Brevet FR2964788A1 — publié le 20120316

i La présente invention se rapporte à un procédé de traitement d'un substrat au moyen d'un flux lumineux de longueur d'onde déterminée, ainsi qu'à un substrat correspondant. Le procédé bien connu sous la marque déposée Smart Cut est une technique de transfert très répandue qui consiste, d'une manière générale, à implanter une dose d'espèces atomiques ou ioniques dans un substrat donneur, de manière à y créer une zone de fragilisation à une profondeur déterminée, délimitant ainsi une couche mince à transférer, à coller le substrat donneur sur un substrat support ou substrat receveur et à provoquer la fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation, permettant ainsi le détachement de la couche mince collée au substrat receveur. Un tel procédé donne généralement satisfaction. Il requiert toutefois des doses élevées d'espèces atomiques, ce qui se répercute 15 inévitablement sur le coût global de mise en oeuvre. Il existe donc à ce jour un besoin de recourir à un autre procédé de traitement d'une pièce ou d'un substrat, qui permette au final de détacher des couches minces ou des couches épaisses d'un substrat, ceci de manière efficace, propre, et moyennant un procédé facile à mettre en 20 oeuvre. Par ailleurs, l'article "Laser heating of thick layers through the backwards, self-sustained propagation of a steep and steady state thermal front", de Monsieur Michel BRUEL (2009) ainsi que la demande de brevet français N° 07 57986 décrivent un procédé de chauffage au moins local 25 d'une plaque comprenant au moins une couche à chauffer et une sous-couche. Dans ces documents, la sous-couche présente la particularité d'être absorbante vis-à-vis d'un flux lumineux de longueur d'onde prédéterminée, cette absorption se faisant indépendamment des conditions 30 de température. Par ailleurs, la couche à chauffer présente, quant à elle, la particularité d'avoir un coefficient d'absorption du flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur à mesure que cette température s'élève. Si l'on irradie cette couche à chauffer au moyen dudit rayonnement lumineux, on peut alors échauffer la sous-couche absorbante en traversant la couche à chauffer qui, en quelque sorte, est transparente au rayon lumineux. De cette manière, l'interface qui sépare la couche à chauffer et la sous-couche s'échauffe et vient chauffer les couches qui lui sont adjacentes, ce qui va les rendre à leur tour absorbantes, de sorte que de proche en proche, les couches les plus distantes de la couche absorbante vont devenir de plus en plus absorbantes. Il se crée ainsi un "front thermique" qui progresse vite, de manière très homogène, et ceci de manière sensiblement adiabatique. Cette technique permet donc de chauffer rapidement des régions localisées d'un substrat à des profondeurs élevées qui ne seraient chauffées qu'imparfaitement, si on procédait à un traitement thermique où le seul mécanisme intervenant serait la diffusion thermique, et au bout d'un temps de chauffage particulièrement long. Le présent demandeur s'est rendu compte qu'il était possible 20 de faire usage d'une telle technique pour traiter un tel substrat de manière à le fragiliser. Cette fragilisation pourra permettre, dans certaines circonstances, de provoquer le détachement d'une couche d'intérêt. L'épaisseur d'une telle couche peut typiquement, à titre non 25 limitatif suivant l'application visée, être comprise dans la gamme 0,5-50 micromètres. Ainsi, un premier aspect de la présente invention est relatif à un procédé de traitement d'un substrat au moyen d'un flux lumineux de longueur d'onde déterminée, ce substrat comportant une couche enterrée 30 qui est absorbante, c'est-à-dire qui absorbe ledit flux lumineux indépendamment de la température, cette couche enterrée étant intercalée entre une première couche, dite de traitement, et une deuxième couche, la première couche présentant un coefficient d'absorption du flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que cette 35 température s'élève, procédé selon lequel on irradie ladite première couche, en direction de ladite couche enterrée, par au moins une impulsion dudit flux lumineux, caractérisé par le fait