Brevet FR3066952A1 — publié le 20181207

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un matériau polycristallin à faibles contraintes mécaniques, ayant une ou plusieurs couches d'un premier type et une ou plusieurs couches d'un second type, les couches du premier type et les couches du second type ayant chacune au moins un composant de matériau polycristallin. L'invention se rapporte également à un procédé d'obtention d'un matériau polycristallin à faibles contraintes mécaniques, selon lequel on utilise au moins un moyen pour déposer et/ou pour faire croître les couches du premier type et les couches du second type, le matériau polycristallin ayant une ou plusieurs couches du premier type et une ou plusieurs couches du second type, les couches du premier type et les couches du second type ayant respectivement au moins un composant de matériau polycristallin. Etat de la technique Par la croissance de couches poly-cristallines (notamment la croissance épitaxiale) on génère, de façon caractéristique, des cristallites dans des directions de croissance différentes et de tailles croissantes en fonction de l'épaisseur croissante de la couche. La taille des grains de cristal de la couche augmente en fonction de la hauteur de développement de la couche. L'inconvénient de telles couches poly-cristallines est qu'elles ont fréquemment des contraintes mécaniques élevées (c'est-à-dire des contraintes de couche élevées) notamment en fonction de l'augmentation ou de l'épaisseur de la couche. De telles contraintes mé- caniques dans une couche sont gênantes pour le traitement ultérieur des couches. Par exemple, si au cours d'étapes ultérieures du procédé on structure de telles couches, cela peut modifier en partie fortement la répartition locale des contraintes (contraintes mécaniques). Cela peut se traduire par exemple par des déformations mécaniques défavorables des pièces traitées si l'on fabrique, par exemple, des éléments MEMS (microsystème micromécanique) librement mobiles à partir de telles couches à contraintes, dans lesquelles sont gravées des structures. 3066952 2 But de l'invention La présente invention a pour but de développer des maté- riaux polycristallins ayant des contraintes mécaniques plus faibles que celles de l'état de la technique. 5 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un matériau polycristallin du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les couches du premier type ont une taille moyenne de grain de cristal inférieure à celle des couches du second type, une couche du premier type et une 10 couche du second type, se chevauchant en alternance, au moins par- tiellement. L'invention a également pour objet un procédé de fabrica- tion d'un tel matériau polycristallin caractérisé en ce que les couches du premier type ont une taille moyenne de grains de cristal plus petite 15 que les couches du second type, et dans l'alternance d'une couche du premier type et d'une couche du second type, les couches se chevauchent au moins partiellement. Le matériau polycristallin selon l'invention a l'avantage que les contraintes mécaniques dans la matière sont relativement 20 faibles par comparaison avec celles des matériaux de l'état de la technique. En d'autres termes selon l'invention, la taille moyenne du grain de cristal (par exemple la dimension du grain) dans les couches du premier type est inférieure à celle dans les couches du second type, 25 c'est-à-dire les cristallites dans les couches du premier type ont une ex- tension moyenne dans l'espace (c'est-à-dire la dimension dans l'espace) inférieure à celle des cristallites (grains de cristal) des couches du second type. Ainsi, selon l'invention, il est possible d'avoir pour les couches du premier type et les couches du second type, au moins une 30 couche (ou précisément une couche) formée de composants de matériau polycristallin. Selon l'invention, cela permet, par exemple, d'avoir des couches relativement minces avec des contraintes mécaniques relativement très faibles ou encore des matériau polycristallins relativement 35 épais (couches) avec des contraintes mécaniques (tensions) relativement 3066952 3 faibles pour l'épaisseur de ce matériau dans le matériau polycristallin et des couches séparées (couches du premier type et couches du second type du matériau polycristallin. Ainsi, l'invention permet avantageusement de fournir et 5 de générer des matériaux polycristallins qui serviront avantageusement pour la future réalisation (génération) de composants semi-conducteurs ou de microsystèmes électromécaniques