Brevet FR3024280A1 — publié le 20160129

PROCEDE DE DETACHEMENT D'UNE COUCHE UTILE DOMAINE DE l'INVENTION La présente invention concerne un procédé de détachement d'une couche utile, notamment pour des applications dans les domaines de la microélectronique, de la micromécanique et de l'optoélectronique. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connait de l'état de la technique un procédé de détachement d'une couche utile, représenté sur la figure 1, désigné par la dénomination Smart CutTM et originellement décrit dans le document US5374564. Ce procédé comprend les étapes principales suivantes : a) fourniture d'un premier substrat 1 et d'un second substrat 2 constitués des mêmes matériaux et chacun présentant une face principale Sla; S2a et une face secondaire Slb; S2b, b) formation d'un plan de fragilisation 3 dans le premier substrat 1, la face principale Sla du premier substrat 1 et du plan de fragilisation 3 délimitant la couche utile 4, c) assemblage du premier substrat 1 et du second substrat 2 au niveau de leurs faces principales Sla ; S2a pour former un ensemble à fracturer 5, d) fracture de l'ensemble à fracturer 5 le long du plan de fragilisation 3 de manière à détacher la couche utile 4. À l'issue de ce procédé, et par souci d'économie, il est d'usage de reconditionner le premier substrat 1 d'où a été prélevée la couche utile 4, en vue de sa réutilisation comme premier substrat 1 ou second substrat 2 dans un nouveau cycle de détachement d'une couche utile. Un tel recyclage est illustré 3024280 2 par exemple dans le document US6596610. On parle de niveau de recyclage pour indiquer le nombre successif de prélèvement et de réutilisation d'un substrat. Par convention, un niveau de recyclage nul correspond à un substrat n'ayant pas encore été 5 utilisé dans un tel cycle. Il est également d'usage, au terme du procédé « Smart CutTM », d'appliquer des étapes complémentaires de finition de la couche utile, comme des gravures ou des traitements thermiques 10 de lissage de surface, pour chercher à atteindre le niveau de spécification attendu en terme d'uniformité d'épaisseur de la couche utile 4. Dans certains cas, en effet, l'architecture des dispositifs 15 semi-conducteurs qui seront formés sur ou dans cette couche utile 4 nécessite de disposer de substrats présentant une épaisseur moyenne de la couche utile 4 très peu importante, par exemple inférieure à 50 nm, voire même inférieure à lOnm, et une uniformité d'épaisseur très constante à la surface du substrat 20 (dont le diamètre normalisé est typiquement de 200mm, 300mm ; et même 450 mm pour les prochaines générations). L'uniformité d'épaisseur attendue peut ainsi être de l'ordre de 1% de l'épaisseur de la couche utile au maximum, correspondant à des amplitudes de non-uniformité allant typiquement de +/- 0,lnm à 25 +/- lnm sur toute la surface de la plaquette. Or, la demanderesse de la présente invention a observé que l'application du procédé Smart CutTM selon l'état de la technique pouvait conduire à des amplitudes de non-uniformité 30 d'épaisseur pouvant parfois excéder les spécifications requises. Il s'agit, de plus, de non-uniformité d'épaisseur présentant des composantes spectrales qu'il est difficile, voire impossible, de rectifier par les étapes complémentaires de 3024280 3 finition de la couche utile (gravure, oxydation sacrificielle, traitement thermique de lissage). De ce fait, le procédé selon l'état de la technique conduit 5 à des pertes importantes et couteuses de rendement. OBJET DE L'INVENTION La présente invention se propose de résoudre tout ou partie 10 des inconvénients précités. Un but de l'invention est notamment de proposer un procédé de détachement d'une couche utile réduisant l'amplitude de la non-uniformité de cette couche utile après son détachement. 15 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION À cette fin, l'objet de l'invention propose un procédé de détachement d'une couche utile comprenant les étapes suivantes 20 de : a) fourniture d'un premier substrat et d'un second substrat constitués des mêmes matériaux et chacun présentant une face principale et une face secondaire, le premier substrat 25 présentant un premier niveau de recyclage et le second substrat présentant un second niveau de recyclage différent du premier, b) formation d'un plan de fragilisation dans le premier 30 substrat, la face principale du premier substrat et le plan de fragilisation délimitant la couche utile, 3024280 4 c) assemblage du premier substrat et du second substrat au niveau de leurs faces principales pour former un ensemble à fracturer, 5 e) fracture de l'ensemble à fracturer le long du plan de fragilisation de manière à détacher la couche utile, de manière à détacher la couche utile. Conformément à l'invention, au déclenchement de l'étape de 10 fracture, la différence d'épaisseur