Brevet FR2906077A1 — publié le 20080321

Descriptif technique La présente invention concerne un procédé de fabrication de substrat semi-conducteur monocristallin ou polycristallin mince et appareillages associés. Dans les systèmes connus de ce genre, on trouve essentiellement la technologie SOI (Silicon On Insulator) inventée par M. Michel BRUEL et publiée le 20 novembre 1994 sous le brevet US N 5374564. Ce procédé à l'inconvénient d'être couteux et de n'être applicable qu'aux substrats de type SOI. Une autre méthode a été proposée dans le brevet US6.855.619.B2 du 15 février 2005 de MM IWASAKI et GHYSELEN consistant à dérouler une couche, préalablement pré-découpée par implantation ionique à partir d'un lingot cylindrique. Cette méthode est d'une mise en oeuvre difficile et présente l'inconvénient de ne pas conserver l'orientation cristalline constante sur toute la surface du substrat. Le procédé suivant l'invention évite ces inconvénients. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir des descriptions qui vont suivre, référencées aux dessins annexes dans lesquels : - La figure 1 représente très schématiquement le concept essentiel du procédé : le décollement de la feuille monocristalline mince (8) du lingot (1). La figure 2 représente le profil d'implantation des ions. - La figure 3 représente le mécanisme de détachement de la couche (8) de son lingot de semi-conducteurs (1) La figure 4 représente schématiquement une machine de production plus particulièrement destinée à la production de SOI par collage montrant bien le mécanisme de translation du lingot (1). La figure 5 représente une machine de production plus particulièrement destinée à la production de substrat mince sur feuille métallique : SOM (Silicon On Metal). La figure 6 représente de façon plus détaillée les éléments essentiels de la figure 5 avec un regroupement des éléments (24) et (5) d'une part et (26) d'autre part en un seul canon à ions (29). L'invention concerne un procédé avec appareillages associés destiné à la fabrication de substrats semi-conducteurs polycristallin ou monocristallin mince comportant : une source de matériau semi-conducteur polycristallin ou monocristallin (1) de forme A parallélépipédique animé d'un mouvement de translation. 2906077 2 Des moyens d'implantation d'ions (3), de au moins un type d'ion quelconque, à une énergie convenable pour implanter des ions à une profondeur s, dans la couche de séparation (15). Des moyens (5) convenables pour assurer la fixation, la soudure ou le collage d'une 5 feuille raidisseur (9) sur la surface du lingot (1). Des moyens d'entraînement (4) des couches (8) et (9) à vitesse contrôlée, permettant d'exercer une traction T sur ces couches, assurant ainsi le décollement de (8) par rapport à(1). Suivant une autre caractéristique, le système comporte des moyens (2) permettant une 10 préparation de la surface du lingot (1) avant implantation incluant polissage mécanique ou ionique et annulation éventuelle des contraintes superficielles. - Suivant une autre caractéristique, les moyens (5) de fixation d'un raidisseur métallique (9) sur la feuille polycristalline ou monocristalline (8) sont constitués par une soudure à froid sur le lingot (1), préalablement oxydé ou non, sur lequel on dépose une couche d'un 15 > ? métal avantageusement identique à celui constituant le raidisseur (9), avant de presser fortement, toujours sous ultra vide la feuille métallique (9) sur le cylindre (1) par exemple au moyen d'un galet (21). Suivant une autre caractéristique, les moyens (5) de fixation d'un raidisseur (9) métallique ou isolant, sont constitués par un système de collage incluant au moins un 20 enducteur (20) et un système de polymérisation rapide à faisceau d'électron à UV ou thermique (18). Suivant une autre caractéristique, les moyens de fixation d'un raidisseur isolant (9) H consiste à réaliser un contact intime sous ultra vide entre les faces adjacentes de (8) et (9). Suivant une autre caractéristique, le procédé est inclus dans une enceinte à vide (21) 25 possédant un sas à pompage différentiel (13) à partir duquel la bi-couche (8) et (9) peut être extraite en continu à la pression atmosphérique. -Suivant une autre caractéristique, le système comporte des moyens (10) permettant de déposer une électrode sur la face libre de la couche (8) convenable pour réaliser directement, notamment des diodes et des cellules photovoltaïques. 