d'une épaisseur de l'ordre de, ou supérieure à 5 um, sur la couche mince 18. La couche d'oxyde de silicium est par exemple déposée par un procédé de dépôt chimique en phase gazeuse assisté par plasma à une température de 300 C. La couche d'oxyde de silicium 20 a un rôle d'épaississeur de la couche mince 18. En d'autres termes, elle a pour fonction de prévenir une déformation de la couche mince sous l'effet de traitements thermiques ultérieurs. La figure 3 correspond à l'étape de surfragilisation du procédé. Lors de cette étape, le substrat subit des traitements visant à fragiliser davantage encore la zone de clivage 16. Dans l'exemple illustré, on procède à un traitement thermique effectué à une température de l'ordre de 450 C pendant une durée de l'ordre de 12 minutes. Ce budget thermique est de préférence supérieur à 60% du budget thermique nécessaire pour obtenir une séparation uniquement par recuit. Une telle surfragilisation est possible avec une épaisseur suffisante de film. On observe que le traitement thermique provoque une coalescence partielle des microcavités 14 de la zone de clivage 16. Lors de cette opération, la couche de d'épaisseur 20 qui recouvre la couche mince 18, prévient sa déformation et en particulier prévient la formation de cloques. En l'absence de cette couche, des cloques seraient susceptibles d'apparaître avec un traitement thermique à 450 C après une durée de l'ordre de 2 minutes ce qui correspond uniquement à un traitement thermique de 10% du traitement thermique nécessaire à la séparation. Le traitement thermique peut être suivi par une étape de polissage de la face libre de la couche d'épaississeur 20 juste pour améliorer la rugosité de surface de façon à la préparer pour un collage moléculaire. La figure 4 montre le report du substrat source 10 sur un support cible 30 qui, en l'occurrence, est une plaque de quartz. Le report est effectué de façon à mettre en contact une face plane du support cible avec la face plane libre de la couche d'épaississeur 20. Des forces d'adhérence moléculaire s'exerçant au niveau des faces mises en contact assurent la solidarisation (fixation) entre le substrat source et le support cible. Lorsqu'une telle adhérence moléculaire n'est pas possible pour des raisons de nature des matériaux ou de qualité des surfaces, le report peut avoir lieu par l'intermédiaire d'un liant ou d'une colle. Les forces d'adhérence moléculaire peuvent être renforcées par exemple par un traitement thermique et/ou par des préparations de surface. Dans l'exemple illustré, et en raison des fortes différences de coefficients de dilatation thermique entre le silicium et le quartz, le traitement thermique est effectué à une température relativement basse, de l'ordre de 200 C pendant une durée de 20 heures. Ce traitement thermique peut contribuer à induire des contractes telles que la fracture du substrat peut être obtenue selon cette zone. La figure 5 illustre l'étape c) du procédé qui correspond à une fracture du substrat source. La fracture a lieu selon la zone de clivage et sépare la couche mince 18 de la partie restante du substrat 10. Cette dernière partie peut alors être réutilisée par exemple pour un nouveau transfert de couche mince. La couche mince 18 reste solidaire du support 30 par l'intermédiaire de la couche d'épaississeur 20. Dans un autre exemple, non représenté, où l'épaisseur de la couche mince est assez importante pour éviter des déformations, la couche d'épaississeur peut être omise. La couche mince est alors directement en contact avec le support cible. A titre d'exemple, on peut citer l'utilisation d'un substrat en SiC, qui est implanté à environ 200 KeV de façon à obtenir un film sans épaississeur, d'environ 1,5 um. Dans cet exemple, la surfragilisation peut être obtenue sans épaississeur. La fracture du substrat source peut être provoquée par l'exercice d'une force mécanique et/ou par un traitement thermique. Dans l'exemple illustré, une lame de rasoir (non représentée) peut être insérée à la main au niveau de la zone fragilisée. L'invention s'applique particulièrement bien à la réalisation d'une couche mince de silicium sur de la silice fendue dont l'intérêt principal est d'avoir un support transparent avec une couche de semi-conducteur pouvant comporter des composants. DOCUMENTS CITES (1) FR-A-2 681 472 (US-A-5 374 564) (2) FR-A2 738 671 (US-A-5 714 395) (3) FR-A-2 748 851 (4) FR-A-2 767 416 (5) FR-A-2 755 537 REVENDICATIONS 1. Procédé de transfert d'une couche mince (18) d'un substrat source (10) vers un support cible (30) comportant les étapes suivantes a) une implantation d'ions ou d'espèces gazeuses dans le substrat source de façon à y former une zone (16), dite de clivage, qui délimite ladite couche mince (18) dans le substrat source, b) le report du substrat source sur le support cible et la solidarisation de la couche mince avec le support cible, c) la séparation de la couche mince (18) d'avec le substrat source (10) selon la zone de clivage, caractérisé en ce qu'il comporte préalablement à l'étape b) . - la formation d'une épaisseur de film de matériau entre la zone de clivage et la surface du substrat telle que cette épaisseur soit supérieure, égale ou voisine d'une épaisseur limite pour que le film soit autoporté, et - une surfragilisation de la zone de clivage (16) provoquée par un traitement thermique et/ou par l'exercice d'efforts mécaniques sur le substrat source. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la séparation de la couche mince (18) d'avec le substrat source (10) est provoquée par un traitement thermique et/ou par l'exercice de forces mécaniques. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surfragilisation comporte un traitement thermique mis en oeuvre avec un budget thermique permettant la séparation. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le traitement thermique de séparation est choisi suffisant pour provoquer, lors de l'étape c), une séparation de la couche mince (18), par simple écartement du substrat source et du support cible. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape c) et l'étape de surfragilisation comportent l'exercice de forces sous la forme d'une pression mécanique et/ou une tension mécanique et/ou des forces sous la forme d'une pression de gaz. 6. Procédé de transfert d'une couche mince (18) d'un substrat source (10) comportant les étapes suivantes a) une implantation d'ions ou d'espèces gazeuses dans le substrat source de façon à y former une zone (16), dite de clivage, qui délimite ladite couche mince (18) dans le substrat source, b) la séparation de la couche mince (18) d'avec le substrat source (10) selon la zone de clivage, caractérisé en ce qu'il comporte préalablement à l'étape b) . - une formation d'une épaisseur de film de matériau entre la zone de clivage et la surface du substrat telle que cette épaisseur soit supérieure, égale ou voisine d'une épaisseur limite pour que le film soit autoporté, et - une surfragilisation de la zone de clivage (16) provoquée par un traitement thermique et/ou par l'exercice d'efforts mécaniques sur le substrat source. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une épaisseur de film consiste à réaliser l'étape a) d'implantation de façon à obtenir la zone de clivage à ladite épaisseur, le film étant alors constitué par la couche mince. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de formation d'une épaisseur de film comprend la réalisation d'une couche dite d'épaississeur (20) sur la couche mince, la couche mince et la couche d'épaississeur formant alors le film. 9. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la réalisation, avant l'étape b), de tout ou partie de composants micro-électroniques et/ou micro mécaniques et/ou optoélectroniques.