Brevet FR2913968A1 — publié le 20080926

PROCEDE DE REALISATION DE MEMBRANES AUTOPORTEES DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne un procédé de réalisation de membranes auto-portées à partir de substrats démontables de type SeOI (Semiconductor On Insulator), plus particulièrement de substrats de type SOI (Silicon On Insulator). Le procédé en question permet ainsi de séparer ou détacher une couche superficielle de son substrat, la structure présentant une interface fragilisée entre la couche superficielle et le substrat. Dans de nombreuses applications microélectroniques, optoélectroniques et électroniques, il est intéressant de pouvoir détacher une couche de semi-conducteurs d'un substrat, qu'elle soit processée ou non, pour obtenir au final une couche autoportée. Par ailleurs, dans certaines applications, il peut être intéressant, après avoir formé une telle couche, de la reporter sur un substrat. Différentes techniques ont été développées pour séparer ou détacher une couche semi-conductrice de son support initial. Les moyens les plus connus consistent à amincir mécaniquement le substrat support initial, ou alors à graver chimiquement le substrat support initial. Une combinaison de l'amincissement mécanique avec la gravure chimique est également réalisable. Bien que ces méthodes permettent le retrait du support initial, elles conduisent à la destruction de ce dernier. D'autres moyens ont été mis au point pour fragiliser une zone particulière du substrat en vue de démonter la structure. Ainsi le brevet WO 02/084721 décrit une méthode de réalisation de substrat démontable comportant une interface avec deux zones différenciées du point de vue de la tenue mécanique. Cette interface peut être obtenue par différents moyens, par exemple par collage de deux surfaces préparées de façon différenciées, ou par une couche enterrée fragilisée ou alors par une couche intermédiaire poreuse. Le démontage est alors soit mécanique, avec l'utilisation de lames ou d'un jet de fluide, soit chimique. Cependant toutes ces techniques ne sont pas adaptées à la réalisation de couches autoportées, plus particulièrement lorsque celles-ci ont une faible épaisseur, comprise par exemple entre quelques nanomètres et quelques micromètres. En effet, pour des couches semi- conductrices démontables relativement fines, l'introduction à l'interface d'une lame, ou de tout autre système d'ouverture, est impossible. C'est pour cela que des techniques comme celles décrites dans le document FR 2 848 723 ont été mises au point. La technique décrite dans ce document utilise un outil comprenant deux organes de préhension qui se fixent temporairement sur chacune des plaques à désolidariser et qui sont fléchis de façon contrôlée par un actionneur afin de séparer les deux plaques. Une autre technique consiste à coller un film collant (tape, scotch) sur la totalité de la face avant d'un SOI, puis avec mise en oeuvre d'une force de traction sur ce film collant. L'énergie de collage du film étant plus élevée que l'énergie de l'interface de collage, le SOI se sépare du substrat et se retrouve collé sur le film. Une membrane autoportée ayant l'épaisseur du SOI de départ est ainsi obtenue. Le film collant est ensuite décollé de la membrane par action chimique ou mécanique ou thermique ou par application de faisceau UV si le film est UV sensible. Toutefois, ces deux dernières techniques ne peuvent s'appliquer qu'à des membranes de faible épaisseur, allant de quelques centaines de nanomètres à quelques microns (typiquement -3 m). En effet, le film ou l'organe de préhension génèrent et imposent une déformation à la membrane lors du décollement de cette dernière. De plus, les membranes de plus faible épaisseur sont plus flexibles et peuvent supporter cette déformation sans casser. Dans le cas d'un SOI avec couches minces ( 3 micromètres, obtenu par la technique BSOI par exemple), la contrainte générée dans la membrane est plus forte, du fait justement de sa plus forte épaisseur, et celle-ci supporte plus difficilement les déformations imposées par le film ou par le plateau de préhension. Ainsi, lors du décollement, la membrane casse. Enfin aucune des techniques connues ne permet de réaliser un report du film ou de la membrane. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention propose donc de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé de séparation d'une membrane à partir d'un substrat, comportant : a) la fixation d'au moins un adhésif sur une partie seulement de la surface de ladite membrane, b) la séparation de la membrane ou d'au moins une partie de la membrane, par application d'une force, par exemple de traction, sur l'adhésif. Selon un mode de réalisation de l'invention, on colle un ou plusieurs film(s) adhésif(s), non pas sur la totalité de la couche ou de la surface à démonter, à détacher ou à séparer, mais localement, sur une ou plusieurs zone(s) de cette couche ou de cette surface. Ce collage local permet d'initier la séparation ou le détachement. La membrane peut avoir été initialement collée par adhésion moléculaire avec le substrat ou assemblée avec ce dernier via une couche de collage ou via un substrat préalablement traité en vue d'augmenter son niveau de fragilisation. La membrane peut être en matériau semi-conducteur ou en matériau piézoélectrique ou en matériau ferroélectrique. Elle peut être en silicium faiblement dopé, ou fortement dopé, ou en AsGa, ou en Ge, ou en SiC, ou en GaN, ou en InP ou en LiNbO3 ou en LiTaO3. Elle peut être monocouche ou multicouches. Elle peut aussi comporter une couche processée. L'invention permet de réaliser des membranes de grandes surfaces, par exemple des membranes circulaires ayant un diamètre compris entre 100 mm et 300 mm. La séparation (étape b) peut être préalablement amorcée par attaque chimique latérale. La membrane peut avoir une épaisseur supérieure à quelques micromètres, de préférence à 3 micromètres. L'invention permet donc de réaliser des membranes autoportées, notamment des membranes épaisses, d'épaisseur supérieure à quelques micromètres, à partir de substrats SOI démontables. La membrane autoportée obtenue peut être utilisée telle quelle, ou, selon une variante, être reportée sur un support final. Une zone de fragilisation peut être préalablement formée dans la membrane ; la séparation, par rapport au substrat, d'une partie au moins de la membrane, peut alors avoir lieu le long de cette zone de fragilisation. Cette zone de fragilisation peut être réalisée par implantation ionique ou atomique, avant ou après assemblage de la membrane et du substrat. De préférence, l'interface entre la membrane et le substrat a une énergie contrôlée de manière à faciliter le démontage de la membrane. En variante ou en complément, l'interface entre le substrat et la membrane peut comporter un matériau choisi de manière à faciliter le démontage de la membrane. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - Les figures 1A, 1B et 2 représentent un 10 premier mode de réalisation de l'invention. - Les figures 3A, 3B et 4 représentent un deuxième mode de réalisation de l'invention. - La figure 5 représente un autre mode de réalisation de l'invention, avec plusieurs adhésifs. 15 - Les figures 6A et 6B représentent un autre mode de réalisation de l'invention, avec formation d'un plan de fracture. - La figure 7 représente une membrane séparée par un procédé selon l'invention, puis reportée 20 sur un substrat. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention est décrite pour un substrat BSOI mais peut se généraliser à tout type de substrat SeOI (semi-conducteur sur isolant) démontable. 25 Comme illustré sur la figure 1A, on sélectionne d'abord un substrat SeOI, comportant un film ou une membrane 4 en matériau semi-conducteur, et notamment en silicium ou en Ge, ou en SiC, ou en GaN. La membrane 4 peut aussi être en InP ou en LiNbO3 ou en LiTaO3. Elle peut aussi être en un matériau piézoélectrique, ou en un matériau ferroélectrique. Cette membrane peut être monocouche ou multicouches. Quelle que soit sa nature, et qu'elle soit mono- ou multicouches, elle peut, selon encore une variante, comporter une couche processée. Par exemple, elle comporte alors des trous et/ou des puces, et/ou des circuits et/ou des