Soutenance mémoire
THEORIE DU COLLAGE DIRECT D’OXYDE DE SILICIUM
DEFINITIONS ET TECHNIQUES DE COLLAGE
Les différentes techniques de collage
Assembler deux substrats ou plus généralement deux matériaux est un procédé de fabrication essentiel dans le domaine de la microélectronique et de la microtechnologie pour la réalisation de substrats spécifiques, de systèmes électromécaniques (MEMS) ou d’optroniques. On peut dénombrer trois grandes familles de collages ; certains font intervenir des couches intermédiaires (métalliques ou polymères).
Le principal intérêt du collage direct, vis-à-vis des autres procédés de collage, est qu’il n’y a pas d’apport supplémentaire de matière adhésive ou métallique à l’interface pour permettre l’adhésion. En effet sous certains critères, la simple mise en contact intime de deux surfaces à température ambiante (RT pour « Room Temperature ») et pression atmosphérique suffit à obtenir une adhésion significative. L’élévation de la température de collage à la température de transition vitreuse Tg dans le cas du collage avec du verre fondu (Tg ≥ 400°C), ou à la température de fusion Tf, d’une couche intermédiaire, ou d’interdiffusion des couches métalliques dans le cas du collage par brasage (100°C ≤Tf≤ 500°C) n’est donc plus nécessaire. De plus à la différence des collages thermocompressifs ou anodiques, aucune pression ou tension électrique ne sont appliqués lors de la mise en contact des surfaces. Il n’y a donc pas de restriction sur la nature des surfaces à coller comme l’utilisation respective de matériaux ductile (métaux) ou de verres dopés au sodium. L’empilement de matériaux métalliques, semiconducteurs, isolants est alors possible qu’ils soient monocristallins, polycristallins ou amorphes. Leur adhésion est assurée par des liaisons intermoléculaires comme les forces de Van der Waals ou des liaisons Hydrogène de faible énergie et de courte portée dans un premier temps, d’où son appellation (trompeuse) d’origine : collage moléculaire. Pour permettre la spontanéité du collage, il est donc essentiel de pouvoir approcher une portion suffisante des surfaces à une distance de l’ordre de l’angström ce qui impose d’avoir des surfaces extrêmement lisses et sans contaminant particulaire. A ce stade le collage est réversible c’est-à-dire que la structure peut être décollée sans dégradation de la surface via l’application d’une force mécanique. Le renforcement de la structure collée est obtenue par la formation de liaisons covalentes intersurfaces lors d’une activation thermique après collage. Des traitements thermiques haute température, ou du moins jusqu’à la température de fusion du substrat (Tf(Si)~1300°C) pourront être prodigués à l’assemblage collé ce qui constitue un avantage certain par rapport aux autres types de collages qui ne doivent pas dépasser des couches intermédiaires comme par exemple, 300-400°C pour le collage polymère avec la colle SiNR 3570 de la société ShinEtsu.
Le collage direct
Définition et terminologie
Le collage direct consiste à l’adhésion de deux surfaces via la formation de liaisons intermoléculaires de faible énergie, par exemple induites par les forces de Van der Waals ou des liaisons Hydrogène, lors de leur mise en contact [Lasky 1986]. Il est ainsi possible de définir et de mesurer une énergie d’adhésion induite par ces forces d’attraction [Fournel et al. 2015].
