Brevet FR3019374A1 — publié le 20151002

PROCEDE DE SEPARATION ET DE TRANSFERT DE COUCHES DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne, d'une façon générale, une étape de la fabrication de substrats pour l'électronique, l'optoélectronique ou l'optique, et plus particulièrement, un procédé de transfert de couches. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La fabrication de tels substrats met en jeu de plus en plus fréquemment des techniques de reports de couches plus ou moins épaisses d'un support à l'autre. Ainsi, dans de nombreuses applications du domaine de la micro- électronique, on peut souhaiter réaliser le transfert d'une couche dite active, intégrant par exemple des composants électriques sur un substrat, ou d'une couche semi-conductrice présente à la surface d'un premier substrat vers un second substrat. La couche active, au sens de la présente invention ne peut pas, en 20 raison de ses dimensions, notamment son épaisseur, et de sa fragilité, être considérée comme autoportée. Aussi, pour transporter la couche, et en particulier la transférer d'un substrat initial vers un substrat final, il faut la rendre solidaire d'un substrat de transfert appelée poignée ou substrat temporaire. Un tel substrat permet alors de 25 manipuler une couche ayant besoin d'être déplacée et/ou transférée. Par exemple, le substrat initial comprend une couche en nitrure de gallium GaN, et possède en son sein une interface fragilisée, définissant un plan de rupture privilégié. Le transfert s'effectue en mettant en contact la face exposée de la couche active, portée par le substrat initial, avec une face d'un substrat 30 temporaire, en assurant une adhésion suffisante entre les deux faces mises en contact, pour ensuite effectuer le détachement de la couche au niveau de l'interface fragilisée. La zone de rupture, au niveau de l'interface fragilisée, est alors nettoyée, par exemple par TMAH, pour qu'ensuite la couche semiconductrice puisse être transférée sur le substrat final, via le substrat temporaire. 35 Une fois le transfert réalisé, le substrat temporaire est détaché de la couche transférée. Sur un plan général, on connaît déjà différentes façons de réaliser le détachement d'une couche d'un substrat. Une première technique consiste à détruire le substrat temporaire par abrasion mécanique ou par attaque chimique. Il peut également être éliminé par combinaison de ces deux moyens, comme décrit par exemple dans le document FR-A-2 715 503. Cependant, l'abrasion mécanique du substrat nécessite beaucoup de temps, et un tel traitement est susceptible d'endommager la couche et/ou les circuits qui y sont réalisés, et ne permet pas la réutilisation du substrat temporaire. Il existe également une technique consistant à créer une zone de clivage sur le substrat temporaire, par exemple par implantation d'ions et idéalement du coté de l'interface de collage entre la couche et le substrat temporaire, et de procéder au retrait du substrat temporaire, par exemple par arrachement au niveau de la zone de clivage, comme décrit dans le document FR- A-2 744 285. Une autre technique permet de réaliser une couche d'oxyde enterrée dans le substrat temporaire, et à attaquer cette couche par gravure lors du retrait du substrat temporaire, comme décrit dans le document US-A6 027 958. D'autres solutions connues consistent à obtenir une interface fragile par création d'une couche poreuse, comme décrit par exemple dans le document EP-A-0 849 788, et à éventuellement implanter des espèces gazeuses dans cette couche pour fragiliser jusqu'au degré souhaité. La rupture de ces interfaces fragiles est réalisée par application de contrainte et/ou de cisaillement et/ou en flexion. Une étape de planarisation chimique ou mécanique est ensuite requise au niveau de l'interface de rupture. Toutefois, ces différents procédés connus présentent tous des inconvénients. En premier lieu, il est difficile, voire impossible, de maîtriser les forces de liaison effectives entre une couche à transférer et le substrat temporaire, 30 et/ou au niveau d'une interface préalablement fragilisée. En corollaire, les efforts mécaniques et/ou chimiques à appliquer pour réaliser le détachement ou la destruction du substrat temporaire peuvent être importants, avec un risque de détérioration ou de bris du substrat temporaire et/ou de la couche à transférer. Ce risque est encore plus élevé dans le cas où ces 35 efforts ou une partie de ces efforts sont