Brevet FR3007892A1 — publié le 20150102

PROCÉDÉ DE TRANSFERT D'UNE COUCHE MINCE AVEC APPORT D'ÉNERGIE THERMIQUE À UNE ZONE FRAGILISÉE VIA UNE COUCHE INDUCTIVE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la réalisation de structures nécessitant un apport d'énergie thermique à un assemblage formé d'un premier substrat et d'un deuxième substrat qui présentent des coefficients de dilation thermique différents. L'invention concerne plus précisément le transfert d'une couche mince d'un premier substrat vers un deuxième substrat présentant un coefficient de dilation thermique différent de celui du premier substrat, dans lequel de l'énergie thermique est apportée pour provoquer, en tout ou partie, la fracture du premier substrat au niveau d'une zone fragilisée. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La technologie Smart CutTM est une technique bien connue pour permettre le report de films minces de matériaux par exemple semiconducteurs, ou tout au moins partiellement cristallins. Dans ce processus de report de film mince, des espèces ioniques telles que l'hydrogène ou l'hélium sont implantées dans un substrat B afin d'y former une zone de fragilisation. Le substrat B est par la suite mis en contact avec un substrat A, par exemple par collage direct. Le processus fait alors appel à une mise sous pression de défauts étendus générés lors de l'implantation, impliquant donc un apport énergétique au niveau des espèces implantées afin de permettre leur transformation en une phase gazeuse. Cette énergie est d'ordinaire principalement apportée par un traitement thermique appliqué à l'ensemble de la structure formée du substrat implanté B et du substrat A sur lequel il est assemblé. Dans le cas d'une hétérostructure (assemblage de deux substrats A, B possédant des propriétés physico-thermiques de nature différentes, notamment une différence de coefficient de dilation thermique), l'application globale d'un budget thermique engendre un processus naturel de dilatation des deux substrats qui tend à s'opérer de manière différente puisque leurs coefficients de dilatation propres ne sont pas identiques. Les substrats étant assemblés mais ne pouvant se dilater indépendamment, il en résulte la génération de contraintes fortes dans l'hétérostructure. Cette contrainte peut atteindre des niveaux extrêmement élevés et conduit très souvent à des déformations excessives, voire à la casse totale de l'hétérostructure, ne permettant pas d'obtenir la structure recherchée (substrat A avec film reporté depuis le substrat B). Afin d'étendre l'utilisation de la technologie Smart CutTM à des hétérostructures, il a été proposé (voir par exemple l'article de K.Diest et al. intitulé « Silver diffusion bonding and layer transfer of lithium niobate to silicon », Appl. Phys. Lett. 93, 092906 (2008)) d'effectuer l'assemblage des deux substrats à chaud par l'intermédiaire d'une couche de collage par diffusion afin de minimiser le saut de contrainte à la fracture. Il a également été proposé (voir l'article de Y.-B.Park et al. intitulé « Integration of Single-Crystal LiNbO3 Thin Film on Silicon by Laser Irradiation and Ion Implantation- Induced Layer Transfer", Advanced Materials, Volume 18, Issue 12, pages 1533-1536, June, 2006) d'effectuer l'apport énergétique aux espèces implantées au moyen d'une irradiation Laser, absorbée préférentiellement dans la zone implantée. Chacune de ces approches présente toutefois des inconvénients : l'assemblage à chaud rend le film transféré contraint à température ambiante tandis que le recuit laser, obtenu par balayage d'impulsions brèves, peut conduire à un endommagement cristallin ainsi qu'à une augmentation de la rugosité de surface du film transféré. Un besoin demeure donc pour une méthode qui puisse permettre de réaliser le report de films minces, par exemple par Smart CutTM, à partir de substrats présentant des propriétés physico-thermiques différentes tout en limitant la dilatation thermique des matériaux et donc en évitant la déformation excessive voire la casse de l'hétérostructure. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de répondre à ce besoin et propose à cet effet un procédé de transfert d'une couche mince d'un premier substrat présentant un premier coefficient de dilation thermique vers un deuxième substrat présentant un deuxième coefficient de dilation thermique différent du premier coefficient de dilation thermique, le premier substrat comportant une zone fragilisée délimitant la couche mince et une partie massive du premier substrat, le procédé comprenant les étapes de : mise en contact du premier substrat et du deuxième substrat, fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée comprenant un apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée, caractérisé par : la fourniture, avant ladite mise en