Brevet FR2980280A1 — publié le 20130322

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne le domaine de la fabrication de structures composites (ou multicouches) à semi-conducteur et porte plus particulièrement sur les procédés de séparation par exfoliation permettant le détachement d'une ou plusieurs couches d'une structure composite, dans le cadre par exemple du transfert de couches d'un support initial vers un support final. Dans le domaine de la fabrication de structures composites, il est souvent utile de pouvoir assembler et/ou séparer des films ou couches, telles que des couches semi-conductrices ou isolantes par exemple. De telles séparations sont notamment nécessaires pour transférer une couche d'un substrat initial vers un substrat final. Ces transferts interviennent par exemple dans la mise en oeuvre de la technologie tridimensionnelle de composants qui implique la formation de composants électroniques, photovoltaïques et/ou optoélectroniques sur les deux faces (« face avant » et « face arrière ») d'une même couche (3D-intégration). On réalise également des transferts de couche pour transférer des circuits lors de la fabrication d'imageurs éclairés en face arrière. Le transfert de couches est encore utile pour changer le substrat sur lequel une ou plusieurs couches sont formées afin que le nouveau substrat respecte des besoins en termes notamment de coût, de caractéristiques physiques (taille de maille, résistance à la température...) etc. Un procédé de transfert de film mince est par exemple décrit dans le document de brevet EP 0 858 110. Cette méthode prévoit en particulier la séparation d'un film à l'aide d'une technique de séparation par exfoliation, cette technique nécessitant notamment l'irradiation d'une structure composite au travers d'un substrat transparent. Un exemple de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'une structure composite (étapes S1 et S2) et d'un procédé de séparation par exfoliation (étape S3 et S4) est à présent décrit en référence à la figure 1. En premier lieu, une couche 10 dite de séparation (ou couche d'absorption optique) est assemblée par collage sur l'une des faces d'un substrat support 5 (étape S1). Le substrat support 5 est au moins partiellement transparent à une longueur d'onde prédéterminée. Une couche 15 (appelée aussi « couche à séparer ») est ensuite assemblée par collage sur la face de la couche 10 opposée à celle en contact avec le substrat support 5, de façon à obtenir une structure composite 25 (étape S2). On notera que l'assemblage des couches 5, 10 et 15 lors des étapes S1 et S2 peut s'effectuer au moyen d'une quelconque technique d'assemblage appropriée, telle que par exemple, une technique de collage par adhésion moléculaire ou faisant intervenir une couche de collage intermédiaire. De plus, les couches 10 et 15 ne sont pas nécessairement assemblées par collage pour former la structure composite 25. En variante, il est possible de former au moins l'une des couches 10 et 15 au moyen d'une technique de dépôt appropriée. La couche de séparation 10 peut, par exemple, être formée par dépôt PECVD (« plasma enhanced chemical vapor deposition ») ou LPCVD (« low pressure CVD»). Une fois la structure composite 25 formée, on peut procéder à la séparation par exfoliation de la couche de séparation 10. Ce procédé permet de détacher la couche 15 du substrat support 5. Pour ce faire, la couche de séparation 10 est irradiée au moyen d'un rayonnement électromagnétique 20 au travers du substrat support 5 (étape S3). Le rayonnement 20 est à une longueur d'onde pour laquelle le substrat support 5 est au moins partiellement transparent. On entend ici par « partiellement transparent », un substrat dont la transmittance à la longueur d'onde considérée est au moins de 10%, et de préférence supérieure ou égale à 50%. Comme indiqué ultérieurement, le niveau de transparence requis variera selon la quantité d'énergie du faisceau électromagnétique 20 reçue par la couche de séparation 10. Lors de cette étape S3 d'irradiation, la couche de séparation 10 absorbe la lumière incidente traversant l'interface 8 entre le substrat support 5 et la couche de séparation 10. Cette irradiation entraîne une réduction, voire une élimination, des forces d'adhérence entre les atomes