PROCEDE DE FABRICATION D’UN SUBSTRAT EN CARBURE DE SILICIUM METHOD FOR MANUFACTURING A SILICON CARBIDE SUBSTRATE
DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne de façon générale le domaine des substrats en carbure de silicium pour la formation de composants électroniques. Elle propose plus particulièrement un procédé de fabrication d’un substrat comprenant une couche de carbure de silicium polycristallin et une couche de carbure de silicium monocristallin.The present invention relates generally to the field of silicon carbide substrates for the formation of electronic components. More particularly, it provides a method of manufacturing a substrate comprising a layer of polycrystalline silicon carbide and a layer of monocrystalline silicon carbide.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
Le carbure de silicium monocristallin (m-SiC) est utilisé pour la formation de composants électroniques, par exemple pour les applications en électronique de puissance ou radiofréquences.Monocrystalline silicon carbide (m-SiC) is used for the formation of electronic components, for example for power electronics or radio frequency applications.
La préparation du m-SiC est complexe et coûteuse. Pour cette raison, au lieu d’utiliser un substrat massif de m-SiC, on utilise couramment un substrat de carbure de silicium polycristallin (p-SiC) comportant à sa surface une couche de m-SiC dans laquelle les composants électroniques sont formés. De tels substrats sont typiquement fabriqués par un procédé du type Smart Cut™, dans lequel une couche de m-SiC est transférée sur un substrat support en p-SiC à partir d’un substrat donneur.The preparation of m-SiC is complex and expensive. For this reason, instead of using a bulk m-SiC substrate, a polycrystalline silicon carbide (p-SiC) substrate is commonly used, having on its surface a layer of m-SiC in which the electronic components are formed. Such substrates are typically manufactured by a Smart Cut™ process, in which a layer of m-SiC is transferred onto a p-SiC carrier substrate from a donor substrate.
Afin d’assurer un bon contact mécanique et électrique entre le substrat support et la couche de m-SiC, le substrat support doit présenter une qualité cristalline homogène et une surface très lisse. Un tel procédé du type Smart Cut™ nécessite donc une préparation soigneuse du substrat support en p-SiC. Cette préparation comprend le dépôt d’une couche épaisse de p-SiC sur un substrat temporaire, suivi par le retrait du substrat temporaire. On retire ensuite une épaisseur importante de la couche de p-SiC afin de conserver uniquement une portion fine présentant une qualité cristalline adaptée pour le dépôt d’une couche de m-SiC. Ainsi, la couche épaisse de p-SiC présente typiquement une épaisseur initiale comprise entre 900 et 3000 pm. Après le retrait de la portion de qualité cristalline inférieure, on conserve typiquement une épaisseur d’environ 350 pm qui présente une qualité cristalline adaptée pour recevoir une couche de m-SiC. Ce procédé implique donc une consommation importante de p-SiC qui est éliminé avant le dépôt de la couche de m-SiC et n’est donc pas utilisé dans le substrat à fabriquer.In order to ensure good mechanical and electrical contact between the support substrate and the m-SiC layer, the support substrate must have a homogeneous crystalline quality and a very smooth surface. Such a Smart Cut™ type process therefore requires careful preparation of the p-SiC support substrate. This preparation involves depositing a thick layer of p-SiC on a temporary substrate, followed by removal of the temporary substrate. A significant thickness of the p-SiC layer is then removed in order to retain only a thin portion having a crystalline quality suitable for depositing an m-SiC layer. Thus, the thick p-SiC layer typically has an initial thickness of between 900 and 3000 μm. After removal of the portion of lower crystalline quality, a thickness of approximately 350 μm is typically retained, which has a crystalline quality suitable for receiving an m-SiC layer. This process therefore involves a significant consumption of p-SiC which is eliminated before the deposition of the m-SiC layer and is therefore not used in the substrate to be manufactured.
La préparation pour le procédé du type Smart Cut™ comprend en outre des étapes laborieuses de préparation de la surface du p-SiC pour obtenir une surface très lisse. Une telle préparation est nécessaire pour le dépôt de la couche de m-SiC afin d’obtenir un bon contact mécanique et électrique à l’interface entre le substrat support en p-SiC et la couche de m-SiC. Ces étapes de préparation comprennent typiquement des traitements tel que des polissages mécaniques et chimiques. Cependant, ces traitements sont difficiles à réaliser sur du carbure de silicium et nécessitent un temps considérable en raison de sa dureté élevée. Les joints de grains présents dans le matériau polycristallin rendent le lissage de la surface encore plus difficile. En outre, le traitement mécanique implique un risque de casse, rendant le substrat inutilisable.Preparation for the Smart Cut™ type process further includes laborious steps of preparing the p-SiC surface to obtain a very smooth surface. A Such preparation is necessary for the deposition of the m-SiC layer in order to obtain good mechanical and electrical contact at the interface between the p-SiC support substrate and the m-SiC layer. These preparation steps typically include treatments such as mechanical and chemical polishing. However, these treatments are difficult to perform on silicon carbide and require considerable time due to its high hardness. The grain boundaries present in the polycrystalline material make smoothing the surface even more difficult. In addition, mechanical treatment involves a risk of breakage, rendering the substrate unusable.
