FR2997224A1

FR2997224A1 - Procede de collage par adhesion moleculaire

Info

Publication number: FR2997224A1
Application number: FR1259954A
Authority: FR
Inventors: Marcel Broekaart; Arnaud Castex
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-04-25
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: US9548202B2; US20150235851A1; KR20150070178A; FR2997224B1; KR102155074B1; CN104737273B; WO2014060817A1; CN104737273A

Abstract

L'invention porte sur un procédé de collage par adhésion moléculaire, comprenant le positionnement d'une première et d'une deuxième plaque (202, 206) dans une enceinte hermétique (210), la mise de l'enceinte (210) à une première pression (P1) inférieure ou égale à 400 hPa, l'ajustement de la pression dans l'enceinte à une seconde pression (P2) supérieure à la première pression (P1) par introduction d'un gaz sec (214), et la mise en contact des première et deuxième plaques (202, 206) suivie de l'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques (202, 206) en maintenant l'enceinte (210) à ladite seconde pression (P2).

Description

99 7224 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la réalisation de structures semi-conducteurs multicouches (également dénommées structures composites ou "multilayer senniconductor wafers" en anglais) réalisées par transfert d'au moins une couche sur un substrat final. Un tel transfert de couche est obtenu par collage, par exemple par adhésion moléculaire, d'une première plaque (ou substrat initial) sur une deuxième plaque (ou substrat final), la première plaque étant en général amincie après collage. La couche transférée peut comprendre en outre tout ou partie d'un composant ou d'une pluralité de microcomposants.

Plus précisément, la présente invention concerne le problème des défauts de collage pouvant survenir de manière localisée à l'interface de collage entre deux plaques collées par adhésion moléculaire. Le collage par adhésion moléculaire est une technique bien connue en soi. Pour rappel, le principe du collage par adhésion moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est- à-dire sans l'utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, brasure, etc.). Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour permettre d'initier un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller).

Les figures 1A à 1D représentent un exemple de réalisation d'une structure multicouche comprenant le collage par adhésion moléculaire d'une première plaque 102 sur une deuxième plaque 106, cette dernière constituant une plaque support. La première plaque 102 comporte ici une série de microcomposants 104 sur sa face de collage 102a (figure 1A). Les microcomposants 104 sont formés par photolithographie au moyen d'un masque permettant de définir les zones de formation de motifs correspondant aux microcomposants 104 à réaliser. On entend dans ce document par "microcomposants", les dispositifs ou tous autres motifs résultant des étapes technologiques réalisées sur ou dans les couches et dont le positionnement doit être contrôlé avec précision. Il peut donc s'agir de composants actifs ou passifs, de simples prises de contact, d'interconnexions... Dans cet exemple, la plaque support 106 est recouverte d'une couche d'oxyde thermique 108 (ou d'oxyde déposé), formée par exemple par oxydation de la plaque support, afin de faciliter l'adhésion moléculaire avec la première plaque 102 (figure 1A). Un traitement est généralement mis en oeuvre pour préparer la surface de collage 102a de la première plaque 102 et la surface de collage 106a de la deuxième plaques 106, ce traitement variant selon l'énergie de collage que l'on souhaite obtenir (polissage mécano-chimique (CMP), nettoyage, brossage, traitement hydrophobe/hydrophile...). Une fois les plaques préparées, on positionne la plaque support 106 dans une machine de collage 115. Plus précisément, la plaque support 106 est positionnée sur le porte-substrat 110 de la machine de collage 115 en vue de son assemblage par adhésion moléculaire avec la première plaque 102. Le porte-substrat 110 maintient la deuxième plaque 106 en position au moyen, par exemple, d'un système électrostatique ou de succion. La première plaque 102 est ensuite placée sur la deuxième plaque 106 afin d'être en contact intime avec celle-ci (figure 1B). L'initiation de l'adhésion moléculaire est alors réalisée par application d'une force de contact (pression mécanique) sur la première plaque 102 (figure 1C). L'application de cette force de contact permet d'initier la propagation d'une onde de collage 122 à partir de ce point d'initiation (figures 1D). L'onde de collage 122 est initiée au moyen d'un outil d'application 114 (un stylet en Téflon®, par exemple) dont est munie la machine de collage 115. On appelle dans ce document « onde de collage » le front de liaison ou d'adhésion moléculaire qui se propage à partir du point d'initiation et qui correspond à la diffusion des forces attractives (forces de Van Der Waals) depuis le point de contact sur toute la surface de contact intime entre les deux plaques (interface de collage). La propagation de l'onde de collage 122 sur la totalité des surfaces de collage des plaques 102 et 106 permet ainsi le collage par adhésion moléculaire des deux plaques, de façon à obtenir une structure multicouche 112. Une fois le collage réalisé, celui-ci peut être renforcé en réalisant un recuit thermique. La première plaque 102 peut par la suite être amincie afin de former une couche transférée sur la plaque support 106.