ou de systèmes micromécaniques ou autres. Suivant une caractéristique avantageuse les couches du 10 premier type et les couches du second type sont chaque fois des couches fermées. La succession alternée d'une couche du premier type et d'une couche du second type qui sont au moins partiellement superposées, a l'avantage de matériaux polycristallins avec des contraintes (ten- 15 sions) mécaniques relativement faibles dont le matériau polycristallin et les différentes couches (couches du premier type et couches du second type) du matériau polycristallin ainsi obtenu, peuvent avoir par exemple des épaisseurs relativement importantes. Comme le matériau polycristallin se compose de nom- 20 breuses couches du premier type et de nombreuses couches du second type, en particulier avec chaque fois une couche du premier type et une couche du second type qui se succèdent de façon de superposée, une forme de réalisation de la présente invention a l'avantage que le matériau polycristallin offre une épaisseur importante et des tensions ou 25 contraintes mécaniques néanmoins relativement réduites dans le maté- riau polycristallin. Comme le moyen pour déposer et/ou pour faire croître se compose d'au moins une chambre, le dépôt et/ou la croissance des couches du premier type et des couches du second type se produisent 30 dans la chambre avec au moins un gaz de départ utilisé pour dévelop- per et/ou déposer les couches du premier type et/ou les couches du second type, le moyen de dépôt et/ou de croissance comprenant notamment une installation de croissance épitaxiale de sorte que, selon une forme de réalisation, l'invention permet avantageusement le déve- 35 loppement (par exemple la croissance épitaxiale) du matériau 3066952 4 polycristallin dans une chambre ou une installation uniques, ce qui permet une fabrication simple et économique. Néanmoins, selon une forme de réalisation de l'invention, il est également possible d'obtenir les couches du premier type et les couches du second type dans les 5 chambres différentes (ou en partie dans des installations différentes). Comme pendant le dépôt et/ou la croissance des couches du premier type la température est différente dans la chambre que pour le dépôt et/ou la croissance des couches du second type, il est possible, selon un mode de réalisation de l'invention, que la taille des grains de 10 cristaux (taille des grains ou cristallites) des couches du premier type soit inférieure à la taille des cristaux (taille des grains ou cristallites) des couches du second type. De même il est ainsi avantageusement possible de fixer précisément la taille des cristaux des couches du premier type et des 15 couches du second type d'une manière relativement précise en fixant ou en réglant la température pendant la croissance des couches du premier type et des couches du second type. Selon un développement de l'invention, de manière préfé- rentielle, les dimensions des cristaux, moyennes des différentes couches 20 du premier type sont elles-mêmes différentes. Il est, par exemple, pos- sible qu'une couche du premier type et une couche du second type (ou quelques unes ou tous les ensembles de couches du premier type) présentent une taille de cristaux, différente. De même, il est possible que la taille moyenne des cristaux des différentes couches du second type 25 soient différentes. Il est, par exemple, possible qu'une couche du pre- mier type et qu'une couche du second type (ou certaines ou toutes les couches du second type) présentent une taille différente de cristaux. Selon une forme de réalisation de la présente invention, de manière préférentielle, les couches du premier type ont, au moins 30 sensiblement la même taille moyenne des cristaux. Selon une forme de réalisation de la présente invention, de manière préférentielle, les couches du second type ont une seconde taille des cristaux au moins sensiblement égale en moyenne. Selon une forme de réalisation de la présente invention, 35 de manière préférentielle, l'ensemble des couches du premier type com- 3066952 5 prend trois, de préférence quatre et d'une manière encore plus préférentielle cinq ou plus de couches du premier type. Selon une forme de réalisation de la présente invention, de manière préférentielle, l'ensemble des couches du second type com- 5 prend trois, de préférence quatre et d'une manière encore plus préféren- tielle cinq ou plus de couches du second type. Selon une autre forme de réalisation de la présente in- vention, entre les couches voisines du premier type et du second type qui sont au moins partiellement superposées, il y a au moins une 10 couche (ou un ensemble de couches) d'un troisième type. Les couches du troisième type ont, par exemple, une autre taille (moyenne) de cristaux inférieure à la taille moyenne des cristaux des couches du second type mais plus grande que la taille moyenne des cristaux du premier type. De même, il est possible que les couches du troisième type présen- 15 tent, par exemple, une autre composition de matériau que les couches du premier type et celles du second type. Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de matériaux polycristallins représen- 20 tés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un matériau polycristallin selon un premier mode de réalisation de la présente invention, la figure 2 montre schématiquement une vue en coupe d'un maté- 25 riau polycristallin selon un second mode de réalisation de la pré- sente invention, la figure 3 montre schématiquement une vue en coupe d'un maté-riau polycristallin selon un troisième mode de réalisation, la figure 4 montre schématiquement une vue en coupe d'un maté- 30 riau polycristallin selon un quatrième mode de réalisation, la figure 5 montre schématiquement une vue en coupe d'un maté- riau polycristallin selon un cinquième mode de réalisation, Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un matériau polycristallin 5 à faibles 35 contraintes mécaniques selon un premier mode de réalisation de la pré- 3066952 6 sente invention. Le matériau polycristallin 5 se trouve sur une couche de séparation 7. La couche de séparation 7 est, par exemple, en oxyde de silicium ou comporte de l'oxyde de silicium. Il est également possible que la couche de séparation 7 comporte d'autres composants de maté- 5 riau, par exemple, des nitrures LNO, etc. ou soit réalisée d'au moins l'un de ces composants. Il est également possible de former la couche de séparation 7 par la combinaison de tels composants de matériaux. Le matériau polycristallin 5 a une couche d'un premier type 1 et une couche d'un second type 2 ainsi qu'une seconde couche 10 du second type 2. La disposition des couches du matériau polycristallin 5 est faite sur la couche de séparation 7 ; la couche de séparation 7 est sur le côté supérieur du substrat 6. Au-dessus de la couche du second type 2 (et dans le mode de réalisation représenté, en contact direct avec la couche du second type 2) on a une couche du premier type 1. Au- 15 dessus de la couche du premier type 1 (et dans le mode de réalisation représenté, en contact direct avec la couche du second type 2) on a une couche du premier type 1. Au-dessus de la couche du premier type 1 (et dans le mode de réalisation représenté, en contact direct avec la couche du premier type 1) on a une second couche du second type 2. La couche 20 du premier type 1 a une taille moyenne de cristaux (taille de grains) in- férieure à celle des couches du second type 2. Une autre forme de réalisation du matériau polycristallin selon l'invention a également entre une couche du premier type 1 et une couche du second type 2, une autre couche (ou un ensemble de 25 couches) d'un troisième type qui a, par exemple, un autre composant de matériau que les couches du premier type 1 et du second type 2 ou les mêmes composants de matériaux que les couches du premier type et celles du second type 2 et une taille moyenne des cristaux inférieure à la taille moyenne des cristaux des couches du second type 2 mais supé- 30 rieure à la taille moyenne des cristaux du premier type 1. Selon un autre mode de réalisation le matériau polycristallin selon l'invention, a au moins partiellement un espace intermédiaire (rempli de gaz) entre une couche du premier type 1 et une couche du second type 2. 3066952 7 La figure 2 montre un matériau polycristallin 5 à faibles contraintes mécaniques correspondant à un second mode de réalisation de la présente invention. Le matériau polycristallin 5 se compose de trois couches d'un premier type 1 et de quatre couches d'un second 5 type 2. La disposition des couches du matériau polycristallin 5 est faite sur la couche de séparation 7 ; la couche de séparation 7 est sur le côté supérieur du substrat 6. Les couches du premier type 1 et les couches du second type 2 sont superposées dans un ordre alterné et sont en contact direct les unes avec les autres. Les couches du premier type 1 10 ont une taille moyenne de cristaux (taille des grains) plus petite que celle des couches du second type 2. La figure 3 montre un matériau polycristallin 5 à faibles contraintes mécaniques correspondant à un