30 Suivant une autre caractéristique, le dispositif est utilisé pour la production de substrat SOI mais aussi de substrat sur métal (SOM) de nature à améliorer certains process de fabrication notamment d'IGBT et de MOSFET et d'une façon générale, tous substrats pour l'optique, l'électronique et l'opto-électronique. 2906077 3 L'invention est fondée sur le principe de l'implantation d'un faisceau d'ions d'énergie élevée (de0.l à 1 ou 2 MeV par exemple lorsqu'il s'agit d'un faisceau de protons) dans un monocristal de semi-conducteur comme par exemple du silicium. La figure 2 représente la courbe de concentration d'ion obtenue à partir d'une irradiation de 5 protons par exemple en fonction de la profondeur x. On voit que quasiment tous les ions d'hydrogène par exemple, vont se loger dans une couche(15), située à la distance moyenne de la surface c. Cette couche a une certaine épaisseur Ac résultant de la statistique d'interaction ion ù cristal sur la distance s, mais aussi de la dispersion énergétique du faisceau d'ion incident ainsi que de l'ouverture angulaire du 10 faisceau. Le détachement de la lame cristalline (8) d'épaisseur s s'effectuera sensiblement au centre de la couche (15) qu'on conviendra d'appeler couche de séparation . La fluence ( du faisceau d'ions est liée à la distribution C(X) par la relation : (D_ JçxAc=k Cm.- As 15 k = constante. Cmax ù concentration au sommet de la courbe. Cette valeur est imposée pour obtenir la séparation, sous l'effet d'un effort d'arrachement donné. On voit que (D est d'autant plus faible que la dispersion As est réduite, d'où l'importance d'une bonne régulation de la tension d'accélération de l'implanteur (3). 20 A titre d'exemple, un faisceau de protons de 150 keV permettra de soulever une lame d'épaisseur 11.tm. Dans le procédé smart cut l'ion implanté est forcément gazeux (H2, N2, He, gaz rares) mais suivant l'invention, il peut être quelconque. Toutefois, les défauts créés dans la couche (8) par le passage des ions sont d'autant plus importants que la masse atomique de l'ion est 25 élevée, d'où l'intérêt d'utiliser des ions légers (protons, hélions). L'accumulation des ions dans la couche de séparation (15) crée des contraintes qui fragilisent le cristal à la profondeur s, ce qui revient à réduire l'énergie de fracture dans une couche cylindrique parallèle à la surface libre du cristal (1). La couche (8), dont l'épaisseur est typiquement de l'ordre de 1 m, ne peut être manipulée 30 sans qu'elle ait été préalablement fixée sur un raidisseur (9) par divers procédés qui seront détaillés ulérieurement. Accessoirement, cette couche de raidisseur pourra jouer le rôle d'électrode dès lors qu'il s'agit d'une couche métallique destinée à la fabrication de substrat monocristallin mince de type SOM (silicon on metal), dont l'intérêt pour la fabrication de 2906077 4 cellules photovoltaïques et aussi de substrats pour MOSFET, IGBT, diodes, etc...est considérable. Cette couche raidisseur (9) doit avoir une épaisseur suffisante pour que le substrat (8) + (9) puisse être manipulé aisément dans les différents process de production de composants semi- 5 conducteurs. Il doit aussi rester suffisamment souple pour pouvoir s'enrouler sur les différentes bobines et rouleaux mis en oeuvre dans le procédé suivant l'invention ainsi que dans de futures machines de production de composants. Une épaisseur de 10 à 1001= constitue un bon compromis entre ces deux exigences. C'est notamment la souplesse de cette lame qui sera mise à contribution pour séparer ou arracher la 10 feuille cristalline (8) du lingot cristallin (1). Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 3, l'arrachement est purement mécanique ; il résulte de la traction T exercée sur le lingot (1) par la feuille (9) . Il y a accumulation de contraintes suivant la génératrice A du cylindre (21) sur une largeur de quelques rangées atomiques. La séparation se fait donc à froid, sans qu'il soit nécessaire de libérer un gaz comme dans le 15 procédé smart cut . On évite ainsi la diffusion de l'hydrogène dans le silicium et la concentration maximum Cm implantée, peut être abaissée en raison de l'efficacité du mécanisme d'arrachement. L'accrochage ou fixation sur le lingot (1) de la couche raidisseur (9), qui peut suivant les cas être métallique ou isolante (céramique, silice, verre), peut s'effectuer de nombreuses façons. 20 Citons les principales : • par soudure à froid, métal û métal, sous ultra-vide par pression en vue d'obtenir un contact intime entre une couche métallique mince préalablement déposée sur le lingot (1) et une bande métallique (Al, Cu, Ni, Ag, Mo) (9), suffisamment plastique pour que le galet presseur (21) la fasse adhérer parfaitement, grâce à un léger fluage, au lingot (1). 25 • Par collage au moyen d'un polymère convenable comme par exemple de la résine époxy ou silicone ou encore polyimide. L'épaisseur du film doit être la plus mince possible, juste ce qui est nécessaire pour combler les imperfections de la surface du lingot (1) et de la bande raidisseur (9), qui peut être métallique ou isolante. Une épaisseur de colle de 0,1 à 1 m est suffisante. Elle peut être déposée au moyen d'un système d'enduction à 30 rouleaux multiples (20) extérieur à l'enceinte à vide (12) dans laquelle la bande (9) pénètre grâce à un pompage différentiel (13) permettant de réduire l'incidence sur le vide dans l'enceinte (12), de la tension de vapeur généralement élevée de ces résines. Le séchage des résines doit être quasi instantané. On pourra utiliser pour cela un chauffage par infra-rouge, une polymérisation par UV si la bande raidisseur (9) est transparente à ce rayonnement (silice par exemple) ou encore mieux, par faisceau d'électrons, d'énergie 2906077 5 suffisante pour traverser la bande (9). Par exemple, si celle-ci est une feuille d'aluminium de 100 m d'épaisseur, les électrons devront avoir une énergie dau moins 80keV. • Par thermocompression avec formation d'entectique Si-Al. Pour cela, on dépose une couche d'aluminium sur le cylindre (1) et le raidisseur (9) est en molybdène, ce dernier 5 est alors chauffé par exemple par faisceau d'électrons puis comprimé par le galet (21). • Par contact intime sous ultra-vide comme dans le procédé smart eut . L'implantation d'ions s'effectue au moyen d'un accélérateur électrostatique (3) qui doit irradier la surface du lingot (1) avec un faisceau ionique monoénergétique et parfaitement parallèle. La densité linéique de courant (dI/dz) requise peut se calculer comme dans l'exemple qui suit, 10 concernant l'implantation de protons dans une matrice de silicium en vue d'obtenir une couche cristalline d'épaisseur 1 m. On a vu plus haut que l'énergie des protons devait être égale à 150keV. La densité linéique de courant ionique dl/dz, dans un système défilant à la vitesse v satisfait à la relation : dl v dz 15 e = charge de l'électron, cl) = fluence du faisceau d'ion. Soit numériquement, dans l'hypothèse où on se fixe une vitesse de production de 36 mètres par heure et où on irradie à une fluence de 5 1016 p.cm 2 ùdl dz =8mA • cm-1 ce qui est très facilement réalisable. 