ou les molécules dans le matériau de la couche de séparation 10. Sous l'action du rayonnement 20, la matière constituant la couche de séparation 10 est en effet soumise à une excitation photochimique et/ou thermique qui conduit à la rupture de chaîne d'atomes ou de molécules. Ces ruptures provoquent ainsi la séparation par exfoliation de la couche de séparation 10, soit dans l'épaisseur même de la couche 10 (exfoliation dite « interne »), soit à l'interface 8 entre la couche 10 et le substrat support 5 ou à l'interface 12 entre la couche 10 et la couche à séparer 15 (exfoliation « d'interface »). Ce phénomène d'exfoliation peut également mettre en jeu un ou plusieurs gaz dégagés par la matière de la couche de séparation 10 sous l'action du rayonnement 20. A noter que la séparation induite par le rayonnement 20 ne se traduit pas nécessairement pas un détachement ou une séparation effective dans la couche de séparation 10 (ou à l'une des interfaces 8 et 12) mais peut simplement se manifester par une fragilisation de la matière de la couche de séparation 10. Dans ce dernier cas, l'application d'une énergie supplémentaire (sous forme d'efforts mécaniques par exemple) est nécessaire pour obtenir le détachement effectif entre le substrat support 5 et la couche 15 (si un tel détachement est effectivement souhaité). Une fois le substrat 5 et la couche 15 totalement séparés (étape S4), il est possible de recycler le substrat support 5 en vue de former une nouvelle structure composite. Actuellement, les structures composites réalisées selon la construction de la figure 1 présentent en général l'une des compositions suivantes : - GaN / A1203 ce qui correspond à une couche de séparation 10 en GaN et à un substrat support 5 en saphir ; - Si3N4 / A1203, ce qui correspond à une couche de séparation 10 en Si3N4 et à un substrat support 5 en saphir. En ce qui concerne ces compositions, les résultats en termes de qualité de séparation par exfoliation sont en général satisfaisants. Lorsque l'on procède, par exemple, à la séparation de couches de GaN déposées sur un substrat saphir, l'application du rayonnement 20 (à une longueur d'onde comprise typiquement entre 190 et 250 nm) s'effectue dans de bonnes conditions et la séparation est obtenue sans difficulté particulière. La déposante a cependant observé que les résultats peuvent être particulièrement dégradés lorsque ce procédé de séparation est appliqué à d'autres compositions de la structure composite 25. La séparation par exfoliation est beaucoup plus délicate pour une structure composite 25 de type Si02 / Si (i.e. Silice sur silicium) par exemple. La déposante a constaté de grandes variations en termes de qualité de séparation par exfoliation en fonction des lots étudiés et, en règle générale, des séparations moins uniformes et nécessitant d'avantage d'exposition au rayonnement. Il existe donc aujourd'hui un besoin pour un procédé de séparation par exfoliation offrant de meilleurs résultats en termes de qualité, d'efficacité et d'uniformité aussi bien pour des structures composites conventionnelles que pour des structures composites de composition inhabituelle. Objet et résumé de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un procédé de 15 séparation d'une couche dans une structure composite, la structure composite comprenant un empilement composite formé d'au moins : un substrat support formé d'un matériau au moins partiellement transparent à une longueur d'onde déterminée ; - la couche à séparer ; et 20 - une couche de séparation interposée entre le substrat support et la couche à séparer, le procédé comprenant l'irradiation, à travers le substrat support, de la couche de séparation au moyen d'au moins un rayon de lumière incidente à la longueur d'onde déterminée de façon à induire par exfoliation la fragilisation ou la séparation de la 25 couche de séparation, dans lequel le rayon de lumière incidente est incliné de façon à former un angle d'incidence 0 tel que B > 0,71,', dans lequel °min = sin-1((n1/no) sin(tan-1(L/2h))), dans lequel n1 et nO sont respectivement l'indice de réfraction du substrat support et l'indice 30 de réfraction du milieu extérieur en contact avec le substrat support d'où provient le rayon, L étant la largeur dudit rayon et h l'épaisseur du substrat support traversé par le rayon. L'inclinaison du rayon de lumière conformément à l'invention permet avantageusement de limiter ou d'éviter, lors du procédé de 35 séparation par exfoliation, les interactions optiques dans l'épaisseur du substrat support entre les rayons incidents, d'une part, et les rayons réfléchis par l'interface entre le substrat support et la couche de séparation, d'autre part. Le procédé de l'invention permet ainsi de réduire, voire d'interdire, les interférences optiques entre rayons incidents et rayons réfléchis au sein du substrat support. La réduction ou élimination de ces interférences optiques permet avantageusement de réduire les variations, en fonction de l'épaisseur du substrat support, de l'énergie effectivement transmise, lors du procédé de séparation par exfoliation, à la couche de séparation car les interférences peuvent être destructrices. L'invention permet en outre de maximiser la quantité d'énergie effectivement transmise dans la couche de séparation. La qualité et la reproductibilité de la séparation par exfoliation entre le substrat support et la couche à séparer sont ainsi grandement améliorées. L'invention permet notamment de procéder à des séparations par exfoliation de structures composites présentant des compositions différentes de celles généralement utilisées et qui sont particulièrement sensibles aux interférences optiques. Dans un mode de réalisation particulier, l'angle d'incidence 0 est tel que 0 Comme indiqué plus en détail ultérieurement, ce mode de réalisation n'est toutefois réalisable que dans la mesure où Omax > Omin. Ce mode de réalisation permet de maximiser la quantité d'énergie lumineuse effectivement transmise à la couche de séparation lors de l'étape d'irradiation. D'autre part, le substrat support peut être en silicium et la couche de séparation en silice. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : la figure 1 représente, de manière schématique, un procédé de fabrication connu d'une structure composite ainsi qu'un procédé de séparation par exfoliation appliqué à ladite structure ; la figure 2 illustre, de manière schématique, le mécanisme de création d'interférences optiques dans le substrat support d'une structure composite ; et les figures 3A et 3B représentent, de manière schématique, un procédé de séparation par exfoliation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, appliqué à une structure composite. Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention concerne un procédé de séparation permettant de détacher ou fragiliser, par exfoliation, une couche à séparer dans une structure composite de composition conventionnelle ou non. La déposante a conduit une étude qui a permis de mettre en évidence le mécanisme physique à l'origine des difficultés rencontrées pour mettre en oeuvre un procédé de séparation par exfoliation. Cette étude a en particulier mis évidence le rôle des interférences optiques se produisant dans le substrat support lors de l'irradiation de la structure composite. Ce mécanisme est à présent décrit en référence à la figure 2. Dans cette figure est représentée la structure composite 25 telle que décrite plus haut en référence à la figure 1. La figure 2 représente en particulier un rayon lumineux incident 22a atteignant la surface exposée 5a du substrat support 5 lors de l'étape S3 d'irradiation. Comme pour tout rayon lumineux rencontrant un milieu semi absorbant, une partie (non représentée) du rayon lumineux 22a est réfléchie à la surface supérieure 5a du substrat 5 tandis qu'une partie 22b du rayon est transmise dans le substrat support 5. Lors de son parcours dans l'épaisseur du substrat support 5, une partie du rayon transmis 22b est absorbée et la partie restante atteint l'interface 8 entre le substrat support 5 et la couche de séparation 10. L'interface 8 fonctionne à nouveau comme un dioptre optique de sorte que le rayon 22b est partiellement réfléchi (rayon réfléchi 22d) et la partie restante 22c est transmise dans la couche de séparation 10. Le rayon réfléchi 22d rencontre de nouveau la surface supérieure 5a et déclenche de nouveaux processus de réflexion internes au sein du substrat support 5. Or, les différents rayons lumineux (22b, 22d, 22e...) parcourant l'épaisseur du substrat support 5 