entre le premier substrat et le second substrat est inférieure à quatre microns. De manière surprenante, la demanderesse a observé que la différence d'épaisseur entre le premier et le second substrat 15 avait une influence sur l'amplitude de la non-uniformité de la couche utile détachée. Cette différence d'épaisseur est particulièrement marquée lorsque le premier et le second substrat présentent des niveaux de recyclage différents. La demanderesse a observé que l'amplitude de la non-uniformité 20 d'épaisseur de la couche utile détachée pouvait être réduite en limitant la différence d'épaisseur entre le premier et le second substrat à moins de 4 microns. Dans un premier mode de mise en oeuvre, le premier ou le 25 second substrat présente un niveau de recyclage nul, et est choisi pour présenter une différence d'épaisseur avec l'autre substrat inférieure à 4 microns. En appariant ainsi le premier et le second substrat, on 30 évite de déployer des étapes couteuses de correction d'épaisseur. En variante, le procédé comprend une étape de correction d'épaisseur du premier substrat et/ou du second substrat avant 3024280 5 l'étape de fracture. De cette manière, on obtient les bénéfices de l'invention quelles que soient les épaisseurs des substrats de silicium dont on dispose. 5 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison: - la différence d'épaisseur entre le premier substrat et le second substrat est inférieure à 3 microns. 10 - le premier et le second substrat sont constitués d'un matériau semi-conducteur, notamment en silicium, ou en saphir. 15 - le plan de fragilisation est formé par implantation d'espèces légères. - les espèces légères sont choisies parmi les ions d'hydrogène et les ions d'hélium. 20 - le procédé comprenant de plus une étape de traitement thermique de fragilisation de l'ensemble à fracturer, après l'étape d'assemblage. 25 - la fracture de l'ensemble à fracturer est obtenue par traitement thermique et/ou par application d'un effort extérieur. - l'étape de correction d'épaisseur comprend un amincissement 30 par polissage mécano-chimique ou par meulage. - l'étape de correction d'épaisseur comprend un amincissement par gravure chimique à l'aide d'une solution KOH ou TMAH. 3024280 6 - l'étape de correction d'épaisseur comprend un épaississement par dépôt d'un matériau, notamment de silicium. 5 - l'étape de correction d'épaisseur est réalisée avant l'étape d'assemblage. - l'étape de correction d'épaisseur est réalisée sur la face principale du premier substrat ou sur la face principale du 10 second substrat. - l'étape de correction d'épaisseur est réalisée sur la face secondaire du premier substrat ou sur la face secondaire du second substrat. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la 20 description qui suit des modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente un procédé de détachement d'une couche utile sur un support selon l'art antérieur; 25 - la figure 2 rapporte des résultats d'expérimentations menées sur le procédé selon l'état de la technique; - la figure 3 représente le procédé de détachement d'une couche utile selon l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou 3024280 7 assurant la même fonction dans les différents modes de mise en oeuvre exposés du procédé, ou dans le procédé selon l'état de la technique. 5 La figure 2 rapporte des résultats d'expérimentations menées par la demanderesse sur le procédé de l'état de techniques, et ayant conduit à la présente invention. Sur la représentation graphique de cette figure 2, la non- 10 uniformité d'une couche utile, en Angstrom, est reportée en ordonnée. La différence d'épaisseur entre le premier substrat 1 et le second substrat 2 est reportée en abscisse (arrondi au micron prêt). La représentation graphique de la figure 2 résulte de plusieurs centaines d'expériences différentes menées sur le 15 procédé de l'état de la technique. Chaque point de cette représentation graphique, correspond donc à une moyenne portant sur de multiples mesures. Avant l'application du procédé selon l'état de la technique, l'épaisseur du premier substrat 1 et du second substrat 2 ont été mesuré par mesure interférométrique à 20 l'aide d'un équipement de marque WafersightTM ; afin d'établir la différence d'épaisseur entre ces substrats. Après détachement, l'épaisseur de la couche utile 4 est mesurée par réflectométrie en 67856 points répartis en surface. L'amplitude de la non-uniformité de la couche utile 4 est déterminée comme la 25 différence entre l'épaisseur maximale mesurée et l'épaisseur minimale mesurée. De manière générale, on observe sur la figure 2, et de façon tout à fait inattendue, que l'amplitude de la non- 30 uniformité de la couche utile 4 croît avec la différence d'épaisseur entre le premier substrat 1 et le second substrat 2. Cette évolution croissante se fait par paliers. Le premier palier, présentant la non-uniformité d'épaisseur la plus faible, correspond à une différence d'épaisseur inférieure à 4 microns. 