EXPOSE DE L'INVENTIONPRESENTATION OF THE INVENTION
Un but de l’invention est de concevoir un procédé de fabrication d’un substrat comprenant une couche de carbure de silicium polycristallin et une couche de carbure de silicium monocristallin, ce procédé permettant de s’affranchir des étapes de préparation d’un substrat support en carbure de silicium polycristallin décrites ci-dessus.One aim of the invention is to design a method for manufacturing a substrate comprising a layer of polycrystalline silicon carbide and a layer of monocrystalline silicon carbide, this method making it possible to avoid the steps of preparing a support substrate in polycrystalline silicon carbide described above.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un substrat d’un substrat comprenant une couche de carbure de silicium polycristallin et une couche de carbure de silicium monocristallin en contact direct avec la couche de carbure de silicium polycristallin, ledit procédé comprenant successivement les étapes suivantes :For this purpose, the invention proposes a method for manufacturing a substrate comprising a layer of polycrystalline silicon carbide and a layer of monocrystalline silicon carbide in direct contact with the layer of polycrystalline silicon carbide, said method successively comprising the following steps:
• le transfert d’une première couche de carbure de silicium monocristallin sur une face avant d’un substrat support temporaire en graphite,• the transfer of a first layer of monocrystalline silicon carbide onto a front face of a temporary graphite support substrate,
• un dépôt de carbure de silicium polycristallin sur la première couche de carbure de silicium monocristallin pour former la couche de carbure de silicium polycristallin,• a deposit of polycrystalline silicon carbide on the first layer of monocrystalline silicon carbide to form the layer of polycrystalline silicon carbide,
• le retrait du substrat support temporaire en graphite.• removal of the temporary graphite support substrate.
Un tel substrat support temporaire en graphite est particulièrement adapté en raison de son coefficient de dilatation thermique qui est proche de celui du carbure de silicium monocristallin. Ainsi, les contraintes mécaniques se produisant lors du refroidissement après les étapes de dépôt sont minimisées. L’utilisation d’un tel substrat support temporaire prévient ainsi la rupture du substrat lors de cette étape.Such a temporary graphite support substrate is particularly suitable because its coefficient of thermal expansion is close to that of monocrystalline silicon carbide. Thus, the mechanical stresses occurring during cooling after the deposition steps are minimized. The use of such a temporary support substrate thus prevents the substrate from breaking during this step.
Par « successivement », on entend dans le présent texte que les étapes sont réalisées dans l’ordre dans lequel elles sont indiquées, sans exclure la mise en œuvre d'une ou plusieurs étapes intermédiaires. Des telles étapes intermédiaires peuvent par exemple concerner la préparation de la surface de la couche de SiC monocristallin transférée avant le dépôt de la couche de SiC polycristallin. Avantageusement, le procédé comprend en outre, avant le dépôt de carbure de silicium polycristallin, le transfert d’une seconde couche de carbure de silicium monocristallin sur une face arrière du substrat support temporaire, le dépôt de carbure de silicium polycristallin comprenant la formation d’une seconde couche de carbure de silicium polycristallin sur la seconde couche de carbure de silicium monocristallin.By "successively" is meant in this text that the steps are carried out in the order in which they are indicated, without excluding the implementation of one or more intermediate steps. Such intermediate steps may for example concern the preparation of the surface of the transferred monocrystalline SiC layer before the deposition of the polycrystalline SiC layer. Advantageously, the method further comprises, before the deposition of polycrystalline silicon carbide, the transfer of a second layer of monocrystalline silicon carbide onto a rear face of the temporary support substrate, the deposition of polycrystalline silicon carbide comprising the formation of a second layer of polycrystalline silicon carbide on the second layer of monocrystalline silicon carbide.
L’utilisation du substrat support temporaire sur ses deux faces libres permet d’augmenter le rendement du procédé.The use of the temporary support substrate on its two free faces makes it possible to increase the efficiency of the process.
Le procédé peut comprendre l’application d’une couche de collage entre chaque couche de carbure de silicium monocristallin et le substrat support temporaire.The method may include applying a bonding layer between each layer of monocrystalline silicon carbide and the temporary support substrate.
De préférence, le transfert de chaque couche de carbure de silicium monocristallin sur le substrat support temporaire comprend les étapes suivantes :Preferably, the transfer of each layer of monocrystalline silicon carbide onto the temporary support substrate comprises the following steps:
• la formation d’une zone de fragilisation par implantation d’espèces atomiques dans un substrat donneur en carbure de silicium monocristallin,• the formation of a weakening zone by implantation of atomic species in a donor substrate made of monocrystalline silicon carbide,
• le collage dudit substrat donneur sur une face libre du substrat support temporaire,• bonding said donor substrate to a free face of the temporary support substrate,
• le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer une couche de carbure de silicium monocristallin sur le substrat support temporaire.• detaching the donor substrate along the weakening zone so as to transfer a layer of monocrystalline silicon carbide onto the temporary support substrate.
De manière avantageuse, le dépôt de chaque couche de carbure de silicium polycristallin est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur. Le dépôt chimique en phase vapeur permet d’assurer un très bon contact électrique et mécanique entre la couche de p-SiC et la couche de m-SiC.Advantageously, the deposition of each layer of polycrystalline silicon carbide is carried out by chemical vapor deposition. Chemical vapor deposition ensures very good electrical and mechanical contact between the p-SiC layer and the m-SiC layer.
Avantageusement, le procédé comprend en outre un traitement thermique après le dépôt d’une couche de carbure de silicium polycristallin à une température supérieure à la température de dépôt. De préférence, le traitement thermique est réalisé à une température supérieure ou égale à 1700°C.Advantageously, the method further comprises a heat treatment after the deposition of a layer of polycrystalline silicon carbide at a temperature higher than the deposition temperature. Preferably, the heat treatment is carried out at a temperature greater than or equal to 1700°C.
Le retrait du substrat support temporaire peut comprendre une combustion du graphite sous un flux d’oxygène à une température comprise entre 800°C et 900°C. Dans certains modes de réalisation, le retrait du substrat support temporaire comprend une attaque chimique ou gravure au plasma d’oxygène. Le retrait du substrat support temporaire peut comprendre une étape de meulage.Removing the temporary support substrate may include burning the graphite under an oxygen flow at a temperature between 800°C and 900°C. In some embodiments, removing the temporary support substrate includes chemical etching or oxygen plasma etching. Removing the temporary support substrate may include a grinding step.
