FR3155632A1 - process for manufacturing a composite structure including a gradation step - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite comprenant une couche mince en carbure de silicium monocristallin disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, le procédé comprenant les étapes suivantes : 1) la fourniture d’au moins un substrat donneur en carbure de silicium monocristallin, ayant une face avant et une face arrière, la face avant présentant potentiellement des défauts, dits défauts primaires ; 2) le contrôle de la qualité du – au moins un – substrat donneur par une technique d’imagerie par photoluminescence de manière à extraire une cartographie de la face avant, dite première cartographie, répertoriant les défauts primaires identifiés comme étant de type micro-trou, de type complexe de fautes d’empilement en étoile ou de type défaut ponctuel ; 3) le transfert d’une couche mince, issue d’une couche superficielle du – au moins un – substrat donneur, sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, pour obtenir une structure composite et un substrat donneur résiduel ; 4) l’inspection d’une surface libre de la couche mince de la structure composite par une technique d’inspection de défauts par diffusion d’un faisceau laser ultra-violet, de manière à extraire une cartographie de la surface libre, dite deuxième cartographie, répertoriant des défauts, dits défauts secondaires ; 5) la gradation de la structure composite, incluant une comparaison de la première cartographie et de la deuxième cartographie. Figure à publier avec l’abrégé : Pas de figure The invention relates to a method for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline silicon carbide arranged on a support substrate of polycrystalline silicon carbide, the method comprising the following steps: 1) providing at least one donor substrate of monocrystalline silicon carbide, having a front face and a back face, the front face potentially having defects, called primary defects; 2) controlling the quality of the at least one donor substrate using a photoluminescence imaging technique so as to extract a map of the front face, called the first map, listing the primary defects identified as being of the microhole type, of the star stacking fault complex type, or of the point defect type; 3) transferring a thin layer, originating from a surface layer of the at least one donor substrate, onto a support substrate of polycrystalline silicon carbide, to obtain a composite structure and a residual donor substrate; 4) inspection of a free surface of the thin layer of the composite structure using a defect inspection technique involving the scattering of an ultraviolet laser beam, in order to extract a map of the free surface, called the second map, listing defects, called secondary defects; 5) grading of the composite structure, including a comparison of the first map and the second map. Figure to be published with the abstract: No figure
Description
La présente invention concerne le domaine des matériaux semi-conducteurs, notamment les structures composites comprenant une couche mince (issue d’un substrat donneur en carbure de silicium monocristallin) reportée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin. Elle porte en particulier sur un procédé de fabrication d’une telle structure composite, incluant une étape de gradation basée sur la cartographie de contrôle du substrat donneur et sur la cartographie de contrôle de la couche mince de la structure composite.The present invention relates to the field of semiconductor materials, in particular composite structures comprising a thin layer (from a monocrystalline silicon carbide donor substrate) transferred onto a polycrystalline silicon carbide support substrate. It relates in particular to a method for manufacturing such a composite structure, including a gradation step based on the control mapping of the donor substrate and on the control mapping of the thin layer of the composite structure.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
Le carbure de silicium est un matériau particulièrement intéressant pour la fabrication de dispositifs de puissance, radiofréquences ou encore des dispositifs opérant à très hautes températures.Silicon carbide is a particularly interesting material for the manufacture of power devices, radio frequencies or even devices operating at very high temperatures.
La qualité des substrats en carbure de silicium monocristallin (c-SiC) a fortement progressé au cours des dix dernières années et s’accompagne d’une connaissance et d’une détection de plus en plus fine des différents types de défauts cristallins susceptibles d’être présents dans ce matériau. La norme JEITA (« Japan Electronics and Information Technology Industries Association ») comprend d’ailleurs quatre documents relatifs à la zoologie de défauts sur/dans une couche réalisée par homoépitaxie sur un substrat 4H-SiC (EDR 4712/100) et à des procédures non-destructives d’inspection optique de ces défauts (EDR 4712/200, /300, /400). Il est en particulier indiqué une procédure pour évaluer et référencer les défauts en combinant une inspection optique et une image par photoluminescence.The quality of monocrystalline silicon carbide (c-SiC) substrates has improved significantly over the last ten years, accompanied by increasingly precise knowledge and detection of the different types of crystalline defects likely to be present in this material. The JEITA (“Japan Electronics and Information Technology Industries Association”) standard also includes four documents relating to the zoology of defects on/in a layer produced by homoepitaxy on a 4H-SiC substrate (EDR 4712/100) and to non-destructive procedures for optical inspection of these defects (EDR 4712/200, /300, /400). In particular, a procedure is indicated for evaluating and referencing defects by combining optical inspection and photoluminescence imaging.
Des équipements disponibles dans le commerce, tels que notamment le SICA88 de la société Lasertec, permettent de combiner les techniques de microscopie confocale à prisme de Nomarski en lumière visible et par photoluminescence (comme décrit par [1] T.Kimoto et al., « Fundamentals of Silicon Carbide Technology Growth Characterization Devices and Applications », p.126, ou [2] D. Baierhofer et al, Materials Science in Semiconductor processing 140 (2022) 106414) et sont couramment utilisés pour inspecter les substrats en c-SiC avant ou après épitaxie.Commercially available equipment, such as the SICA88 from Lasertec, allows the combination of visible light and photoluminescence confocal Nomarski prism microscopy techniques (as described by [1] T.Kimoto et al., “Fundamentals of Silicon Carbide Technology Growth Characterization Devices and Applications”, p.126, or [2] D. Baierhofer et al., Materials Science in Semiconductor processing 140 (2022) 106414) and is commonly used to inspect c-SiC substrates before or after epitaxy.
A titre d’exemple, [3] Das et al (« Statistical analysis of killer and non-killer defects in SiC and the impact of device performance », Material Science Forum, ISSN 1662-9752, Vol.1004, pp 458-463 (2020) Trans Tech Publications Ltd) propose une analyse statistique des défauts « tueurs » pour des dispositifs élaborés sur une couche homoépitaxiée en c-SiC, et montre des images optiques et par photoluminescence de défauts typiques du c-SiC.As an example, [3] Das et al (“Statistical analysis of killer and non-killer defects in SiC and the impact of device performance”, Material Science Forum, ISSN 1662-9752, Vol.1004, pp 458-463 (2020) Trans Tech Publications Ltd) proposes a statistical analysis of “killer” defects for devices grown on a homoepitaxial c-SiC layer, and shows optical and photoluminescence images of typical c-SiC defects.
Bien qu’en fort développement, les substrats en c-SiC de haute qualité restent chers et difficiles à approvisionner en grande taille. Il est donc avantageux de recourir à des solutions de transfert de couches, pour élaborer des structures composites comprenant une couche mince en SiC monocristallin (issue du substrat donneur en c-SiC de haute qualité) sur un substrat support plus bas coût, par exemple en SiC polycristallin (p-SiC), qui peut présenter en outre des avantages en termes de conductivité électrique. Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart CutTM, basé sur une implantation d’ions légers et sur un assemblage, par collage direct, entre un substrat donneur en c-SiC et un substrat support, au niveau d’une interface de collage. L’implantation crée un plan fragile enterré le long duquel va s’opérer une séparation, menant au transfert d’une couche mince en c-SiC sur le substrat support, pour former la structure composite, et permettant la récupération et le recyclage du reste du substrat donneur pour effectuer potentiellement un ou plusieurs autres transferts de couches. Une épitaxie peut ensuite être effectuée sur la couche mince de la structure composite, suivie de l’élaboration des dispositifs électroniques.Although in strong development, high-quality c-SiC substrates remain expensive and difficult to supply in large sizes. It is therefore advantageous to use layer transfer solutions to develop composite structures comprising a thin monocrystalline SiC layer (derived from the high-quality c-SiC donor substrate) on a lower-cost support substrate, for example polycrystalline SiC (p-SiC), which can also offer advantages in terms of electrical conductivity. A well-known thin-film transfer solution is the Smart Cut TM process, based on light ion implantation and direct bonding between a c-SiC donor substrate and a support substrate, at a bonding interface. The implantation creates a buried fragile plane along which a separation will take place, leading to the transfer of a thin c-SiC layer onto the support substrate, to form the composite structure, and allowing the recovery and recycling of the rest of the donor substrate to potentially perform one or more other layer transfers. Epitaxy can then be performed on the thin layer of the composite structure, followed by the development of the electronic devices.