3024280 8 Les substrats de silicium généralement utilisés dans le domaine de la micro-électronique se présentent sous forme normée de plaquettes circulaires et d'épaisseur spécifiée. Ainsi des plaquettes de 300 mm de diamètre de silicium présentent une 5 épaisseur standard de 775 microns. Similairement, les plaquettes de silicium de 200 mm de diamètre présentent une épaisseur standard de 650 microns. Le recyclage d'un substrat comprend des étapes de polissage, meulage ce qui réduit en conséquence l'épaisseur du substrat recyclé d'au moins 5 microns et jusqu'à 10 20 microns à chaque recyclage. En conséquence, et à défaut de mesures spécifiques, des substrats de silicium ayant des niveaux de recyclage différents présenteront des épaisseurs différentes. La nature d'un substrat de silicium est affectée par les 15 étapes de prélèvement et de recyclage. Outre son épaisseur, les traitements notamment thermiques, employés au cours du procédé de détachement de couche peuvent conduire à modifier la structure cristalline du matériau composant le substrat. Il peut s'agir, par exemple, de la formation ou du développement de 20 précipités d'oxygène. En conséquence, au delà d'un certain niveau de recyclage, un substrat ne peut être utilisé à nouveau dans un procédé de détachement de couche. Afin d'assurer un suivi, chaque substrat est identifié (par exemple par marquage laser) et associé dans un système automatisé de production, à 25 son niveau de recyclage. La présente invention met à profit l'observation faite à propos de l'analyse de la figure 2 pour contrôler l'uniformité d'une couche détachée au cours du procédé Smart CutTM, lorsque 30 les substrats de départ présentent des niveaux de recyclage différent. 3024280 9 En limitant la différence d'épaisseur entre le premier et le second substrat à 4 microns, il est en effet possible de réduire l'amplitude de la non-uniformité de la couche détachée. 5 On expose maintenant en relation à la figure 3 la mise en oeuvre détaillée de l'invention. Dans une première étape a), on fourni un premier substrat 1 présentant un premier niveau de recyclage et un second substrat 10 2 présentant un second niveau de recyclage. Le premier substrat 1 et le second substrat sont constitués du même matériau. Il peut ainsi s'agir d'un matériau semiconducteur (tels que du silicium, du germanium, du nitrure de 15 gallium), d'un matériau isolant (tel que du saphir) ou encore d'un matériau piézo-électrique (tel que du tantalate de lithium ou du niobate de lithium). Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, qui servira d'exemple dans la suite de cette description, le premier substrat 1 et second substrat 2 sont en 20 silicium. 3024280 10 Les premier et second niveaux de recyclage sont différents l'un de l'autre. L'un des niveaux de recyclage peut être nul, c'est-à-dire, par convention, que le substrat n'a encore pas fait l'objet du traitement de détachement de couche 5 et de reconditionnement. Il est donc directement issu de son procédé de fabrication, par exemple par découpe dans un lingot, lui-même formé par exemple selon la méthode CZ(méthode de tirage Czochralski) comme cela est connu en soi. Le substrat a pu subir des opérations de gravure chimique, de meulage et de polissage 10 pour le rendre apte à son utilisation et le conformer aux spécifications requises d'épaisseur et d'uniformité. L'autre substrat présente un niveau de recyclage différent du premier. Chaque niveau peut-être typiquement compris entre 0 et 10. 15 Dans l'exemple particulier où les premier et second substrats 1,2 sont en silicium, ces derniers prennent généralement la forme d'une plaquette de silicium circulaire dont le diamètre est typiquement de 200 mm, 300 mm voire 450 mm, mais l'invention n'est pas limitée à ce seul matériau, cette 20 seule forme et ces seules dimensions. L'un et/ou l'autre des premier et second substrats 1, 2 peut-être muni d'une couche d'isolant formée préalablement en surface de manière à constituer, en fin de procédé, un substrat de silicium sur isolant Cette couche isolante peut comprendre un oxyde de 25 silicium ou un nitrure de silicium. Elle peut avoir été formée par dépôt, par oxydation ou par nitruration, selon le cas. Dans une seconde étape b), on forme un plan de fragilisation 3 dans le premier substrat 1, de manière à y 30 définir une couche utile 4 entre sa face principale Sla et ce plan. Le plan de fragilisation 3 est typiquement réalisé par implantation d'espèces légères, d'hydrogène ou de gaz noble. Ainsi, les espèces légères peuvent être choisies parmi les ions d'hydrogène et d'hélium, dans des doses comprises entre 1E16 et 3024280 11 1E17 at/cm^2. L'énergie d'implantation est quant à elle typiquement comprise entre quelques 10 keV et 200 keV, et définit la profondeur d'implantation des ions. 5 Dans une troisième étape c), postérieure à la seconde étape, le premier substrat 1 et le second substrat 2 sont assemblés au niveau de leurs faces principales Sla, S2a pour former un ensemble à fracturer 5. Cet assemblage est préférentiellement réalisé par adhésion moléculaire, c'est-à- 10 dire par adhésion directe des surfaces entre elles sans ajout de matière adhésive intermédiaire, telle qu'une colle. Toutefois, l'emploi d'un adhésif et de toute méthode d'assemblage n'est pas exclu du cadre de l'invention. 