La déposante a cependant observé la présence de défauts localisés de collage 118 à l'interface de collage entre les deux plaques, et plus précisément dans une région 120 située à l'opposée du point d'initiation de collage 116 (figure 1E). Ces défauts correspondent à des zones dans lesquelles les deux plaques 102 et 106 présentent une force de collage très faible, voire une absence totale de collage. Ces défauts de collage sont indésirables pour le fabricant puisqu'ils réduisent la qualité du collage entre les plaques. De manière plus générale, ces défauts témoignent d'un procédé de fabrication non optimisé, ce qui diminue l'attractivité des structures multicouches ainsi produites. Il est donc aujourd'hui nécessaire d'améliorer la qualité de fabrication des structures multicouches assemblées par adhésion moléculaire. Il existe en particulier un besoin pour un procédé de collage par adhésion moléculaire permettant de réduire, voire d'empêcher totalement, l'apparition des défauts de collage évoqués ci-dessus à l'interface de collage entre les plaques. Objet et résumé de l'invention A cet effet, la présente invention propose un procédé de collage par adhésion moléculaire, comprenant : - le positionnement d'une première et d'une deuxième plaque dans une enceinte hermétique ; - la mise de l'enceinte à une première pression inférieure ou égale à 400 hPa ; l'ajustement de la pression dans l'enceinte à une seconde pression supérieure à la première pression par introduction d'un gaz sec ; et la mise en contact des première et deuxième plaques suivie de l'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques en maintenant l'enceinte à ladite seconde pression. Le procédé de l'invention permet avantageusement, avant collage, d'éliminer (par désorption) l'eau présente à la surface des plaques et d'évacuer une grande partie de l'eau saturée présente sous forme gazeuse dans l'atmosphère de l'enceinte. De cette façon, la quantité d'eau piégée à l'interface de collage (après collage) est réduite de manière significative, ce qui permet de réduire, voire d'empêcher totalement, l'apparition des défauts de collage évoqués ci-avant à l'interface de collage.

Dans un premier mode de réalisation, le gaz sec présente une concentration en eau inférieur à 10000 ppm. De manière préférée, le gaz sec présente une concentration en eau inférieur à 1000 ppm. De telles concentrations en eau permettent de limiter avantageusement la concentration d'eau saturée présente sous forme gazeuse dans l'atmosphère de l'enceinte lors du collage par adhésion moléculaire. Par ailleurs, le gaz sec peut être au moins l'un parmi l'azote, l'hélium, l'air, l'argon et le néon. Selon un mode de réalisation de l'invention, la seconde pression est d'au moins 1 atm.