Avantageusement, l’épaisseur du substrat support temporaire est comprise entre 1 et 15 mm. L’épaisseur de la première couche de carbure de silicium monocristallin peut être comprise entre 400 nm et 5 pm, préférablement entre 400 nm et 2 pm et plus préférablement entre 400 nm et 1 pm. De manière avantageuse, l’épaisseur de la première couche de carbure de silicium polycristallin est comprise entre 100 pm et 2 mm.Advantageously, the thickness of the temporary support substrate is between 1 and 15 mm. The thickness of the first layer of monocrystalline silicon carbide can be between 400 nm and 5 pm, preferably between 400 nm and 2 pm and more preferably between 400 nm and 1 pm. Advantageously, the thickness of the first layer of polycrystalline silicon carbide is between 100 pm and 2 mm.
Dans certains modes de réalisation, la face avant du support temporaire en graphite présente une première taille, et la première couche de carbure de silicium monocristallin présente une seconde taille inférieure ou égale à la moitié de la première taille, de sorte que ladite première couche forme un premier pavé, le procédé comprenant en outre le transfert d’au moins un second pavé de carbure de silicium monocristallin sur la face avant du substrat support temporaire de sorte que les premiers et seconds pavés soient agencés côte à côte sur la face avant du substrat support temporaire, le dépôt de la couche de carbure de silicium polycristallin comprenant la formation d’une couche respective de carbure de silicium polycristallin sur chaque pavé.In some embodiments, the front face of the temporary graphite support has a first size, and the first layer of monocrystalline silicon carbide has a second size less than or equal to half the first size, such that said first layer forms a first tile, the method further comprising transferring at least one second tile of monocrystalline silicon carbide to the front face of the temporary support substrate such that the first and second tiles are arranged side by side on the front face of the temporary support substrate, the deposition of the layer of polycrystalline silicon carbide comprising forming a respective layer of polycrystalline silicon carbide on each tile.
L’invention se rapporte également à un substrat intermédiaire comprenant :The invention also relates to an intermediate substrate comprising:
• un substrat support temporaire en graphite,• a temporary graphite support substrate,
• une première couche en carbure de silicium monocristallin agencée sur une face avant du substrat support temporaire, et• a first layer of monocrystalline silicon carbide arranged on a front face of the temporary support substrate, and
• une première couche de carbure de silicium polycristallin agencée en contact direct avec la première couche de carbure de silicium monocristallin.• a first layer of polycrystalline silicon carbide arranged in direct contact with the first layer of monocrystalline silicon carbide.
De manière avantageuse, la couche de carbure de silicium monocristallin présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 5 pm, préférablement entre 400 nm et 2 pm et plus préférablement entre 400 nm et 1 pm, et la couche de carbure de silicium polycristallin présente une épaisseur comprise entre 100 pm et 2 mm.Advantageously, the monocrystalline silicon carbide layer has a thickness of between 400 nm and 5 pm, preferably between 400 nm and 2 pm and more preferably between 400 nm and 1 pm, and the polycrystalline silicon carbide layer has a thickness of between 100 pm and 2 mm.
De préférence, la face avant du substrat support temporaire en graphite présente une première taille, et la première couche de carbure de silicium monocristallin présente une seconde taille inférieure ou égale à la moitié de la première taille de sorte que ladite première couche forme un premier pavé, le substrat intermédiaire comprenant en outre au moins un second pavé de carbure de silicium monocristallin, de sorte que les premiers et seconds pavés soient agencées côte à côte sur la face avant du substrat support temporaire, une couche de carbure de silicium polycristallin étant agencée sur chaque pavé de carbure de silicium monocristallin. BREVE DESCRIPTION DES FIGURESPreferably, the front face of the temporary graphite support substrate has a first size, and the first layer of monocrystalline silicon carbide has a second size less than or equal to half the first size such that said first layer forms a first block, the intermediate substrate further comprising at least one second block of monocrystalline silicon carbide, such that the first and second blocks are arranged side by side on the front face of the temporary support substrate, a layer of polycrystalline silicon carbide being arranged on each block of monocrystalline silicon carbide. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description which follows, with reference to the attached drawings, in which:
La figure 1 illustre la formation d’une zone de fragilisation dans un substrat donneur en m- SiC.Figure 1 illustrates the formation of a weakening zone in a m-SiC donor substrate.
La figure 2 illustre le transfert d’une couche de m-SiC sur un substrat support temporaire.Figure 2 illustrates the transfer of an m-SiC layer onto a temporary support substrate.
La figure 3 est une vue schématique d’un substrat support temporaire comportant une couche de m-SiC.Figure 3 is a schematic view of a temporary support substrate having a layer of m-SiC.
La figure 4 est une vue schématique d’un substrat support temporaire comportant une couche de m-SiC et une couche de p-SiC.Figure 4 is a schematic view of a temporary support substrate having an m-SiC layer and a p-SiC layer.
La figure 5 illustre un substrat comprenant une couche de carbure de silicium polycristallin et une couche de carbure de silicium monocristallin.Figure 5 illustrates a substrate comprising a layer of polycrystalline silicon carbide and a layer of monocrystalline silicon carbide.
La figure 6 est une vue schématique d’un substrat support temporaire comportant deux couches de m-SiC.Figure 6 is a schematic view of a temporary support substrate having two layers of m-SiC.
La figure 7 est une vue schématique d’un substrat support temporaire comportant deux couches de m-SiC et deux couches de p-SiC.Figure 7 is a schematic view of a temporary support substrate having two layers of m-SiC and two layers of p-SiC.
La figure 8 illustre deux substrats obtenus à partir du substrat support temporaire de la figure 7.Figure 8 illustrates two substrates obtained from the temporary support substrate of Figure 7.
La figure 9 illustre un substrat support temporaire comportant plusieurs couches de m-SiC juxtaposées.Figure 9 illustrates a temporary support substrate comprising several juxtaposed m-SiC layers.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATIONDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Dans le procédé selon l’invention, on utilise un substrat support temporaire sur lequel une première couche de carbure de silicium monocristallin (m-SiC) est transférée. Le substrat support temporaire remplit la fonction de support mécanique pour la couche de m-SiC. Du fait de son caractère temporaire, l’interface entre le substrat support temporaire et la couche de m-SiC nécessite uniquement une préparation de base relativement simple. Cette préparation n’implique aucune étape complexe ou critique en termes de nettoyage, d’homogénéité et d’adhérence de la couche sur le substrat.In the method according to the invention, a temporary support substrate is used on which a first layer of monocrystalline silicon carbide (m-SiC) is transferred. The temporary support substrate fulfills the function of mechanical support for the m-SiC layer. Due to its temporary nature, the interface between the temporary support substrate and the m-SiC layer requires only a relatively simple basic preparation. This preparation does not involve any complex or critical steps in terms of cleaning, homogeneity and adhesion of the layer to the substrate.