Pour que la mise en œuvre d’un procédé de transfert de couche soit économiquement viable, il est important de savoir contrôler la qualité des substrats donneurs, de manière à éviter de procéder au report d’une couche qui mènerait inévitablement à un déclassement de la structure composite, ou qui donnerait lieu à une couche épitaxiale hors spécification, en termes de défauts « tueurs ». La zoologie de défauts du c-SiC est relativement bien connue, et des études nombreuses (dont quelques-unes sont référencées ci-dessus) tendent à définir le type et la taille des défauts, présents dans une couche épitaxiée en c-SiC, qui seraient tueurs pour les composants ; néanmoins, la demanderesse a observé que les critères de classification des défauts d’un substrat donneur ne sont pas nécessairement les mêmes lorsqu’une épitaxie est effectuée sur ledit substrat et lorsque un transfert de couche mince est effectué à partir dudit substrat.For the implementation of a layer transfer process to be economically viable, it is important to know how to control the quality of the donor substrates, so as to avoid carrying out the transfer of a layer which would inevitably lead to a downgrading of the composite structure, or which would give rise to an epitaxial layer out of specification, in terms of “killer” defects. The zoology of c-SiC defects is relatively well known, and numerous studies (some of which are referenced above) tend to define the type and size of defects, present in an epitaxial layer of c-SiC, which would be killer for the components; nevertheless, the applicant has observed that the criteria for classifying defects in a donor substrate are not necessarily the same when epitaxy is carried out on said substrate and when a thin film transfer is carried out from said substrate.
Il est donc important de détecter, mais surtout de classifier avec précision les défauts cristallins (dits défauts primaires) présents sur les substrats donneurs, pour déclasser ceux, parmi ces substrats donneurs, qui ne permettront pas la fabrication d’une couche mince de qualité requise.It is therefore important to detect, but above all to precisely classify the crystalline defects (called primary defects) present on the donor substrates, in order to downgrade those, among these donor substrates, which will not allow the production of a thin layer of the required quality.
Par ailleurs, la détection et la reconnaissance de défauts (dits défauts secondaires) sur et/ou dans la couche mince (issue d’un substrat donneur) d’une structure composite dont le substrat support est en SiC polycristallin (p-SiC) sont complexes car les grains de p-SiC sont visibles sous ladite couche mince, en particulier avec les équipements combinant microscopie confocale à prisme de Nomarski en lumière visible et imagerie par photoluminescence. Pour autant, un contrôle fiable et efficace (ne nécessitant pas trop de temps d’inspection par structure) de la qualité de la couche mince est requis, pour éviter de poursuivre les étapes d’épitaxie si des défauts secondaires de la couche mince sont susceptibles de générer une densité de défauts tueurs hors spécification dans la couche homoépitaxiée.Furthermore, the detection and recognition of defects (so-called secondary defects) on and/or in the thin layer (from a donor substrate) of a composite structure whose support substrate is made of polycrystalline SiC (p-SiC) are complex because the p-SiC grains are visible under said thin layer, in particular with equipment combining confocal microscopy with Nomarski prism in visible light and photoluminescence imaging. However, reliable and efficient control (not requiring too much inspection time per structure) of the quality of the thin layer is required, to avoid continuing the epitaxy steps if secondary defects in the thin layer are likely to generate an out-of-specification density of killer defects in the homoepitaxial layer.
Dans la perspective d’une utilisation grandissante des techniques de transfert de couches dans la chaine de fabrication des dispositifs électroniques sur c-SiC, il y a donc un fort besoin de définir des étapes de contrôle permettant une inspection fiable et rapide, tant des substrats donneurs, en début de chaine, que des structures composites, en milieu de chaine, de manière à attribuer un grade, aussitôt que possible dans la chaine globale de fabrication, aux substrats donneurs ou structures composites et permettre l’atteinte des spécifications et rendements attendus pour les dispositifs.In view of the growing use of layer transfer techniques in the manufacturing chain of electronic devices on c-SiC, there is therefore a strong need to define control steps allowing reliable and rapid inspection, both of the donor substrates, at the start of the chain, and of the composite structures, in the middle of the chain, in order to assign a grade, as soon as possible in the overall manufacturing chain, to the donor substrates or composite structures and allow the achievement of the specifications and yields expected for the devices.
OBJET DE L’INVENTIONSUBJECT OF THE INVENTION
La présente invention adresse le problème énoncé. L’invention porte sur un procédé de fabrication d’une structure composite comprenant une couche mince en carbure de silicium monocristallin reportée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin. Le procédé de fabrication comprend une étape de gradation originale, fiable et rapide de la structure composite, combinant un contrôle initial du substrat donneur et un contrôle final de ladite structure.The present invention addresses the stated problem. The invention relates to a method for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline silicon carbide transferred onto a support substrate of polycrystalline silicon carbide. The manufacturing method comprises a step of original, reliable and rapid gradation of the composite structure, combining an initial control of the donor substrate and a final control of said structure.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTIONBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite comprenant une couche mince en carbure de silicium monocristallin disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, le procédé comprenant les étapes suivantes :The invention relates to a method for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline silicon carbide arranged on a support substrate of polycrystalline silicon carbide, the method comprising the following steps:
1)la fourniture d’au moins un substrat donneur en carbure de silicium monocristallin, ayant une face avant et une face arrière, la face avant présentant potentiellement des défauts, dits défauts primaires ; 1) providing at least one donor substrate made of monocrystalline silicon carbide, having a front face and a back face, the front face potentially having defects, called primary defects;
2)le contrôle de la qualité du – au moins un – substrat donneur par une technique d’imagerie par photoluminescence de manière à extraire une cartographie de la face avant, dite première cartographie, répertoriant les défauts primaires identifiés comme étant de type micro-trou, de type complexe de fautes d’empilement en étoile ou de type défaut ponctuel ; 2) quality control of the – at least one – donor substrate by a photoluminescence imaging technique so as to extract a map of the front face, called first map, listing the primary defects identified as being of the micro-hole type, of the star stacking fault complex type or of the point defect type;
3)le transfert d’une couche mince, issue d’une couche superficielle du – au moins un – substrat donneur, sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, pour obtenir une structure composite et un substrat donneur résiduel ; 3) the transfer of a thin layer, originating from a surface layer of the – at least one – donor substrate, onto a polycrystalline silicon carbide support substrate, to obtain a composite structure and a residual donor substrate;
4)l’inspection d’une surface libre de la couche mince de la structure composite par une technique d’inspection de défauts par diffusion d’un faisceau laser ultra-violet, de manière à extraire une cartographie de la surface libre, dite deuxième cartographie, répertoriant des défauts, dits défauts secondaires ; 4) inspection of a free surface of the thin layer of the composite structure by a defect inspection technique by scattering an ultraviolet laser beam, so as to extract a map of the free surface, called a second map, listing defects, called secondary defects;
5)la gradation de la structure composite, incluant une comparaison de la première cartographie et de la deuxième cartographie. 5) the gradation of the composite structure, including a comparison of the first mapping and the second mapping.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- l’étape 2) comprend les sous-étapes suivantes :
i) l’inspection d’une face avant du substrat donneur pour détecter les défauts primaires, du fait de variations locales d’intensité d’un signal de photoluminescence émis par la face avant suite à une excitation par un faisceau incident, et pour former, pour chaque défaut primaire, une image par photoluminescence,
ii) l’attribution à chaque défaut primaire détecté d’un type labellisé de défaut avec un certain niveau de similarité, grâce à un algorithme de reconnaissance d’images, entrainé sur différents types de défauts susceptibles d’être présents sur la face avant d’un substrat donneur en carbure de silicium monocristallin, tels que des micro-trous, des complexes de fautes d’empilement en étoile et des défauts ponctuels notamment liés à des inclusions, un niveau de contraste étant associé à l’image par photoluminescence de chaque défaut primaire détecté,
iii) la classification de chaque défaut primaire par application des conditions suivantes :