troisième mode de réalisation de la présente invention. Le matériau polycristallin 5 se compose de 15 trois couches du premier type 1 et de quatre couches du second type 2. Les couches du premier type 1 et les couches du second type 2 sont superposées en alternance et en contact direct les unes avec les autres. Les couches du premier type 1 ont une taille moyenne des cristaux (taille des grains) inférieure à celle des couches du second type 2. Le 20 matériau polycristallin 5 est uniquement partiellement installé sur la couche de séparation 7. Dans les autres zones on a enlevé la couche de séparation 7 sous le matériau polycristallin 5. Pour certaines applications du matériau polycristallin 5 (par exemple pour des microsystèmes électromécaniques) on enlève ensuite la couche de séparation 7 pour 25 que le matériau polycristallin 5 (au moins partiellement) ne se trouve pas sur la couche de séparation 7. Cela est, par exemple, avantageux si le matériau polycristallin 5, par exemple, dans les zones dans lesquelles la couche de séparation 7 a été enlevée de dessous le matériau polycristallin 5, est utilisé pour des structures libres en mouvement (dans des 30 microsystèmes électromécaniques). La figure 4 montre un matériau polycristallin 5 à faibles contraintes mécaniques correspondant à un quatrième mode de réalisation de la présente invention. Le matériau polycristallin 5 se compose de quatre couches d'un premier type 1 et de quatre couches d'un second 35 type 2. Les couches du premier type 1 et les couches du seconde type 2 3066952 8 sont superposées en alternance et en contact direct les unes avec les autres. Les couches du matériau polycristallin 5 sont disposées sur la couche de séparation 7 ; la couche de séparation 7 est elle-même sur le côté supérieur du substrat 6. La taille des cristaux d'une seule couche 5 du premier type 1 augmente dans une direction préférentielle. A la fi- gure 4 la direction préférentielle est orientée perpendiculairement vers le haut à partir du substrat 6. Dans une couche du second type 2, la taille des cristaux augmente également dans la même direction préférentielle. Malgré l'augmentation de la taille respective des cristaux dans 10 la direction préférentielle des couches du premier type 1 et des couches du second type 2, les couches du premier type 1 ont toujours une taille moyenne des cristaux inférieure à celle des cristaux des couches du second type. Selon ce quatrième mode de réalisation, il est, par exemple, possible que la taille des cristaux d'une couche du premier type 1 aug- 15 mente en continu par rapport à celle de la couche voisine du second type 2 (c'est-à-dire selon une évolution continue de la taille des cristaux). A la figure 4, à titre d'exemple, la couche la plus basse du premier type 1 et la couche la plus basse du second type 2 se rejoignent de façon continue. 20 La figure 5 montre un matériau polycristallin 5 à faibles contraintes mécaniques correspondant à un cinquième mode de réalisation de la présente invention. Le matériau polycristallin 5 se compose de trois couches du premier type 1 et de quatre couches du second type 2. Les couches du premier type 1 et les couches du second type 2 sont su- 25 perposées en alternance et en contact direct les unes avec les autres. La disposition des couches du matériau polycristallin 5 est faite sur la couche de séparation 7. Cette couche de séparation 7 se trouve elle-même sur le côté supérieur du substrat 6. Dans une couche du premier type 1, la taille des cristaux diminue d'abord dans une direction préfé- 30 rentielle pour ensuite croître. A la figure 5, la direction préférentielle est perpendiculaire orientée vers le haut à partir du substrat 6. Dans une couche du second type 2, la taille des cristaux augmente d'abord dans la même direction préférentielle pour diminuer ensuite. Malgré que dans les couches du premier type 1 et les couches du second type 2, la 35 taille des cristaux augmente respectivement dans la direction préféren- 3066952 9 tielle, les couches du premier type 1 ont toujours une taille moyenne de cristaux plus petite que celle des cristaux des couches du second type 2. Selon ce cinquième mode de réalisation, la taille des cristaux entre (toutes) couches voisines du premier type 1 et du second type 2 évolue 5 de façon continue. Ainsi, on peut, par exemple, réaliser un matériau polycristallin qui présente, dans une direction préférentielle (par exemple la direction perpendiculaire à la surface d'extension de la couche) sur toute son extension, une évolution continue de la taille des cristaux. 