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WO2025108869A1 - Support muni d'un miroir de bragg, prévu pour le transfert d'une couche par séparation laser - Google Patents

Support muni d'un miroir de bragg, prévu pour le transfert d'une couche par séparation laser Download PDF

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Publication number
WO2025108869A1
WO2025108869A1 PCT/EP2024/082656 EP2024082656W WO2025108869A1 WO 2025108869 A1 WO2025108869 A1 WO 2025108869A1 EP 2024082656 W EP2024082656 W EP 2024082656W WO 2025108869 A1 WO2025108869 A1 WO 2025108869A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
bragg mirror
support
forming
layers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/082656
Other languages
English (en)
Inventor
Hugo HENCK
Franck Fournel
Gweltaz Gaudin
Karine ABADIE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Soitec SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Soitec SA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of WO2025108869A1 publication Critical patent/WO2025108869A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02002—Preparing wafers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/7806—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices involving the separation of the active layers from a substrate

Definitions

  • the invention relates to a support provided with one or more layers to be transferred and intended to be separated from at least part of the support by laser irradiation at the level of a separation layer included in the support, with a view to manufacturing products in the field of semiconductors.
  • LLO laser lift-off
  • the separation layer is irradiated by laser through the carrier substrate.
  • the separation layer must absorb sufficient light at the laser wavelength to promote separation or degradation (e.g., by locally melting the separation layer or, for example, by causing its dissociation into its elementary component), while the carrier substrate must be essentially transparent at this wavelength.
  • a balance between laser power, laser wavelength, and material selection (for both the separation layer and the carrier substrate) must be found to enable separation while preserving the layer(s) to be transferred from the impact of energy dissipation due to light interaction processes: heat transfer due to absorption in the separation layer or direct absorption by the layer(s) to be transferred.
  • US Patent 11,069,865 B2 describes a method for manufacturing a flexible OLED display panel, in which the display panel is manufactured on a glass plate covered with an organic separating layer that strongly absorbs UV radiation.
  • the display panel is detached from the glass plate by a laser separation operation, in which the separating layer, capable of absorbing ultraviolet radiation, is irradiated through the glass plate by a laser operating in the ultraviolet range, facilitating the separation.
  • US 2020/381674 A1 describes a method of manufacturing a flexible OLED display comprising a laser irradiation step to delaminate a flexible film from a base.
  • Document US 2022/406621 A1 describes a manufacturing method comprising a step of peeling off a layer by laser irradiation of an absorbent layer.
  • the applicant's objective is to improve the absorption rate of laser irradiation by an inorganic thin film with a view to using this thin film as a separation layer in a laser irradiation layer separation operation (laser lift-off).
  • one aspect of the invention is a support provided for separation by laser radiation, comprising a support substrate; a separation layer on the support layer, formed of an inorganic material with a thickness of between 10 nm and 100 nm; and a layer forming a Bragg mirror, the separating layer being interposed between the support substrate and the layer forming the Bragg mirror, the support being configured such that the support substrate is substantially transparent to laser radiation of a certain wavelength, the layer forming the Bragg mirror is substantially reflective with respect to the laser radiation, and the separating layer can absorb a portion of the laser radiation, so that the support can separate into two parts at the separating layer under the action of the laser radiation, wherein the layer (Brg) forming a Bragg mirror is formed from a stack of first layers (L L ) with low refractive indices alternating with second layers (L H ) with high refractive indices, the high refractive indices being higher than the low refractive indices, the layers with low refractive indices
  • the presence of the Bragg mirror behind the separation layer allows the laser irradiation used during a separation operation to be reflected back to the latter, the laser source being located on the support layer side.
  • the overall absorption rate of this irradiation by the separation layer is considerably increased.
  • Increasing the absorption rate of the separation layer is very beneficial, particularly in the case of a thin inorganic layer, because it allows the laser irradiation to separate layers with minimized light intensity, thus reducing potential damage to the layer or layers to be transferred and/or the support substrate.
  • the use of an inorganic separation layer makes it possible to separate extremely thin layers and/or with nanometric lateral precision, all the more easily since the inorganic layer is thin and therefore difficult to absorb a sufficient quantity of light energy to cause separation.
  • Another advantage is that, according to the invention, this optimization can be achieved without resorting to metals traditionally used to form a reflective layer such as copper or aluminum, which are often poorly compatible, or even completely incompatible, with so-called front-end manufacturing processes, where the atoms of these metals behave as impurities with prohibitive consequences on the manufactured semiconductor devices.