que - ledit flux lumineux est appliqué en plusieurs endroits de la surface de la première couche, de manière à échauffer des régions de la couche enterrée et à générer dans cette première couche par propagation de front thermique, en regard des dites régions échauffées de la couche enterrée, des zones échauffées, formant piliers thermiques, lesquels se dilatent et génèrent des contraintes au sein de la seconde couche, via la couche enterrée, et en ce que - l'irradiation est mise en oeuvre de façon à obtenir des contraintes suffisantes pour initier, dans la seconde couche, au voisinage de son interface avec ladite couche enterrée, une amorce de fracture, à tout le moins la génération de défauts structurels rendant cette région fragile. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - préalablement à la dite irradiation, on soumet ledit substrat à un traitement chimique et/ou mécanique de sa tranche pour y générer une amorce de rupture ; - ledit traitement est réalisé par indentation de la tranche du substrat, sensiblement au niveau de l'interface de la seconde couche avec ladite couche enterrée ; - préalablement à ladite irradiation, on met en oeuvre un traitement de fragilisation dudit substrat dans la première ou dans la seconde couche au voisinage de son interface avec ladite couche enterrée, ou dans la couche enterrée elle -même ; - ledit traitement de fragilisation est choisi parmi les techniques suivantes : implantation d'espèces atomiques combinée ou non avec des traitements thermiques, porosification, création d'une couche intermédiaire dont le matériau présente un paramètre de maille différent de celui du reste de ladite couche ; - ladite couche enterrée est une couche continue, sans solution de continuité ; - ladite couche enterrée est une couche discontinue, c'est à 35 dire constituée d'un ensemble de régions discrètes ; - l'on utilise un substrat dont la couche enterrée absorbante est une couche dopée, par exemple en silicium ; - préférentiellement l'épaisseur de ladite seconde couche est inférieure à celle de la première couche, leur rapport d'épaisseur étant 5 compris entre 1 /2 à 1/1 oo ; - ledit flux lumineux est un rayonnement laser, par exemple infra-rouge, préférentiellement de longueur d'onde de l'ordre de 10,6 micromètres ; - l'on fait usage d'un flux se matérialisant sous la forme d'au 10 moins un rayonnement de forme cylindrique ou tronconique ; - l'on fait usage d'un flux qui se déplace progressivement le long de la surface de ladite première couche, se matérialisant ainsi sous la forme d'une irradiation lamellaire ; - il est possible aussi que ladite couche enterrée, en plus 15 d'être absorbante, présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du (ou des) matériau(x) des autres couches ; - au moins l'une desdites première et seconde couche est en silicium. Un autre aspect de l'invention est relatif à un substrat 20 comportant une couche enterrée qui est absorbante, c'est-à-dire qui absorbe un flux lumineux de longueur d'onde déterminée indépendant de la température, intercalée entre une première couche présentant un coefficient d'absorption dudit flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que celle-ci s'élève, et une seconde couche caractérisée 25 en ce que l'épaisseur de ladite seconde couche est inférieure à celle de la première couche, leur rapport d'épaisseur étant compris entre 1/2 et 1/100. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre de certains modes de réalisation préférés. 30 Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un substrat comportant une couche enterrée, qui est susceptible d'être soumis au procédé de traitement selon l'invention ; 35 - la figure 2 est une vue analogue à la vue précédente, qui illustre la mise en oeuvre dudit procédé ; - la figure 3 est une vue agrandie d'un détail de la structure illustrée à la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe et simplifiée d'une variante de réalisation du substrat ; - les figures 5 et 6 sont des vues simplifiées de deux modes de réalisation différents du procédé de la présente invention ; - la figure 7 est une vue d'une autre variante de ce procédé. Le substrat représenté à la figure 1 est