appliqués manuellement, par exemple à l'aide d'un outil. OBJET DE L'INVENTION ET BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention vise à pallier ces limitations de l'état de la technique en proposant un procédé de transfert d'une couche active sur un substrat final à l'aide d'un substrat temporaire, le procédé comprenant les étapes 5 suivantes : - une première étape d'assemblage d'une première face de la couche active sur le substrat temporaire, selon une première interface de collage (I1) possédant une première énergie de collage et une force d'adhésion (Fa1) entre le substrat temporaire et la couche active ; 10 - une deuxième étape d'assemblage d'une deuxième face de la couche active sur le substrat final, selon une deuxième interface de collage (I2) possédant une deuxième énergie de collage ; - une troisième étape consistant à générer une contrainte en cisaillement, la contrainte en cisaillement s'exerçant au niveau de la première interface de collage 15 (I1) selon une première force de cisaillement (Fc1) appliquée par le substrat temporaire, et au niveau de la deuxième interface de collage (I2) selon une deuxième force de cisaillement (Fc2) appliquée par le substrat final. Une onde de séparation est alors initiée entre la couche active et le substrat temporaire lorsque la deuxième énergie de collage est supérieure à la 20 première énergie de collage, et la première force de cisaillement (Fc1) est supérieure à la force d'adhésion (Fa1). L'application de ces deux conditions (énergie 12 > énergie H, Fc1 > Fa1), permet une délamination spontanée au niveau des bordures de la première interface de collage I1, ou au moins de considérablement fragiliser la première 25 interface de collage Il. Une séparation contrôlée et facilitée de la couche active et du substrat temporaire est ainsi obtenue, tout en évitant les contraintes des solutions connues de l'état de la technique. Le substrat temporaire peut, par ailleurs, être recyclé sans difficulté et sans être endommagé. 30 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit des modes de réalisation, particuliers et non limitatifs, de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique du procédé de transfert selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique du procédé de transfert selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une représentation schématique partielle des forces s'exerçant sur la structure empilée lors de l'étape 3 de l'invention ; - la figure 4a est une représentation graphique de l'évolution des énergies de collage des interfaces fi et 12 en fonction de la température ; - la figure 4b est une représentation graphique de l'évolution des forces Fal. et Fc1 s'exerçant sur la structure empilée en fonction de la 5 température ; - la figure 5 est une représentation schématique d'un premier mode optionnel de réalisation du procédé de transfert selon l'invention ; - la figure 6 est une représentation schématique d'un deuxième mode optionnel de réalisation du procédé de transfert selon l'invention. 10 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION D'une manière générale, la préhension d'une couche active à l'aide d'un substrat, dit temporaire, est possible par l'assemblage d'une face du substrat 15 temporaire et d'une face de la couche active, par exemple, à l'aide d'un collage par adhésion moléculaire. Une fois que le substrat temporaire n'est plus utile et doit être retiré. Les solutions de l'art antérieur, permettant de séparer la face de la couche active de celle du substrat temporaire, génèrent des contaminations, déformations ou l'endommagement de la couche active et/ou du substrat 20 temporaire. Par ailleurs, selon les modes de réalisation de l'art antérieur, le substrat temporaire ne peut pas être réutilisé. Plusieurs modes de réalisation possibles du procédé de transfert conforment à l'invention, et permettant de palier aux problématiques précédemment énoncées, vont maintenant être décrits en faisant référence aux 25 figures 1 à 6. Les éléments communs aux différents modes de réalisations conservent les mêmes références. En référence aux figures 1, 2, 5 et 6, la première étape El du procédé consiste à assembler une face d'un substrat temporaire 1 et une première face 2a d'une couche active 2, selon une première interface de collage Il. De 30 manière non limitative, l'assemblage peut être réalisé par un collage par adhésion moléculaire. La première interface de collage I1, ainsi