- si le type labellisé de défaut est micro-trou et si le niveau de similarité est supérieur à un premier niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type micro-trou,
- si le type labellisé de défaut est complexe de fautes d’empilement en étoile et si le niveau de similarité est supérieur à un deuxième niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type complexe de fautes d’empilement en étoile,
- si le type labellisé de défaut est défaut ponctuel, si le niveau de similarité est supérieur à un troisième niveau, et si le niveau de contraste est supérieur à un seuil prédéterminé, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type défaut ponctuel,
- dans les autres cas, le défaut primaire est classé comme défaut non critique. - l’étape d’inspection i) est réalisée avec un faisceau incident de longueur d’onde 313nm et le signal de photoluminescence émis est collecté dans une plage de longueurs d’onde allant de 700nm à 1000nm ;
- le seuil prédéterminé est établi empiriquement pour un type de substrat donneur, sur la base d’une étude de corrélation entre la valeur de contraste de défauts primaires détectés sur une face avant d’un substrat donneur test et la présence de défauts secondaires sur une couche mince, issue du substrat donneur test, reportée sur un substrat support ;
- un substrat donneur présentant une densité de défauts primaires, classés comme défauts critiques quel que soit le type, supérieure à 1 défaut/cm2, voire préférentiellement supérieure à 0,25 défaut/cm2, est déclassé à l’issue de l’étape 2) et n’est pas utilisé pour l’étape 3) ;
- l’étape 5) comprend une réconciliation entre les défauts primaires classés comme défauts critiques et les défauts secondaires, chaque défaut primaire classé comme défaut critique et non associé à un défaut secondaire étant ajouté aux défauts de la deuxième cartographie pour être pris en compte dans une décision de gradation ;
- la décision de gradation correspond à un déclassement de la structure composite si cette dernière comporte :
- une densité de défauts secondaires associés à des défauts primaires critiques et de défauts primaires classés comme défauts critiques ajoutés à la deuxième cartographie, supérieure à 0,25 défauts/cm2, et/ou
- une densité de défauts secondaires uniquement détectés sur la deuxième cartographie, non associés à des défauts primaires critiques, supérieure à 0,2 défauts/cm2; - l’étape 5) comprend une réconciliation entre les défauts primaires classés comme défauts critiques et les défauts secondaires, et l’étape 5) comprend un contrôle complémentaire par une technique couplant microscopie optique en lumière visible et imagerie par photoluminescence, permettant de vérifier si des défauts sont présents dans la couche mince, aux emplacements desdits défauts primaires classés comme défauts critiques ;
- l’étape 3) comprend les sous-étapes suivantes :
3a)l’implantation d’espèces légères dans un substrat donneur, pour former un plan fragile enterré délimitant, avec une face avant du substrat donneur, la couche superficielle à transférer ;
3b)l’assemblage d’un substrat support en carbure de silicium polycristallin avec le substrat donneur implanté à l’étape 3a) ;
3c)la séparation le long du plan fragile enterré pour former une structure composite intermédiaire comprenant la couche superficielle après transfert et le substrat support, d’une part, et le reste du substrat donneur, dit substrat donneur résiduel, d’autre part ;
3d)l’application de traitements thermique(s), mécanique(s) et/ou chimique(s) à une surface libre de la couche superficielle, pour former la structure composite munie de la couche mince en carbure de silicium monocristallin ; - le procédé de fabrication comprend une étape 6) de recyclage du substrat donneur résiduel pour en faire un substrat donneur recyclé, et dans lequel :
- le substrat donneur recyclé est introduit directement à l’étape 3) en tant que substrat donneur, et
- à l’étape 4) suivante, la gradation de la structure composite résultante utilise la première cartographie établie pour le substrat donneur initial dont est issu le substrat donneur recyclé.
- step 2) includes the following sub-steps:
(i) inspecting a front face of the donor substrate to detect primary defects, due to local variations in the intensity of a photoluminescence signal emitted by the front face following excitation by an incident beam, and to form, for each primary defect, a photoluminescence image,
(ii) the attribution to each detected primary defect of a labeled type of defect with a certain level of similarity, using an image recognition algorithm, trained on different types of defects likely to be present on the front face of a monocrystalline silicon carbide donor substrate, such as micro-holes, star stacking fault complexes and point defects in particular linked to inclusions, a contrast level being associated with the photoluminescence image of each detected primary defect,
(iii) the classification of each primary defect by applying the following conditions:
- if the labeled defect type is micro-hole and if the similarity level is higher than a first level, the primary defect is classified as a critical defect of micro-hole type,
- if the labeled defect type is star stacking fault complex and if the similarity level is higher than a second level, the primary defect is classified as a critical defect of star stacking fault complex type,
- if the labeled defect type is point defect, if the similarity level is greater than a third level, and if the contrast level is greater than a predetermined threshold, the primary defect is classified as a critical defect of point defect type,
- in other cases, the primary defect is classified as a non-critical defect. - inspection step i) is carried out with an incident beam of wavelength 313nm and the emitted photoluminescence signal is collected in a wavelength range from 700nm to 1000nm;
- the predetermined threshold is established empirically for a type of donor substrate, on the basis of a correlation study between the contrast value of primary defects detected on a front face of a test donor substrate and the presence of secondary defects on a thin layer, originating from the test donor substrate, transferred to a support substrate;
- a donor substrate having a density of primary defects, classified as critical defects regardless of the type, greater than 1 defect/cm 2 , or even preferably greater than 0.25 defect/cm 2 , is downgraded at the end of step 2) and is not used for step 3);
- step 5) includes a reconciliation between the primary defects classified as critical defects and the secondary defects, each primary defect classified as critical and not associated with a secondary defect being added to the defects of the second mapping to be taken into account in a grading decision;
- the gradation decision corresponds to a downgrading of the composite structure if the latter includes:
- a density of secondary defects associated with critical primary defects and of primary defects classified as critical defects added to the second mapping, greater than 0.25 defects/cm 2 , and/or
- a density of secondary defects only detected on the second mapping, not associated with critical primary defects, greater than 0.2 defects/ cm2 ; - step 5) comprises a reconciliation between the primary defects classified as critical defects and the secondary defects, and step 5) comprises a complementary control by a technique coupling visible light optical microscopy and photoluminescence imaging, making it possible to verify whether defects are present in the thin layer, at the locations of said primary defects classified as critical defects;
- step 3) includes the following sub-steps:
3a) the implantation of light species in a donor substrate, to form a buried fragile plane delimiting, with a front face of the donor substrate, the surface layer to be transferred;
3b) assembling a polycrystalline silicon carbide support substrate with the donor substrate implanted in step 3a);
3c) separation along the buried fragile plane to form an intermediate composite structure comprising the surface layer after transfer and the support substrate, on the one hand, and the remainder of the donor substrate, called residual donor substrate, on the other hand;
3d) the application of thermal, mechanical and/or chemical treatments to a free surface of the surface layer, to form the composite structure provided with the thin layer of monocrystalline silicon carbide; - the manufacturing process comprises a step 6) of recycling the residual donor substrate to make it a recycled donor substrate, and in which:
- the recycled donor substrate is introduced directly into step 3) as a donor substrate, and
- in the next step 4), the gradation of the resulting composite structure uses the first mapping established for the initial donor substrate from which the recycled donor substrate originates.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description of the invention which follows with reference to the appended figures in which:
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite 100 comprenant une couche mince 10 en carbure de silicium monocristallin disposée sur un substrat support 20 en carbure de silicium polycristallin. Il sera bien sûr compris que, même si la description ne mentionne que la fabrication d’une structure composite 100 pour des raisons de lisibilité, le procédé s’applique à la fabrication d’une pluralité de structures composites 100.The invention relates to a method for manufacturing a composite structure 100 comprising a thin layer 10 of monocrystalline silicon carbide arranged on a support substrate 20 of polycrystalline silicon carbide. It will of course be understood that, even if the description only mentions the manufacturing of one composite structure 100 for reasons of readability, the method applies to the manufacturing of a plurality of composite structures 100.