On dépose par la suite une couche de carbure de silicium polycristallin (p-SiC) sur cette première couche de m-SiC pendant que la première couche est maintenue sur le substrat temporaire. Pendant le dépôt, le substrat support temporaire assure la stabilité mécanique de la couche de m-SiC. Par la suite, le substrat support temporaire est retiré.A layer of polycrystalline silicon carbide (p-SiC) is then deposited on this first layer of m-SiC while the first layer is held on the substrate. temporary. During deposition, the temporary support substrate ensures the mechanical stability of the m-SiC layer. Subsequently, the temporary support substrate is removed.
Les figures 1 à 5 illustrent les étapes d’un procédé selon l’invention. En référence à la figure 1 , comme schématisé par les flèches, on met en œuvre une implantation d’espèces ioniques dans un substrat donneur 200 de m-SiC. Les espèces ioniques sont par exemple de l’hydrogène et/ou de l’hélium. On crée ainsi une zone de fragilisation 21 définissant une couche 20 de m-SiC à transférer.Figures 1 to 5 illustrate the steps of a method according to the invention. With reference to Figure 1, as shown schematically by the arrows, an implantation of ionic species is implemented in a donor substrate 200 of m-SiC. The ionic species are for example hydrogen and/or helium. This creates a weakening zone 21 defining a layer 20 of m-SiC to be transferred.
En référence à la figure 2, on colle le substrat donneur 200 ainsi implanté sur un substrat temporaire 10 de graphite. Le collage peut être réalisé par l’intermédiaire d’une couche adhésive qui est appliquée sur le substrat donneur et/ou sur le substrat support temporaire avant la mise en contact des deux substrats. La couche adhésive est par exemple une couche de silicium, une couche de tungstène, une couche d’un polymère ou une couche d’un oxyde.With reference to FIG. 2, the donor substrate 200 thus implanted is bonded to a temporary graphite substrate 10. The bonding can be carried out by means of an adhesive layer which is applied to the donor substrate and/or to the temporary support substrate before the two substrates are brought into contact. The adhesive layer is for example a silicon layer, a tungsten layer, a polymer layer or an oxide layer.
Typiquement, le substrat support en graphite présente la même dimension de surface que le substrat donneur 200, par exemple un diamètre d’environ 150 mm ou de 200 mm. Ce dimensionnement facilite la manipulation des substrats collés ensemble et permet d’utiliser les équipements disponibles dans la fabrication des substrats semiconducteurs. De manière alternative, le substrat support temporaire peut présenter des dimensions de surface supérieures aux dimensions du substrat donneur 200. Une surface plus large du substrat support temporaire permet d’éviter des effets de bord et notamment des déformations (warping) à proximité des bords du substrat lors de l’étape de collage et des étapes de dépôt décrites ci-dessous. L’épaisseur du substrat support temporaire est typiquement comprise entre 1 et 15 mm pour assurer une stabilité mécanique suffisante pour maintenir la couche de m-SiC pendant le procédé.Typically, the graphite support substrate has the same surface dimension as the donor substrate 200, for example a diameter of about 150 mm or 200 mm. This dimensioning facilitates the handling of the substrates bonded together and allows the use of equipment available in the manufacture of semiconductor substrates. Alternatively, the temporary support substrate may have surface dimensions greater than the dimensions of the donor substrate 200. A larger surface area of the temporary support substrate makes it possible to avoid edge effects and in particular deformations (warping) near the edges of the substrate during the bonding step and the deposition steps described below. The thickness of the temporary support substrate is typically between 1 and 15 mm to ensure sufficient mechanical stability to maintain the m-SiC layer during the process.
En référence à la figure 3, on détache le substrat donneur 200 le long de la zone de fragilisation 21 , par exemple par un traitement thermique ou par l’application d’une contrainte mécanique, ce qui conduit au transfert de la couche de m-SiC 20 sur le substrat temporaire de graphite 10. On peut par la suite mettre en œuvre un traitement de finition de la couche transférée 20, par exemple un polissage et/ou un traitement thermique. Un tel traitement est utilisé pour guérir les défauts liés à l’implantation et à lisser la surface libre de ladite couche de m-SiC 20 afin d’optimiser la qualité de surface pour les étapes suivantes. Dans la présente invention, un traitement de finition peut souvent être évité car le dépôt de la couche de p-SiC sera réalisé sur la face résultant du détachement. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un lissage accru de la surface obtenue lors du détachement, puisqu'aucun collage n'est effectué sur cette surface. De plus, une éventuelle rugosité sera compensée lors du dépôt de la couche de p-SiC.Referring to FIG. 3 , the donor substrate 200 is detached along the weakening zone 21 , for example by a heat treatment or by the application of a mechanical stress, which leads to the transfer of the m-SiC layer 20 onto the temporary graphite substrate 10. A finishing treatment of the transferred layer 20 can subsequently be implemented, for example a polishing and/or a heat treatment. Such a treatment is used to cure the defects related to the implantation and to smooth the free surface of said m-SiC layer 20 in order to optimize the surface quality for the following steps. In the present invention, a finishing treatment can often be avoided because the deposition of the p-SiC layer will be carried out on the face resulting from the detachment. It is therefore not necessary to provide for increased smoothing of the surface obtained during the detachment, since no bonding is performed on this surface. In addition, any roughness will be compensated during the deposition of the p-SiC layer.