15 Dans une étape suivante facultative d), l'ensemble à fracturer 5 est soumis à un traitement thermique de fragilisation. Il peut s'agir d'un recuit compris entre 200 et 700 °C, pendant 30 minutes à quelques heures, sous atmosphère neutre. Cette étape vise à développer, notamment dans le cas où 20 le plan de fragilisation 3 est formé par implantation, des microcavités, platelets et autres types de défauts précurseurs de la fracture au niveau du plan de fragilisation 3. Celle-ci est obtenue au cours de l'étape suivante e) de fracture, le long du plan de fragilisation 3 et conduisant au détachement de la 25 couche utile 4. Cette dernière étape peut être réalisée au cours ou en fin de l'étape précédente d) de traitement thermique si celle-ci est présente, par initiation spontanée de la fracture dans 30 l'enceinte de traitement thermique. Elle peut également être réalisée ultérieurement à l'étape précédente de traitement thermique. Elle peut être également provoquée par l'application d'un effort extérieur, application d'une force mécanique (lame, 3024280 12 choc, vibrations) ou par un apport d'énergie quelconque (laser), par exemple au niveau du plan de fragilisation 3. Généralement, la fracture et le détachement de la couche 5 utile 4 se produisent par initiation d'une onde de fracture qui se propage de manière auto entretenue sur toute la surface du substrat. Selon l'invention, la différence d'épaisseur entre le 10 premier substrat 1 et le second substrat 2 est inférieure à 4 microns au déclenchement de l'étape de fracture. Comme cela a été observé par la demanderesse, cette condition permet de détacher une couche utile présentant une amplitude de non-uniformité réduite. 15 De manière préférée, cette différence d'épaisseur est inférieure à 3 microns, voire à 2 microns. Choisir une différence d'épaisseur moindre conduit à des amplitudes de non-uniformité d'épaisseur de la couche utile 4 encore plus réduite. 20 Selon un premier mode de mise en oeuvre non représenté, ceci est obtenu en choisissant l'un des substrats pour qu'il présente un niveau de recyclage nul et une épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur de l'autre substrat, à 4 microns près. 25 L'épaisseur attendue d'un substrat après un nombre déterminé de recyclage est égale à son épaisseur initiale à laquelle on retranche un multiple déterminé d'épaisseur d'enlèvement lié au recyclage. Sachant par exemple qu'un 30 substrat typique de silicium de 300 mm de diamètre présente initialement une épaisseur de 775 microns et que chaque recyclage contribue à un enlèvement de 10 microns, on peut établir que l'épaisseur d'un substrat après un recyclage est de 765 microns, après deux recyclages de 755 microns, etc. 3024280 13 L'invention est aisément mise en oeuvre en se fournissant alors de substrats neufs de silicium (c'est à dire présentant un niveau de recyclage nul) présentant une épaisseur égale, à quatre microns près, à l'épaisseur attendue après le nombre 5 déterminé de recyclages. Le substrat neuf constitue alors le premier substrat 1 ou second substrat 2 du procédé selon l'invention, et l'autre substrat de ce procédé est constitué du substrat présentant le 10 niveau de recyclage déterminé. Selon un second mode de mise en oeuvre le procédé selon l'invention comprend une étape de correction d'épaisseur du premier substrat 1 et/ou du second substrat 2 avant l'étape de 15 fracture, de sorte que la différence d'épaisseur entre ces deux substrats soit inférieure à 4 microns. Cette correction d'épaisseur peut s'opérer sur l'ensemble à fracturer 5 après l'étape d'assemblage des substrats 1, 2, en 20 traitant la ou les faces secondaires Slb, S2b du premier substrat 1 et/ou du second substrat 2. Préférentiellement, toutefois, la correction d'épaisseur s'effectue avant cette étape d'assemblage, et encore plus préférentiellement, avant l'étape de formation du plan de fragilisation 3. A titre 25 d'exemple, sur la figure 3, la correction d'épaisseur est représentée par une étape f), sur le second substrat, avant l'étape c) d'assemblage. Quel que soit le moment auquel cette étape est réalisée, la 30 correction d'épaisseur peut se faire par amincissement ou par épaississement. L'amincissement peut être obtenu par polissage mécano chimique ou meulage ; ou encore par gravure chimique (par 3024280 14 exemple à l'aide d'une solution KOH ou TMAH). Ces deux types d'amincissement peuvent être combinés, et s'appliquent chacun principalement en face principale Sla, S2a ou secondaire Slb, S2b du plus épais du premier ou du second substrat. 