Dans la description à suivre, nous nommerons par convention « défauts primaires » les défauts présents sur et/ou dans un substrat donneur 1 dont est issue la couche mince 10, « défauts secondaires » les défauts présents sur et/ou dans la couche mince d’une structure composite 100, et « défauts tertiaires » les défauts présents sur et/ou dans la couche épitaxiale crue sur la couche mince 10.In the description to follow, we will conventionally call “primary defects” the defects present on and/or in a donor substrate 1 from which the thin layer 10 originates, “secondary defects” the defects present on and/or in the thin layer of a composite structure 100, and “tertiary defects” the defects present on and/or in the raw epitaxial layer on the thin layer 10.
Dans un plan principal (x,y), le substrat donneur 1 et la structure composite 100 se présentent préférentiellement sous la forme de plaquettes circulaires (« wafer » selon la terminologie anglo-saxonne) de diamètre de 100mm, 150mm, 200mm, voire plus. Ils pourraient néanmoins se présenter sous toute autre forme permettant leur traitement ultérieur pour la fabrication de composants. L’épaisseur des substrat et structures s’étend selon l’axe z sur la
Le procédé de fabrication comprend unepremière étape 1)de fourniture d’un substrat donneur 1 en carbure de silicium monocristallin. Le SiC monocristallin peut être de polytype 4H, 6H ou 3C. Le substrat donneur 1 se présente préférentiellement sous la forme d’une plaquette de diamètre identique à ou très proche de celui du substrat support 20 avec lequel il sera ultérieurement assemblé, et d’épaisseur comprise typiquement entre 300 μm et 800 μm. Il présente une face avant 1a et une face arrière 1b (
Même s’il est énoncé à l’étape 1) la fourniture d’un substrat donneur 1, il peut bien sûr être fourni à cette étape une pluralité de substrats donneurs 1, dans un cadre industriel.Even if it is stated in step 1) the provision of a donor substrate 1, it can of course be provided at this step a plurality of donor substrates 1, in an industrial framework.
Ladeuxième étape 2)du procédé comprend le contrôle de la qualité du – au moins un – substrat donneur 1 par une technique d’imagerie par photoluminescence de manière à extraire une cartographie de la face avant 1a, dite première cartographie, répertoriant les défauts primaires identifiés comme étant de type micro-trou, de type complexe de fautes d’empilement en étoile et de type défaut ponctuel (par exemple, défaut lié à une inclusion d’espèce). En effet, la demanderesse a identifié que ces types de défauts pouvaient constituer des défauts critiques qui génèrent des défauts secondaires problématiques dans la couche mince 10 de la structure composite 100.The second step 2) of the method comprises controlling the quality of the – at least one – donor substrate 1 by a photoluminescence imaging technique so as to extract a map of the front face 1a, called the first map, listing the primary defects identified as being of the micro-hole type, of the complex star stacking fault type and of the point defect type (for example, a defect linked to a species inclusion). Indeed, the applicant has identified that these types of defects could constitute critical defects which generate problematic secondary defects in the thin layer 10 of the composite structure 100.
Les défauts primaires d’un substrat donneur 1 sont rendus visibles en imagerie par photoluminescence du fait de variations locales d’intensité d’un signal de photoluminescence (PL) émis par la face avant 1a, à la suite d’une excitation par un faisceau incident. Les variations locales d’intensité du signal PL traduisent des propriétés modifiées du matériau (contraintes, rugosité, planéité...), correspondant au défaut primaire. Ce dernier peut apparaître sur l’image PL générée, sous forme de tache(s) blanche(s) ou noire(s) selon ses caractéristiques.Primary defects of a donor substrate 1 are made visible in photoluminescence imaging due to local variations in the intensity of a photoluminescence (PL) signal emitted by the front face 1a, following excitation by an incident beam. Local variations in the intensity of the PL signal reflect modified properties of the material (stresses, roughness, flatness, etc.), corresponding to the primary defect. The latter can appear on the generated PL image, in the form of white or black spot(s) depending on its characteristics.
Cette étape de contrôle peut être opérée sur un équipement connu, par exemple SICA88 (société Lasertec) ou « Photoluminescence scanner » (société Intego) ou encore « MiPlato SiC » (société EtaMax). Ces équipements utilisent classiquement la combinaison d’une image en microscopie optique en lumière visible et de l’image en photoluminescence du même défaut pour attribuer des critères dimensionnels (taille, surface) et d’intensité (contraste) à partir des signaux du microscope optique et de photoluminescence mesuré ; ils peuvent également attribuer un critère de typologie (classes prédéfinis de défauts) à chacun des défauts primaires, sur la base, par exemple, d’un algorithme d’apprentissage. Les classes prédéfinies correspondent typiquement à des défauts de type micro-trou (« micro-pipe »), complexe de fautes d’empilement en étoile, défaut ponctuel (notamment liés à des inclusions), rayure, particule, etc.This control step can be carried out on known equipment, for example SICA88 (Lasertec company) or “Photoluminescence scanner” (Intego company) or “MiPlato SiC” (EtaMax company). These devices traditionally use the combination of a visible light optical microscopy image and the photoluminescence image of the same defect to assign dimensional (size, surface) and intensity (contrast) criteria from the optical microscope signals and measured photoluminescence; they can also assign a typology criterion (predefined classes of defects) to each of the primary defects, based, for example, on a learning algorithm. The predefined classes typically correspond to defects of the micro-hole type (“micro-pipe”), star stacking fault complex, point defect (particularly linked to inclusions), scratch, particle, etc.
De manière avantageuse, l’étape 2) comprend les trois sous-étapes décrite ci-après :
- L’inspection de la face avant 1a du substrat donneur 1 :
- Inspection of the front face 1a of the donor substrate 1:
Cette étape vise à détecter les défauts primaires, du fait de variations locales d’intensité d’un signal de photoluminescence émis par la face avant 1a suite à une excitation par un faisceau incident, et à former, pour chaque défaut primaire, une image par photoluminescence. Dans un équipement SICA88, qui sera privilégié dans la suite de cette description, le faisceau incident d’excitation présente une longueur d’onde de 313nm et le signal de photoluminescence émis est collecté dans une plage de longueurs d’onde allant de 700nm à 1000nm.
- L’attribution à chaque défaut primaire détecté d’un type labellisé de défaut :
- The assignment to each detected primary defect of a labeled defect type:
Un algorithme de reconnaissance d’images, basé par exemple sur un modèle de type SSD (« Single Shot Detector » selon la terminologie anglosaxonne, en français : détecteur à prise unique) pour la détection d’objets, est alimenté et entrainé sur différents types de défauts susceptibles d’être présents sur la face avant 1a d’un substrat donneur 1 en carbure de silicium monocristallin, tels que des micro-trous, des complexes de fautes d’empilement en étoile et des défauts ponctuels notamment liés à des inclusions (types de défaut labellisés). L’équipement peut ainsi attribuer à chaque défaut primaire détecté un type labellisé de défaut, avec un certain niveau de similarité. Un niveau de contraste est en outre associé à l’image par photoluminescence de chaque défaut primaire détecté.
- La classification de chaque défaut primaire par application des conditions suivantes :
- si le type labellisé de défaut est micro-trou et si le niveau de similarité est supérieur à un premier niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type micro-trou,
- si le type labellisé de défaut est complexe de fautes d’empilement en étoile et si le niveau de similarité est supérieur à un deuxième niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type complexe de fautes d’empilement en étoile,
- si le type labellisé de défaut est défaut ponctuel, si le niveau de similarité est supérieur à un troisième niveau, et si le niveau de contraste est supérieur à un seuil prédéterminé, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type défaut ponctuel,
- dans les autres cas, le défaut primaire est classé comme défaut non critique.