susceptible d'être traité conformément au procédé de la présente invention. Ce substrat 1 comporte une couche enterrée 3 qui est intercalée entre une première couche 2 et une deuxième couche 4. La première couche 2 dite "de traitement", par exemple en silicium, présente la particularité de présenter un coefficient d'absorption d'un flux lumineux de longueur d'onde prédéterminée, qui est faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que cette température s'élève. Ainsi, quand cette couche est constituée de silicium peu dopé, par exemple à un niveau d'environ quelques 1015 atomes/cm3, alors ce matériau est transparent à un rayonnement de type laser émettant dans l'infra-rouge lointain (par exemple longueur d'onde de l'ordre de 10,6 micromètres). La couche enterrée 3 précitée est par exemple une couche qui est épitaxiée sur la couche 2. Cette couche présente la particularité d'être significativement absorbante pour le flux lumineux précité et ceci de manière sensiblement indépendante de la température. Une manière de rendre cette couche absorbante, lorsqu'il s'agit d'un semiconducteur, est par exemple de la doper avec une autre espèce atomique. Ainsi par exemple, cette couche enterrée peut être une couche de silicium d'une épaisseur d'un micromètre dopée à un niveau de l'ordre de 1.1020 atomes/cm3, par exemple avec des atomes de bore, de phosphore ou d'arsenic. La deuxième couche 4 est, quant à elle, une couche épitaxiée sur la précédente, par exemple réalisée également en silicium. Sur cette figure est référencée 5, une zone optionnelle de la couche 4, très proche de son interface I avec la couche enterrée, 3 qui présente la caractéristique d'être fragilisée. Ce traitement localisé de fragilisation peut être mis en oeuvre dans la couche 4 via sa face arrière 40, par un traitement bien connu de fragilisation telle qu'une implantation d'espèces atomiques combinée ou non avec des traitements thermiques, ou la création de pores dans cette zone 5 (traitement de porosification). Un autre exemple de traitement est la création d'une couche 10 intermédiaire dont le matériau présente un paramètre de maille différent de celui du reste de la couche. Ainsi, par exemple, on peut créer la couche 4 de la manière suivante : création d'une couche épitaxiée de 2 pm d'épaisseur de Si-Ge sur du silicium où le pourcentage de germanium représente plus de 20% et 15 sur laquelle on a fait croitre par épitaxie une autre couche de silicium de 20 pm par exemple. Avantageusement, l'épaisseur de la seconde couche 4 est inférieure à celle de la première couche 2, leur rapport d'épaisseur étant préférentiellement et typiquement compris entre 1/2 et 1/100, de façon à ce 20 que l'application du procédé objet de l'invention ne se traduise pas aussi par une fragilisation à l'intérieur de la couche 2. Les épaisseurs correspondantes des couches 2 et 4 ont été référencées eB et eC à la figure 2. Comme illustré à la figure 2, le procédé selon l'invention 25 consiste à irradier la première couche 2, par sa face avant 20, à l'aide d'un flux lumineux dont la longueur d'onde est déterminée pour que ce flux soit absorbé par la couche enterrée 3, tout en étant transparent, au moins dans un premier temps, pour la couche 2. Dans le cas précité où le substrat est à base de silicium, le flux 30 lumineux est préférentiellement un rayonnement laser dans le domaine de l'infra-rouge. Ceci est symbolisé par les flèches noires à la figure 2, référencées IR. Dans une première phase de ce procédé, le rayonnement 35 infra-rouge traverse l'intégralité de la couche 2 et est absorbé par la couche 3 qui s'échauffe localement. Cet échauffement se propage à la couche 2 au niveau de son interface I' avec la couche 3 et ses régions deviennent de moins en moins transparentes du fait de l'élévation progressive de leur coefficient d'absorption. Dans le mode de réalisation de la figure 2 dans lequel le flux lumineux IR se matérialise sous la forme d'impacts de rayonnement de forme cylindrique ou tronconique, on génère au sein de la couche 2 une série de "piliers" thermiques symbolisés par la référence P. Ces "piliers" sont donc des régions échauffées de la couche 2, 10 qui sont situées en regard des zones de la couche 3 visées par le rayonnement. Ceux-ci présentent une hauteur eA qui est fonction de l'énergie délivrée par le rayonnement lumineux et de la durée d'application de ce dernier. 15 Le présent demandeur a mis en évidence le fait que ces piliers thermiques, comme représentés à la figure 3, du fait de l'élévation de température localisée de la couche 2 se dilatent et génèrent des contraintes C, notamment de cisaillement, qui déforment localement la couche enterrée 3, et se transmettent à la seconde couche 4, au voisinage de l'interface. 20 Le présent procédé consiste donc à mettre en oeuvre l'irradiation jusqu'à un niveau de contraintes suffisant pour initier, dans la deuxième couche 4, au voisinage de son interface I avec la couche enterrée 3 une amorce de fracture. A tout le moins, le procédé génère des défauts structurels dans la couche 4, qui la rendent fragile localement. 25 Pour déterminer les valeurs des paramètres à mettre en oeuvre pour obtenir les conditions relatives au niveau de contrainte, on applique les règles simples suivantes : La température de chaque pilier thermique et sa hauteur sont choisies de telle sorte que la dilatation théorique de ce pilier thermique, 30 dans le sens vertical (c'est-à-dire perpendiculairement) en espace libre (c'est-à-dire pris isolément, comme s'il ne se trouvait pas dans la structure) serait au moins égale à 4/1000 de son diamètre. Par exemple, avec un flux laser se matérialisant sous une forme cylindrique de diamètre 50 pm, on crée des piliers thermiques de 35 diamètre sensiblement égal à 50 pm. La température de chaque pilier est portée jusqu'à une température de 1273°K, soit un delta T de 1000°K avec la température ambiante. Le coefficient moyen de dilatation dans cette gamme de température est de 2,5*E-6. On calcule alors la hauteur eA de pilier à réaliser pour satisfaire au critère précédemment cité : eA*2,5*10-61000 = (4/1000)50, Soit eA = 80 pm Bien évidemment, les paramètres optimum peuvent être éventuellement choisis par l'utilisation de logiciels de simulation disponibles commercialement. Cette amorce de fracture est d'autant plus aisée à mettre en oeuvre si l'on a réalisé, comme indiqué plus haut, une amorce de rupture et/ou une fragilisation du substrat de la couche 4, dans la zone 5. L'amorce de rupture consiste à soumettre le substrat à un traitement chimique et/ou mécanique préalable de sa tranche, par exemple pour y former une indentation. Dans ce sas, on préférera mettre en oeuvre l'irradiation, dans un premier temps, au voisinage de l'indentation, puis de proche en proche pour propager l'amorce de rupture inhérente à l'indentation. De plus, pour autant que l'épaisseur eC est très petite vis-à-vis de eB, la capacité de la couche 4 à se déformer et générer une amorce de fracture est grande, cette amorce se propageant de proche en proche pour séparer une fraction de la couche 4 du reste de substrat, il suffira alors d'apporter une contrainte mécanique supplémentaire. En référence à la figure 4, on a affaire ici à une structure 1 du 25 même genre que la précédente, mais dont la couche absorbante 3 n'est pas continue. Elle présente au contraire une solution de continuité, de sorte qu'elle est constituée d'une multitude, c'est-à-dire d'un ensemble de régions discrètes 31, formant autant "d'ilots" de matériau absorbant. 30 La fabrication d'une telle "couche" est par exemple réalisée par une épitaxie sur l'ensemble de la surface de la structure, puis gravure localisée au travers d'un masque. Après enlèvement du masque, la seconde couche 4 est alors épitaxiée à son tour. Une alternative est, par exemple, de procéder à une 35 implantation, par exemple d'arsenic selon une dose de l'ordre de 1016 atomes/cm2 à travers un masque, puis à un recuit à 1050°C pendant 3 heures. Ainsi, que le montrent les figures 5 et 6, pour autant que l'une des couches 2 et 4 présente un coefficient d'absorption du flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que la température s'élève, on pourra irradier la structure par le dessous ou par le dessus. Selon le schéma de la figure 8, la couche 3, en plus d'être absorbante, présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du matériau