Selon un autre mode de réalisation, l'une au moins desdites plaques comprend au moins une cavité sur sa surface de collage. De plus, la seconde pression est fixée de manière à ajuster la pression dans les cavités après collage à ladite seconde pression. Dans un mode de réalisation particulier, lesdites plaques sont en silicium. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : les figures 1A à 1D représentent, de façon schématique, un exemple de procédé de collage par adhésion moléculaire connu de l'homme du métier ; - la figure lE représente, de façon schématique, des défauts de collage apparaissant lors du procédé de collage illustré en figures 1A à 1D ; - la figure 1F illustre, de façon schématique, le mécanisme de formation des défauts de collage représentés en figure lE ; les figures 2A à 2D représentent, de façon schématique, le procédé de collage par adhésion moléculaire selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention concerne, d'une manière générale, un procédé de collage par adhésion moléculaire permettant de réduire ou d'empêcher l'apparition de défauts de collage indésirables à l'interface de collage. Comme indiqué précédemment, la déposante a observé des défauts de collage apparaissant de manière localisée à l'interface de collage d'une structure multicouche formée par collage par adhésion moléculaire d'une première plaque sur une deuxième plaque. Les plaques composant une structure multicouche se présentent généralement sous la forme de tranches ou "wafers" au contour généralement circulaire et peuvent présenter différents diamètres, notamment des diamètres de 100 mm (millimètres), 200 mm ou 300 mm. Toutefois, il peut également s'agir de plaques de forme quelconque, comme une plaque de forme rectangulaire, par exemple. Une étude approfondie des défauts de collage 118 illustrés en figure lE a permis de mettre en évidence le mécanisme de formation de 30 ces défauts et d'élaborer un procédé permettant d'empêcher leur formation. Le mécanisme à l'origine de la formation des défauts 118 est à présent décrit en référence aux figures 1A à 1F. Comme expliqué précédemment, l'initiation du collage par 35 adhésion moléculaire est typiquement réalisée par l'application d'une force de contact en un point d'initiation 116 situé à proximité du bord de la première plaque 102 (figure 1C). L'application de cette force de contact permet d'initier la propagation d'une onde de collage 122 à partir du point d'initiation 116 (figure 1D). Au fur et à mesure que l'onde de collage 122 se propage, celle-ci repousse vers l'extérieur l'air ambiant présent entre les deux plaques et les molécules d'eau en excès adsorbées à la surface des plaques. L'air qui est ainsi repoussé entre les deux plaques contient une certaine concentration d'eau sous forme gazeuse. Une brusque chute de pression survient entre les plaques 102 et 106 lorsque l'onde de collage atteint le voisinage des bords de plaque opposés au point d'initiation 116. Cette chute brutale de pression entraîne une chute correspondante de température (cas d'un procédé adiabatique), ce qui cause la condensation sur les surfaces de collage 102a et 106a de l'eau saturée présente dans l'air évacué par l'onde de collage. Cette condensation survient majoritairement dans la région 120 opposée au point d'initiation 116. On notera que cette condensation s'effectue en particulier au niveau des irrégularités de surface 124 (topologie ou nano-topologie de surface, particules fines, micro rayures...) pouvant se trouver à la surface de collage de chacune des plaques 102 et 106 (figure 1F). Une fois le collage réalisé, un excès de molécules d'eau se trouve alors piégé sous forme de condensation dans la région 120 située à l'interface de collage de la structure multicouche 112. L'eau qui se condense au niveau des irrégularités de surface 124 détériore la qualité du collage des deux plaques par adhésion moléculaire. Lors du recuit ultérieur de la structure multicouche 112 (ou tout autre traitement thermique à une température supérieure à 100°C), les molécules d'eau retournent à l'état gazeux ce qui conduit à l'apparition de défauts de collage 118 dits « edge voids » (ou « bonding voids ») à l'interface de collage de la structure multicouche 112. Ces défauts de collage 118 se présentent sous la forme de bulles d'air de taille variable (généralement entre 50 et 500 pm) localisées essentiellement en bord de plaque. Comme déjà indiqué, ces défauts de collage 118 sont indésirables et peuvent en particulier causer l'arrachage involontaire