- The classification of each primary defect by application of the following conditions:
- if the labeled defect type is micro-hole and if the similarity level is higher than a first level, the primary defect is classified as a critical defect of micro-hole type,
- if the labeled defect type is star stacking fault complex and the similarity level is higher than a second level, the primary defect is classified as a critical defect of star stacking fault complex type,
- if the labeled defect type is point defect, if the similarity level is greater than a third level, and if the contrast level is greater than a predetermined threshold, the primary defect is classified as a critical defect of point defect type,
- in other cases, the primary defect is classified as a non-critical defect.
Les premier, deuxième et troisième niveaux de similarité peuvent être différents entre eux, car dépendant de la typologie du défaut et du nombre de défauts de chaque type utilisé pour entrainer l’algorithme de reconnaissance d’images.The first, second and third levels of similarity can be different from each other, because they depend on the typology of the defect and the number of defects of each type used to train the image recognition algorithm.
Le seuil prédéterminé de contraste peut être établi empiriquement pour un type de substrat donneur 1 donné (fournisseur, structure cristalline, rugosité de la face avant, technique de fabrication...), sur la base d’une étude de corrélation entre la valeur de contraste de défauts primaires détectés sur une face avant 1a d’un (ou préférentiellement de plusieurs) substrat(s) donneur(s) test(s) et la présence de défauts secondaires sur une (ou préférentiellement une pluralité de) couche(s) mince(s) 10, issue(s) du (ou des) substrat(s) donneur(s) test(s), reportée sur un substrat support 20.The predetermined contrast threshold can be established empirically for a given type of donor substrate 1 (supplier, crystal structure, roughness of the front face, manufacturing technique, etc.), on the basis of a correlation study between the contrast value of primary defects detected on a front face 1a of one (or preferably several) test donor substrate(s) and the presence of secondary defects on one (or preferably a plurality of) thin layer(s) 10, originating from the test donor substrate(s), transferred to a support substrate 20.
Le tableau de la
Les tableaux des figures 2b, 2c et 2d montrent que tous les défauts primaires détectés sur un substrat donneur 1 ne donnent pas lieu à des défauts secondaires dans la couche mince 10 reportée, et qu’il est donc requis de définir des critères pour classifier correctement ces défauts primaires en défauts critiques ou non critiques. En plus du niveau de similarité appliqué à chaque défaut primaire associé à un type labellisé de défaut, le niveau de contraste de l’image en photoluminescence est un critère important, en particulier pour juger de la criticité des défauts ponctuels, car ces défauts peuvent présenter une large gamme de contrastes, de faible à fort. C’est la raison pour laquelle un seuil prédéterminé de contraste est utilisé, pour séparer les défauts critiques des défauts non critiques. Dans l’exemple de la
Pour les défauts de type micro-trou ou complexe de fautes d’empilement en étoile, le niveau de similarité est souvent suffisant car ces défauts ont une signature très spécifique et un contraste associé élevé. L’image par photoluminescence peut également être associée à l’image de ces défauts en microscopie optique, pour améliorer encore leur classification.For microhole or star-shaped stacking fault complexes, the similarity level is often sufficient because these defects have a very specific signature and associated high contrast. The photoluminescence image can also be combined with the optical microscopy image of these defects to further improve their classification.
Rappelons que le contraste sur une image par photoluminescence peut être défini comme la différence normalisée entre une intensité du signal de photoluminescence au niveau du défaut primaire et une intensité environnante dans un champ inférieur ou égal à la taille de champ du microscope. D’autres calculs de la valeur du contraste donneraient des résultats numériques et un seuil de contraste prédéterminé différents, mais avec une signification similaire.Recall that the contrast on a photoluminescence image can be defined as the normalized difference between a photoluminescence signal intensity at the primary defect and a surrounding intensity in a field less than or equal to the microscope field size. Other calculations of the contrast value would give different numerical results and a predetermined contrast threshold, but with a similar meaning.
L’exemple d’une première cartographie est donné sur la
Selon un mode de réalisation avantageux, à l’étape 2) du procédé selon l’invention, un substrat donneur 1 présentant une densité de défauts primaires, classés comme défauts critiques quel que soit le type, supérieure à 1 défaut/cm2, voire supérieure à 0,25 défaut/cm2, est déclassé à l’issue de l’étape 2) et n’est pas utilisé pour l’étape 3) ultérieure.According to an advantageous embodiment, in step 2) of the method according to the invention, a donor substrate 1 having a density of primary defects, classified as critical defects regardless of the type, greater than 1 defect/cm 2 , or even greater than 0.25 defect/cm 2 , is downgraded at the end of step 2) and is not used for the subsequent step 3).
Le procédé de fabrication comprend ensuite unetroisième étape 3)de transfert d’une couche mince 10, issue d’une couche superficielle 10’ du substrat donneur 1, sur un substrat support 20 en carbure de silicium polycristallin, pour obtenir la structure composite 100 et un substrat donneur résiduel 1’ dépourvu de la couche superficielle 10’.The manufacturing method then comprises a third step 3) of transferring a thin layer 10, originating from a surface layer 10' of the donor substrate 1, onto a support substrate 20 made of polycrystalline silicon carbide, to obtain the composite structure 100 and a residual donor substrate 1' devoid of the surface layer 10'.
Avantageusement, la couche superficielle 10’ est transférée par une technique de report de couche mince telle que Smart Cut. Une première sous-étape 3a) comprend l’implantation d’espèces légères dans un substrat donneur 1, pour former un plan fragile enterré 11 délimitant, avec une face avant 1a du substrat donneur 1, la couche superficielle à transférer 10’ (
L’assemblage est fait par collage direct, par adhésion moléculaire, le long d’une interface de collage 40. Optionnellement, une couche intermédiaire peut être formée sur la face avant 1a du substrat donneur 1, avant ou après l’introduction des espèces légères, et en tout état de cause, avant la phase d’assemblage. Cette couche intermédiaire peut être en un matériau diélectrique, semi-conducteur ou métallique (tel que par exemple oxyde de silicium, silicium, carbure de silicium, tungstène, titane, etc). De manière optionnelle, une couche intermédiaire peut également être déposée sur la face 20a à assembler du substrat support 20, préalablement à l’assemblage ; elle peut être choisie de même nature ou de nature différente de la couche intermédiaire évoquée pour le substrat donneur 1. Une couche intermédiaire peut éventuellement être déposée sur l’un et l’autre des deux substrats 1,20 à assembler. L’objectif de la (ou des) couche(s) intermédiaire(s) est essentiellement de favoriser l’énergie de collage (notamment dans la gamme de températures inférieures à 1100°C), du fait de la formation de liaisons covalentes à plus basses températures que dans le cas de deux surfaces SiC assemblées directement ; un autre avantage de cette(ces) couche(s) intermédiaire(s) peut être d’améliorer la conduction électrique verticale de l’interface de collage 40. La (ou les) couche(s) intermédiaire(s) est(sont) destinée(s) à être enterrée(s) dans l’ensemble collé 50 après assemblage, et à terme, dans la structure composite 100.The assembly is made by direct bonding, by molecular adhesion, along a bonding interface 40. Optionally, an intermediate layer can be formed on the front face 1a of the donor substrate 1, before or after the introduction of the light species, and in any case, before the assembly phase. This intermediate layer can be made of a dielectric, semiconductor or metallic material (such as for example silicon oxide, silicon, silicon carbide, tungsten, titanium, etc.). Optionally, an intermediate layer can also be deposited on the face 20a to be assembled of the support substrate 20, prior to the assembly; it can be chosen to be of the same nature or of a different nature from the intermediate layer mentioned for the donor substrate 1. An intermediate layer can optionally be deposited on either of the two substrates 1, 20 to be assembled. The objective of the intermediate layer(s) is essentially to promote the bonding energy (in particular in the temperature range below 1100°C), due to the formation of covalent bonds at lower temperatures than in the case of two SiC surfaces assembled directly; another advantage of this (these) intermediate layer(s) may be to improve the vertical electrical conduction of the bonding interface 40. The intermediate layer(s) is (are) intended to be buried in the bonded assembly 50 after assembly, and ultimately, in the composite structure 100.