obtenue, possède une énergie de collage dépendant d'un ensemble de conditions au moment où le substrat temporaire 1 et la couche active 2 ont été assemblés (matériaux, température de collage, pressions, traitement de surfaces, rugosité de surface, ...), et des traitements que l'interface de collage fi pourrait subir avant et/ou après assemblage. Selon les besoins de l'invention, l'énergie de collage de cette interface I1 pourra être ajustée. L'énergie de collage de la première interface I1 permet de déduire une force d'adhésion Fal entre le substrat temporaire 1 et la couche active 2. Cette première force d'adhésion Fal s'oppose à l'ouverture de la première interface de collage I1, et détermine à partir de quel niveau de force le substrat temporaire 1 et la couche active 2 pourraient être séparaés. Préalablement à cette première étape El, et comme la couche active 2 n'est pas autoportée, la couche active 2 aura été formée ou assemblée sur un support manipulable 5, de manière à ce que la couche active 2 puisse être transportée et disposée sur le substrat temporaire 1 lors de l'étape El. Le support manipulable 5 est ensuite séparé de la couche active 2, par toutes techniques connues de l'art antérieur. Selon le support manipulable utilisé, une face 2b de la couche active 2 peut alors subir un traitement de surface, par exemple, du type mécano-chimique avant de passer à une deuxième étape E2 de l'invention. Lors de la deuxième étape E2 du procédé de transfert selon 20 l'invention, une face 2b de la couche active 2 est assemblée à une face d'un substrat final 3 selon une deuxième interface de collage 12. De manière non limitative, l'assemblage peut être réalisé par un collage par adhésion moléculaire. La deuxième interface de collage 12, ainsi obtenue, possède également une énergie de collage dépendant d'un ensemble de conditions au 25 moment où le substrat final 3 et la couche active 2 ont été assemblés (matériaux, température de collage, pressions, traitement de surfaces, ...), et des traitements que l'interface de collage 12 pourrait subir avant et/ou après assemblage. Selon les besoins de l'invention, l'énergie de collage de cette interface 12 pourra être ajustée. 30 L'énergie de collage de la deuxième interface 12 permet de déduire une deuxième force d'adhésion Fa2 entre le substrat final 3 et la couche active 2. Cette force d'adhésion Fa2 s'oppose à l'ouverture de la deuxième interface de collage 12. Une fois le substrat temporaire 1, la couche active 2 et le substrat 35 final 3 assemblés, formant une structure empilée, une contrainte en cisaillement est générée, lors d'une troisième étape E3, entre le substrat temporaire 1 et le substrat final 3. Cette contrainte en cisaillement s'exerce, d'une part, au niveau de la première interface de collage (I1) selon une première force de cisaillement (Fc1) appliquée par le substrat temporaire 1, et d'autre part, au niveau de la deuxième interface de collage (12) selon une deuxième force de cisaillement (Fc2) appliquée par le substrat final 3, les première et deuxième forces étant directionnellement opposées, telles que représentées en figure 3. Pour résoudre les problèmes de l'art antérieur précités, l'invention propose de séparer le substrat temporaire 1 sans dommage, l'objectif étant d'obtenir une délamination spontanée au niveau des bordures de la première interface de collage I1, ou au moins de considérablement fragiliser la première interface de collage I1, permettant ainsi d'initier une onde de séparation au niveau de la première interface de collage I1, et donc faciliter la séparation du substrat temporaire 1 lors d'une étape de séparation. Pour ce faire, et au terme des trois étapes du procédé selon l'invention, deux conditions doivent être respectées : - condition 1 : l'énergie de collage de la deuxième interface de collage 12 est supérieure à l'énergie de collage de première interface de collage fi ; - condition 2 : la première force de cisaillement Fcl est supérieure à la première force d'adhésion Fat. La première condition permet de choisir, ou de déterminer, l'interface de collage ayant la plus faible énergie de collage, et donc qui sera sujette à l'effet de délamination au niveau de ses bordures. Pour satisfaire la première condition, les énergies de collage des interfaces de collage II et 12 peuvent être ajustées par n'importe quel moyen connu de l'art antérieur dans l'objectif d'obtenir une énergie de collage de l'interface 12 supérieure à l'énergie de collage de l'interface II lors de la séparation du substrat temporaire 1. De manière non limitative, les traitements thermiques, les activations plasma, le nettoyage préalable de surface, les conditions de réalisation d'un collage par adhésion moléculaire, la rugosité d'une surface, l'utilisation de couches fines de matériaux autocollants, ... sont autant de paramètres modifiables permettant d'ajuster, de manière contrôlée, l'énergie de collage d'une interface en particulier. A titre d'exemple, après la première étape El du procédé de transfert selon l'invention, l'énergie de collage de la première interface I1 doit être renforcée, par exemple à l'aide d'un traitement thermique dit de renforcement, et ce, dans l'objectif de réaliser un polissage, par exemple mécano-chimique, sur la deuxième face 2b de la couche active 2. Un tel polissage, non représenté, permet, lors de l'étape E2, d'obtenir une surface plane et exempte de particule. Ainsi, l'interface de collage 12 possède une énergie de collage améliorée. Comme cela est illustrée en figure 4a et grâce au polissage de la surface 2b de la couche active 2, une montée en température provoque une augmentation plus rapide de l'énergie de collage de l'interface 12 que celle de l'énergie de collage de l'interface I1, à tel point qu'à un niveau de température donnée, l'énergie de collage de l'interface 12 est supérieure à l'énergie de collage de l'interface I1, ici à partir d'environ 60°C (point A de la figure 4a). De manière alternative et dans le cas où l'énergie de collage de l'interface 12 serait toujours inférieure à l'énergie de collage de l'interface fi au moment de l'initiation de l'onde de séparation entre le substrat temporaire 1 et la couche active 2, l'énergie de collage de l'interface fi peut être dégradée, avant l'étape 3, par exemple, par le bombardement de radiations électromagnétiques 7 sur toute la surface de l'interface H, comme représenté en figure 6. Une telle solution sera envisageable en choisissant une typologie de laser avec une longueur d'onde adaptée au coefficient d'absorption et réfraction associés aux substrats et couches traités. La première condition pour réaliser le procédé de transfert selon l'invention est donc remplie. La deuxième condition nécessaire à la réalisation du procédé selon l'invention (la première force de cisaillement Fc1 est supérieure à la première force d'adhésion Fat) permet de créer, dans la structure empilée, un état de tension telle que l'effet de délamination est généré. Les caractéristiques physiques et théoriques de cet état de tension sont décrits dans l'article « The Bending of Bonded Layers Due to Thermal Stress », écrit par Ahmad T. Abawi et publié le 23 octobre 2004. Cette deuxième condition peut être obtenue par différentes solutions. Comme référencé en figure 1, une première solution consiste, une fois la deuxième étape E2 terminée, à appliquer une force sur l'une des faces libres du substrat temporaire 1 ou du substrat final 3, c'est-à-dire l'une des faces opposées à celle assemblées à la couche active 2, idéalement en son milieu à l'aide d'un moyen de pression 6, de manière à générer une courbure de la structure empilée. La courbure imposée génère la contrainte en cisaillement Fc1, Fc2, précédemment expliquée et illustrée en figure 3. Bien entendu, la force appliquée sera adaptée aux conditions rencontrées pour générer la contrainte en cisaillement suffisante pour que la première force de cisaillement Fc1 soit supérieure à la première force d'adhésion Fa1 entre le substrat temporaire 1 et la couche active 2, et donc créer l'effet de délamination. Par ailleurs et de manière connue, la contrainte en cisaillement générée est plus importante au niveau des bordures des interfaces de collage. En conséquence, l'interface de collage ayant la plus faible énergie de collage, ici l'interface a, est sujette à un effet de délamination spontané au niveau de ses bordures. Une deuxième solution consiste à soumettre la structure empilée à un traitement thermique, dit de séparation, à une température cible prédéterminée, le substrat final 3 et le substrat temporaire 1 possédant des caractéristiques de dilatation thermique différentes, de sorte que la structure se déforme sous l'effet de la différence des dilatations thermiques, générant ainsi la contrainte en cisaillement au niveau des interfaces fi et 12. A titre d'exemple, la figure 2 représente le procédé de transfert selon