10 REVENDICATIONS1°) Matériau polycristallin (5) à faible contrainte mécanique, le matériau polycristallin (5) ayant une ou plusieurs couches d'un premier type (1) et une ou plusieurs couches d'un second type (2), les couches du premier type (1) et les couches du second type (2) ayant chacune au moins un composant de matériau polycristallin, matériau polycristallin caractérisé en ce que les couches du premier type (1) ont une taille moyenne de grain de cristal inférieure à celle des couches du second type (2), une couche du premier type (1) et une couche du second type (2), en alternance, se chevauchant au moins partiellement. 2°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches respectivement voisines du premier type (1) et du second type (2) sont au moins partiellement en contact direct. 3°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille des grains de cristal à la limite entre au moins une couche du premier type (1) et une couche du second type (2) voisine de la couche du premier type (1) varie en continu ou de manière discontinue, en particulier, la taille des grains de cristal à la limite entre toutes les couches du premier type (1) et les couches respectivement voisines du second type (2) varient en continu ou de manière discontinue. 4°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' à l'intérieur des couches du premier type (1), la taille des grains de cristal diminue ou augmente dans une direction préférentielle et elle aug- mente d'abord et diminue ensuite, 3066952 12 et en particulier, dans les couches du second type (2), la taille des grains de cristal diminue ou augmente dans une direction préférentielle, ou diminue d'abord puis augmente. 5 5°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches du premier type (1) et les couches du second type (2) sont chaque fois des couches fermées. 10 6°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant de matériau polycristallin est du silicium polycristallin. 15 7°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polycristallin (5) est sur un substrat (6), notamment une 20 plaquette ou une puce de préférence sur une couche de séparation (7) du substrat (6). 8°) Matériau polycristallin (5) à contrainte mécanique réduite selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le matériau polycristallin (5) a un grand nombre de couches du premier type (1) et un grand nombre de couches du second type (2), et en particulier chaque fois une couche du premier type (1) et une couche du second type (2) sont superposées en alternance. 30 9°) Procédé d'obtention d'un matériau polycristallin (5) à faible contrainte mécanique, selon lequel on utilise au moins un moyen pour déposer et/ou pour faire croître les couches du premier type (1) et les couches du second 35 type (2), 3066952 13 le matériau polycristallin (5) ayant une ou plusieurs couches du premier type (1) et une ou plusieurs couches du second type (2), les couches du premier type (1) et les couches du second type (2) ayant respectivement au moins un composant de matériau 5 polycristallin, procédé caractérisé en ce que les couches du premier type (1) ont une taille moyenne de grains de cristal plus petite que les couches du second type (2), dans l'alternance d'une couche du premier type (1) et d'une couche 10 du second type (2), les couches se chevauchent au moins partiel- lement. 10°) Procédé pour générer un matériau polycristallin (5) selon la revendication 9, 15 caractérisé en ce que le moyen pour déposer et/ou pour développer comporte au moins une chambre, - le dépôt et/ou la croissance des couches du premier type (1) et les couches du second type (2) se faisant dans la chambre, 20 au moins un gaz de départ étant utilisé pour faire croître et/ou dé- poser des couches du premier type (1) et/ou des couches du second type (2), le moyen de dépôt et/ou de croissance comprend notamment une installation de croissance épitaxiale. 25 11°) Procédé pour générer un matériau polycristallin (5) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que pendant le dépôt et/ou pendant la croissance des couches du premier 30 type (1) on applique une autre température à la chambre que pendant le dépôt et/ou la croissance des couches du second type (2). 12°) Procédé pour générer un matériau polycristallin (5) selon l'une des revendications 9 à 11, 35 caractérisé en ce que 3066952 14 pour le dépôt et/ou la croissance des couches du premier type (1) on utilise un autre gaz de départ que pour le dépôt et/ou la croissance des couches du second type (2). 5