20 La puissance linéique est alors de 1,2 kW . cm-1. Elle est essentiellement dissipée dans la feuille (8) mais par conduction thermique, elle se diffuse dans le lingot (1) qui doit donc être refroidi par exemple par une circulation de fluide sur la face opposée du lingot (1). L'accélération peut avantageusement s'effectuer en mono-gap : une source d'ions de type radio-fréquence à multi-ouverture, linéaire, placée à un ou deux centimètres du lingot (1), lequel est 25 maintenu au potentiel de la terre alors que la source est portée à +150kV. Les moyens de préparation de la surface (2) ont pour but de présenter à l'implanteur (3) une surface lisse, exempte d'aspérités et aussi de contraintes superficielles. Dans tous les cas où il y a prise de contact par la feuille métallique (9), ces moyens pourront également servir à doper la surface du lingot (1) afin que l'électrode métallique puisse prendre contact sur une couche de 30 semi-conducteur de type p ou n. Le dopage pourra avantageusement s'effectuer par implantation. L'annulation des contraintes superficielles pourra s'effectuer par un chauffage superficiel éventuellement pulsé, effectué par exemple au moyen d'un faisceau d'électrons. Le polissage pourra être mécanique ou, plus avantageusement être effectué au moyen d'un faisceau d'ions sous incidence rasante. Le polissage, éventuellement piloté à partir d'une mesure des aspérités de 6 2906077 la surface, est d'une grande importance pour éviter une accumulation des défauts au fil des passes de prélèvement de couches. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir des réalisations préférées, données à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif. 5 La première réalisation préférée concerne la production de substrat monocristallin mince déposé sur une couche isolante de type SOI (silicon on insulator). La figure 4 représente une machine de production disposée dans une enceinte à vide (12) pompée par une pompe de type turbomoléculaire (6) par exemple . On réalise ainsi un vide de l'ordre de 10-4 à 10-' torr tel que requis pour l'accélération du faisceau d'ions (3). Cette enceinte comporte un sas d'extraction à la 10 pression atmosphérique (13) ayant au moins une cellule de pompage différentiel par lequel le substrat (8) + (9) sera extrait en continu. La couche raidisseur (9) de 50 à 300mm de largeur et d'épaisseur 50 à 100 m est enroulée sur une bobine placée à l'extérieur de l'enceinte à vide (12) dans laquelle elle entre, via le sas (13). Cette couche peut être en polymère (kapton par exemple), en céramique (alumine par exemple) ou en verre (silice par exemple). Le lingot (1) 15 préalablement parfaitement usiné, de forme parallélépipédique Celui-ci est fixé sur une table de translation linéaire (28), convenablement robotisée pour effectuer le passage du lingot (1) devant les postes (3), (18) et (2) qui sont fixes. Pour compenser l'usure du lingot au fur et à mesure des prélèvements des fines couches (8), la table (28) est animée d'un mouvement de descente. Elle permet de positionner le lingot (1) à la position A au début du cycle et l'amène, à vitesse 20 contrôlée, en la position B en fin de cycle avec retour rapide en position de départ A. Le cycle comporte les opérations suivantes : 1) Implantation d'ions : le lingot, dont on a préalablement préparé la surface reçoit un flux d'ions par exemple de protons de 0.1 à 1 ou 2 MeV délivré par un accélérateur (3) qui, au moins pour les basses énergies peut avantageusement être de type mono gap. Dans ce 25 cas, le lingot (1) est maintenu au potentiel de la masse par des prises de contact convenables et la source d'ions est portée au potentiel accélérateur par exemple à +150kV. 2) Placage sur la surface du lingot (1) d'une bande raidisseur (9) isolante au moyen de deux galets (21) laquelle bande a été, à son introduction dans l'enceinte à vide (12), 30 préalablement enduite d'une couche de colle au moyen d'un système d'induction à transfert de couche ou à enducteur (20), (25). Cette colle est polymérisée entre les deux galets (21) par exemple au moyen d'un faisceau d'électrons (18). La couche cristalline (8) est ensuite arrachée par la traction exercée sur le bi-couche (8) et (9) au moyen des galets motorisés (4). Elle est ensuite extraite de l'enceinte à vide (12) pour être 35 conditionnée à l'extérieur. 