l'invention dans lequel le substrat temporaire 1 est en saphir, et le substrat final 3 est en silicium. Lors de l'étape E2, le substrat temporaire 1, la couche active 2 et le substrat final 3 sont assemblés à température ambiante Ta. A cette température, le différentiel de dilatation thermique du substrat temporaire 1 et final 3 est nul, et donc les interfaces de collage I1 et 12 ne subissent pas de contrainte en cisaillement. Lors de l'étape E3, la montée en température du traitement thermique de séparation provoque une différence de vitesse de dilatation du substrat temporaire 1 et du substrat final 3. Plus la différence de dilation thermique des matériaux est grande, et plus la contrainte en cisaillement augmentera rapidement lors de la montée en température du traitement thermique de séparation. Comme vu précédemment, cette contrainte en cisaillement s'exerce au niveau de la première interface de collage fi selon la première force de cisaillement Fc1 appliquée par le substrat temporaire 1, et au niveau de la deuxième interface de collage 12 selon la deuxième force de cisaillement Fc2 appliquée par le substrat final 3, la première Fc1 et la deuxième Fc2 forces étant sensiblement équivalentes (figure 3). Par ailleurs, la dilatation thermique d'un corps est principalement déterminée par son coefficient de dilatation thermique, son volume et la température à laquelle il est soumis. Ainsi, la contrainte en cisaillement recherchée correspond au niveau de températures où la résistance au collage de la première l'interface I1 cède 35 devant la contrainte en cisaillement générée par le différentiel de dilatation thermique du substrat temporaire 1 et final 3, et plus précisément au niveau de températures où la première force de cisaillement Fc1 est supérieure à la première force d'adhésion Fal. D'autres paramètres, connus de l'art antérieur, sont à prendre en considération pour déterminer ce niveau de températures, tels que les dimensions des substrats temporaire 1 et final 3, leur coefficient de dilatation thermique respectif, ainsi que le profil de températures, chacun de ces paramètres modifiant le niveau de dilatation d'un corps. Dans une telle configuration et puisque l'énergie de collage de l'interface de collage I1 est proportionnelle à la force d'adhésion Fa1, l'énergie de collage de l'interface de collage fi peut être ajustée, de manière à diminuer la force d'adhésion Fa1, et donc abaisser le niveau de la contrainte en cisaillement recherchée pour obtenir l'effet de délamination, permettant ainsi de réduire le niveau de la température cible du traitement thermique de séparation. Par exemple et de manière non exhaustive, l'interface I1 peut comporter une zone fragilisée localisée, pouvant être constituée de particules déposées, de défauts ponctuels, de couches minces ou traitement locaux inhibant localement l'énergie de collage, de formes géométriques avec une topologie spécifique fabriquées sur le substrat temporaire 1 ou la couche active 2, une rugosification locale de l'une des deux surfaces de l'interface Il. La figure 4b illustre l'évolution des forces Fa1 et FC1 s'exerçant sur la structure empilée en fonction de la température. Dans le cas où le substrat temporaire 1 est en saphire, dont le coefficient de dilation thermique est de 7.7*10-6/°C, et le substrat final 3 est en silicium, dont le coefficient de dilatation thermique est 2.6*10-6/°C, et où le substrat temporaire 1 et final 3 ont une épaisseur de 725 pm et un diamètre de 200 mm, la contrainte en cisaillement recherchée est obtenue lorsque la température cible du traitement thermique de séparation atteint 70°C, point B de la figure 4b. Ainsi, le niveau du différentiel de dilatation thermique du substrat temporaire 1 et final 3 à partir du quel la contrainte en cisaillement recherchée est atteinte (le point B sur la figure 4b) dépendra de l'énergie de collage des interfaces fi et 12, de la dilatation thermique des matériaux et de la température cible du traitement thermique de séparation. Le grand nombre de possibilités de modifications de ces paramètres, répondant à un mode de réalisation spécifique, suggèrent que le niveau du différentiel de dilatation thermique visé, permettant de déterminer la température cible du traitement thermique de séparation, soit redéfinit en fonction des conditions de réalisation du procédé de transfert selon l'invention. En conséquence et dans le mode de réalisation représenté en figure 2, pour que le