Le collage direct par adhésion moléculaire ne nécessite pas une matière adhésive, car des liaisons s’établissent à l’échelle atomique entre les surfaces assemblées. Plusieurs types de collage par adhésion moléculaire existent, qui diffèrent notamment par leurs conditions de température, de pression, d’atmosphère ou de traitements préalables à la mise en contact des surfaces. On peut citer le collage à température ambiante avec ou sans activation préalable par plasma des surfaces à assembler, le collage par diffusion atomique (« Atomic diffusion bonding » ou ADB selon la terminologie anglo-saxonne), le collage avec activation de surface (« Surface-activated bonding » ou SAB), etc.Direct bonding by molecular adhesion does not require an adhesive material, as bonds are established at the atomic level between the assembled surfaces. Several types of molecular adhesion bonding exist, which differ in particular in their temperature, pressure, atmosphere or treatment conditions prior to bringing the surfaces into contact. Examples include room temperature bonding with or without prior plasma activation of the surfaces to be joined, atomic diffusion bonding (ADB), surface-activated bonding (SAB), etc.
Rappelons que l’étape 3b) d’assemblage peut comprendre, préalablement à la mise en contact des faces 1a,20a à assembler, des séquences classiques de nettoyages par voie chimique (par exemple, nettoyage RCA), d’activation de surface (par exemple, par plasma oxygène ou azote) ou autres préparations de surface (telles que le nettoyage par brossage (« scrubbing »)), susceptibles de favoriser la qualité de l’interface de collage 40 (faible défectivité, forte énergie d’adhésion).Let us recall that the assembly step 3b) may comprise, prior to bringing the faces 1a, 20a to be assembled into contact, conventional sequences of cleaning by chemical means (for example, RCA cleaning), surface activation (for example, by oxygen or nitrogen plasma) or other surface preparations (such as cleaning by brushing), capable of promoting the quality of the bonding interface 40 (low defectivity, high adhesion energy).
La sous-étape 3c) suivante correspond à une séparation le long du plan fragile enterré 11 pour former une structure composite intermédiaire 100’ comprenant la couche superficielle 10’ après transfert et le substrat support 20, d’une part, et le reste du substrat donneur 1’, d’autre part (
La sous-étape suivante 3d) comprend l’application de traitements thermique(s), mécanique(s) et/ou chimique(s) à une surface libre 10’a de la couche superficielle 10’, pour former la structure composite 100 munie de la couche mince 10 en carbure de silicium monocristallin présentant une rugosité de surface inférieure ou égale à 0,5nm RMS, voire inférieure ou égale à 0,1nm RMS (scan AFM 10x10μm2ou 20x20μm2) (
A ce stade du procédé, la couche mince 10 de la structure composite 100 présente une épaisseur typiquement comprise entre quelques dizaines de nm et quelques centaines de nm, par exemple, entre 50nm et 800nm. Les types et les niveaux de dopage de la couche mince 10 et du substrat support 20 sont définis en fonction des applications et dispositifs visés.At this stage of the process, the thin layer 10 of the composite structure 100 has a thickness typically between a few tens of nm and a few hundreds of nm, for example, between 50 nm and 800 nm. The types and doping levels of the thin layer 10 and the support substrate 20 are defined according to the intended applications and devices.
Revenant à la description générale du procédé de fabrication selon l’invention, l’étape 3) de transfert de la couche mince 10 sur le substrat support 20 est suivie par unequatrième étape 4)d’inspection de la surface libre 10a de ladite couche mince 10 par une technique d’inspection de défauts basée sur l’imagerie en champ sombre et en champ clair associée au balayage de la surface 10a avec un faisceau laser DUV (pour « deep UV », typiquement avec une longueur d’onde de l’ordre de 200-280nm) ; la faisceau laser est diffusé par les défauts proportionnellement à leur taille, ce qui permet la localisation desdits défauts sur la surface 10a et l’estimation de leur dimension. A titre d’exemple, un équipement tel que KLA SPA2 peut être utilisé. Le faisceau laser DUV pénètre très faiblement dans l’épaisseur de la couche mince 10, il n’est donc pas pollué par la présence des grains de p-SiC du substrat support 20. Cette technique permet de détecter les défauts secondaires présents à la surface de la couche mince 10 et de les associer à des défauts connus de la base de données de l’équipement tels que des trous, bulles, rayures, particules, autres défauts ponctuels ou agglomérés, etc.Returning to the general description of the manufacturing method according to the invention, step 3) of transferring the thin layer 10 onto the support substrate 20 is followed by a fourth step 4) of inspecting the free surface 10a of said thin layer 10 by a defect inspection technique based on dark field and bright field imaging associated with scanning the surface 10a with a DUV laser beam (for “deep UV”, typically with a wavelength of the order of 200-280nm); the laser beam is scattered by the defects proportionally to their size, which allows the location of said defects on the surface 10a and the estimation of their size. As an example, equipment such as KLA SPA2 can be used. The DUV laser beam penetrates very weakly into the thickness of the thin layer 10, it is therefore not polluted by the presence of the p-SiC grains of the support substrate 20. This technique makes it possible to detect the secondary defects present on the surface of the thin layer 10 and to associate them with known defects in the equipment database such as holes, bubbles, scratches, particles, other point or agglomerated defects, etc.
Cette étape d’inspection est largement utilisée dans l’industrie du semiconducteur (en particulier silicium), ce qui en fait une étape compatible avec les standards et exigences de cadence industrielle.This inspection step is widely used in the semiconductor industry (particularly silicon), making it compatible with industrial speed standards and requirements.
Les défauts secondaires peuvent être induits par des défauts primaires (défauts cristallins présents sur le substrat donneur 1 ayant donné lieu à la couche mince 10), par des particules ou autres contaminations de surface qui n’auraient pas été totalement éliminées, avant l’assemblage du substrat donneur 1 et du substrat support 20, ou encore par un problème ponctuel à une étape du procédé de fabrication (rayures, particules déposées, écaillage...). Il peut donc s’agir de défauts d’origine cristalline, ou de défauts liés au transfert tels que des trous (absence locale de couche mince 10), des bulles (défaut à l’interface de collage 40, au niveau duquel la couche mince 10 n’est pas collée et forme une cloque), des particules, des rayures, etc.Secondary defects may be induced by primary defects (crystalline defects present on the donor substrate 1 which gave rise to the thin layer 10), by particles or other surface contaminations which have not been completely eliminated, before the assembly of the donor substrate 1 and the support substrate 20, or by a specific problem at a stage of the manufacturing process (scratches, deposited particles, flaking, etc.). These may therefore be defects of crystalline origin, or defects linked to the transfer such as holes (local absence of thin layer 10), bubbles (defect at the bonding interface 40, at which the thin layer 10 is not bonded and forms a blister), particles, scratches, etc.
A l’issue de l’étape 4), une cartographie de la surface libre 10a, dite deuxième cartographie, peut être extraite, répertoriant les défauts secondaires identifiés. Un exemple d’une deuxième cartographie répertoriant les défauts secondaires détectés sur une structure composite 100 dont la couche mince 10 est issue du substrat donneur 1 (première cartographie) est donné sur la
L’avantage de cette étape 4) d’inspection est qu’elle est rapide et permet donc un contrôle de 100% de structures composites dans une ligne de production. Cependant, elle est susceptible de ne pas repérer des défauts d’origine cristalline présents dans la couche mince, car certains de ces défauts n’induisent pas de diffusion du faisceau laser UV et demeurent invisibles à cette inspection.The advantage of this inspection step 4) is that it is rapid and therefore allows 100% control of composite structures in a production line. However, it is likely not to detect defects of crystalline origin present in the thin layer, because some of these defects do not induce diffusion of the UV laser beam and remain invisible to this inspection.
A contrario, une technique de contrôle couplant microscopie optique en lumière visible et imagerie par photoluminescence peut permettre de détecter ces défauts d’origine cristalline, mais l’inspection pourra être rendue difficile par la présence des grains de p-SiC sous-jacents et surtout requiert un temps bien plus long de traitement par structure, ce qui est impactant dans une ligne de production à grand volume.Conversely, a control technique combining visible light optical microscopy and photoluminescence imaging can make it possible to detect these defects of crystalline origin, but inspection may be made difficult by the presence of underlying p-SiC grains and, above all, requires a much longer processing time per structure, which is impactful in a high-volume production line.