En référence à la figure 4, on dépose par la suite une couche de carbure de silicium polycristallin 30 sur la face libre de la couche de m-SiC 20 agencée sur le substrat support temporaire 10. De préférence, la couche de p-SiC est déposée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD, acronyme du terme anglo-saxon Chemical Vapour Deposition). Lors du dépôt par CVD, des atomes de silicium et de carbone sont envoyés sur la couche de m-SiC 20. Ainsi, des liaisons chimiques directes sont établies entre les atomes de la couche de m-SiC 20 et les atomes la couche de p-SiC 30 en cours de dépôt, avec une continuité cristallographique à l’interface entre les deux couches. Le dépôt chimique en phase vapeur permet ainsi d’assurer un très bon contact électrique et mécanique entre la couche de p-SiC et la couche de m-SiC.Referring to FIG. 4, a layer of polycrystalline silicon carbide 30 is subsequently deposited on the free face of the m-SiC layer 20 arranged on the temporary support substrate 10. Preferably, the p-SiC layer is deposited by a chemical vapor deposition (CVD) process. During CVD deposition, silicon and carbon atoms are sent to the m-SiC layer 20. Thus, direct chemical bonds are established between the atoms of the m-SiC layer 20 and the atoms of the p-SiC layer 30 being deposited, with crystallographic continuity at the interface between the two layers. Chemical vapor deposition thus makes it possible to ensure very good electrical and mechanical contact between the p-SiC layer and the m-SiC layer.
Typiquement, on ajuste les paramètres de dépôt de sorte que la couche de p-SiC présente une microstructure fine et micrométrique. Cela permet de favoriser la continuité cristallographique à l’interface entre les deux couches, et de limiter ainsi la déformation mécanique du substrat à fabriquer. De manière illustrative et non limitative, le dépôt de la couche de p-SiC est réalisé à une température comprise entre 1100-1500°C.Typically, the deposition parameters are adjusted so that the p-SiC layer has a fine and micrometric microstructure. This helps promote crystallographic continuity at the interface between the two layers, and thus limits the mechanical deformation of the substrate to be manufactured. As an illustration and not a limitation, the deposition of the p-SiC layer is carried out at a temperature between 1100-1500°C.
Le dépôt par CVD est réalisé sur la surface principale de la couche de m-SiC 20. Cependant, une certaine quantité de p-SiC peut être déposée sur les bords du substrat et sera retirée dans une étape ultérieure. De la même manière, une quantité de SiC peut être déposée sur la face arrière et être retirée avec le substrat support temporaire.CVD deposition is performed on the main surface of the m-SiC layer 20. However, some amount of p-SiC may be deposited on the edges of the substrate and will be removed in a later step. Similarly, some amount of SiC may be deposited on the back side and removed with the temporary support substrate.
On peut ensuite appliquer un traitement thermique afin d’activer des dopants dans la couche 20 de m-SiC et la couche 30 de p-SiC. Un traitement thermique peut également favoriser la relaxation de contraintes mécaniques dans le substrat comprenant la couche 20 de m-SiC et la couche 30 de p-SiC. Ces effets améliorent la qualité cristalline et ainsi la conductivité électrique et thermique à l’interface entre la couche de m-SiC et la couche de p-SiC.A heat treatment can then be applied to activate dopants in the m-SiC layer 20 and the p-SiC layer 30. A heat treatment can also promote the relaxation of mechanical stresses in the substrate comprising the m-SiC layer 20 and the p-SiC layer 30. These effects improve the crystalline quality and thus the electrical and thermal conductivity at the interface between the m-SiC layer and the p-SiC layer.
De tels traitements thermiques sont typiquement réalisés à une température d’environ 1700°C. Grace au collage, la couche de m-SiC est maintenue sur le substrat support temporaire 10 sans risque de détachement pendant le traitement thermique.Such heat treatments are typically carried out at a temperature of approximately 1700°C. Thanks to the bonding, the m-SiC layer is held on the temporary support substrate 10 without risk of detachment during the heat treatment.
Lors du dépôt de la couche de p-SiC, par exemple dans une enceinte CVD, on dépose souvent de la matière sur les bords et/ou sur la face arrière du substrat. Si le bord du substrat support temporaire a été recouvert pendant le dépôt de la couche de p-SiC, on procède à un retrait du bord du substrat pour exposer le bord de la couche de m-SiC et du substrat support temporaire. Typiquement, on retire le p-SiC déposé sur le bord du substrat par une attaque chimique, un meulage ou polissage mécanique ou par un traitement thermique.When depositing the p-SiC layer, for example in a CVD chamber, material is often deposited on the edges and/or backside of the substrate. If the edge of the temporary support substrate was covered during the deposition of the p-SiC layer, the edge of the substrate is removed to expose the edge of the m-SiC layer and the temporary support substrate. Typically, the p-SiC deposited on the edge of the substrate is removed by chemical etching, mechanical grinding or polishing, or heat treatment.
De manière alternative, on crée, le long du bord du substrat, une indentation à l’aide d’une pointe en diamant afin de former une zone de fragilisation mécanique. On exerce par la suite une action mécanique pour fracturer le substrat le long de ladite zone de fragilisation afin de retirer le bord du substrat.Alternatively, an indentation is created along the edge of the substrate using a diamond tip to form a mechanical weakening zone. A mechanical action is then applied to fracture the substrate along said weakening zone to remove the edge of the substrate.
En référence à la figure 5, le substrat support temporaire 10 est ensuite retiré. De manière illustrative et non limitative, le retrait du substrat support temporaire 10 peut être réalisé par combustion ou par une attaque chimique. Par exemple, la combustion peut être réalisée sous flux d’oxygène à une température comprise entre 800 et 900°C. Une attaque chimique peut par exemple être mise en œuvre par l’application de l’acide nitrique ou par de l’hydroxyde de potassium. De manière alternative, le substrat support temporaire peut être retiré par une étape de gravure au plasma d’oxygène. Ces étapes permettent également de retirer la couche de collage appliquée pour le transfert de la couche de m-SiC.With reference to FIG. 5, the temporary support substrate 10 is then removed. In an illustrative and non-limiting manner, the removal of the temporary support substrate 10 can be carried out by combustion or by chemical etching. For example, the combustion can be carried out under an oxygen flow at a temperature between 800 and 900°C. A chemical etching can for example be implemented by the application of nitric acid or by potassium hydroxide. Alternatively, the temporary support substrate can be removed by an oxygen plasma etching step. These steps also make it possible to remove the bonding layer applied for the transfer of the m-SiC layer.
Dans certains cas, on applique également une étape de meulage afin de retirer le substrat support temporaire sans résidus sur la couche de m-SiC.In some cases, a grinding step is also applied in order to remove the temporary support substrate without residue on the m-SiC layer.
Dans certains modes de réalisation, illustrés dans les figures 6 à 8, on utilise les deux faces du substrat support temporaire pour la fabrication de deux substrats 300A et 300B comprenant chacun une couche fine de m-SiC et une couche de p-SiC. En référence à la figure 6, on transfère une première couche de m-SiC 20A sur une face avant du substrat support temporaire 10 en graphite, et une seconde couche de m-SiC 20B sur une face arrière du même substrat support temporaire 10. Les deux couches de m-SiC peuvent par exemple être déposées successivement à partir d’un même substrat donneur de m-SiC, ou à partir de deux substrats de m-SiC distincts.In some embodiments, illustrated in FIGS. 6 to 8, both faces of the temporary support substrate are used to manufacture two substrates 300A and 300B, each comprising a thin layer of m-SiC and a layer of p-SiC. Referring to FIG. 6, a first layer of m-SiC 20A is transferred to a front face of the temporary graphite support substrate 10, and a second layer of m-SiC 20B is transferred to a rear face of the same temporary support substrate 10. The two layers of m-SiC may, for example, be deposited successively from the same m-SiC donor substrate, or from two separate m-SiC substrates.
En référence à la figure 7, on dépose une couche de p-SiC 30A, 30B respective sur chacune des couches de m-SiC 20A, 20B. De préférence, les deux couches de p-SiC sont déposées simultanément dans la même enceinte, par exemple une enceinte de CVD. Cela permet d’augmenter l’efficacité du procédé, en réalisant le dépôt de deux couches au lieu d’une seule pendant un temps limité, et dans le même espace de l’enceinte CVD. Pour un tel dépôt simultané des deux faces respectives du même substrat, une certaine quantité de p- SiC est typiquement déposée sur les bords du substrat et sera retirée dans une étape ultérieure. Les autres étapes lors d’un procédé utilisant les deux faces du substrat support temporaire sont réalisées de la même manière que décrit ci-dessus pour le procédé utilisant une seule face du substrat support temporaire.Referring to FIG. 7, a respective p-SiC layer 30A, 30B is deposited on each of the m-SiC layers 20A, 20B. Preferably, the two p-SiC layers are deposited simultaneously in the same enclosure, for example a CVD enclosure. This makes it possible to increase the efficiency of the process, by carrying out the deposition of two layers instead of just one during a limited time, and in the same space of the CVD enclosure. For such simultaneous deposition of the two respective faces of the same substrate, a certain amount of p-SiC is typically deposited on the edges of the substrate and will be removed in a later step. The other steps in a process using both sides of the temporary support substrate are carried out in the same manner as described above for the process using only one side of the temporary support substrate.
Dans ce mode de réalisation, on dépose également de la matière sur les bords du substrat support et des couches de p-SiC respectives. Pour cette raison, on réalise un retrait du bord du substrat de sorte à exposer les bords des deux couches de m-SiC et du substrat support temporaire. Typiquement, on retire le p-SiC déposé sur le bord du substrat par une attaque chimique, un meulage ou polissage mécanique ou par un traitement thermique.In this embodiment, material is also deposited on the edges of the support substrate and the respective p-SiC layers. For this reason, a removal of the edge of the substrate is carried out so as to expose the edges of the two m-SiC layers and the temporary support substrate. Typically, the p-SiC deposited on the edge of the substrate is removed by chemical etching, mechanical grinding or polishing or by heat treatment.
De manière alternative, on crée, le long du bord du substrat, une indentation à l’aide d’une pointe en diamant afin de former une zone de fragilisation mécanique. On exerce par la suite une action mécanique pour fracturer le substrat le long de ladite zone de fragilisation afin de retirer le bord du substrat.Alternatively, an indentation is created along the edge of the substrate using a diamond tip to form a mechanical weakening zone. A mechanical action is then applied to fracture the substrate along said weakening zone to remove the edge of the substrate.
Cette étape permet d’accéder au bord du substrat support temporaire pour l’étape du retrait dudit substrat support.This step provides access to the edge of the temporary support substrate for the step of removing said support substrate.
En référence à la figure 8, après finalisation des couches 30A, 30B, leurs traitements sur le substrat support temporaire 10 et le retrait du bord, on procède au retrait du substrat support temporaire 10 par exemple par combustion ou par attaque chimique. On obtient simultanément deux substrats 300A et 300B. Cette variante permet d’augmenter le rendement du procédé en utilisant les deux faces opposées du substrat support.Referring to Figure 8, after finalization of the layers 30A, 30B, their treatments on the temporary support substrate 10 and the removal of the edge, the temporary support substrate 10 is removed, for example by combustion or by chemical attack. Two substrates 300A and 300B are obtained simultaneously. This variant makes it possible to increase the yield of the process by using the two opposite faces of the support substrate.
Dans certains modes de réalisation, en référence à la figure 9, on transfère une pluralité de pavés 20C, 20D, 20E de m-SiC les uns à côté des autres sur une seule face d’un substrat support temporaire 10. Dans ce cas, le substrat support temporaire présente une dimension de surface largement supérieure aux couches de m-SiC 20C, 20D, 20E transférées. Les pavés ne se chevauchent pas et typiquement une zone entre les bords des pavés respectifs reste libre sur le substrat support temporaire 10. La géométrie des pavés peut être ronde, rectangulaire ou autre. En fonction de la forme et la dimension des pavés et du substrat support temporaire, une zone à proximité du bord du substrat support temporaire peut également rester libre.In some embodiments, with reference to FIG. 9, a plurality of m-SiC tiles 20C, 20D, 20E are transferred next to each other on a single face of a temporary support substrate 10. In this case, the temporary support substrate has a surface dimension much greater than the transferred m-SiC layers 20C, 20D, 20E. The tiles do not overlap and typically an area between the edges of the respective tiles remains free on the temporary support substrate 10. The geometry of the tiles can be round, rectangular or other. Depending on the shape and size of the tiles and the temporary support substrate, an area near the edge of the temporary support substrate can also remain free.