2906077 7 3) Conditionnement de la surface par les moyens (2) qui peuvent être mécaniques (polissage) ou, avantageusement ioniques. Ces moyens peuvent également effectuer un chauffage superficiel en vue de supprimer les contraintes superficielles. Ce dispositif permet également de réaliser un substrat SOI avec raidisseur métallique. Pour 5 cela, les moyens de préparation (2) assurent également une oxydation de la surface du lingot (1), par exemple en formant une couche de SiO2. Suivant un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention, la couche raidisseur est réalisée en un métal tel que le cuivre, l'aluminium, le nickel, l'argent ou le molybdène, choisi en fonction de sa bonne conductivité électrique et thermique et aussi de sa capacité d'adhérence sur le cristal 10 (1). Dans ces conditions, la couche métallique (9) jouera le rôle non seulement de raidisseur mais aussi d'électrode métallique pour autant qu'on ait pris soin d'implanter préalablement sur la surface de (1) une couche p ou n sur laquelle la couche métallique (9) vient jouer le rôle de prise de contact ohmique. Comme schématisé sur la figure 5, le process s'effectue dans une enceinte à ultravide (12) 15 pompée par une pompe avantageusement de type turbomoléculaire (6).Comme précédemment, le lingot (1) est transporté par un convoyeur linéaire robotisé (28). La figure 5 représente les postes de travail réalisant le process : Le lingot (1), dont la surface a été convenablement préparée, passe tout d'abord devant un implanteur (26) destiné à doper sa surface en impuretés des groupes 3 et 5. Cette surface est 20 ensuite métallisée pour prise en contact, par pulvérisation de la cible (5) sous l'effet du bombardement par une source d'ions (24) ou encore par cathode magnétron ou encore par évaporation thermique. Le métal ainsi déposé sur la surface du lingot (1) peut être identique à celui de la couche métallique (9) ou être choisi pour présenter un excellent accrochage au cristal tout en permettant une soudure à froid sur la bande métallique (9). On peut également disposer 25 deux cibles (5) successives, l'une pour déposer une couche d'accrochage, l'autre pour déposer le même métal que la bande (9) afin d'optimiser la soudure à froid. La bande (9) est introduite dans l'enceinte par le sas (13) puis elle est décapée par un faisceau d'ion (26) avant d'être fortement pressée par le galet (21) sur la surface du lingot (1) de façon à réaliser une soudure à froid. L'entraînement du bi-couche (8) + (9) s'effectue au moyen des galets motorisés (4) qui assurent 30 la traction T permettant le décollage de la couche (8) du lingot (1). Le lingot passe ensuite comme précédemment devant le poste (2) de reconditionnement de la surface. Dans le cas où le substrat est destiné à la fabrication de cellules photovoltaïques, le process peut avantageusement inclure des moyens (10) permettant de réaliser sur la lame mono ou polycristalline (8) le dopage de la deuxième partie de la jonction p-n de cette diode, la première 35 ayant été réalisée par l'implantation (27). Ces moyens (10) comprennent donc un implanteur 2906077 8 avantageusement de type PIII (Plasma Immersed Ion Implantation) suivi éventuellement d'un dépôt métallique de prise de contact. Suivant un troisième mode préféré de réalisation de l'invention, le lingot (1) est toujours animé d'un mouvement de translation alternée et on lève, à la façon d'un rabot qui détache un copeau, 5 une fine couche de cristal (8). La production est donc discontinue mais toutes les lames cristallines (8) sont reliées entre elles par la bande raidisseur (9) de sorte que, en sortie de l'enceinte à vide (12), on extrait une bande continue sur laquelle sont juxtaposées, bout à bout, des lames cristallines (8) dont la longueur peut atteindre 1 mètre. La figure 6 représente de façon détaillée les différents postes de travail dans le cas où on fabrique 10 un SOM avec une métallisation réalisée directement par pulvérisation, sous l'effet d'un bombardement ionique de basse énergie de la bande raidisseur (9) au moyen de la source d'ions (29). On réalise ainsi, avec une seule source d'ion de quelques keV, le décapage de la bande raidisseur (9) et la métallisation de la surface du lingot (1). L'invention peut servir à la production