micro-systèmes. Un substrat 6 est, par exemple, lui aussi 10 en silicium ou en polysilicium ou en tout autre matériau semi-conducteur. Une interface 8 de collage peut être disposée entre les deux surfaces du film ou de la membrane 4 et du substrat 6, les surfaces de ces 15 derniers étant préférentiellement oxydées. En variante, la membrane 4 est assemblée avec le substrat 6 par collage par adhésion moléculaire. Dans une configuration favorable, la 20 structure SeOI aura été préparée au niveau de son interface de collage selon un mode favorisant le démontage ultérieur de la membrane 4 supérieure. Par exemple, les surfaces mises en contact subissent des traitements spécifiques afin de contrôler l'énergie de 25 collage, comme décrit : -dans US 2004/222500 : dans ce document, une interface est réalisée par collage par adhésion moléculaire d'une face d'une couche (ici : la membrane 4) sur une face d'un substrat (ici : le substrat 6), 30 avec, préalablement, une étape de traitement de l'une au moins de ces deux faces de sorte que la tenue mécanique de l'interface soit à un niveau contrôlé, compatible avec un démontage ultérieur, ou dans FR 2 860 249: dans ce document, une couche intermédiaire (ici : la couche 8), par exemple en PSG ou en BPSG, est disposée au niveau de l'interface membrane 6 - substrat 4, cette couche intermédiaire comportant au moins un matériau de base dans lequel sont répartis des atome ou molécules, dits extrinsèques, différents des atomes du matériau de base, et dans lesquels on applique un traitement thermique, par exemple à une température comprise entre 900 C et 1100 C; il se produit alors, de manière irréversible, une formation de microbulles ou de microcavités, en particulier d'une phase gazeuse, de telle sorte que la couche intermédiaire se transforme pour devenir spongieuse, et est donc susceptible d'augmenter en épaisseur, - ou dans US2005/029224 : une interface est réalisée de manière à avoir au moins une première zone ayant un premier niveau de tenue mécanique et une deuxième zone ayant un niveau de tenue mécanique sensiblement inférieure à celui de la première zone ; cette interface peut être obtenue par différents moyens, par exemple par collage de deux surfaces préparées de façon différenciées, ou par une couche enterrée fragilisée ou alors par une couche intermédiaire poreuse, - ou dans US 2006/019476 : dans ce document, des microbulles ou des microcavités permettent la constitution d'une couche fragilisée 8, à l'interface entre une couche mince de matériau semi- conducteur (par exemple : la membrane 4) et une face d'un substrat 6; un traitement thermique permet ensuite d'augmenter le niveau de fragilisation. En particulier, les documents US2004/222500 ou US2006/019476 décrivent des structures de type DBSOITM, ou structure SOI démontable. Un film adhésif 10 est ensuite appliqué sur la surface 5 du film ou de la membrane 4 (surface située du côté opposé à l'interface de collage 8). Comme on le verra plus loin (figure 5), plusieurs films 10, 10', 10" qui peuvent être assemblés avec la surface 5. De préférence, on choisit la surface de contact entre le ou les film(s) 10, 10', 10" et la surface 5 de la membrane 4 à détacher, de telle façon que : - cette surface de contact soit suffisamment grande pour que le ou les film(s) 10 adhère(nt) bien sur la membrane 4 à démonter et que les forces appliquées au(x) film(s) puissent induire un décollement de cette membrane, - cette même surface de contact soit suffisamment petite pour que la déformation de la membrane 4 soit compatible avec les critères d'élasticité de cette même membrane. De préférence, il existe, entre la surface 5 de la membrane 4 et la surface du ou des film(s) adhésif(s) appliquée contre cette surface 5, un rapport compris, par exemple, entre 2 et 50 ou entre 2 et 100, de préférence entre 10 et 50 ou entre 10 et 20. La figure 1B représente la membrane 4 et un adhésif 10 en vue de dessus. La figure 5 représente le 30 cas de plusieurs adhésifs 10, 10', 10" avec la membrane 4 en vue de dessus. Dans la suite, on limitera en général les explications au cas d'un seul adhésif, mais toutes les