Il est également possible de transférer plusieurs pavés de m-SiC respectifs côte à côte sur les faces avant et arrière d'un tel substrat support temporaire de grande dimension. Ce mode de réalisation permet également d’optimiser le rendement du procédé.It is also possible to transfer several respective m-SiC slabs side by side onto the front and back faces of such a large temporary support substrate. This embodiment also makes it possible to optimize the process yield.
On réalise ensuite un dépôt simultané d’une couche de p-SiC sur toute la surface du substrat support temporaire comportant la pluralité de pavés 20C, 20D, 20E de m-SiC. On peut appliquer les mêmes étapes et traitements du substrat que décrits ci-dessus pour une couche unique de p-SiC.A simultaneous deposition of a layer of p-SiC is then carried out on the entire surface of the temporary support substrate comprising the plurality of m-SiC blocks 20C, 20D, 20E. can apply the same steps and substrate treatments as described above for a single p-SiC layer.
On découpe par la suite la couche de p-SiC déposée dans les zones libres du substrat support temporaire ne comportant aucune couche de m-SiC. De manière illustrative et non limitative, on retire les zones de p-SiC déposées sur les zones libres du substrat support temporaire par une découpe laser ou une découpe avec une pointe diamant. Ces méthodes permettent une découpe efficace du p-SiC. On retire également le SiC déposé sur les bords du substrat support temporaire en graphite afin d’exposer le bord du substrat support pour le retrait du graphite. De manière illustrative et non limitative, on procède d’abord à la découpe du SiC sur la face avant du substrat support temporaire, et réalise ensuite le retrait du SiC sur les bords dudit substrat support temporaire. Après cette étape, on procède au retrait du substrat support temporaire, par exemple par combustion ou par attaque chimiqueThe p-SiC layer deposited in the free areas of the temporary support substrate not having any m-SiC layer is then cut off. By way of illustration and not limitation, the p-SiC areas deposited on the free areas of the temporary support substrate are removed by laser cutting or cutting with a diamond tip. These methods allow efficient cutting of the p-SiC. The SiC deposited on the edges of the graphite temporary support substrate is also removed in order to expose the edge of the support substrate for graphite removal. By way of illustration and not limitation, the SiC on the front face of the temporary support substrate is first cut off, and then the SiC on the edges of said temporary support substrate is removed. After this step, the temporary support substrate is removed, for example by combustion or chemical etching.
On obtient ainsi plusieurs substrats respectifs à partir des plusieurs couches de m-SiC transférés en début du procédé.Several respective substrates are thus obtained from the several layers of m-SiC transferred at the start of the process.
Typiquement, après l’obtention d’un ou plusieurs substrats comprenant une couche mince de m-SiC et une couche de p-SiC, on procède à une étape de mise en forme finale. Une telle étape peut par exemple comprendre un détourage mécanique et/ou un polissage pour enlever les dépôts sur les bords de chaque substrat et pour homogénéiser le bord de chaque substrat obtenu.Typically, after obtaining one or more substrates comprising a thin layer of m-SiC and a layer of p-SiC, a final shaping step is carried out. Such a step may for example comprise mechanical trimming and/or polishing to remove deposits on the edges of each substrate and to homogenize the edge of each substrate obtained.
Chaque couche de m-SiC transférée sur le substrat support temporaire présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 5 pm. Préférablement, l’épaisseur de la couche de m- SiC transférée est comprise entre 400 nm et 2 pm et plus préférablement entre 400 nm et 1 pm.Each layer of m-SiC transferred onto the temporary support substrate has a thickness of between 400 nm and 5 pm. Preferably, the thickness of the transferred m-SiC layer is between 400 nm and 2 pm and more preferably between 400 nm and 1 pm.
Une couche d’une telle épaisseur est trop mince pour être autoportée. Pendant le dépôt de chaque couche de p-SiC, ladite couche mince de m-SiC est maintenue sur le substrat support temporaire par le collage réalisé lors de l’étape de transfert. Le substrat support temporaire assure le maintien mécanique et la stabilité de la couche de m-SiC pendant le dépôt de la couche de p-SiC. Cela permet de réaliser un dépôt de la couche de p-SiC homogène et de bonne qualité cristalline.A layer of such thickness is too thin to be self-supporting. During the deposition of each p-SiC layer, said thin m-SiC layer is held on the temporary support substrate by the bonding carried out during the transfer step. The temporary support substrate ensures the mechanical support and stability of the m-SiC layer during the deposition of the p-SiC layer. This makes it possible to achieve a homogeneous deposition of the p-SiC layer and of good crystalline quality.
L’utilisation d’une couche mince de m-SiC permet d’obtenir un grand nombre de substrats à partir d’un même substrat donneur en m-SiC. On peut ainsi optimiser le rendement d’un tel substrat donneur dont la production est difficile et laborieuse. L’épaisseur limitée de la couche de m-SiC permet en outre réduire l’impact de la légère différence de coefficient de dilatation thermique entre la couche de m-SiC et la couche de p-SiC qui peut être présente notamment en raison d’un dopage différent des deux couches. L’épaisseur permet également de limiter la déformation (warping) du substrat à réaliser, composé de la couche de p-SiC 30 et la couche mince de m-SiC 20. Par ailleurs, plus la couche de m-SiC est fine, plus l’énergie nécessaire pour la création de la zone de fragilisation en vue du transfert est faible. Il est donc plus facile et plus économique en énergie de transférer des couches de m-SiC d’une faible épaisseur.The use of a thin m-SiC layer allows a large number of substrates to be obtained from a single m-SiC donor substrate. This allows the yield of such a donor substrate, the production of which is difficult and laborious. The limited thickness of the m-SiC layer also reduces the impact of the slight difference in the coefficient of thermal expansion between the m-SiC layer and the p-SiC layer that may be present. in particular due to different doping of the two layers. The thickness also makes it possible to limit the deformation (warping) of the substrate to be produced, composed of the p-SiC layer 30 and the thin layer of m-SiC 20. Furthermore, the thinner the m-SiC layer, the lower the energy required to create the weakening zone for the transfer. It is therefore easier and more energy-efficient to transfer thin m-SiC layers.
Le graphite présente un coefficient de dilatation thermique proche du carbure de silicium monocristallin et polycristallin. Pour cette raison, il est particulièrement adapté en tant que matériau de substrat support temporaire pour la fabrication d'un substrat impliquant des étapes à haute température. Des étapes à haute température sont par exemple le détachement du substrat donneur lors du transfert de la couche de m-SiC, le dépôt de la couche de p-SiC tel qu’un dépôt en phase vapeur, et les éventuels traitements thermiques de recristallisation et de relaxation et de subséquents. Par ailleurs, le graphite peut facilement être retiré par exemple par meulage, attaque chimique et/ou par combustion. Il n’est par conséquent pas nécessaire d’optimiser la qualité de surface et le collage de la couche de m-SiC pour faciliter le retrait du substrat support temporaire à la fin du procédé.Graphite has a coefficient of thermal expansion close to monocrystalline and polycrystalline silicon carbide. For this reason, it is particularly suitable as a temporary support substrate material for the manufacture of a substrate involving high-temperature steps. High-temperature steps are for example the detachment of the donor substrate during the transfer of the m-SiC layer, the deposition of the p-SiC layer such as vapor deposition, and the possible recrystallization and relaxation heat treatments and subsequent ones. Furthermore, graphite can easily be removed for example by grinding, chemical etching and/or combustion. It is therefore not necessary to optimize the surface quality and the bonding of the m-SiC layer to facilitate the removal of the temporary support substrate at the end of the process.
Le substrat support temporaire doit être suffisamment lisse pour maintenir la couche de m- SiC pendant le dépôt de la couche de p-SiC sans déformation importante de la surface. Cependant, le procédé n’implique pas de contrainte pour la structure et la qualité du graphite utilisé, du fait que le substrat support temporaire soit retiré pour la finalisation du substrat en carbure de silicium.The temporary support substrate must be smooth enough to hold the m-SiC layer during deposition of the p-SiC layer without significant surface deformation. However, the process does not involve any constraints on the structure and quality of the graphite used, since the temporary support substrate is removed for finalization of the silicon carbide substrate.
Le maintien sur le substrat support temporaire par un collage prévient le risque d’un détachement du substrat support pendant les étapes à haute température. L’homme du métier saura choisir le type de collage en fonction des températures et environnements prévus dans le procédé. Puisque le collage n’est que temporaire, les contraintes qui portent sur celui-ci sont relativement lâches. Le rôle du collage est uniquement d’assurer la tenue mécanique de la couche de m-SiC pendant le dépôt de la couche de p-SiC. Il n’est donc pas nécessaire d’optimiser la conductivité électrique ou thermique à travers l'interface de collage.The retention on the temporary support substrate by a bond prevents the risk of detachment of the support substrate during the high temperature steps. The person skilled in the art will be able to choose the type of bonding according to the temperatures and environments expected in the process. Since the bonding is only temporary, the constraints on it are relatively loose. The role of the bonding is only to ensure the mechanical strength of the m-SiC layer during the deposition of the p-SiC layer. It is therefore not necessary to optimize the electrical or thermal conductivity across the bonding interface.
Le dépôt de la couche de p-SiC peut donc être réalisé à une température à choisir en fonction des propriétés de la couche de p-SiC souhaitées. Il n’est pas nécessaire de limiter la fenêtre de température ou d’autres paramètres de procès pour éviter un détachement de la couche de m-SiC de son support. Les traitements thermiques, par exemple pour l’activation des dopants et pour la relaxation des contraintes mécaniques, peuvent également être réalisés sans contraintes particulières imposées par le substrat support temporaire.The deposition of the p-SiC layer can therefore be carried out at a temperature to be chosen according to the desired properties of the p-SiC layer. It is not necessary to limit the temperature window or other process parameters to avoid detachment of the m-SiC layer from its support. Heat treatments, for example for the activation of dopants and for the relaxation of mechanical stresses, can also be carried out without particular constraints imposed by the temporary support substrate.
Chaque couche de p-SiC présente une épaisseur comprise entre 100 pm et 2 mm. Une telle épaisseur est suffisante pour rendre le substrat autoporté sur toute son étendue après le retrait du substrat support temporaire.Each p-SiC layer has a thickness between 100 pm and 2 mm. Such a thickness is sufficient to make the substrate self-supporting over its entire extent after removal of the temporary support substrate.
Le fait que la couche de p-SiC soit directement déposée sur une couche de m-SiC fine et de bonne qualité cristalline permet de réaliser un dépôt de p-SiC de bonne qualité sur toute l’épaisseur de la couche. On évite donc une étape supplémentaire de retrait d’une portion de p-SiC. Suite au dépôt du p-SiC sur une surface de m-SiC de bonne qualité cristalline, l’interface entre les couches respectives de p-SiC et de m-SiC présente un bon couplage mécanique, électrique et thermique.The fact that the p-SiC layer is directly deposited on a thin m-SiC layer of good crystalline quality makes it possible to achieve a good quality p-SiC deposition over the entire thickness of the layer. This avoids an additional step of removing a portion of p-SiC. Following the deposition of p-SiC on a surface of m-SiC of good crystalline quality, the interface between the respective layers of p-SiC and m-SiC exhibits good mechanical, electrical and thermal coupling.
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