  • the number of pairs can be between 2 and 4;
  • the layer forming the Bragg mirror can have a thickness between 2 ⁇ m and 4 ⁇ m and a reflectivity greater than 90%;
  • the layer forming the Bragg mirror can have a thickness of less than 3 ⁇ m and a reflectivity of greater than 90%;
  • the layer forming the Bragg mirror can be designed to reflect laser radiation belonging to the infrared range
  • the support substrate may be formed from monocrystalline silicon
  • the support may further comprise at least one of (i) a first thermal insulation layer interposed between the support substrate and the separation layer and (ii) a second thermal insulation layer interposed between the separation layer and the layer forming the Bragg mirror;
  • thermal insulation layers may be formed from silicon dioxide
  • thermal insulation layers can be formed from silicon dioxide.
  • the invention extends to a structure comprising the support according to the invention as well as a transfer layer on the support, the layer forming a Bragg mirror being interposed between the transfer layer and the separation layer.
  • the structure may further comprise a third thermal insulation layer interposed between the transfer layer and the layer forming the Bragg mirror;
  • thermal insulation layers may be formed from silicon dioxide
  • thermal insulation layers can be formed from silicon dioxide.
  • a first embodiment of the present invention is described by means of Figures 1 and 3 and the associated passages below.
  • Figures 1 and 2 illustrate a structure Strc consisting of a support 100 and a transfer layer Tr, intended to be separated from at least a part of the support 100, which will for example have been able to support it during its manufacture.
  • the transfer layer Tr may for example consist of a layer of semiconductor material such as a layer of monocrystalline silicon bonded to a layer of silicon oxide, or of a layer comprising conventionally manufactured semiconductor components.
  • the support 100 may comprise a support substrate Sprt on which are formed, in this order from the support substrate: a first thermal insulation layer Ins1, a separation layer Sep, a second thermal insulation layer Ins2, a layer Brg forming a Bragg mirror, a third thermal insulation layer Ins3, and the transfer layer Tr.
  • the Sprt support substrate may be formed from bulk monocrystalline silicon, for example a silicon wafer.
  • the first thermal insulation layer Ins1 and the second thermal insulation layer Ins2 may each be formed from a silicon oxide SiO 2 layer with a thickness of between 10 nm and 200 nm.
  • the separation layer may be formed from a layer of an inorganic material such as a layer of titanium nitride TiN with a thickness between 1 nm and 50 nm.
  • the third thermal insulation layer Ins3 can be formed from a layer of silicon oxide SiO 2 with a thickness between 200 nm and 1000 nm.
  • the first, second and third thermal insulation layers may alternatively each be formed of silicon nitride, independently of each other.
  • the Brg layer forming the Bragg mirror can be formed from a stack of first layers L L with low refractive indices n L alternating with second layers L H with high refractive indices n H , the high refractive indices n H being higher than the low refractive indices n L .
  • the materials forming the layers with low refractive indices can be chosen so as to obtain low and high refractive indices of between 1.25 and 4.1, the differences between these indices preferably being less than 2.85.
  • the thicknesses of the alternating layers can be determined according to the following equations 1 and 2:
  • d H and d L represent the thicknesses of the layers with high and low refractive indices
  • ⁇ represents the wavelength of the laser irradiation envisaged for separating the layers.
  • the thicknesses of the layers L L and L H may be between 10 nm and 1 ⁇ m, thicknesses presenting a compromise between a level of uniformity for the thin layers and too great a thickness for the layer forming the Bragg mirror as a whole, preferably with a thickness between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the L L layers with low refractive indices can be made of silicon oxide, and the layers with high refractive indices can be made of a material chosen from polycrystalline silicon, titanium nitride, titanium oxide, silicon nitride. Such materials are easy to deposit and widely used in the field of microelectronics, particularly for so-called "Front-End" processes.
  • the laser irradiation used to carry out the separation is in the infrared range, with a wavelength preferably between 700 nm and 10 ⁇ m, more specifically between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • the irradiation can be carried out by a laser with a wavelength preferably between 50 nm and 17 ⁇ m.
  • the ranges of layer thicknesses and refractive indices, and the nature of the support substrate are naturally interlinked, and dependent on the laser irradiation that is planned to be used. It is indeed necessary to ensure that, for the wavelength of the laser that is planned to be used to carry out the separation, the support substrate is substantially transparent, the Bragg mirror reflective, and the separation layer absorbent.
  • the graph of the comprises 6 curves, each representing the reflectivity, expressed in percents %, of a Bragg mirror as a function of its thickness, expressed in micrometers ⁇ m.
  • the four curves BrRefl-1 to BrRefl-4 correspond to a laser irradiation of wavelength 2 ⁇ m for four Bragg mirrors, whose low refractive index layers are made of silicon dioxide SiO 2 , and whose high refractive index layers are made respectively of silicon nitride Si 3 N 4 , titanium dioxide TiO 2 , titanium nitride TiN and polycrystalline silicon Poly-Si.
  • the two curves BrRefl-5 and BrRefl-6 correspond to a laser irradiation of wavelength 10 ⁇ m for two Bragg mirrors, whose high refractive index layers are made of polycrystalline silicon Poly-Si, and the low refractive index layers are made of silicon nitride Si 3 N 4 and silicon oxide Al 2 O 3 respectively.