La séparation de ces deux plaques nécessite l’apport d’une certaine énergie, appelée énergie d’adhérence ou de collage G, distinguable de l’énergie d’adhésion. En générale, presque immédiatement après collage, l’énergie d’adhérence est supérieure à l’énergie d’adhésion. Dans le cadre du collage direct, Grierson et al., ont notamment été les pionniers à différentier ces deux énergies en montrant en particulier l’existence d’une hystérésis dans le cadre du collage SiO2//SiO2[Grierson and Turner 2010]. En considérant un modèle de contact par aspérités, établi par Rieutord et al., et détaillée dans ce chapitre, il a été montré qu’au moins en certains points de contact entre les deux surfaces, des liaisons covalentes pouvaient se former [Rieutord et al. 2006; Fournel et al. 2015]. Ainsi l’apparition de ces liaisons à l’interface de collage dès RT provoque une forte augmentation de l’énergie mesurée, ici de collage (d’adhérence), vis-à-vis de l’énergie d’adhésion. Pour un collage Si//Si Fournel et al., obtiennent une énergie d’adhésion de 85 mJ.m-2 contre 165 mJ.m-2 pour l’énergie de collage à RT. Beaucoup d’amalgames sont faits dans la littérature entre ces deux énergies [Radisson 2014; Navarro 2014]. Néanmoins à ce stade, l’énergie de collage (ou d’adhérence) reste faible et le collage reste réversible, c’est-à-dire que les deux surfaces peuvent être séparées par une action mécanique (insertion d’une lame ou d’un jet d’eau). Pour augmenter cette énergie et ainsi renforcer la tenue mécanique du collage, d’autres liaisons covalentes doivent être formées entre les plaques au travers de l’apport d’un budget thermique ou lors d’un vieillissement. Un cas unique de collage irréversible (Au//Au) juste après collage a pu être réalisé au sein du laboratoire ne nécessitant pas de recuit et s’expliquerait par l’établissement de liaisons métalliques pour ce métal inoxydable, une déformation mécanique des aspérités avec ce métal très ductile et une recristallisation interfaciale avec ce métal à forte mobilité atomique [Gondcharton 2015].
Il peut être dissocié trois familles de collage direct selon la nature des surfaces collées ou des substrats initiaux. Ainsi on appelle « collage conducteur » le collage de deux substrats métalliques ou de deux films métalliques (par exemple Cu, Ti, W, Al, Au, ….) dont quelques mécanismes de collage ont pu être détaillés au sein du laboratoire [Baudin 2014; Gondcharton 2015]. Le collage isolant concerne l’assemblage de deux substrats semi-conducteurs (Si, Ge, III-V comme l’InP, AsGa…), céramiques (Saphir, Si3N4, …) ou de deux films diélectriques (SiO2, SiN, Al2O3, SiOC, AlN, …) et reste encore le plus étudié [Ventosa 2009; De Beaumont 2007; Rauer 2014]. L’association de ces deux premiers types de collage se nomme « collage hybride » et consiste à réaliser la mise en contact de surfaces structurées, comme par exemple Cu-SiO2 [Beilliard 2015].
Dans nos travaux, nous nous sommes exclusivement intéressés au collage direct d’une ou de plusieurs couches de film diélectrique déposées sur des substrats de silicium de diamètre 200 ou 300 mm.
Le collage hydrophobe et le collage hydrophile
La nature des liaisons mises en jeu lors de l’adhésion des deux surfaces permet de classifier deux types de collage : des collages dits hydrophobes et des collages dits hydrophiles. Cette terminologie provient de l’affinité des surfaces avec l’eau. Une surface est dite hydrophobe si elle n’a pas ou peu d’affinité avec l’eau, c’est-à-dire qu’elle n’est pas mouillée facilement. Inversement, si la surface est hydrophile, elle possède une grande affinité avec l’eau et est souvent recouverte d’un mince film d’eau adsorbée dès sa mise à l’air atmosphérique.