contact, d'au moins une couche intermédiaire en surface de l'un au moins des premier et deuxième substrats, l'au moins une couche intermédiaire présentant un échauffement par induction, lorsqu'elle est soumise à un champ électromagnétique, supérieur à celui du premier et du deuxième substrat, respectivement, la réalisation de la mise en contact avec l'au moins une couche intermédiaire intercalée entre le premier substrat et le deuxième substrat, la réalisation dudit apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée par application d'un champ électromagnétique à l'hétérostructure formée par la mise en contact du premier substrat et du deuxième substrat. Certains aspects préférés mais non limitatifs de procédé sont les suivants : la couche intermédiaire est réalisée en un matériau qui présente une densité de puissance dissipée au moins 100 fois supérieure, de préférence au moins 1000 fois supérieure, à la densité de puissance dissipée dans le matériau du premier et du deuxième substrat, respectivement, lorsque lesdits matériaux de la couche intermédiaire et du premier et du deuxième substrats sont soumis à un champ électromagnétique ; - l'apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée conduit à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée ; - l'apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée conduit à la fragilisation du premier substrat au niveau de la zone fragilisée, et le procédé comprend en outre un apport d'énergie mécanique et/ou thermique complémentaire pour aboutir à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée ; au cours dudit apport d'énergie thermique, l'un au moins des premier et deuxième substrats est agencé sur un support de tranche contrôlé en température ; - la mise en contact est un collage direct du premier substrat et du deuxième substrat ; - la couche intermédiaire est fournie en surface du premier et du deuxième substrats, et le premier substrat est collé au deuxième substrat via la couche intermédiaire servant de couche de collage ; il comprend, avant la mise en contact, la formation d'une couche thermiquement isolante sur l'un au moins du premier substrat et du deuxième substrat de telle manière que suite à la mise en contact, la couche thermiquement isolante est intercalée entre la couche intermédiaire et le deuxième substrat ; - la couche intermédiaire est une couche métallique, par exemple une couche de cuivre ; - le premier substrat est en LiNbO3 et le deuxième substrat est en Si ; - le champ électromagnétique appliqué à l'hétérostructure pour réaliser ledit apport d'énergie thermique à la zone fragilisée est un champ électromagnétique pulsé. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figure la-1c illustrent de manière schématique les étapes d'un mode de réalisation possible du procédé selon l'invention ; la figure 2 illustre la diffusion thermique dans un exemple d'hétérostructure du procédé selon l'invention ; les figures 3a et 3b sont des schémas illustrant l'élévation de température en différents points d'un exemple d'hétérostructure du procédé selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence aux figures la-1c, l'invention concerne un procédé de transfert d'une couche mince 3 d'un premier substrat B présentant un premier coefficient de dilation thermique vers un deuxième substrat A présentant un deuxième coefficient de dilation thermique différent du premier coefficient de dilation thermique, typiquement d'au moins 10% ou 20% à température ambiante. A titre d'exemple illustratif, l'invention porte sur le transfert d'une couche mince depuis un substrat en niobate de lithium sur un substrat de silicium. A température ambiante (20°C), le coefficient de dilation thermique du silicium est de 3.10- 6C-1 tandis que celui du niobate de lithium est, selon l'axe considéré, de l'ordre de 5 à 7 fois celui du silicium. Le procédé selon un mode de réalisation possible de l'invention comporte une première étape de fourniture d'au moins une couche intermédiaire en surface d'un au moins des premier et deuxième substrats. En référence à la figure la, la couche intermédiaire 1 est par exemple formée sur le premier substrat B. La couche intermédiaire 1 peut être une couche déposée sur l'un et/ou l'autre des substrats A, B, par exemple par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour Physical Vapor Deposition). L'épaisseur de la couche intermédiaire 1 est typiquement inférieure à 10 um. La couche intermédiaire 1 est une couche sensible aux sollicitations électromagnétiques, typiquement une couche métallique, par exemple une couche de cuivre. La couche intermédiaire présente ainsi un échauffement par induction lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique supérieur à celui du premier et du deuxième substrat, respectivement. La couche intermédiaire 1 est