  • the reflectivity of the layer is close to 1, at more than 95% reflectivity, for each of the four Bragg mirrors.
  • thicknesses between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m for Bragg mirrors whose high refractive index layers are formed of titanium nitride or polycrystalline silicon For the latter, we even observe reflectivities exceeding 50% for thicknesses of only 0.5 ⁇ m.
  • Bragg mirrors Another way to characterize Bragg mirrors is the number of pairs, each consisting of a high refractive index layer and a low refractive index layer, forming the Bragg mirror in question.
  • numbers of pairs of layers between 2 and 10 are sufficient.
  • first material with a relatively low refractive index being coupled with a second material with a relatively high refractive index.
  • Preliminary calculations indicate an increase in laser irradiation absorption of at least 15% in the TiN separation layer of the structure described above.
  • the local heating caused by laser irradiation can reach 2000°C, and it is necessary to limit the heating of neighboring layers. In particular, it is necessary to avoid degradation of the layer of interest of the process, which is the transfer layer Tr.
  • the thermal insulation layer Ins3 limits the heating of the layer of interest.
  • the thermal insulation layer Ins3 can be the thickest among the three thermal insulation layers.
  • heating the Bragg mirror can significantly modify its refractive indices. This is the case, for example, if a layer of polycrystalline silicon is used, the structure of which can be transformed by recrystallization by excessive heating, causing it to lose its polycrystalline character and therefore radically modifying its refractive index.
  • thermal insulation layers Ins1, Ins2 and Ins3 are each individually optional, their respective uses having to be examined on a case-by-case basis.
  • other materials than silicon oxide can be used, although the use of the latter is extremely convenient, due to its physical characteristics and its high compatibility with semiconductor manufacturing processes.
  • the first embodiment took as an example the situation of a structure suitable for separation by infrared irradiation, with, for this wavelength range, a transparent support substrate, a reflective Bragg mirror, and an absorbent separation layer.
  • a transparent support substrate for this wavelength range
  • a reflective Bragg mirror for this wavelength range
  • an absorbent separation layer for this wavelength range
  • This second embodiment constitutes such a situation: it relates to a structure similar to that of the first embodiment and illustrated by the same figures, but comprising a layer of interest (GaN or other, depending on the intended applications) formed on a sapphire support substrate and comprising a GaN separation layer.
  • the materials and thicknesses considered must be adapted to the wavelength of an irradiation passing through the sapphire, that is to say in the ultraviolet range, with a wavelength between 100 nm and 380 nm.
  • the Brg layer forming a Bragg mirror may consist of alternating SiO 2 layers 40 nm thick and Si 3 N 4 layers 26 nm thick, for a total thickness preferably between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the thermal insulation layer(s) Ins1, Ins2 and Ins3 may each consist of a SiO 2 or Al 2 O 3 layer 50 nm to 100 nm thick.
  • the separation layer Sep may be formed of a GaN layer with a thickness between 10 nm and 100 nm.
  • the support substrate Sprt may consist of a sapphire Al 2 O 3 substrate.
  • the laser irradiation used to carry out the separation is in the ultraviolet range, with a wavelength preferably between 200 nm and 400 nm.
  • Preliminary calculations indicate an increase in laser irradiation absorption in the separation layer of at least 40% in the GaN separation layer of the structure described above.

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Abstract

Support (100) prévu pour une séparation par rayonnement laser, comprenant un substrat support (Sprt); une couche de séparation (Sep) sur la couche support, formée d'un matériau inorganique d'épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm; et une couche (Brg) formant un miroir de Bragg, la couche de séparation (Sep) étant interposée entre le substrat support (Sprt) et la couche (Brg) formant le miroir de Bragg, le support étant configuré de manière telle que le substrat support est sensiblement transparent à un rayonnement laser d'une certaine longueur d'onde, la couche formant le miroir de Bragg est sensiblement réfléchissante vis-à-vis du rayonnement laser, et la couche de séparation (Sep) peut absorber une partie du rayonnement laser, de sorte que le support puisse se séparer en deux parties au niveau de la couche de séparation (Sep) sous l'action du rayonnement laser.

Description

Support muni d’un miroir de Bragg, prévu pour le transfert d’une couche par séparation laser DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L'invention concerne un support muni d’une ou plusieurs couches à transférer et destinées à être séparées d’au moins une partie du support par irradiation laser au niveau d’une couche de séparation inclue dans le support, en vue de la fabrication de produits du domaine des semi-conducteurs.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
Parmi les techniques de transfert de couches minces employées dans l’industrie du semi-conducteur, la séparation par laser (laser lift-off ou LLO selon la terminologie anglaise généralement employée) est apparue comme une méthode efficace pour séparer un film ou un empilement de plusieurs films ou une ou plusieurs couches ultra-minces d'un substrat porteur à l'aide d'une couche, dite couche de séparation, dont la séparation ou la dégradation est déclenchée par laser.