environnant, c'est-à-dire du matériau des couches 2 et 4. Cela augmente la capacité à former, au sein de la structure, une amorce de rupture. Ci-après sont décrits quelques exemples de réalisation du procédé selon l'invention. Exemple 1 Sur un substrat de silicium d'une épaisseur de 200 micromètres environ, faiblement dopé de type n (1015 atomes/cm3), on forme, par une technique d'épitaxie de type CVD, une couche de 2,5 micromètres de silicium fortement dopée par des atomes de bore concentration de bore de (1020 atomes/cm3). Au dessus de cette couche, on fait croître par épitaxie de type CVD une couche de silicium faiblement dopée de type n (quelques 1015 atomes/cm3), de 20 micromètres d'épaisseur. La structure ainsi réalisée est ensuite trempée quelques minutes dans une solution aqueuse d'éthylène-diamine pyrocatechol, bien connue de l'homme de métier pour attaquer préférentiellement le silicium dopé p. La couche dopée p est ainsi attaquée chimiquement par la périphérie. On réalise ainsi une indentation d'environ 2,5 micromètres de hauteur et d'une dizaine de micromètres de profondeur, sur la partie périphérique du substrat (tranche), créant ainsi une amorce qui pourra servir de point de départ à la propagation d'une fracture, sensiblement au niveau ou au voisinage de la couche dopée. 2964788 i0 On applique ensuite à cette structure un flux de laser CO2 sous la forme d'un flux cylindrique de diamètre 50 microns, d'impulsions de durée 600 nanosecondes et d'énergie 20J/cm2. On crée ainsi, à chaque impulsion, un pilier thermique de 5 section sensiblement 50 micromètres et s'étendant depuis la couche dopée p sur environ une hauteur de 60 micromètres. La température atteinte, sensiblement homogène sur toute la hauteur du pilier, est d'environ 1400°C. Préférentiellement, et indépendamment de l'exemple ci- 10 dessus, le premier pilier thermique est réalisé au voisinage (distance inférieure ou égale à une centaine de micromètres) de l'indentation, de façon à propager l'amorce de rupture inhérente à l'indentation. Toute la surface du substrat est ensuite soumise à la création de piliers thermiques. Chaque nouveau pilier thermique est réalisé à une 15 distance suffisamment proche (par exemple inférieure à 100 microns) du point où a été créé le pilier précédent, de façon à pouvoir propager la fracture de proche en proche. Cette création de piliers peut être mise en oeuvre de manière continue, en ce sens que le faisceau laser émet de façon alors continue et est déplacé à une vitesse telle que le flux laser ne 20 stationne que 600 nanosecondes en chaque point. Exemple 2 Sur un substrat de Si d'épaisseur de 200 micromètres environ), on forme par une technique d'épitaxie de type CVD, une couche 25 de 2,5 micromètres de Si fortement dopée p par du bore, à une concentration de 1020 atomes/cm3. Au dessus de cette couche, on fait croître par épitaxie de type CVD une couche de silicium-germanium de 2 micromètres d'épaisseur dans laquelle, grâce au réglage dynamique des flux gazeux dans la machine 30 d'épitaxie pendant la réalisation de cette couche, la concentration en germanium passe progressivement de 5% à la base de la couche pour atteindre 25% au milieu de l'épaisseur de la couche pour rediminuer à environ 5% dans la partie supérieure de la couche. Par dessus, cette couche de Si-Ge on réalise, par épitaxie, une couche faiblement dopée de type n (quelques 1015 atomes/cm3), de 20 micromètres d'épaisseur. Cette structure est alors traitée d'une manière analogue à celle déjà décrite. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un substrat (1) au moyen d'un flux lumineux (IR) de longueur d'onde déterminée, ce substrat (1) comportant une couche enterrée (3) qui est absorbante, c'est-à-dire qui absorbe ledit flux lumineux indépendamment de la température, cette couche enterrée étant intercalée entre une première couche (2), dite de traitement, et une deuxième couche (4), la première couche (4) présentant un coefficient d'absorption du flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que cette température s'élève, procédé selon lequel on irradie ladite première couche (2), en direction de ladite couche enterrée (3), par au moins une impulsion dudit