niveau d'énergie de collage de l'interface 12 deviennent supérieur à celui de l'interface I1, T°C > 60°C (zone hachurée de la figure 4a), et pour que la première force de cisaillement Fc1 soit supérieure à la force d'adhésion Fal entre 5 le substrat temporaire 1 et la couche active 2, T°C > 70°C (zone hachurée de la figure 4b), la température prédéterminée du traitement thermique de séparation sera alors l'intersection de ces deux intervalles de températures, c'est à dire T°C > 70°C. Selon les modes de réalisation, la couche active 2 peut comporter des microcomposants ne devant pas être soumis à des températures excédant 250°C. 10 Ainsi, la température cible du traitement thermique de séparation, pour le présent mode de réalisation, se situe dans l'intervalle de températures cibles 70°C REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche active (2) sur un substrat final (3) à l'aide d'un substrat temporaire (1), le procédé comprenant les étapes suivantes : une première étape (El) d'assemblage d'une première face (2a) de la couche active (2) sur le substrat temporaire (1), selon une première interface de collage (I1) possédant une première énergie de collage et une force d'adhésion (Fal) entre le substrat temporaire (1) et la couche active (2) ; une deuxième étape (E2) d'assemblage d'une deuxième face (2b) de la couche active (2) sur le substrat final (3), selon une deuxième interface de collage (I2) possédant une deuxième énergie de collage ; une troisième étape (E3) consistant à générer une contrainte en cisaillement, la contrainte en cisaillement s'exerçant, d'une part, au niveau de la première interface de collage (I1) selon une première force de cisaillement (Fc1) appliquée par le substrat temporaire (1), et d'autre part, au niveau de la deuxième interface de collage (I2) selon une deuxième force de cisaillement (Fc2) appliquée par le substrat final (3) ; caractérisé en ce qu'une onde de séparation est initiée entre la couche active (2) et le substrat temporaire (1) lorsque la deuxième énergie de collage est supérieure à la première énergie de collage, et la première force de cisaillement (Fc1) est supérieure à la force d'adhésion (Fa1). 2. Procédé de transfert selon la revendication 1, dans lequel le substrat final (3) et le substrat temporaire (1) possèdent des caractéristiques de dilatation thermique différentes, et la contrainte en cisaillement (Fc1, Fc2) est générée par un traitement thermique, dit de séparation, du substrat temporaire (1), de la couche active (2) et du substrat final (3) ainsi assemblés à une température cible prédéterminée. 3. Procédé de transfert selon la revendication 2, dans lequel le substrat temporaire (1) est en saphire, et le substrat final (3) en silicium. 4. Procédé de transfert selon la revendication 2, dans lequel la température cible du traitement thermique de séparation correspondant à l'intervalle de températures où la deuxième énergie de collage est supérieure à la première énergie de collage, et la première force de cisaillement (Fc1) est supérieure à la force d'adhésion (Fa1) entre le substrat temporaire (1) et la couche active (2) 5. Procédé de transfert selon la revendication 2, dans lequel le traitement thermique de séparation est réalisé à une température comprise entre 50°C et 450°C. 6. Procédé de transfert selon la revendication 1, dans lequel la contrainte en cisaillement est générée par l'application, sur le substrat temporaire (1) ou final (3), d'un effort suffisant pour que la première force de cisaillement (Fc1) soit supérieure à la force d'adhésion (Fa1) entre le substrat temporaire (1) et la couche active (2). 7. Procédé de transfert selon la revendication 2 ou 6, dans lequel, avant la troisième étape (E3), l'énergie de collage de la première interface de collage (I1) et/ou l'énergie de collage de la deuxième interface de collage (I2) sont ajustées l'une part rapport à l'autre, de sorte que lors de la troisième étape (E3), la deuxième énergie de collage est supérieure à la première énergie de collage, et la première force de cisaillement (Fc1) est supérieure à la force d'adhésion (Fa 1) entre le substrat temporaire (1) et la couche active (2). 8. Procédé de transfert selon la revendication 1, dans lequel, après la troisième étape E3, l'onde de séparation est déclenchée par l'introduction d'un élément séparateur (4) entre le substrat temporaire (1) et la couche active (2) au niveau de la bordure de la première interface (I1).30