de portions de la plaque 102 voisines des défauts lorsque la plaque 102 subit une étape d'amincissement (par meulage et/ou attaque chimique par exemple). A cet effet, la présente invention propose de réaliser un procédé de collage par adhésion moléculaire impliquant le contrôle de la 5 pression appliquée aux plaques avant collage afin de résoudre ce problème de défauts de collage. Une mise en oeuvre particulière du procédé de collage selon l'invention est à présent décrite en référence aux figures 2A à 2D. Ce procédé vise à coller par adhésion moléculaire une première 10 plaque 202 sur une deuxième plaque 206, cette dernière constituant une plaque support (figure 2A). Ces plaques sont identiques respectivement aux plaques 102 et 106 considérées en figure 1A. Plus précisément, la première plaque 202 comporte dans cet exemple des microcomposants 204 au niveau de sa surface de collage 15 202a. Par ailleurs, une oxydation est réalisée sur la deuxième plaque 206 afin de former une couche d'oxyde thermique 208 sur toute sa surface. A noter qu'il est possible de ne déposer une couche d'oxyde que sur la surface de collage 206a de la deuxième plaque 206. De manière alternative, on peut former une couche d'oxyde sur la surface de collage 20 202a de la première plaque 202. Il est précisé par ailleurs que les première et deuxième plaques 202 et 206 présentent ici le même diamètre. Elles pourraient toutefois avoir des diamètres différents, ou avoir une forme non circulaire. De plus, le procédé de l'invention peuvent s'appliquer également lorsque l'une au 25 moins des deux plaques à coller est vierge de tous microcomposants et/ou comporte des cavités (ou canaux) sur sa surface de collage. En outre, les plaques 202 et 206 peuvent présenter des irrégularités de surface (non représentées) analogues aux irrégularités de surface 124 illustrées en figure 1F. 30 Au cours d'une étape E2, les première et deuxième plaques sont tout d'abord positionnées dans une enceinte hermétique 210. Dans cet exemple, la première plaque 202 est placée par-dessus la deuxième plaque 206, des espaceurs 212 étant placés en bord de plaque entre les plaques 202 et 206 afin de maintenir un écart entre ces plaques. 35 A noter que l'atmosphère ambiante présente à ce stade dans l'enceinte 210 peut présenter une concentration en eau Ceau sous forme 2 99 722 4 8 gazeuse plus ou moins importante selon les circonstances. De plus, la pression dans l'enceinte à ce stade est quelconque (de 1 atm par exemple). L'enceinte 210 est ensuite mise à une première pression P1 inférieure ou égale à la pression seuil de 400 hPa (i.e. 40000 Pa équivalents à 400 mbars) (étape E4). A cet effet, on utilise par exemple une pompe à vide 213 appropriée à cet effet. Le vide ainsi établi dans l'enceinte 210 peut être plus ou moins poussé (e.g. P1=1 hPa, 100 hPa, 400 hPa...) mais, en tout état de cause, il est impératif que Pl 400 hPa de façon à entraîner la désorption des molécules d'eau présentes sous forme de condensation sur les surfaces de collage 202a et 206a des plaques 202 et 206, respectivement. Cette étape E4 a donc pour effet de réduire la quantité d'eau présente en surface des plaques à coller. C'est en effet cette eau qui, lorsqu'elle se trouve en excès en surface des plaques, est à l'origine de défauts de collage de type « edge void » lors du collage par adhésion moléculaire. Toutefois, la présence d'un minimum d'eau sur les surfaces de collage 202a et 206a est nécessaire pour que l'on puisse par la suite coller par adhésion moléculaires les plaques 202 et 206 (collage hydrophile). L'étape E4 permet donc de contrôler la quantité d'eau présente (adsorbée) en surface des plaques de manière à permettre un collage hydrophile ultérieur tout en limitant l'apparition de défauts de collage. Cette mise à la pression P1 (E4) permet également de réduire de manière significative la concentration Ceau d'eau saturée présente dans l'atmosphère de l'enceinte 210. Cette étape E4 est réalisée pendant un temps déterminé pouvant être de quelques secondes ou plus (de 2 ou 3 minutes par exemple). Ce temps est de préférence choisi de façon à optimiser la désorption de l'eau sur les surfaces de collage 202a et 206a, de sorte à obtenir une concentration en eau inférieure à 10000 ppm et de manière préférée inférieure à 1000 ppm, tout en permettant le collage par adhésion moléculaire à venir. Dans le cas où les deux plaques 202 et 206 sont en Si (silicium), on peut par exemple établir une pression Pl de 5 hPa pendant un palier de 2 minutes (min).