5 L'épaississement peut comprendre le dépôt d'un matériau sur l'une au moins des faces Sla, S2a, Slb, S2b de l'un des substrats 1,2. Pour des raisons de simplicité, les matériaux déposés peuvent être du silicium, en particulier lorsque les 10 premier et second substrats 1, 2 sont eux-mêmes en silicium. Lorsque le dépôt a lieu sur une des faces secondaires des substrats, le dépôt peut consister en un autre matériau, tel qu'un oxyde du silicium. Il peut aussi s'agir dans ce cas de silicium poly cristallin. 15 Cette correction est réalisée de manière à porter la différence d'épaisseur entre le premier substrat 1 et le second substrat 2 à moins de quatre microns. 20 Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. REVENDICATIONS1. Procédé de détachement d'une couche utile (4) comprenant les étapes suivantes de : a) fourniture d'un premier substrat (1) et d'un second substrat (2) constitués des mêmes matériaux et chacun présentant une face principale (Sla ; S2a) et une face secondaire (Slb ; S2b), le premier substrat (1) présentant un premier niveau de recyclage et le second substrat (2) présentant un second niveau de recyclage différent du premier, b) formation d'un plan de fragilisation (3) dans le premier substrat (1), la face principale (Sla) du premier substrat (1) et le plan de fragilisation (3) délimitant la couche utile (4), c) assemblage du premier substrat (1) et du second substrat (2) au niveau de leurs faces principales (Sla, S2a) pour former un ensemble à fracturer (5), e) fracture de l'ensemble à fracturer (5) le long du plan de fragilisation (3) de manière à détacher la couche utile (4), Le procédé étant caractérisé en ce que, au déclenchement de l'étape de fracture, la différence d'épaisseur entre le premier substrat (1) et le second substrat (2) est inférieure à 4 microns. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la différence d'épaisseur entre le premier substrat (1) et le second substrat (2) est inférieure à 3 microns. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier et le second substrat (1,2) sont constitués d'un matériau semi-conducteur ou en saphir. 3024280 16 4. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le premier et le second substrat (1,2) sont constitués de silicium. 5 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le plan de fragilisation (3) est formé par implantation d'espèces légères. 6. Procédé selon la revendication précédente dans lequel les 10 espèces légères sont choisies parmi les ions d'hydrogène et les ions d'hélium. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le procédé comprenant de plus une étape d) de traitement 15 thermique de fragilisation de l'ensemble à fracturer (5), après l'étape d'assemblage. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la fracture de l'ensemble à fracturer (5) étant obtenue par 20 traitement thermique et/ou par application d'un effort extérieur. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier (1) ou le second substrat (2) présente un 25 niveau de recyclage nul, et est choisi pour présenter une différence d'épaisseur avec l'autre substrat de silicium (2; 1) inférieure à 4 microns. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, le 30 procédé comprenant en outre une étape de correction d'épaisseur du premier substrat (1) et/ou du second substrat (2) avant l'étape de fracture. 3024280 17 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape de correction d'épaisseur comprend un amincissement par polissage mécano-chimique ou par meulage. 5 12. Procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape de correction d'épaisseur comprend un amincissement par gravure chimique à l'aide d'une solution KOH ou TMAH. 13. Procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape 10 de correction d'épaisseur comprend un épaississement par dépôt d'un matériau. 14. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le matériau est du silicium. 15 15. Procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape de correction d'épaisseur est réalisée avant l'étape d'assemblage. 20 16. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape de correction d'épaisseur est réalisée sur la face principale (Sla) du premier substrat ou sur la face principale (S2a) du second substrat. 25 17. Procédé selon l'une des revendication 10 à 15 dans lequel l'étape de correction d'épaisseur est réalisée sur la face secondaire (Slb) du premier substrat (1) ou sur la face secondaire (S2b) du second substrat (2).