En général, la couche de séparation est irradiée par laser à travers le substrat porteur. La couche de séparation doit absorber une quantité suffisante de lumière à la longueur d'onde du laser afin de favoriser la séparation ou la dégradation (par exemple en faisant fondre localement la couche de séparation ou par exemple en provoquant sa dissociation en composant élémentaire), alors que le substrat porteur doit être essentiellement transparent à cette longueur d'onde. Un équilibre entre la puissance du laser, la longueur d'onde du laser et le choix des matériaux (pour la couche de séparation et le substrat porteur) doit être trouvé afin de permettre la séparation tout en préservant la couche ou les couches à transférer de l'impact de la dissipation d'énergie due aux processus d'interaction avec la lumière : transfert de chaleur dû à l'absorption dans la couche de séparation ou absorption directe par la couche ou les couches à transférer.
Le brevet US 11,069,865 B2 décrit un procédé de fabrication d’un panneau d’affichage OLED flexible, dans lequel le panneau d’affichage est fabriqué sur une plaque de verre recouverte d’une couche de séparation organique absorbant fortement les rayonnements UV. Le panneau d’affichage est détaché de la plaque verre par une opération de séparation par laser, dans laquelle la couche de séparation, capable d’absorber un rayonnement ultraviolet, est irradiée à travers la plaque de verre par un laser opérant dans le domaine ultraviolet, facilitant la séparation.
Le document US 2021/028348 A1 décrit un procédé de séparation d’une structure composite au moyen d’un flux lumineux.
Le document US 2020/381674 A1 décrit un procédé de fabrication d’un écran OLED flexible comprenant une étape d’irradiation laser pour délaminer un film flexible d’une base.
Le document US 2022/406621 A1 décrit un procédé de fabrication comprenant une étape de décollement d’une couche par irradiation laser d’une couche absorbante.
Des développements récents ont montré que des matériaux inorganiques tels que le TiN peuvent servir de couche de séparation dans un processus de séparation par laser en employant un laser ayant une longueur d’onde dans la gamme infrarouge (environ 2000 nm pour le TiN). De même, on sait utiliser une couche de séparation de GaN sur un support de saphir en employant un laser ayant une longueur d’onde dans la gamme ultraviolette. Ces développements ouvrent la voie à la séparation de films ou de couches ultra-minces avec une précision de l'ordre du nanomètre, avec de nombreux développements potentiels tels que l'intégration 2,5D et/ou 3D. Des limites subsistent en raison des taux d'absorption relativement faibles des films inorganiques minces, considérant le fait que la couche de séparation doit aussi être suffisamment fine pour permettre la séparation, c’est-à-dire d’épaisseur de quelques dizaines de nanomètres dans le cas du TiN ou du GaN.
L’objectif du déposant est d’améliorer le taux d’absorption d’une irradiation laser par un film mince inorganique dans l’optique d’utiliser ce film mince comme une couche de séparation dans une opération de séparation de couches par irradiation laser (laser lift-off).
En vue de la réalisation de ce but, un aspect de l’invention est un support prévu pour une séparation par rayonnement laser, comprenant un substrat support ; une couche de séparation sur la couche support, formée d’un matériau inorganique d’épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm ; et une couche formant un miroir de Bragg, la couche de séparation étant interposée entre le substrat support et la couche formant le miroir de Bragg, le support étant configuré de manière telle que le substrat support est sensiblement transparent à un rayonnement laser d’une certaine longueur d’onde, la couche formant le miroir de Bragg est sensiblement réfléchissante vis-à-vis du rayonnement laser, et la couche de séparation peut absorber une partie du rayonnement laser, de sorte que le support puisse se séparer en deux parties au niveau de la couche de séparation sous l’action du rayonnement laser, dans lequel la couche (Brg) formant un miroir de Bragg est formée d’un empilement de premières couches (LL) à bas indices de réfraction en alternance avec des deuxièmes couches (LH) à hauts indices de réfractions, les hauts indices de réfraction étant plus élevés que les bas indices de réfraction, les couches à bas indices de réfraction sont soit (i) constituées d’oxyde de silicium pour des couches à hauts indices de réfraction constituées d’un matériau choisi parmi du silicium polycristallin, du nitrure de titane, de l’oxyde de titane, du nitrure de silicium, et de l’oxyde d’aluminium, soit (ii) constituées de nitrure de silicium ou d’oxyde d’aluminium pour des couches à hauts indices de réfraction constituées de silicium polycristallin, et la couche formant le miroir de Bragg présente une épaisseur comprise entre 0,1 µm et 10 µm ou la couche formant le miroir de Bragg est constituée d’un nombre de paires de couches chacune comprenant l’une des couches à bas indice de réfraction et l’une des couches à haut indice de réfraction, le nombre de paires étant compris entre 2 et 10.
La présence du miroir de Bragg en arrière de la couche de séparation permet de renvoyer vers cette dernière l’irradiation laser employée lors d’une opération de séparation, la source laser étant situé du côté de la couche support. En conséquence, le taux d’absorption global de cette irradiation par la couche de séparation est considérablement augmenté. Augmenter le taux d'absorption de la couche de séparation est très bénéfique, en particulier dans le cas d’une couche inorganique mince, car cela permet à l’irradiation laser de séparer des couches avec une intensité lumineuse minimisée, réduisant ainsi les dommages potentiels à la couche ou les couches à transférer et/ou au substrat support. En outre, l’emploi d’une couche de séparation inorganique permet de séparer des couches extrêmement minces et/ou avec une précision latérale nanométrique, et ce d’autant plus facilement que la couche inorganique est mince et donc absorbant difficilement une quantité d’énergie lumineuse suffisante pour provoquer la séparation.
Un autre avantage est que, selon l’invention, cette optimisation peut être réalisée sans recourir à des métaux traditionnellement utilisés pour former une couche réfléchissante tels que le cuivre ou l’aluminium, qui sont souvent peu compatibles, voire complètement incompatibles, avec des processus de fabrication dits de front-end, où les atomes de ces métaux se comportent comme des impuretés avec des conséquences rédhibitoires sur les dispositifs semi-conducteurs fabriqués.
Selon des caractéristiques additionnelles non-limitatives du support selon l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le nombre de paires peut être compris entre 2 et 4 ;
- la couche formant le miroir de Bragg peut présenter une épaisseur comprise entre 2 µm et 4 µm et une réflectivité supérieure à 90% ;
- la couche formant le miroir de Bragg peut présenter une épaisseur inférieure à 3µm et une réflectivité supérieure à 90% ;
- la couche formant le miroir de Bragg peut être conçue pour réfléchir un rayonnement laser appartenant au domaine de l’infrarouge ;
- le substrat support peut être formé de silicium monocristallin ;
- le support peut comprendre en outre au moins l’une de (i) une première couche d’isolation thermique interposée entre le substrat support et la couche de séparation et (ii) une deuxième couche d’isolation thermique interposée entre la couche de séparation et la couche formant le miroir de Bragg ;
- une ou plusieurs des couches d’isolation thermique peut être formée de dioxyde de silicium  ; et
- toutes les couches d’isolation thermique peuvent être formées de dioxyde de silicium .
L’invention s’étend à une structure comprenant le support selon l’invention ainsi qu’une couche de transfert sur le support, la couche formant un miroir de Bragg étant interposée entre la couche de transfert et la couche de séparation.
La structure selon l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- la structure peut comprendre en outre une troisième couche d’isolation thermique interposée entre la couche de transfert et la couche formant le miroir de Bragg ;
- une ou plusieurs des couches d’isolation thermique peut être formée de dioxyde de silicium ; et
- toutes les couches d’isolation thermique peuvent être formées de dioxyde de silicium.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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 :
La représente une structure selon l’invention ;
La représente la structure selon la revendication en cours de séparation ; et
La est un graphe représentant la réflectivité de miroirs de Bragg.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Premier mode de réalisation
Un premier mode de réalisation de la présente invention est décrit au moyen des figures 1 et 3 et des passages associés ci-dessous.
Les figures 1 et 2 illustrent une structure Strc constituée d’un support 100 et d’une couche de transfert Tr, destinée à être séparée d’au moins une partie du support 100, qui aura par exemple pu la supporter au cours de sa fabrication.
La couche de transfert Tr peut par exemple être constituée d’une couche de matériau semi-conducteur comme une couche de silicium monocristallin accolée à une couche d’oxyde de silicium, ou d’une couche comprenant des composants semi-conducteurs fabriqués de manière conventionnelle.
Dans le mode de réalisation exposé ici, le support 100 peut comprendre un substrat support Sprt sur laquelle sont formés, dans cet ordre depuis le substrat support : une première couche d’isolation thermique Ins1, une couche de séparation Sep, une deuxième couche d’isolation thermique Ins2, une couche Brg formant un miroir de Bragg, une troisième couche Ins3 d’isolation thermique, et la couche de transfert Tr.
Le substrat support Sprt peut être formé de silicium monocristallin massif, par exemple un wafer de silicium.
La première couche d’isolation Ins1 thermique et la deuxième couche d’isolation thermique Ins2 peuvent chacune être formées d’une couche d’oxyde de silicium SiO2 d’épaisseur comprise entre 10 nm et 200 nm.
La couche de séparation peut être formée d’une couche d’un matériau inorganique tel qu’une couche de nitrure de titane TiN d’épaisseur comprise entre 1 nm et 50 nm.
La troisième couche d’isolation thermique Ins3 peut être formée d’une couche d’oxyde de silicium SiO2 d’épaisseur comprise entre 200 nm et 1000 nm.
Les première, deuxième et troisième couche d’isolation thermique peuvent alternativement être chacune formées de nitrure de silicium, indépendamment les unes des autres.
La couche Brg formant le miroir de Bragg peut être formée d’un empilement de premières couches LL à bas indices de réfraction nL en alternance avec des deuxièmes couches LH à hauts indices de réfractions nH, les hauts indices de réfraction nH étant plus élevés que les bas indices de réfraction nL. Les matériaux formant les couches à bas indices de réfraction peuvent être choisis de manière à obtenir des indices de réfraction bas et hauts compris entre 1,25 et 4,1, les différences entre ces indices étant de préférence inférieures à 2,85.
Les épaisseurs des couches en alternances peuvent être déterminées selon les équations 1 et 2 suivantes :
Eq. 1
Eq. 2
dans lesquelles dH et dL représentent les épaisseurs des couches à hauts et bas indices de réfraction, et λ représente la longueur d’onde de l’irradiation laser envisagée pour procéder à la séparation des couches. Les épaisseurs des couches LL et LH peuvent être comprises entre 10 nm et 1 µm, épaisseurs présentant un compromis entre un niveau d’uniformité pour les couches de faibles épaisseurs et une épaisseur trop importante pour la couche formant le miroir de Bragg dans son ensemble, d’épaisseur de préférence comprise entre 1 µm et 10 µm.
Les couches LL à bas indices de réfraction peuvent être constituées d’oxyde de silicium, et les couches à hauts indices de réfraction peuvent être constituées d’un matériau choisis parmi du silicium polycristallin, du nitrure de titane, de l’oxyde de titane, du nitrure de silicium. De tels matériaux sont faciles à déposer et largement utilisés dans le domaine de la microélectronique notamment pour les procédés dits « Front-End ».
Pour une structure telle que décrite ci-dessus, l’irradiation laser employée pour effectuer la séparation se situe dans le domaine de l’infrarouge, avec une longueur d’onde de préférence comprise entre 700 nm et 10 µm, plus spécifiquement entre 1 µm et 5 µm. Pour d’autres structures basées sur d’autres matériaux, l’irradiation peut être réalisée par un laser avec une longueur d’onde de préférence comprise entre 50 nm et 17 µm.
Les gammes des épaisseurs des couches et des indices de réfraction, et la nature du substrat support sont naturellement liées entre elles, et dépendantes de l’irradiation laser qu’il est prévu d’employer. Il convient en effet d’assurer que, pour la longueur d’onde du laser qu’il est prévu d’employer pour opérer la séparation, le substrat support soit sensiblement transparent, le miroir de Bragg réfléchissant, et la couche de séparation absorbante.
La illustre au moyen d’un graphe l’importance et la pertinence du choix des matériaux pour former le miroir de Bragg. Le graphe de la comporte 6 courbes, chacune représentative de la réflectivité, exprimée en pourcents %, d’un miroir de Bragg en fonction de son épaisseur, exprimée en micromètres µm. Les quatre courbes BrRefl-1 à BrRefl-4 correspondent à une irradiation laser de longueur d’onde de 2 µm pour quatre miroirs de Bragg, dont les couches à bas indices de réfraction sont constituées de dioxyde de silicium SiO2, et les couches à hauts indices de réfraction sont constituées respectivement de nitrure de silicium Si3N4, de dioxyde de titane TiO2, de nitrure de titane TiN et de silicium polycristallin Poly-Si. Les deux courbes BrRefl-5 et BrRefl-6 correspondent à une irradiation laser de longueur d’onde de 10 µm pour deux miroirs de Bragg, dont les couches à hauts indices de réfraction sont constituées de silicium polycristallin Poly-Si, et les couches à bas indices de réfraction sont constituées respectivement de nitrure de silicium Si3N4 et d’oxyde de silicium Al2O3.
Pour le cas d’un laser incident présentant une longueur d’onde de 2 µm, la réflectivité croît initialement rapidement avec l’épaisseur du miroir de Bragg, pour atteindre un plateau proche de la réflectivité parfaite de 100%. Nous constatons que pour des épaisseurs comprises entre 4 µm et 10 µm, la réflectivité de la couche est proche de 1, à plus de 95% de réflectivité, pour chacun des quatre miroirs de Bragg, C’est également le cas avec des épaisseurs comprises entre 1 µm et 10 µm pour des miroirs de Bragg dont les couches de hauts indices de réfraction sont formées de nitrure de titane ou de silicium polycristallin. Pour ces dernières, on observe même des réflectivités dépassant les 50% pour des épaisseurs de 0,5 µm seulement.