Une fois la mise à la pression P1 effectuée, on ajuste (E6) la pression dans l'enceinte 210 à une seconde pression P2 supérieure ou égale à la première pression P1 par introduction d'un gaz sec 214 dans l'enceinte.

Le gaz sec 214 introduit dans l'enceinte 210 à l'étape E6 présente de préférence une concentration d'eau inférieure à 10000 ppm, voire inférieure à 1000 ppm. De cette manière, on limite la quantité d'eau qui est réintroduite dans l'atmosphère de l'enceinte 210 lors de l'étape E6. La seconde pression P2 peut, par exemple, correspondre à la pression atmosphérique standard (i.e. P2=1 atm) ou à une pression inférieure à la pression atmosphérique standard dans le cas notamment où au moins l'une des plaques 202 et 206 présente des cavités sur sa surface de collage. Après l'étape E6, on procède à la mise en contact (E8) des plaques 202 et 206. Dans le cas présent, cette mise en contact est réalisée en retirant les espaceurs 212 qui maintenaient la première plaque 202 à un certain écart au-dessus de la deuxième plaque 206. Une onde de collage est ensuite initiée (E10) entre les plaques 202 et 206 afin de coller celles-ci par adhésion moléculaire.

Les étapes E8 et El0 sont ici réalisées tout en maintenant l'enceinte 210 à la deuxième pression P2. Dans cet exemple, l'initiation E10 de l'onde de collage se fait par application, au moyen d'un outil d'application 216 (un stylet en Téflon®, par exemple), d'une force de contact au point d'initiation 218 situé à proximité du bord de plaque 202 (figure 2D). L'application de cette force de contact permet de déclencher la propagation d'une onde de collage à partir du point d'initiation 218. Choisir P2=1 atm permet avantageusement d'éviter la génération d'ondes de collage parasites lors du collage E10 des deux plaques.

On notera toutefois que d'autres modes opératoires permettent d'initier la propagation d'une onde de collage. Sous certaines conditions de pression (P2<1 atm), il est en particulier possible de déclencher l'initiation d'une telle propagation d'onde sans appliquer de pression mécanique sur la première plaque 202.

Pour certaines applications, et en particulier lorsque les plaques à coller présentent des déformations importantes, il peut être avantageux 2 99 7224 10 de fixer P2 à une valeur supérieure à 1 atm (2 atm par exemple). Il est ainsi possible de limiter encore davantage la génération d'ondes de collage parasites lors du collage E10. Une fois les plaques 202 et 206 collées, on peut soumettre (E12) 5 l'ensemble 220 à un recuit de renforcement de collage réalisé à une température de l'ordre de 1100°C par exemple. La première plaque 202 peut ensuite être amincie par meulage (ou toute autre technique adaptée) afin de formé une couche transférée sur la deuxième plaque 206 à partir de la première plaque 202 initiale.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de collage par adhésion moléculaire, comprenant : - le positionnement d'une première et d'une deuxième plaque (202, 206) dans une enceinte hermétique (210) ; - la mise de l'enceinte (210) à une première pression (P1) inférieure ou égale à 400 hPa ; - l'ajustement de la pression dans l'enceinte à une seconde pression (P2) supérieure à la première pression (P1) par introduction d'un gaz sec (214) ; et - la mise en contact des première et deuxième plaques (202, 206) suivie de l'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques en maintenant l'enceinte (210) à ladite seconde pression (P2). 15
2. Procédé de collage selon la revendication 1, dans lequel le gaz sec (214) présente une concentration en eau inférieur à 10000 ppm.
3. Procédé de collage selon la revendication 2, dans lequel le 20 gaz sec (214) présente une concentration en eau inférieur à 1000 ppm
4. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz sec (214) est au moins l'un parmi l'azote, l'hélium, l'air, l'argon et le néon. 25
5. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la seconde pression (P2) est d'au moins 1 atm.
6. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 5, dans lequel l'une au moins desdites plaques comprend au moins une cavité sur sa surface de collage, et dans lequel la seconde pression (P2) est fixée de manière à ajuster la pression dans les cavités après collage à ladite seconde pression. 35
7. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel lesdites plaques sont en silicium.