d'une très grande variété de composants semi-15 conducteurs à des prix fortement diminués. Citons quelques exemples : les cellules photovoltaiques pour la production d'énergie d'origine solaire. L'invention permet d'automatiser la production et ainsi de réaliser un gain en terme de consommation de silicium qui peut aller de 500 à 1000. Les substrats SOI pour la micro-électronique à très haute densité. Le coût de ces substrats 20 poura être réduit considérablement. - Les substrats SOI sur métal permettant une meilleure évacuation de la chaleur et ayant de meilleures performances en terme de CEM. Les substrats SOM qui sont de nature à simplifier les process de fabrication de certains composants discrets (diodes, IGBT, MOSFET). 25 Les écrans plats LCD, DLP ou autres. Et d'une façon générale, tout substrat monocristallin ou polycristallin mince pour l'électronique, l'optique et l'opto-électronique. REVENDICATIONS 1) Dispositif, destiné à la fabrication de substrats semiconducteurs polycristallins ou monocristallins minces, caractérisé en ce qu'il comporte : une source de matériau semiconducteur polycristallin ou monocristallin ou lingot (1) de forme parallélépipédique animée d'un mouvement de translation. Des moyens d'implantation d'ions (3) de, au moins un type d'ion quelconque, à une énergie convenable pour implanter les ions à une profondeur s dans la couche de séparation (15). Des moyens convenables (5) pour assurer la fixation, la soudure, ou le collage d'une feuille raidisseur (9), sur la surface du lingot (1). Des moyens d'entraînement (4) des couches (8) et (9) à vitesse contrôlée permettant d'exercer une traction T sur ces couches, assurant le décollement de la couche mono ou polycristalline (8) par rapport au lingot (1). 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que des moyens (2) permettent une préparation de la surface du lingot (1) avant implantation incluant polissage mécanique ou ionique et annulation éventuelle de contraintes superficielles. 3) Dispositif suivant revendications les 1 ou 2,caractérisé en ce que les moyens (5) de fixation d'une feuille raidisseur métallique (9) sur la feuille monocristalline (8) sont constitués par une soudure à froid sur le lingot (1), préalablement oxydé ou non, sur lequel on dépose une couche d'un métal, avantageusement identique à celui constituant la feuille raidisseur (9) avant de presser fortement, toujours sous ultra vide, la feuille métallique (9) sur le lingot (1), par exemple au moyen d'un galet (21). 4) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2 ,caractérisé en ce que les moyens de fixation (5) d'une feuille raidisseur (9), métallique ou isolante, sont constitués par un système de collage incluant au moins un enducteur (20) et un système de polymérisation rapide à faisceau d'électrons, à UV ou thermique (18). 5) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de fixation d'une feuille raidisseur isolante (9), consistent à réaliser un contact intime, sous ultra-vide, entre les faces adjacentes de la feuille mono ou polycristalline(8) et de la feuille raidisseur (9). 6) Dispositif suivant les revendications de 1 à 5, prises séparément, caractérisé en ce que le procédé est inclus dans une enceinte à vide (21) possédant un sas de pompagé différentiel (13) à partir duquel la bi-couche (8) et (9) peut être extraite en continu à la pression atmosphérique. 7) Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3, et 6 caractérisé en ce que le système comporte des moyens (10) permettant de déposer üne électrode sur la face libre de la feuille mono ou 2906077 10 polycristalline (8), convenable pour réaliser directement certains semiconducteurs et notamment des diodes et des cellules photovoltaïques. 8) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la production de substrat SOI mais aussi de substrat sur métal (SOM) de nature à 5 améliorer certains process de fabrication notamment d'IGBT et de MOSFET et d'une façon générale tout substrat pour l'optique, l'électronique et l'optoélectronique.