Une autre manière de caractériser les miroirs de Bragg est le nombre de paires, constituées chacune d’une couche à haut indice de réfraction et d’une couche à bas indice de réfraction, formant le miroir de Bragg considéré. Ainsi, pour obtenir une réflectivité de plus de 90% tout en limitant l’épaisseur et la complexité de fabrication d’un miroir de Bragg, des nombres de paires de couches compris entre 2 et 10 sont suffisants. On pourra même se limiter à des nombres de paires compris entre 2 et 4, ou même égaux à 2 ou 3, pour des paires SiO2/Poly-Si ou SiO2/TiN. Minimiser le nombre de paires amène à maximiser l’écart entre les indices de réfraction haut et bas des deux couches formant la paire considérée.
Pour le cas d’un laser incident présentant une longueur d’onde de 10 µm, des observations similaires peut être fait au cas précédent, avec des réflectivités qui croissent initialement rapidement avec l’épaisseur du miroir de Bragg, pour atteindre un plateau proche de la réflectivité parfaite de 100%. Nous constatons que pour des épaisseurs comprises entre 4 µm et 10 µm, la réflectivité de la couche est proche de 1, à plus de 90% de réflectivité, pour chacun des deux miroirs de Bragg. A noter que la longueur d’onde étant plus longue que dans le premier cas, l’épaisseur du stack croît mécaniquement.
Bien entendu, le choix des matériaux se fait par paire de matériaux, un premier matériau à relativement bas indice de réfraction étant couplé à un second matériau à relativement haut indice de réfraction.
En opération, la séparation est effectuée au niveau de la couche de séparation, celle-ci absorbant une première fois l’énergie de l’irradiation laser incidente, puis une seconde fois à la suite de sa réflexion par la couche formant le miroir de Bragg. Par absorption, la couche de séparation est chauffée localement, provoquant éventuellement sa décomposition (dans le cas d’une couche TiN, le TiN se décompose en diazote gazeux et en Ti liquide) et donc le détachement l’une de l’autre des deux couches l’encadrant. La illustre cette situation, avec la couche Ins2 se détachant de la couche Ins1 à la suite de l’élimination, ou de la dégradation, de la couche de séparation Sep.
Des calculs préliminaires indiquent une augmentation de l'absorption de l’irradiation laser d’au moins 15% dans la couche de séparation en TiN de la structure décrite ci-dessus.
L’échauffement local provoqué par l’irradiation laser peut atteindre les 2000°C, et il convient de limiter l’échauffement des couches voisines. En particulier, il faut éviter la dégradation de la couche d’intérêt du procédé, qui est la couche de transfert Tr. La couche Ins3 d’isolation thermique limite l’échauffement de la couche d’intérêt. Dans ce but, la couche d’isolation thermique Ins3 peut être la plus épaisse parmi les trois couches d’isolation thermique.
Il peut également être intéressant de limiter l’échauffement du substrat support Sprt, en particulier si l’on souhaite le réutiliser. C’est le rôle de la couche Ins1 d’isolation thermique.
Enfin, l’échauffement du miroir de Bragg peut venir modifier significativement ses indices de réfraction. C’est par exemple le cas si une couche de silicium polycristallin est employée, dont la structure peut être transformée par recristallisation par un échauffement excessif, lui faisant perdre son caractère polycristallin et lui modifiant donc radicalement son indice de réfraction.
Il est à noter que les couches d’isolation thermique Ins1, Ins2 et Ins3 sont chacune individuellement optionnelles, leurs utilités respectives devant être examinées au cas par cas. En outre, d’autres matériaux que l’oxyde de silicium peuvent être employés, même si l’emploi de ce dernier est extrêmement commode, du fait de ses caractéristiques physiques et de sa haute compatibilité avec les processus de fabrication du domaine des semi-conducteurs.
Toutes les couches mentionnées dans cette description peuvent être formées au moyen de procédés de dépôts de couches minces, bien connus et maîtrisés dans le domaine des semi-conducteurs.
Second mode de réalisation
Le premier mode de réalisation a pris en exemple la situation d’une structure adaptée à une séparation par une irradiation infrarouge, avec, pour cette gamme de longueurs d’onde, un substrat support transparent, un miroir de Bragg réfléchissant, et une couche de séparation absorbante. Cependant, d’autres situations peuvent être considérées.
Ce second mode de réalisation constitue une telle situation : il porte sur une structure similaire à celle du premier mode de réalisation et illustrée par les mêmes figures, mais comprenant une couche d’intérêt (GaN ou autre, selon les applications visées) formée sur un substrat support en saphir et comportant une couche de séparation en GaN. Dans un tel cas de figure, les matériaux et les épaisseurs considérées devront être adaptés à la longueur d’onde d’une irradiation traversant le saphir, c’est-à-dire du domaine de l’ultraviolet, avec une longueur d’onde comprise entre 100 nm et 380 nm.
