Brevet FR3022563A1 — publié le 20151225

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de formation d'un monocristal de matériau à partir d'un substrat monocristallin. ETAT DE LA TECHNIQUE Le développement de monocristaux de matériaux de très haute pureté et de très haute qualité cristalline connait depuis plusieurs années un intérêt grandissant. En effet, ces monocristaux sont utilisés pour la fabrication de composants électroniques de puissance, de détecteurs de rayonnements de fortes énergies, de monochromateurs pour les rayonnements X synchrotron, de dispositifs optoélectroniques, optomécaniques, de dispositifs photoniques et de dispositifs électroniques performants. Cependant, ces monocristaux peuvent présenter des impuretés et des dislocations qui limitent les performances des composants obtenus. On distingue les dislocations de surface et les dislocations de coeur. Les dislocations de coeur sont des défauts cristallins étendus correspondant à des discontinuités dans l'organisation de la structure cristalline au sein du matériau monocristallin. Ces dislocations se comportent comme des pièges, des centres recombinants ou des chemins de conduction parasites pour les porteurs de charges, ce qui a pour conséquence d'abaisser les champs de claquage du matériau. Une densité de dislocation de coeur est définie comme un rapport d'une longueur totale de dislocations (en mètre) sur un volume de cristal (en mètre cube). Les monocristaux présentent des densités de dislocations qui varient typiquement entre 103 et 1012 cm-2. Plus la densité de dislocations est réduite, meilleures sont les qualités cristallines et les propriétés électriques et électroniques du monocristal. On connait des techniques d'élaboration de monocristaux de diamant par haute pression / haute température (HPHT) permettant d'obtenir des monocristaux présentant de faibles densités de dislocations. Cependant, un inconvénient de ces techniques est qu'elles ne permettent 3022563 2 pas de contrôler aisément la pureté des monocristaux obtenus, en raison de l'environnement de croissance qui est généralement constitué d'un bain de métal liquide sous pression. La pureté des monocristaux obtenus par ces procédés est donc généralement médiocre et incompatible avec les 5 applications envisagées. Contrairement aux techniques d'élaboration HPHT, les techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) permettent un bon contrôle du taux d'impuretés dans les monocristaux obtenus. Cependant, la qualité d'un monocristal obtenu par dépôt chimique en phase vapeur est dépendante de 10 la qualité du substrat utilisé comme germe. En effet, le substrat peut contenir des dislocations de coeur qui se propagent dans le monocristal lors de sa croissance. L'utilisation de substrats de très haute qualité, ne contenant pratiquement pas de dislocations, pourrait permettre de produire des 15 monocristaux de très haute qualité. Cependant, de tels substrats sont rares et coûteux. Le document W02014045220 décrit une solution pour réduire les dislocations de coeur d'un monocristal. Cette solution repose sur un traitement de surface comprenant un processus de gravure du monocristal, 20 le dépôt de nanoparticules métalliques dans les zones de défauts de la surface de monocristal et une reprise de croissance épitaxiale du monocristal. Un tel procédé permet de réduire la densité de dislocations mais pourrait conduire à la présence de nanoparticules métalliques dans le monocristal qui subira la croissance homoépitaxiale. 25 Une autre solution pour réduire les dislocations de coeur dans les monocristaux obtenus par CVD est l'utilisation de techniques mettant en oeuvre des étapes de surcroissance latérale (Epitaxial Lateral Overgrowth ou ELOG). Cette solution est par exemple décrite dans la publication "Meta) organic vapour phase epitaxy of GaN and lateral overgrowth", Gibart, 30 Pierre; Reports on Progress in Physics, Volume 67, Number 5, May 2004, pp. 667-715(49). Le principe de ces deux techniques est de bloquer la propagation des dislocations lors de la croissance de la couche de monocristal par le 3022 563 3 dépôt d'une couche d'un autre matériau sur certaines parties du cristal. La présence de ce dépôt oblige le matériau d'intérêt à effectuer une croissance latérale (c'est-à-dire une croissance selon la direction parallèle à la surface du substrat). Comme les dislocations ne peuvent se propager que selon 5 une direction normale à la surface du substrat, la mise en oeuvre d'une croissance épitaxiale latérale permet de bloquer la propagation des dislocations. Ces techniques permettent la formation d'un cristal comprenant typiquement des densités de dislocations de l'ordre de 105 cm- 2 10 Il existe donc un besoin pour des procédés de traitement de monocristaux conduisant à l'obtention de monocristaux de matériaux de très haute qualité cristalline (densité de dislocations REVENDICATIONS1. Procédé (100) de formation d'un monocristal de matériau à partir d'un substrat monocristallin (1) ayant une surface présentant une alternance de 5 creux (6) et d'élévations (7), comprenant des étapes de : a) former une couche de monocristal (30) par croissance épitaxiale latérale entre les élévations (7), b) détecter des zones de défauts dans la couche de monocristal (30) par gravure légère de la couche de monocristal, 10 c) former un masque (9) sur la couche (30) de monocristal entre les zones de défauts détectées, d) graver la couche (30) de monocristal munie du masque (9) de manière à former des creux (13) dans les zones de défauts de la couche (30) et des élévations (14) hors des zones de défauts de la couche (30), 15 e) répéter l'étape a). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le masque (9) formé à l'étape c) présente des ouvertures (10) agencées de sorte que les zones de défauts de la couche (30) sont exposées lors de la gravure réalisée à 20 l'étape d). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le masque (9) formé à l'étape c) recouvre une partie de la couche de monocristal (30) ayant été formée à l'étape a). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le masque (9) formé à l'étape c) présente un motif ayant un angle de désorientation par rotation horizontale par rapport au motif formé par l'alternance de creux (6) et d'élévations (7). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant des étapes préalables à l'étape a) de : f) former un masque (4) sur la surface du substrat (1), et 25 30 3022563 15 g) graver le substrat (1) muni du masque (4) pour former l'alternance de creux (6) et d'élévations (7) dans la surface du substrat (1). 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant une étape préalable à 5 l'étape f) de : i) graver la surface du substrat (1) de manière à éliminer une couche superficielle écrouie du substrat et à obtenir une faible rugosité de surface, typiquement inférieure à 30 nanomètres. 10 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat monocristallin (1) et la couche de monocristal (30) sont formés en un même matériau. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le matériau est du diamant. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche de monocristal (11) formée à l'étape a) présente une épaisseur, et lors de l'étape d), la couche de monocristal (11) est gravée à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la couche (11). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les étapes b) à e) sont répétées jusqu'à l'obtention d'une densité de défauts dans la couche de monocristal (30, 31), inférieure ou égale à un seuil prédéterminé. 25 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel les étapes b) à e) sont répétées entre une et vingt fois, de préférence entre une et quatre fois. 12. Procédé (200) de fabrication d'un monocristal, comprenant une étape 30 de : j) former un premier monocristal (22) par croissance épitaxiale normale à partir d'un monocristal (16) de matériau obtenu par le procédé tel que défini par l'une des revendications 1 à 11. 15 20 3022563 16 13. Procédé (200) de fabrication d'un monocristal selon la revendication 12, comprenant en outre des étapes de : k) former un deuxième monocristal (23) par croissance épitaxiale normale à 5 partir du premier monocristal (22), I) répéter l'étape k) en utilisant le deuxième monocristal obtenu à l'étape k) précédente comme premier monocristal pour l'étape I) suivante. 14. Procédé (200) de fabrication d'un monocristal comprenant une étape 10 de : m) former un monocristal (23) par croissance épitaxiale normale à partir d'un monocristal (22) obtenu par le procédé tel que défini par la revendication 13. 15