interagissent entre eux pour créer, suivant leur déphasage, des ondes d'intensité plus importante (on parle d'interférence constructive) ou des ondes d'intensité moins importante (on parle d'interférence destructrice). Ces phénomènes d'interférence sont à l'origine des fortes variations et des réductions importantes constatées par la déposante concernant l'énergie radiative transmise par le substrat support à la couche de séparation. Plus particulièrement, les études ont montré que le niveau des interférences dépend fortement des sauts d'indice optique (ou d'indice de réfraction) rencontrés par le rayonnement à la surface exposée 5a et à l'interface 8. Idéalement, il convient de minimiser la différence d'indice optique entre les différents matériaux mis en jeu. En ce qui concerne les compositions de structures composites conventionnelles (à savoir GaN / A1203 ou SI3N4 / A1203,), la situation est particulièrement favorable puisque les sauts d'indice sont au maximum de 0,87 pour un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 150 et 300 nm (l'indice optique du saphir et du Si3N4 étant respectivement de 1,87 et 2,27). La situation est en revanche bien moins favorable pour une composition Si02 / Si où l'indice optique de la silice et du silicium s'élève respectivement à 1,992 et 3,42 pour un rayonnement présentant une longueur d'onde supérieure à 1,5 pm. Dans la mesure où la surface exposée 5a est en contact avec de l'air (d'indice égal à 1), on obtient par exemple des sauts d'indice optiques très importants (de l'ordre de 2,4 ou 1,4 entre chacune des couches) pour un rayonnement à 9,3 pm de longueur d'onde. Ces sauts d'indices optiques importants contribuent à engendrer de très fortes variations de l'intensité lumineuse transmise à la couche de séparation 10 lors de l'étape S3. Par ailleurs, le niveau de sensibilité aux interférences vis-à-vis de l'épaisseur du substrat support est extrême dans le cas ci-dessus d'une couche de séparation en silice et d'un substrat support en silicium. On observe en effet un maximum d'intensité transmise selon une période de 1,35 pm d'épaisseur du silicium. Autrement dit, si l'on considère une épaisseur L du substrat support en silicium pour laquelle un maximum de transmission est atteint, un minimum de transmission sera en principe obtenu pour une épaisseur L + 1,35/2 pm et un nouveau maximum de transmission sera atteint pour une épaisseur L -I- 1,35 pm d'épaisseur. Cela signifie qu'il serait nécessaire de maîtriser l'épaisseur du substrat support en silicium à un niveau de précision bien supérieur à 0,675 pm pour éviter des variations importantes de transmission du rayonnement dans la couche de séparation. Un tel niveau de contrôle n'est aujourd'hui pas envisageable pour les substrats supports en silicium, dont l'épaisseur varie en général selon une amplitude de l'ordre de 5 pm et 1,5 pm pour un diamètre de plaque (ou « wafer ») de 200 mm et 300 mm, respectivement ( Total Thickness Variation ou « TTV »). Le niveau de contrôle de l'épaisseur pour des substrats tels que ceux en silicium est donc insuffisant ce qui contribue au problème des variations d'énergie transmise comme expliqué ci-avant. Les problèmes de transmission et d'interférence optique n'ont jusqu'à présent pas été traités efficacement notamment en raison du fait que ceux-ci ont un impact limité sur les structures composites de composition traditionnelle. La déposante a donc développé un nouveau procédé de séparation permettant de remédier aux inconvénients précités et ce, quelle que soit la composition de la structure composite considérée. Un procédé de séparation conforme à un mode de réalisation de l'invention est à présent décrite en référence aux figures 3A et 3B. Plus précisément, les figures 3A et 3B représentent une structure composite 125 comprenant l'empilement composite suivant : un substrat support 105 formé d'un matériau au moins partiellement transparent à une longueur d'onde déterminée notée À ; une couche à séparer 115 ; et une couche de séparation 110 interposée entre le substrat support 105 et la couche à séparer 115. La réalisation de la couche de séparation 110 et de la couche à séparer 115 peut se faire par toute technique de dépôt appropriée (par 35 dépôt PECVD ou LPCVD par exemple) ou tout autre