par exemple réalisée dans un matériau qui présente une densité de puissance dissipée (exprimée en W/m3) au moins 100 fois supérieure, de préférence au moins 1000 fois supérieure, à la densité de puissance dissipée dans le matériau du premier et du deuxième substrat, respectivement, lorsque lesdits matériaux de la couche intermédiaire et du premier et du deuxième substrats sont soumis à un même champ électromagnétique, en particulier à une même fréquence de travail. A titre d'exemples de densités de puissance dissipées pour différents types de matériaux, on pourra se reporter au tableau en figure 4 de la demande de brevet US 2003/0164371 Al. En particulier, et à titre d'exemples purement illustratifs, la densité de puissance du silicium ou du germanium (avec un niveau de dopage de type n de l'ordre de 1015/cm3) est de l'ordre de 10 000 fois inférieure à celle de l'aluminium ou du cuivre. Ces matériaux conviennent ainsi parfaitement à la mise en oeuvre de l'invention. Comme représenté sur la figure lb, le procédé comporte une deuxième étape de mise en contact du premier substrat B et du deuxième substrat A avec l'au moins une couche intermédiaire 1 intercalée entre eux. La mise en contact peut notamment conduire à un collage direct des substrats, c'est-à-dire à un collage ne nécessitant pas d'apport de couche collante (de type colle, glue, etc.) et pouvant ou non comprendre un apport d'énergie thermique. On obtient à l'issue de cette mise en contact une hétérostructure en ce sens que les deux substrats A, B possèdent des propriétés physico-thermiques différentes, notamment une différence de coefficient de dilation thermique. Dans un mode de réalisation possible représenté sur les figures la-1c, le procédé comprend avant la mise en contact des substrats A, B une étape de formation d'une couche thermiquement isolante 2 sur l'un au moins du premier substrat B et du deuxième substrat A de telle manière que suite à la mise en contact (voir figure lb) la couche thermiquement isolante 2 est intercalée entre la couche intermédiaire 1 et le deuxième substrat B. Comme représenté sur la figure la, la couche intermédiaire et la couche thermiquement isolante peuvent toutes deux être formées sur le premier substrat B. Une couche thermiquement isolante peut alors être également formée sur le deuxième substrat A. En variante, la couche thermiquement isolante et la couche intermédiaire peuvent être formées sur le deuxième substrat A. Ou encore, la couche intermédiaire peut être formée sur le premier substrat tandis que la couche thermiquement isolante est formée sur le deuxième substrat. La couche thermiquement isolante est par exemple une couche de dioxyde de silicium Si02. Le procédé comprend par ailleurs, avant la mise en contact, une étape de formation d'une zone fragilisée Z dans l'épaisseur du premier substrat B. La zone fragilisée délimite dans le premier substrat B une couche mince superficielle 3 et une partie massive 4. Comme représenté sur la figure la, la zone fragilisée Z peut être formée par implantation d'espèces I dans le premier substrat B. La zone fragilisée Z est située à une distance de la couche intermédiaire comprise entre 30 nm et 2 um. Suite à la mise en contact, le procédé comprend la réalisation d'un apport d'énergie au niveau de la zone fragilisée permettant la fracture du premier substrat B au niveau de la zone fragilisée, et en conséquence le transfert de la couche mince 3 du premier substrat B vers le deuxième substrat A comme représenté sur la figure lc. Le substrat composite (couche mince sur couche intermédiaire sur substrat A) obtenu après transfert peut être utilisé dans des applications radiofréquence où la couche intermédiaire métallique sert d'électrode métallique enterrée, ou encore dans des applications de puissance avec électrode métallique enterrée. Contrairement aux procédés conventionnels dans lesquels cet apport d'énergie est réalisé, en tout ou partie, par un traitement thermique appliqué à l'ensemble de l'hétérostructure obtenue par la mise en contact, l'invention propose d'engendrer un échauffement indirect et localisé dans l'hétérostructure afin de conférer aux espèces implantées l'énergie nécessaire pour générer une phase gazeuse et ainsi accroitre la pression dans les microdéfauts issus de l'implantation sans affecter l'ensemble de la l'hétérostructure. Ainsi, dans le cadre de l'invention, on réalise un tel apport d'énergie thermique par application d'un champ magnétique à l'hétérostructure formée par la mise en contact du premier substrat et du deuxième substrat, ladite application générant un échauffement par induction localisé au niveau de la couche intermédiaire qui induit une diffusion thermique vers la zone fragilisée, réalisant ainsi ledit apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée. La couche