considérations développées dans le cas d'un seul adhésif s'appliquent également au cas de plusieurs adhésifs. La séparation de la membrane 4 est initiée par application d'une force telle qu'une force de traction, par exemple, sur l'adhésif 10. Dans le cas de plusieurs adhésifs, la traction peut être appliquée à un ou plusieurs d'entre eux. La membrane 4 est libre, puisqu'elle n'est en contact avec le film adhésif que sur une petite surface, et peut donc se déformer librement. Ainsi, la contrainte et la déformation générées dans la couche 4 sont beaucoup plus faibles que dans la méthode proposée dans l'état de la technique, qui met en oeuvre un adhésif sur toute la surface. L'invention permet donc de détacher la membrane 4 sans la casser. La figure 2 représente la membrane après séparation, une couche 8', 8" d'oxyde de Si restant sur chacune des parties 4, 6, par exemple dans le cas d'un substrat D-BSOITM élaboré à partir d'un collage oxyde/oxyde réalisé de telle sorte qu'il soit démontable, par exemple selon l'une des techniques indiquées précédemment, ou de sorte que l'interface de collage ait une énergie de collage contrôlée afin que le substrat soit démontable, là encore selon l'une des techniques indiquées précédemment. La surface totale de contact entre la membrane 4 et l'adhésif 10 dépend des paramètres élastiques de ce dernier, de la nature de la membrane à détacher (silicium faiblement dopé, ou fortement dopé, ou AsGa,...), du diamètre du substrat 6, de l'épaisseur de la membrane 4, et de l'énergie de collage à l'interface. Ainsi, par exemple pour une plaque 6 de 150 mm de diamètre, avec une couche démontable 4 de 50 micromètres d'épaisseur, la surface de contact entre l'adhésif 10 et la membrane 4 est de l'ordre de 1 à 10 cm2, préférentiellement de l'ordre de 4 cm2. Plus l'énergie de collage entre la membrane démontable 4 et le support 6 est élevée, plus la surface de contact, entre membrane et adhésif(s), permettant de détacher la membrane 4, est importante. D'autre part, la surface de contact va varier également en fonction de la forme du contact (forme rectangulaire plus ou moins large, forme arrondie ... etc). Une variante va être décrite en liaison avec les figures 3A, 3B et 4. Cette variante met en oeuvre la création d'une amorce. Comme illustré sur la figure 3A le démontage de la membrane 4 peut en effet être facilité en attaquant l'interface entre les couches 8', 8" latéralement, par exemple par une attaque chimique au HF. Cette attaque latérale est symbolisée par les deux flèches 12, 12' de la figure 3A. Le décollement est ainsi amorcé, ce qui permet de détacher la membrane 4 en exerçant une traction plus faible sur le film collant 10. On réduit ainsi les risques de rupture de la membrane. Dans le cas où une telle attaque latérale est réalisée il est alors possible de limiter la surface de contact entre l'adhésif 10 et la membrane 4. La figure 4 représente la membrane après séparation, une couche 8', 8" d'oxyde de Si restant sur chacune des parties 4, 6. La mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention est facilitée si l'interface de collage (ici : l'interface 8) entre la membrane 4 et le substrat 6 a une énergie contrôlée. Par ailleurs la nature du matériau 8 éventuellement présent à l'interface entre substrat et membrane 4 peut être choisie de manière à pouvoir démonter la membrane 4. Contrôle de l'énergie et/ou contrôle de la nature du matériau présent à l'interface, de manière à avoir un démontage facilité, sont par exemple décrits dans les documents déjà cités et commentés ci-dessus : US2004/222500 ou US2006/019476 ou FR0311450 ou US2005/029224. Dans tous les cas, une zone de fragilisation 14 peut être réalisée dans la membrane 4, par implantation 24 préalable, ionique ou atomique, dans cette même membrane (figure 6A), puis collage sur un substrat support 6 (figure 6B, qui reprend des références numériques identiques à celles de la figure 1A) et détachement de la membrane via le ou les films adhésifs 10, 10', 10", le long du de fragilisation 14; un tel procédé permet de réaliser une séparation de la membrane 4 par rapport au support 6. Une