technique de formation de couche appropriée. On peut également envisager d'assembler au moins l'une de ces couches par collage. Il est possible de détacher la couche 115 du substrat support 105 en séparant par exfoliation la couche de séparation 110. On notera que la 5 structure composite 125 peut faire l'objet d'étapes technologiques complémentaires avant que soit mis en oeuvre le procédé de séparation par exfoliation. Une ou plusieurs couches peuvent en particulier être formées ou assemblées sur la face exposée de la couche 115 (un substrat final par exemple), éventuellement après que soient réalisées des étapes 10 technologiques en face arrière de la couche 115 (formation de composants etc.). Dans l'exemple décrit ici, un substrat final 120 est en outre formé (par collage ou dépôt, par exemple) sur la face exposée de la couche à séparer 115 (i.e. sur la face opposée à celle en contact avec la couche de 15 séparation 110). Conformément au procédé de séparation de l'invention, un rayonnement électromagnétique est appliqué sous la forme d'un faisceau lumineux sur le substrat support 105 de la structure composite 125. La déposante a observé de manière surprenante qu'il était possible 20 d'améliorer sensiblement l'efficacité d'un procédé de séparation par exfoliation appliqué à la structure composite 125 en jouant sur l'inclinaison du faisceau lumineux projeté sur le substrat support 105. Au cours de l'étape d'irradiation, les faisceaux incidents 122a et 124a frappent la surface 104 du substrat support 105 selon un angle 25 incident, noté respectivement 01 et 02, défini vis-à-vis de la normale à la surface 104 (cf. les figures 3A et 3B, respectivement). Les faisceaux incidents 122a et 124a présentent une longueur d'onde À à laquelle le substrat support 105 est au moins partiellement transparent. A cette longueur d'onde, le substrat 105 présente une 30 transmittance d'au moins 10% et, de préférence,, supérieure ou égale à 50%. Il est toutefois possible de compenser une transmittance faible en augmentant la quantité d'énergie du faisceau appliqué lors de l'étape d'irradiation (en focalisant par exemple le faisceau). On notera que le substrat support et chacune des couches formant 35 la structure composite 125 peuvent être constitués de deux sous-couches ou plus. En particulier, la couche de séparation 110 peut comprendre une première sous couche dite de chauffage (en silice par exemple) et une seconde sous couche dite d'exfoliation (en Si3N4 par exemple). La sous couche de chauffage a pour fonction d'induire un échauffement sous l'effet de l'irradiation. La fonction de la sous couche d'exfoliation est d'entraîner la séparation par exfoliation de la couche de séparation 110 sous l'effet de l'énergie thermique transmise depuis la sous couche de chauffage (par conduction thermique). La sous couche d'exfoliation est apte à se décomposer ou à se fragiliser sous l'action du chauffage induit par la sous couche de chauffage lors de l'irradiation. Dans une variante, la couche de séparation 110 comprend au moins une sous couche, celle-ci assurant simultanément les fonctions de chauffage et d'exfoliation. Comme pour tout rayon lumineux rencontrant un milieu semi absorbant, une partie (non représentée) du faisceau lumineux 122a (respectivement 124a) est réfléchie par la surface exposée 104 du substrat support 105 tandis qu'une partie 122b (respectivement 124b) du faisceau est transmise dans le substrat support 105. Lors de son parcours dans l'épaisseur du substrat support 5, une partie du faisceau transmis 122b (respectivement 124b) est absorbée et la partie restante atteint l'interface 106 entre le substrat support 105 et la couche de séparation 110. L'interface 8 fonctionne à nouveau comme un dioptre optique de sorte que le faisceau 122b (respectivement 124b) est partiellement réfléchi sous la forme d'un faisceau réfléchi 122c (respectivement 124c). Le faisceau réfléchi 122d (respectivement 124d) rencontre de nouveau la surface supérieure 104 et déclenche de nouveaux processus de réflexion internes au sein du substrat support 105. Habituellement, lorsqu'un procédé de séparation par exfoliation est mis en oeuvre, le faisceau incident est appliqué sur la surface de la structure composite avec un angle d'incidence 0 très faible