intermédiaire sert ainsi de source de chaleur localisée, l'élévation maximale de température étant observée dans cette couche. Un gradient thermique est alors créé dans l'hétérostructure dont la valeur locale au niveau de la zone implantée permet l'activation du mécanisme de fracture. Ce gradient thermique permet d'allouer à la zone fragilisée tout ou partie du budget thermique nécessaire au phénomène de fracture tout en limitant l'élévation de température dans l'ensemble de l'hétérostructure. La dilation thermique des substrats A, B est ainsi limitée, ce qui permet de limiter la déformation et d'éviter la casse de l'hétérostructure. Dans un mode de réalisation, cet apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée par application d'un champ électromagnétique à l'hétérostructure conduit à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée. Dans un autre mode de réalisation, cet apport d'énergie thermique conduit à la fragilisation du premier substrat au niveau de la zone fragilisée, et on procède à un apport d'énergie mécanique et/ou thermique complémentaire pour aboutir à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée. Cet apport d'énergie complémentaire est de préférence réalisé suite à l'apport d'énergie thermique par induction. On notera que lorsque la couche intermédiaire sert de couche de collage lors de l'étape de mise en contact (un couche intermédiaire étant pour cela préalablement formée sur chacun des premier et deuxième substrats), l'application du champ magnétique permet de renforcer le collage, non seulement du fait de l'effet thermique lié à l'échauffement de la couche intermédiaire, mais également par circulation des courants électriques induits qui viennent contribuer à la fermeture de l'interface de collage par électro-migration. La présence d'une couche thermiquement isolante 2 s'avère avantageuse en ce que cette couche 2 favorise la diffusion thermique d'un seul côté de la couche intermédiaire 1, le gradient thermique généré par le phénomène d'induction prenant alors la forme d'un profil gaussien asymétrique. La figure 2, qui représente des résultats de simulation en régime stationnaire, fournit quatre exemples de ce type de diffusion asymétrique en fonction du degré d'échauffement généré dans la couche intermédiaire par diverses applications de champ magnétique. Sur cette figure 2, la position « 0 » sépare un substrat de Si (à gauche) d'une couche thermiquement isolante de Si02 de 1 um suivie d'une couche intermédiaire de cuivre puis d'un deuxième substrat B en niobate de lithium (à droite), l'axe des abscisses représentant l'écart à cette position « 0 » exprimé en micromètres. Dans un mode de réalisation, au cours dudit apport d'énergie thermique par induction, l'un au moins des premier et deuxième substrats est agencé sur un support de tranche (ou « chuck » dans la terminologie anglo-saxonne consacrée) contrôlé en température, notamment pour venir refroidir la face arrière du premier et/ou du deuxième substrats et limiter ainsi l'élévation en température au sein du premier/et ou du deuxième substrats. Dans un mode de réalisation, le champ magnétique auquel l'hétérostructure est soumise pour réaliser ledit apport d'énergie thermique à la couche fragilisée est un champ électromagnétique pulsé. Ceci permet d'augmenter le différentiel de température entre le voisinage de la zone fragilisée et le reste de l'hétérostructure, en particulier lorsque les substrats ne présentent pas la même constante de temps thermique, comme c'est par exemple le cas de substrats de silicium et de niobate de lithium. Les figures 3a et 3b sont des schémas illustrant l'élévation de température en différents points d'un exemple d'hétérostructure formée par l'assemblage d'un premier substrat B en niobate de lithium LiNbO3 de 250 um d'épaisseur et de 50 mm de diamètre avec un deuxième substrat A en silicium Si de 250 um d'épaisseur et de 50 mm de diamètre via une couche intermédiaire 1 de cuivre de 10 um d'épaisseur et une couche thermiquement isolante 2 de Si02 de 10 um d'épaisseur. Le champ magnétique est appliqué dans l'environnement ambiant, au moyen d'une spire de cuivre avec refroidissement à l'eau, présentant un rayon de 5mm, avec une puissance de l'ordre de 7 kW, une intensité de 34 A et avec une fréquence 500 kHz. La figure 3b illustre l'augmentation de température en fonction de la durée d'excitation électromagnétique en différents points de l'hétérostructure de la figure 3a : dans le premier substrat B à T1=10 um de la couche intermédiaire 1 et à T2=150 um de la couche intermédiaire, dans le deuxième substrat A à T3= 150 um de la couche intermédiaire 1. On observe notamment qu'à environ 100 secondes d'excitation électromagnétique, la température à T2 et T3 n'excède pas 27°C alors que la température à T1 atteint les 60°C. L'écart