Ainsi, la couche Brg formant un miroir de Bragg peut être constituée d’une alternance de couches de SiO2 de 40 nm d’épaisseur et de couches de Si3N4 de 26 nm d’épaisseur, pour une épaisseur totale de préférence comprise entre 1 µm et 10 µm. Le cas échéant, la ou les couches d’isolation thermique Ins1, Ins2 et Ins3 peuvent chacune être constituées d’une couche de SiO2 ou d’Al2O3 de 50 nm à 100 nm d’épaisseur. La couche de séparation Sep peut être formée d’une couche de GaN d’épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm. Le substrat support Sprt peut être constitué d’un substrat de saphir Al2O3.
Dans ce cas de figure, l’irradiation laser employée pour effectuer la séparation se situe dans le domaine de l’ultraviolet, avec une longueur d’onde de préférence comprise entre 200 nm et 400 nm.
Des calculs préliminaires indiquent une augmentation de l'absorption de l’irradiation laser dans la couche de séparation d’au moins 40% dans la couche de séparation en GaN de la structure décrite ci-dessus.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et on peut y apporter des variantes sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims (11)

  1. Support (100) prévu pour une séparation par rayonnement laser, comprenant :
    - un substrat support (Sprt) ;
    - une couche de séparation (Sep) sur la couche support, formée d’un matériau inorganique d’épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm ; et
    - une couche (Brg) formant un miroir de Bragg, la couche de séparation (Sep) étant interposée entre le substrat support (Sprt) et la couche (Brg) formant le miroir de Bragg,
    le support étant configuré de manière telle que :
    - le substrat support est sensiblement transparent à un rayonnement laser d’une certaine longueur d’onde,
    - la couche formant le miroir de Bragg est sensiblement réfléchissante vis-à-vis du rayonnement laser, et
    - la couche de séparation (Sep) peut absorber une partie du rayonnement laser,
    de sorte que le support puisse se séparer en deux parties au niveau de la couche de séparation (Sep) sous l’action du rayonnement laser, dans lequel :
    - la couche (Brg) formant un miroir de Bragg est formée d’un empilement de premières couches (LL) à bas indices de réfraction en alternance avec des deuxièmes couches (LH) à hauts indices de réfractions, les hauts indices de réfraction étant plus élevés que les bas indices de réfraction,
    - les couches à bas indices de réfraction sont soit (i) constituées d’oxyde de silicium pour des couches à hauts indices de réfraction constituées d’un matériau choisi parmi du silicium polycristallin, du nitrure de titane, de l’oxyde de titane, du nitrure de silicium, et de l’oxyde d’aluminium, soit (ii) constituées de nitrure de silicium ou d’oxyde d’aluminium pour des couches à hauts indices de réfraction constituées de silicium polycristallin, et
    - la couche formant le miroir de Bragg présente une épaisseur comprise entre 0,1 µm et 10 µm, ou
    - la couche formant le miroir de Bragg est constituée d’un nombre de paires de couches chacune comprenant l’une des couches à bas indice de réfraction et l’une des couches à haut indice de réfraction, le nombre de paires étant compris entre 2 et 10.
  2. Le support selon la revendication 1, dans lequel le nombre de paires est compris entre 2 et 4.
  3. Le support selon la revendication 2, dans lequel la couche formant le miroir de Bragg présente une épaisseur comprise entre 2 µm et 4 µm et une réflectivité supérieure à 90%.
  4. Le support selon la revendication 2, dans lequel la couche formant le miroir de Bragg présente une épaisseur inférieure à 3µm et une réflectivité supérieure à 90%.
  5. Le support selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche (Brg) formant le miroir de Bragg est conçue pour réfléchir un rayonnement laser appartenant au domaine de l’infrarouge.
  6. Le support selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat support (Sprt) est formé de silicium monocristallin.
  7. Le support selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre au moins l’une de (i) une première couche d’isolation thermique (Ins1) interposée entre le substrat support (Sprt) et la couche de séparation (Sep) et (ii) une deuxième couche d’isolation thermique (Ins2) interposée entre la couche de séparation (Sep) et la couche (Brg) formant le miroir de Bragg.
  8. Structure (Strc) comprenant le support (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 ainsi qu’une couche de transfert (Tr) sur le support (100), la couche (Brg) formant un miroir de Bragg étant interposée entre la couche de transfert (Tr) et la couche de séparation (Sep).
  9. La structure selon la revendication 8, comprenant en outre une troisième couche (Ins3) d’isolation thermique interposée entre la couche de transfert et la couche formant le miroir de Bragg.
  10. Le support selon la revendication 7 ou la structure selon la revendication 9, une ou plusieurs des couches d’isolation thermique étant formée de dioxyde de silicium.
  11. Le support selon la revendication 7 dans lequel les deux couches d’isolation thermique (Ins1, Ins2) sont formées de dioxyde de silicium ou la structure selon la revendication 12 dans laquelle les trois couches d’isolation thermique (Ins1, Ins2, Ins3) sont formées de dioxyde de silicium.
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