partie de la membrane 4 est alors laissée sur le substrat 6. Il est aussi possible de réaliser l'assemblage de la membrane 4 avec le substrat support 6 avant implantation ionique ou atomique dans la membrane 4 et, ensuite, la séparation avec les moyens adhésifs. Pour créer la zone de fragilisation on peut appliquer la technique Smart Cut telle que décrite par exemple dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al. Why can Smart-Cut change the future of microelectronics ? paru dans International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 10, N .1 (2000), p. 131-146. La membrane autoportée obtenue par un procédé selon l'invention peut être utilisée sans aucun autre support ou substrat. En variante, elle peut être reportée sur un autre substrat 20, comme illustré sur la figure 7. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'une membrane (4) d'un substrat (6), comportant : a) la fixation d'au moins un adhésif (10, 10', 10") sur une partie seulement de la surface de ladite membrane qui ne fait pas face au substrat, b) la séparation, par rapport au substrat (6), d'une partie au moins de la membrane (4) par application d'une force sur au moins l'un des adhésifs. 2. Procédé selon la revendication 1, la membrane (4) étant initialement collée par adhésion moléculaire avec le substrat (6). 3. Procédé selon la revendication 1, la membrane (4) étant initialement collée via une couche de collage (8) avec le substrat (6) ou via un substrat préalablement traité en vue d'augmenter son niveau de fragilisation. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, la membrane (4) étant en matériau semi-conducteur ou en matériau piézoélectrique ou en matériau ferroélectrique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, la membrane (4) étant en silicium faiblement dopé, ou fortement dopé, ou en AsGa ou en Ge, ou en SiC, ou en GaN, ou en InP ou en LiNbO3 ou en LiTaO3. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la membrane (4) étant monocouche, ou multicouches. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, la membrane (4) comportant une couche processée. 8. Procédé selon la revendication 7, la couche processée comportant des trous et/ou des puces, et/ou des circuits et/ou des micro-systèmes 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, la séparation étant préalablement amorcé par attaque latérale (12, 12'). 10. Procédé selon la revendication 9, l'attaque préalable étant de type chimique. 11. Procédé selon l'une des revendications 20 1 à 10, la membrane (4) ayant une épaisseur supérieure à 3 micromètres. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, la membrane (4) étant circulaire. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, la membrane (4) étant de diamètre compris entre 100 mm et 300 mm. 30 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, la surface (5) de la membrane (4) et la surface 25du film adhésif appliquée contre cette surface ayant un rapport compris entre 2 et 100, de préférence entre 10 et 50. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, la membrane (4) étant destinée à être autoportée. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, la membrane (4) étant, après séparation, reportée sur un support (20). 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, une zone de fragilisation (14) étant préalablement formée dans la membrane (4). 18. Procédé selon la revendication 17, la séparation, par rapport au substrat (6), d'une partie au moins de la membrane (4), ayant lieu le long de la zone (14) de fragilisation. 19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18, la zone de fragilisation étant réalisée par implantation ionique ou atomique, avant ou après assemblage de la membrane (4) et du substrat. 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 19, l'interface entre la membrane (4) et le substrat (6) ayant une énergie contrôlée de manière à faciliter le démontage de la membrane (4). 21. Procédé selon l'une des revendications 1 à 20, l'interface entre le substrat (6) et la membrane (4) comportant un matériau choisi de manière à faciliter le démontage de la membrane (4).5