Ainsi, la demanderesse a défini unecinquième étape 5)de gradation de la structure composite 100 fiable et efficace, basée sur l’utilisation de la première cartographie du substrat donneur 1 (étape 2) dont est issue la couche mince 10 de la structure composite 100 en question, et de la deuxième cartographie de ladite structure 100 (étape 4). Cette gradation vise à séparer les structures entrant dans les spécifications visées et les structures déclassées.Thus, the applicant has defined a fifth step 5) of grading the composite structure 100 reliably and efficiently, based on the use of the first mapping of the donor substrate 1 (step 2) from which the thin layer 10 of the composite structure 100 in question is derived, and of the second mapping of said structure 100 (step 4). This grading aims to separate the structures falling within the targeted specifications and the downgraded structures.
La deuxième cartographie est comparée à la première cartographie, en ayant bien sûr pris la précaution d’appliquer un retournement miroir à la première cartographie puisque le substrat donneur 1, collé sur le substrat support 20, a sa face avant 1a (face enterrée de la couche mince 10) retournée. C’est sur la base de cette comparaison qu’est décidée la gradation de la structure composite 100.The second mapping is compared to the first mapping, having of course taken the precaution of applying a mirror reversal to the first mapping since the donor substrate 1, bonded to the support substrate 20, has its front face 1a (buried face of the thin layer 10) reversed. It is on the basis of this comparison that the gradation of the composite structure 100 is decided.
Avantageusement, l’étape 5) comprend une réconciliation entre les défauts primaires classés comme défauts critiques de la première cartographie et les défauts secondaires de la deuxième cartographie. Lorsqu’un défaut primaire classé comme défaut critique ne peut pas être associé à un défaut secondaire, car aucun défaut n’est détecté sur la deuxième cartographie, à l’emplacement dudit défaut primaire, un défaut supplémentaire est ajouté aux défauts de la deuxième cartographie, pour être pris en considération dans la décision de gradation. Les défauts primaires identifiés comme critiques (c’est-à-dire générateurs de défauts dans la couche mince transférée), sont ainsi considérés pour l’évaluation de la qualité des structures composites 100, sans pour autant nécessiter une inspection, complexe et consommatrice de temps en final, sur les structures composites 100.Advantageously, step 5) comprises a reconciliation between the primary defects classified as critical defects of the first mapping and the secondary defects of the second mapping. When a primary defect classified as critical defect cannot be associated with a secondary defect, because no defect is detected on the second mapping, at the location of said primary defect, an additional defect is added to the defects of the second mapping, to be taken into consideration in the grading decision. The primary defects identified as critical (i.e. generating defects in the transferred thin layer), are thus considered for the evaluation of the quality of the composite structures 100, without requiring a complex and time-consuming inspection in the end, on the composite structures 100.
Selon une variante, l’étape 5) comprend une réconciliation entre les défauts primaires classés comme défauts critiques et les défauts secondaires, et si un grand nombre de défauts primaires classés comme défauts critiques ne sont pas, chacun, associés à un défaut secondaire, l’étape 5) comprend un contrôle complémentaire de la structure composite 100 en question, par une technique couplant microscopie confocale en lumière visible et imagerie par photoluminescence, permettant de vérifier si des défauts sont effectivement présents dans la couche mince 10 aux emplacements desdits défauts primaires critiques.According to a variant, step 5) comprises a reconciliation between the primary defects classified as critical defects and the secondary defects, and if a large number of primary defects classified as critical defects are not each associated with a secondary defect, step 5) comprises a complementary control of the composite structure 100 in question, by a technique coupling confocal microscopy in visible light and photoluminescence imaging, making it possible to verify whether defects are actually present in the thin layer 10 at the locations of said critical primary defects.
L’étape de gradation 5) du procédé de fabrication selon l’invention permet de décider de manière fiable et efficace le grade à attribuer aux structures composites 100, en bénéficiant d’un contrôle des substrats donneurs 1 précis et adapté au domaine du transfert de couches, en réalisant un contrôle de qualité rapide et standardisé en final sur toutes les structures composites 100, et en combinant l’enseignement de ces deux contrôles.The grading step 5) of the manufacturing method according to the invention makes it possible to reliably and efficiently decide the grade to be assigned to the composite structures 100, by benefiting from precise control of the donor substrates 1 adapted to the field of layer transfer, by carrying out a rapid and standardized quality control in the end on all the composite structures 100, and by combining the teaching of these two controls.
En particulier, une structure composite 100 peut être déclassée si elle présente :
- une densité de défauts secondaires associés à des défauts primaires critiques et de défauts primaires classés comme défauts critiques ajoutés à la deuxième cartographie, supérieure à 0,25 défauts/cm2, et/ou
- une densité de défauts secondaires uniquement détectés sur la deuxième cartographie (c’est-à-dire non associés à des défauts primaires critiques) supérieure à 0,2 défauts/cm2.
- a density of secondary defects associated with critical primary defects and of primary defects classified as critical defects added to the second mapping, greater than 0.25 defects/cm 2 , and/or
- a density of secondary defects only detected on the second mapping (i.e. not associated with critical primary defects) greater than 0.2 defects/cm 2 .
Dans une étape ultérieure, une croissance par épitaxie de SiC peut être opérée sur la couche mince 10 des structures composites 100 ayant passé positivement l’étape 5) de gradation, afin d’augmenter l’épaisseur de cette dernière et former la couche épitaxiée 150 sur et dans laquelle les dispositifs seront élaborés (
Le procédé de fabrication peut également comprendre une sixième étape 6) de recyclage du substrat donneur résiduel 1’ pour en faire un substrat donneur recyclé. L’étape 6) peut comprendre des traitements mécaniques et/ou chimiques, similaires à ceux appliqués à la structure composite 100, mis en œuvre au niveau de la face avant 1’a du substrat donneur résiduel 1’.The manufacturing method may also comprise a sixth step 6) of recycling the residual donor substrate 1' to make it a recycled donor substrate. Step 6) may comprise mechanical and/or chemical treatments, similar to those applied to the composite structure 100, implemented at the front face 1'a of the residual donor substrate 1'.
Le substrat donneur recyclé est ensuite directement introduit à l’étape 3) en tant que nouveau substrat donneur 1. A l’étape 5), la gradation de la structure composite 100 résultante utilise la première cartographie (étape 2) établie pour le substrat donneur 1 initial dont est issu le substrat donneur recyclé.The recycled donor substrate is then directly introduced in step 3) as a new donor substrate 1. In step 5), the gradation of the resulting composite structure 100 uses the first mapping (step 2) established for the initial donor substrate 1 from which the recycled donor substrate originates.