vis-à-vis de la normale à la surface. En règle générale, le faisceau est projeté perpendiculairement à la surface du substrat support. Or, pour qu'il y ait interférence optique dans l'épaisseur du substrat support 105, il est nécessaire que le faisceau réfléchi par l'interface 106 puisse interagir avec le faisceau incident transmis dans le substrat 105. La déposante a constaté qu'en inclinant suffisamment le faisceau incident vis-à-vis de la surface 104 du substrat support 105, il est possible de réduire ou d'éliminer totalement les interférences optiques à l'origine des problèmes de variation et/ou de limitation de l'énergie qui est effectivement transmise à la couche de séparation lors de l'étape d'irradiation. Conformément à l'invention, l'angle d'incidence el selon lequel le faisceau incident est appliqué sur le substrat support doit être tel que : > emin , la valeur seuil Omin étant définie de la manière suivante : Burin =- sin-1((n1/no) sin(tan-1(S,72h))) , dans lequel n1 et nO sont respectivement l'indice de réfraction du substrat support 105 et l'indice de réfraction du milieu extérieur 130 en contact avec le substrat support d'où provient ledit rayon (ou faisceau), S étant la largeur du rayon (ou taille du « spot ») et h l'épaisseur du substrat support. Dans le premier exemple représenté en figure 3A, l'angle d'incidence 01 selon lequel est appliqué le faisceau incident 122a est tel que 01 La qualité et la reproductibilité de la séparation par exfoliation entre le substrat support 105 et la couche à séparer 115 sont ainsi grandement améliorées. L'invention permet notamment de procéder à des séparations par exfoliation sur des structures composites présentant des compositions différentes de celles généralement utilisées et qui sont particulièrement sensibles aux interférences optiques. Comme indiqué en référence à la structure composite 25, la séparation induite par le faisceau 124a ne se traduit pas nécessairement pas un détachement ou une séparation effective au niveau de la couche de séparation 110 mais peut simplement se manifester par une fragilisation de la couche 110 nécessitant l'application ultérieure d'une énergie supplémentaire (sous forme d'efforts mécaniques par exemple) pour obtenir un détachement effectif entre le substrat support 105 et la couche 115. Une fois le substrat 105 et la couche 115 totalement séparés, il est possible de recycler le substrat support 105 en vue de construire une nouvelle structure composite. Dans un premier exemple, on considère que : - le substrat support 105 est en silicium avec un indice optique n1=3.42 et une épaisseur h=775 pm, - la couche de séparation 110 est en silice, - la longueur d'onde À du faisceau incident est de 9.3 pm, le milieu extérieur 130 dans lequel se trouve la structure composite 125 est l'air dont l'indice de réfraction nO est tel que n0=1, et la largeur S du faisceau est telle que S= 120pm On obtient alors une valeur seuil emin=17.9177°, soit de l'ordre de 18°. Dans ce cas, le procédé de séparation peut par exemple être configuré de sorte que 02=18°, 19° ou 20°. Dans un deuxième exemple, on considère que : - le substrat support 105 est en saphir avec un indice optique n1=1.87 et une épaisseur h=430 pm, - la couche de séparation 110 comprend une sous couche de chauffage en silice et une sous couche d'exfoliation en Si3N4, la longueur d'onde À du faisceau incident est de 9.3 pm, le milieu extérieur 130 dans lequel se trouve la structure composite 125 est l'air dont l'indice de réfraction nO est tel que n0=1, et la largeur du faisceau incident S=120pm. On obtient alors une valeur seuil Omin=83°. Or, si l'angle d'incidence 02 du faisceau incident 124a respecte la condition 02_>_ennin, l'angle 02 dépasse la limite d'angle dite angle de Brewster, i.e. la limite d'angle maximale pour laquelle l'ensemble de l'intensité lumineuse du faisceau indicent 124a est réfléchie par la surface 104 du substrat support 105. L'angle de Brewster se définit de la manière suivante : OB = tan-1(n1/no) Dans le deuxième exemple ci-dessus (substrat support en saphir), l'angle de Brewster OB est de 62°. On est donc dans la situation suivante : Omin > OB. Par conséquent, il n'est pas possible dans ce cas particulier de fixer l'angle d'incidence 8 de façon à ce que 8 > Omi' et 0