flux lumineux (IR), caractérisé par le fait que - ledit flux lumineux (IR) est appliqué en plusieurs endroits de la surface de la première couche (2), de manière à échauffer des régions de la couche enterrée (3) et à générer, dans cette première couche (2) par propagation de front thermique, en regard des régions échauffées de la couche enterrée (3), des zones échauffées formant des piliers thermiques (P), lesquels se dilatent et génèrent des contraintes au sein de la seconde couche (4), via la couche enterrée (3), et en ce que - l'irradiation est mise en oeuvre jusqu'à l'obtention de contraintes suffisantes pour initier, dans la seconde couche (4), au voisinage de son interface (I) avec ladite couche enterrée (3), une amorce de fracture, à tout le moins la génération de défauts structurels rendant cette région fragile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, préalablement à ladite irradiation, on soumet ledit substrat (1) à un traitement chimique et/ou mécanique de sa tranche pour y générer une amorce de rupture. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit traitement est réalisé par indentation de la tranche du substrat, sensiblement au niveau de l'interface (I) de la seconde couche (4) avec ladite couche enterrée (3). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, préalablement à ladite irradiation, on met en oeuvre un traitement de fragilisation dudit substrat (1) dans la première (2) ou dans la secondecouche (4), au voisinage de son interface (I) avec ladite couche enterrée (3), ou dans la couche enterrée elle-même. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait ledit traitement de fragilisation est choisi parmi les techniques suivantes : implantation d'espèces atomiques combinée ou non avec des traitements thermiques, porosification création d'une couche intermédiaire dont le matériau présente un paramètre de maille différent de celui du reste de ladite couche (2, 4). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé 10 par le fait que ladite couche enterrée (3) est une couche continue, sans solution de continuité. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite couche enterrée (3) est une couche discontinue, c'est à dire constituée d'un ensemble de régions discrètes (31). 15 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise un substrat (1) dont la couche enterrée absorbante (3) est une couche dopée, par exemple en silicium. 9. Procédé l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'épaisseur de ladite seconde couche (4) est inférieure à celle 20 de la première couche (2), leur rapport d'épaisseur étant compris entre 1/2 et 1/100. 10. Procédé l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit flux lumineux (IR) est un rayonnement laser, par exemple infra-rouge, préférentiellement de longueur d'onde de l'ordre de 25 10,6 micromètres. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'on fait usage d'un flux (IR) se matérialisant sous la forme d'au moins un rayonnement de forme cylindrique ou tronconique. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait 30 que l'on fait usage d'un flux (IR), qui se déplace progressivement le long de la surface de ladite première couche (2), se matérialisant ainsi sous la forme d'une irradiation lamellaire. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite couche enterrée (3), en plus d'être 35 absorbante, présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du (ou des) matériau(x) des autres couches (2 ; 4). 14. Procédé l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins l'une desdites première et seconde couches (2, 4) est en silicium. 15. Substrat (1) comportant une couche enterrée (3) qui est absorbante, c'est-à-dire qui absorbe un flux lumineux (IR) de longueur d'onde déterminée indépendant de la température, intercalée entre une première couche (2) présentant un coefficient d'absorption dudit flux lumineux faible à température ambiante et croissant au fur et à mesure que celle-ci s'élève, et une seconde couche (4), caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite seconde couche (4) est inférieure à celle de la première couche (2), leur rapport d'épaisseur étant compris entre 1/2 et 1/100.