La première cartographie traduisant la qualité du substrat donneur initial 1 est donc mise à profit pour grader chaque structure composite 100 issue de ce substrat 1, dans son état initial et après une pluralité de recyclages. Bien que ce contrôle soit consommateur de temps, il est industriellement viable car amorti sur un très grand nombre de structure composites 100 fabriquées à partir du substrat donneur 1.The first mapping reflecting the quality of the initial donor substrate 1 is therefore used to grade each composite structure 100 produced from this substrate 1, in its initial state and after a plurality of recyclings. Although this control is time-consuming, it is industrially viable because it is amortized over a very large number of composite structures 100 manufactured from the donor substrate 1.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendicationsOf course, the invention is not limited to the embodiments and examples described, and variant embodiments may be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Claims (10)
1)la fourniture d’au moins un substrat donneur (1) en carbure de silicium monocristallin, ayant une face avant (1a) et une face arrière (1b), la face avant (1a) présentant potentiellement des défauts, dits défauts primaires ;
2)le contrôle de la qualité du – au moins un – substrat donneur (1) par une technique d’imagerie par photoluminescence de manière à extraire une cartographie de la face avant (1a), dite première cartographie, répertoriant les défauts primaires identifiés comme étant de type micro-trou, de type complexe de fautes d’empilement en étoile ou de type défaut ponctuel ;
3)le transfert d’une couche mince (10), issue d’une couche superficielle (10’) du – au moins un – substrat donneur (1), sur un substrat support (20) en carbure de silicium polycristallin, pour obtenir une structure composite (100) et un substrat donneur résiduel (1’) ;
4)l’inspection d’une surface libre (10a) de la couche mince (10) de la structure composite (100) par une technique d’inspection de défauts par diffusion d’un faisceau laser ultra-violet, de manière à extraire une cartographie de la surface libre (10a), dite deuxième cartographie, répertoriant des défauts, dits défauts secondaires ;
5)la gradation de la structure composite (100), incluant une comparaison de la première cartographie et de la deuxième cartographie. Method for manufacturing a composite structure (100) comprising a thin layer (10) of monocrystalline silicon carbide arranged on a support substrate (20) of polycrystalline silicon carbide, the method comprising the following steps:
1) providing at least one donor substrate (1) made of monocrystalline silicon carbide, having a front face (1a) and a rear face (1b), the front face (1a) potentially having defects, called primary defects;
2) quality control of the – at least one – donor substrate (1) by a photoluminescence imaging technique so as to extract a map of the front face (1a), called first map, listing the primary defects identified as being of the micro-hole type, of the complex star stacking fault type or of the point defect type;
3) transferring a thin layer (10), originating from a surface layer (10') of the – at least one – donor substrate (1), onto a support substrate (20) made of polycrystalline silicon carbide, to obtain a composite structure (100) and a residual donor substrate (1');
4) inspecting a free surface (10a) of the thin layer (10) of the composite structure (100) using a defect inspection technique by scattering an ultraviolet laser beam, so as to extract a map of the free surface (10a), called a second map, listing defects, called secondary defects;
5) grading the composite structure (100), including a comparison of the first mapping and the second mapping.
i) l’inspection d’une face avant (1a) du substrat donneur (1) pour détecter les défauts primaires, du fait de variations locales d’intensité d’un signal de photoluminescence émis par la face avant (1a) suite à une excitation par un faisceau incident, et pour former, pour chaque défaut primaire, une image par photoluminescence,
ii) l’attribution à chaque défaut primaire détecté d’un type labellisé de défaut avec un certain niveau de similarité, grâce à un algorithme de reconnaissance d’images, entrainé sur différents types de défauts susceptibles d’être présents sur la face avant (1a) d’un substrat donneur (1) en carbure de silicium monocristallin, tels que des micro-trous, des complexes de fautes d’empilement en étoile et des défauts ponctuels notamment liés à des inclusions, un niveau de contraste étant associé à l’image par photoluminescence de chaque défaut primaire détecté,
iii) la classification de chaque défaut primaire par application des conditions suivantes :
- si le type labellisé de défaut est micro-trou et si le niveau de similarité est supérieur à un premier niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type micro-trou,
- si le type labellisé de défaut est complexe de fautes d’empilement en étoile et si le niveau de similarité est supérieur à un deuxième niveau, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type complexe de fautes d’empilement en étoile,
- si le type labellisé de défaut est défaut ponctuel, si le niveau de similarité est supérieur à un troisième niveau, et si le niveau de contraste est supérieur à un seuil prédéterminé, le défaut primaire est classé comme défaut critique de type défaut ponctuel,
- dans les autres cas, le défaut primaire est classé comme défaut non critique.A method of manufacturing a composite structure (100) according to claim 1, wherein step 2) comprises the following sub-steps:
i) inspecting a front face (1a) of the donor substrate (1) to detect primary defects, due to local variations in the intensity of a photoluminescence signal emitted by the front face (1a) following excitation by an incident beam, and to form, for each primary defect, a photoluminescence image,
ii) the attribution to each detected primary defect of a labeled type of defect with a certain level of similarity, thanks to an image recognition algorithm, trained on different types of defects likely to be present on the front face (1a) of a donor substrate (1) made of monocrystalline silicon carbide, such as micro-holes, star stacking fault complexes and point defects in particular linked to inclusions, a contrast level being associated with the photoluminescence image of each detected primary defect,
(iii) the classification of each primary defect by applying the following conditions:
- if the labeled defect type is micro-hole and if the similarity level is higher than a first level, the primary defect is classified as a critical defect of micro-hole type,
- if the labeled defect type is star stacking fault complex and if the similarity level is higher than a second level, the primary defect is classified as a critical defect of star stacking fault complex type,
- if the labeled defect type is point defect, if the similarity level is greater than a third level, and if the contrast level is greater than a predetermined threshold, the primary defect is classified as a critical defect of point defect type,
- in other cases, the primary defect is classified as a non-critical defect.
- une densité de défauts secondaires associés à des défauts primaires critiques et de défauts primaires classés comme défauts critiques ajoutés à la deuxième cartographie, supérieure à 0,25 défauts/cm2, et/ou
- une densité de défauts secondaires uniquement détectés sur la deuxième cartographie, non associés à des défauts primaires critiques, supérieure à 0,2 défauts/cm2.A method of manufacturing a composite structure (100) according to claim 6, wherein the grading decision corresponds to a downgrading of the composite structure if the latter comprises:
- a density of secondary defects associated with critical primary defects and of primary defects classified as critical defects added to the second mapping, greater than 0.25 defects/cm 2 , and/or
- a density of secondary defects only detected on the second mapping, not associated with critical primary defects, greater than 0.2 defects/cm 2 .
3a)l’implantation d’espèces légères dans un substrat donneur (1), pour former un plan fragile enterré (11) délimitant, avec une face avant (1a) du substrat donneur (1), la couche superficielle (10’) à transférer ;
3b)l’assemblage d’un substrat support (20) en carbure de silicium polycristallin avec le substrat donneur (1) implanté à l’étape 3a) ;
3c)la séparation le long du plan fragile enterré (11) pour former une structure composite intermédiaire (100’) comprenant la couche superficielle (10’) après transfert et le substrat support (20), d’une part, et le reste (1’) du substrat donneur, dit substrat donneur résiduel (1’), d’autre part ;
3d)l’application de traitements thermique(s), mécanique(s) et/ou chimique(s) à une surface libre (10’a) de la couche superficielle (10’), pour former la structure composite (100) munie de la couche mince (10) en carbure de silicium monocristallin.Method for manufacturing a composite structure (100) according to one of the preceding claims, in which step 3) comprises the following sub-steps:
3a) the implantation of light species in a donor substrate (1), to form a buried fragile plane (11) delimiting, with a front face (1a) of the donor substrate (1), the surface layer (10') to be transferred;
3b) assembling a support substrate (20) made of polycrystalline silicon carbide with the donor substrate (1) implanted in step 3a);
3c) separation along the buried fragile plane (11) to form an intermediate composite structure (100') comprising the surface layer (10') after transfer and the support substrate (20), on the one hand, and the remainder (1') of the donor substrate, called residual donor substrate (1'), on the other hand;
3d) the application of thermal, mechanical and/or chemical treatments to a free surface (10'a) of the surface layer (10'), to form the composite structure (100) provided with the thin layer (10) of monocrystalline silicon carbide.
- le substrat donneur recyclé (1’’) est introduit directement à l’étape 3) en tant que substrat donneur (1), et
- à l’étape 4) suivante, la gradation de la structure composite (100) résultante utilise la première cartographie établie pour le substrat donneur (10) initial dont est issu le substrat donneur recyclé (1’’).Method for manufacturing a composite structure according to one of the preceding claims, comprising a step 6) of recycling the residual donor substrate (1') to make it a recycled donor substrate (1''), and in which:
- the recycled donor substrate (1'') is introduced directly into step 3) as donor substrate (1), and
- in the following step 4), the gradation of the resulting composite structure (100) uses the first mapping established for the initial donor substrate (10) from which the recycled donor substrate (1'') originates.
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| T.KIMOTO ET AL., FUNDAMENTALS OF SILICON CARBIDE TECHNOLOGY GROWTH CHARACTE-RIZATION DEVICES AND APPLICATIONS, pages 126 |
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|---|---|
| WO2025108699A1 (en) | 2025-05-30 |
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