de température est ainsi faible entre les deux substrats alors qu'on observe une augmentation de température relativement importante au voisinage de la couche intermédiaire. La fracture d'un substrat de niobate de lithium implanté d'hélium à une dose de 1017/cm2 est classiquement obtenue par un traitement thermique global à 70°C pendant quelques heures. La zone fragilisée se trouvant typiquement à 1 um de la couche intermédiaire, l'augmentation importante de la température au voisinage de la couche intermédiaire obtenue dans le cadre de l'invention permet ainsi d'obtenir la fracture, étant rappelé que le phénomène de fracture suit une cinétique en loi d'Arrhenius dont l'énergie d'activation pour le niobate de lithium est estimée à 1.3 eV (fracture environ 1000 fois plus rapide tous les 70°C). REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche mince (3) d'un premier substrat (B) présentant un premier coefficient de dilation thermique vers un deuxième substrat (A) présentant un deuxième coefficient de dilation thermique différent du premier coefficient de dilation thermique, le premier substrat (B) comportant une zone fragilisée (Z) délimitant la couche mince (3) et une partie massive (4) du premier substrat, le procédé comprenant les étapes de : mise en contact du premier substrat (B) et du deuxième substrat (A), fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée comprenant un apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée (Z), caractérisé par : la fourniture, avant ladite mise en contact, d'au moins une couche intermédiaire (1) en surface de l'un au moins des premier et deuxième substrats, l'au moins une couche intermédiaire présentant un échauffement par induction, lorsqu'elle est soumise à un champ électromagnétique, supérieur à celui du premier et du deuxième substrat, respectivement, la réalisation de la mise en contact avec l'au moins une couche intermédiaire (1) intercalée entre le premier substrat (B) et le deuxième substrat (A), la réalisation dudit apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée par application d'un champ électromagnétique à l'hétérostructure formée par la mise en contact du premier substrat et du deuxième substrat. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche intermédiaire est réalisée en un matériau qui présente une densité de puissance dissipée au moins 100 fois supérieure, de préférence au moins 1000 fois supérieure, à la densité de puissance dissipée dans le matériau du premier et du deuxième substrat, respectivement, lorsque lesdits matériaux de la couche intermédiaire et du premier et du deuxième substrats sont soumis à un champ électromagnétique.30 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée par application d'un champ électromagnétique à l'hétérostructure conduit à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'apport d'énergie thermique au niveau de la zone fragilisée par application d'un champ électromagnétique à l'hétérostructure conduit à la fragilisation du premier substrat au niveau de la zone fragilisée, comprenant en outre un apport d'énergie mécanique et/ou thermique complémentaire pour aboutir à la fracture du premier substrat au niveau de la zone fragilisée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une étape de formation de la zone fragilisée (Z) par implantation d'espèces (I) dans l'épaisseur du premier substrat (B). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel au cours dudit apport d'énergie thermique, l'un au moins des premier et deuxième substrats est agencé sur un support de tranche contrôlé en température. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la mise en contact est un collage direct du premier substrat et du deuxième substrat. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la couche intermédiaire est fournie en surface du premier et du deuxième substrats, et dans lequel le premier substrat est collé au deuxième substrat via la couche intermédiaire servant de couche de collage. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant, avant la mise en contact, la formation d'une couche thermiquement isolante (2) sur l'un au moins du premier substrat et du deuxième substrat de telle manière que suite à la mise encontact, la couche thermiquement isolante (2) est intercalée entre la couche intermédiaire (1) et le deuxième substrat (A). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche intermédiaire est une couche métallique, par exemple une couche de cuivre. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le premier substrat (B) est en LiNbO3 et le deuxième substrat (A) est en Si. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le champ électromagnétique appliqué à l'hétérostructure pour réaliser ledit apport d'énergie thermique à la zone fragilisée est un champ électromagnétique pulsé.15