Pour un collage direct de deux substrats silicium, noté Si//Si, la réalisation d’un collage hydrophobe consiste en la mise en contact de surfaces recouvertes majoritairement de liaisons silanes (Si-H) obtenues après traitement à l’acide fluorhydrique (HF). Quelques liaisons de Si-F peuvent aussi exister [Tong and Gösele 1999]. L’énergie d’adhérence (ou de collage), mesurée en atmosphère humide, est alors de l’ordre de 5 à 30 mJ/m² à température ambiante .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. PRESENTATION DU COLLAGE DIRECT
1.1. THEORIE DU COLLAGE DIRECT D’OXYDE DE SILICIUM
1.1.1. Définitions et techniques de collage
1.1.2. Prérequis nécessaires au collage direct
1.1.3. Mécanismes de collage direct d’oxydes de silicium
1.2. COLLAGE DIRECT ET APPLICATIONS INDUSTRIELLES
1.2.1. Réalisation de substrats avancés : le substrat SOI
1.2.2. Réalisation de collage hybride Cu-Oxyde : délai d’interconnexion
1.2.3. Réalisation de MEMS
1.3. CONCLUSIONS
1.4. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 2. LES TECHNIQUES DE CARACTERISATION UTILISEES DANS CETTE ETUDE
2.1. CARACTERISATION DE SURFACE
2.1.1. Ellipsométrie : épaisseur et porosité des films
2.1.2. Microscopie à force atomique (AFM) : microrugosité des surfaces
2.1.3. Mesure d’angle de goutte : mouillabilité des surfaces
2.1.4. Spectroscopie infrarouge en mode transmission : Liaisons chimiques
2.2. CARACTERISATION DES STRUCTURES COLLEES
2.2.1. Spectroscopie infrarouge en mode réflexions internes multiples : Liaisons chimiques
2.2.2. Microscopie acoustique à balayage (SAM)
2.2.3. Mesure de l’énergie de collage par double levier à déplacement imposé (DCB)
2.2.4. Réflectivité des rayons X (XRR)
2.3. RESUME ET CONCLUSION
2.4. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 3. MECANISMES DE COLLAGE DIRECT D’OXYDE DE D’ALUMINIUM AMORPHE
3.1. ETUDES DES COUCHES MINCES D’OXYDE D’ALUMINIUM
3.1.1. Elaboration des couches minces d’alumine déposées
3.1.2. Impact des recuits thermiques
3.1.3. Impact des préparations de surface
3.1.4. Bilan de l’étude de surface
3.2. ETUDES DES COLLAGES DIRECTS AL2O3 : AMORPHE OU CRISTALLIN
3.2.1. Elaboration des structures collées
3.2.2. Mécanisme de collage dans les structures symétriques : Al2O3// Al2O3
3.2.3. Mécanisme de collage dans les structures asymétriques Al2O3//Si
3.3. RESUME ET CONCLUSION
3.4. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 4. MECANISMES DE COLLAGE DIRECT DE NITRURE DE SILICIUM AMORPHE
4.1. ETUDE DES DEPOTS DE NITRURE DE SILICIUM
4.1.1. Elaboration des couches minces de nitrure de silicium déposées
4.1.2. Impact des préparations de surfaces
4.1.3. Impact des recuits thermiques
4.1.4. Bilan de l’étude de surface
4.2. ETUDE DES COLLAGES DE NITRURE DE SILICIUM
4.2.1. Elaboration des structures collées
4.2.2. Mécanisme de collage dans les structures symétriques : SiN//SiN
4.2.3. Mécanisme de collage dans les structures asymétriques : SiN//Si
4.2.4. Extension du modèle à d’autres dépôts SiN : ALD et PECVD
4.3. RESUME ET CONCLUSION
4.4. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 5. MECANISMES DE COLLAGE D’OXYDE DE SILICIUM DOPE AU CARBONE POREUX ET AMORPHE
5.1. ETUDE DES COUCHES MINCES D’OXYDE DE SILICIUM POREUX MODIFIE
5.1.1. Elaboration des couches d’oxyde de silicium poreux modifié déposées
5.1.2. Impact des préparations de surfaces
5.1.3. Impact des recuits thermiques
5.1.4. Bilan de l’étude de surface
5.2. ETUDES DES COLLAGES DIRECTS A-SIOCH3 POREUX
5.2.1. Elaboration des structures collées
5.2.2. Mécanisme de collage dans les structures symétriques : a-SiOCH3//a-SiOCH3
5.2.3. Mécanisme de collage dans les structures asymétriques : a-SiOCH3//Si
5.3. RESUME ET CONCLUSION
5.4. BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION
