Brevet FR2837733A1 — publié le 20031003

trouquces La présente invention concerne un procédé d'ablation d'une couche de couverture recouvrant initialement une surface à mettre à nu formée dans un matériau différent de ladite couche de couverture. L'analyse et le test des circuits intégrés à l'aide de moyens d'observa tion optique nécessitent l'accès au c_ur même du composant, c'est-à-dire au substrat semi-conducteur dans lequel est formé le circuit proprement dit. Ce substrat est noyé dans un botier isolant généralement réalisé en matière plastique. L'accès au substrat semi-conducteur nécessite donc une étape de préparation du circuit intagré au cours de laquelle une paroi du bo- tier contenant le substrat semi-conducteur est retirce pour mettre à nu la surface extérieure du substrat semi-conducteur. Parmi les techniques actuellement utilisées, figure l'usinage mécani que du bo^'tier. Cet usinage est réalisé à l'aide d'une polisseuse, d'une meu leuse ou/et d'une rectifieuse. Une telle technique mécanique est difficile à mettre en _uvre et né cessite généralement un haut dogré de compétence, le substrat semi conducteur ne devant être endommagé ni mécaniquement ni thermique ment. On conna^t également des techniques chimiques. Toutefois, ces techniques sont limitées à des géométries de bo^'tiers o la taille du circuit intégré est très petite devant celle du bo^ttier. De plus, ces techniques néces sitent de choisir un agent d'attaque chimique adapté à chaque type de cou che de couverture dont l'ablation est souhaitée. L'invention a pour but de proposer un procédé ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus et qui, en particulier, soit commode à mettre en _uvre et sans risque pour la surface devant être mise à nu. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé d'ablation d'une couche de couverture recouvrant initialement une surface à mettre à nu formée dans un matériau différent de la couche de couverture, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de balayage de la couche de couverture avec un fais ceau laser ayant une énergie comprise entre 1,uJ et 1000mJ, une durée d'impuision comprise entre 10 fs et 500 fs et une iongueur d'ondes comprise entre 200 nm et 1600 nm. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - il comporte une succession d'étapes de: balayage de la couche de couverture avec ledit faisccau laser; et 5. examen de ladite couche de couverture résiduelle après balayage. - ladite surface à mettre à nu est une surface d'un substrat semi conducteur d'un circuit intégré et ladite couche de couverture est une paroi d'un bo^tier contenant ledit substrat semi-conducteur; - I'énergie du faisceau laser est comprise entre 200,uJ et 1000 uJ, le diamètre du faisceau est compris entre 10 m et 100,um, la durée des im puisions est comprise entre 50 fs et 500 fs, et la fréquence des impuisions est comprise entre 0,1 kHz et 10 kHz; - I'énergie du faisccau laser est comprise entre 800 J et 1000,uJ, le diamètre du faisceau est compris entre 40 m et 60 m, la durée des impul sions est comprise entre 75 fs et 125 fs, et la fréquence des impuisions est supérieure à 1 kHz; - le diamètre du faisceau est augmenté, au moins lors de l'étape finale de balayage, pour être compris entre 80 m et 100 IJm; - I'énergie du faisceau est diminuée, au- moins lors de l'étape finale de balayage, pour être compris entre 200 IJJ et 400 J; - ladite surface à mettre à nu est une surface d'une _uvre d'art et la dite couche de couverture est un voile de salissure formé sur ladite surface de l'_uvre d'art; - I'énergie du faisceau laser est comprise entre l,uJ et lOO,uJ, ie diamètre du faisceau est compris entre 10,um et 100 m, la durée des im puisions est comprise entre 50 fs et 500 fs, et la fréquence des impulsions est comprise entre 0,1 kHz et 10 kHz; et - lénergie du faisceau laser est comprise entre l,uJ et 5 J, le diamè tre du faisceau laser est compris entre 80,um et 100,um, la durée des impul sions est comprise entre 50 fs et 150 fs, et la fréquence des impuisions est comprise entre 5 kHZ et 10 kHz. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux des sins sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une installation d'ablation d'une couche de couverture recouvrant une surtace à mettre à nu selon l'in vention; - la figure 2 est une vue schématique illustrant le déplacement du faisceau laser; - la figure 3 est une vue en perspective d'un circuit intégré en cours de traitement; et - la figure 4 est une vue en perspective d'un tableau en cours de trai tement. L'installation 10 illustrée sur la figure 1 est destinée à permettre l'abla tion optique d'une couche de couverture recouvrant initialement une surface à mettre à nu, cette surface étant formoe dans un matériau différent de la couche de couverture. Par exemple, cette installation est destinée à l'ablation partielle ou totale d'une paroi en matière plastique d'un bo^tier de circuit intégré dans lequel est noyé un substrat semi-conducteur. La surface à mettre à nu est alors celle du substrat semi-conducteur. L'installation permet également le retrait d'un voile de salissure, no tamment d'un voile d'oxyde recouvrant les plages visibles d'une _uvre d'art telles que les faces taillées d'une sculpture et les plages peintes d'un ta bleau. L'installation 10 de la figure 1 comporte une source laser 12 consti tuant un laser femto-seconde. Un tel laser est adapté pour produire un fais ceau laser 14 dont l'énergie est comprise entre 1 J et 1000 mJ. La durce des impuisions est comprise entre 10 et 500 fs (femto secondes). La longueur d'ondes du faisccau est de préférence comprise entre 200 nm et 1600 nm. Le taux de répétition des impuisions est variable depuis une impuision unique jusqu'à une fréquence de plusieurs kilohertz. Le laser 12 est disposé en regard d'une platine 15 de support de l'échantillon à traiter, cet échantillon étant noté M. ( La platine de support 15 est adaptée pour un déplacement de l'échan tillon M suivant trois directions du plan perpendiculaire au faisceau laser, ainsi que pour assurer l'éloignement et le rapprochement de l'échantillon par è rapport au laser femto-seconde 12. Cette platine de support est par exemple une platine motorisée autorisant le déplacement suivant cinq axes. Le dé placement de la platine suivant les trois directions du plan perpendiculaire au faisceau laser s'effectue à une vitesse lente comprise entre 1,um/s et 1 mmis. En sortie du laser femto-seconde 12 est disposé un dispositif 16 de déplacement rapide du faisceau laser. Ce dispositif 16 est constitué par exemple d'une tête à déflection optique connue en soi. Le dispositif 16 de déplacement rapide du faisceau est adapté pour un déplacement rapide du point d'impact du faisceau sur l'échantillon. La vitesse de déplacement de ce point est de préférence comprise entre 1 mm/s et 1 m/s. En aval du dispositif de déplacement 16 est disposé un système opti que d'imagerie 18 adapté pour s'affranchir de l'évolution spatiale de la distri bution d'intensité du faisceau au cours de sa propagation. Le système optique comporte par exemple une lentille de focalisation à correction de champ eVou des optiques diffractives pour une mise en forme spatiale de la distribution d'intensité dans le plan d'usinage. De plus, pour l'alignement du faisceau laser 14, un iaser continu de faible intensité émettant dans le visible, tel qu'un laser He-Ne, est avanta geusement mis en _uvre. En outre, I'installation comporte un dispositif 20 de suivi de l'ablation. Ce dispositif comporte une caméra CCD à grossissement variable 22 et un dispositif d'interférométrie laser 24. Ces deux dispositifs sont montés dans l'axe optique de l'installation à l'aide d'un miroir semiréfléchissant 26 disposé entre le système optique 18 et l'échantillon M à traiter. Par ailleurs, un système 28 d'aspiration des éléments de la couche de couverture dégagée de la surface à mettre à nu est disposé en regard de l'échantiilon M. Celui-ci comporte une hotte d'aspiration 30 permettant le passage du faisceau laser 14 et des moyens d'aspiration 32 reliés à la hotte. Enfin, une unité centrale de pilotage 40 est reliée, d'une part, au dis positif de suivi de l'ablation 20 pour le recueil des informations concernant l'ablation en cours, et, d'autre part, au laser femto-seconde 12, au dispositif 16 de déplacement du faisceau et à la platine de support 15 pour assurer leurs commandes en fonction des informations reçues du dispositif de suivi de l'ablation 20. Le fonctionnement de l'installation est le suivant. L'échantillon comportant la couche de couverture à retirer est solidari sé à la platine de support 15 avec sa surface à mettre à nu, perpendiculaire à l'axe optique de l'installation. Comme illustré sur la figure 2, le faisceau laser 14 effectue un ba layage de la surface à mettre à nu en suivant un parcours 42 en boustro phédon. Le déplacement relatif entre le faisccau laser 14 et la surface à mettre à nu est assuré par la commande du dispositif de déplacement du faisceau 16 avantageusement combiné avec la commande du déplacement simultané de la platine de support 15 à partir de l'unité centrale de pilotage 40. Suivant un premier mode de mise en _uvre, la platine de support 15 est fixe et seul le déplacement du faisceau laser, sous l'action du dispositif de déplacement 16, est assuré. Ce déplacement est effectué suivant un par cours en boustrophadon globalement suivant une première direction illustrée sur la figure 2 puis par un second parcours en boustrophédon réalisé globa lement suivant une direction perpendiculaire à celle du premier parcours. Suivant un deuxième mode de mise en _uvre, et afin d'obtenir une meilleure uniformité de la surface traitée, le déplacement du faisccau laser, sous l'action du dispositif de déplacement 16 indiqué précédemment, est complété par le déplacement simultané de la platine de support 15 à une vitesse lente comprise entre 1,um/s et 1 mm/s. Le déplacement de la platine s'effectue de manière rectiligne suivant une direction perpendiculaire à la direction générale de déplacement du faisccau laser lors de son parcours en boustrophédon. Le parcours 42 et la vitesse de déplacement du faisceau laser, ainsi que le trajet et la vitesse de déplacement de la platine de support 15 sont définis pour optimiser le recouvrement de chaque impuision laser, I'homo généité du traitement et pour obtenir la surface usinée la plus lisse possible. -Ces paramètres sont définis notamment en fonction de la géométrie et de la nature de la couche de couverture, ainsi que du matériau formant la surface àmettreànu. Le balayage par le faisceau laser provoque l'ablation progressive de la couche de couverture. La forte intensité des impuisions laser, qui est supérieure à 1.1042 W/cm2 après focalisation, permet que l'ablation soit indépendante de ia lon gueur d'onde et des bandes d'absorption du matériau. Les seuils et les vitesses d'ablation des matériaux constituant la cou che de couverture et le substrat délimitant la surface à mettre à nu étant dif férents, les paramètres du faisceau laser sont avantageusement définis, de sorte que le balayage par le faisceau laser provoque l'ablation du matématé riau constituant la couche de couverture sans affecter notablement le maté - riau définissant la surface à mettre à nu. Le processus d'ablation d'un matériau par un laser femto-seconde est le suivant. Le "chauffage" des électrons par absorption multiphonique fait appel à un processus de type Bremsstrablung inverse. Les premiers électrons éjec tés transmettent leur énergie aux électrons du réseau d'atomes par choc et provoquent une avalanche d'ionisation, laquelle est suivie d'une exquision de matière. Même si la température électronique dans le panache peut at teindre plusieurs milliers de Kelvin, les effets thermiques colatéraux sont ab sents, de sorte que le procédé peut être qualifié de procédé d'usinage athermique. En effet, la durce de l'interaction entre le faisceau et la matière est si brève que la chaleur n'a pas le temps de diffuser en deNors du volume irradié. La zone affectée thermiquement et la zone fondue existent mais el les sont considérablement réduites par rapport à une impuision longue. L'onde acoustique dans le matériau provient ici uniquement de l'impuision mécanique en rénction au départ de matière. Le stress thermique est donc considéré comme étant absent. Des exemples seront donnés en regard des figures 3 et 4. A l'issue de chaque balayage complet de la surface à mettre à nu, le dispositif de suivi de l'ablation 20 procède à une analyse de la région traitée. Cette analyse s'effectue à partir de l'aspect visuel de la zone à traiter, obte nue à partir de la caméra CDD 22 et de la profondeur d'ablation mesurée avec l'interféromètre laser 24. A partir des informations de suivi ainsi recueil lies, I'unité centrale de pilotage 40 commande une nouvelle phase de ba layage de la couche de couverture résiduelle avec le faisccau laser. Ainsi, le procédé selon l'invention comporte une succession d'étapes de balayage de la couche avec le faisceau laser et d'examen de la couche lO de couverture résiduelle obtenue après balayage. Au cours de la successions des étapes de balayage de la couche de couverture à retirer avec le faisceau laser, la fluence est modifise entre les balayages initiaux de la couche et les balayages finaux. La fluence est défi nie comme étant l'énergie par unité de surface pour une impuision. En parti culier, la fluence est optimisée de manière à rendre maximale le taux d'abla tion lors des balayages initiaux puis de rébuire le taux d'ablation lors des balayages finaux. A l'approche de la surface à mettre à nu, la fluence est diminuce de manière à mettre à jour cette surface sans la détériorer. Sur la figure 3 est illustré un circuit intégré 50 en cours de traitement par un faisceau laser 14. Dans le cas de l'ablation d'une paroi 54 d'un bo^tier contenant un substrat semi-conducteur 52 afin de mettre à nu une surface 56 depuis laquelle le circuit est visible, I'installation fonctionne avantageu sement dans les plages de paramètres suivants. Suivant un premier mode de mise en _uvre, I'énergie du faisceau la ser est égale à 600,uJ. Si le bo^'tier est en matière plastique ou en céramique, le diamètre de faisccau est de 50 m. Ce diamètre est égai au diamètre du point lumineux ("spot", en anglais) produit par le faisceau, lorsqu'il rencontre une surface. La durée des impuisions est de 100 fs avec un taux de répétition, c'est-à-dire une fréquence des impuisions, égal à 1 kHz. Dans de telles conditions, ia fluence est de 30 J/cm2, la puissance crête est de 6 GW et ia densité de puissance est de 300 TW/cm2 (TW = té rawatt), c'est-à-dire 300.1 oi2 W/cm2. La surface est balayée par le faisceau à une vitesse de 200 mm/s lors du parcours en boustrophédon. Les lignes parallèles de ce parcours sont espacoes de 20,um. De plus, lors du balayage, la platine de support 15 est déplacoe à une vitesse de 50 m/s perpendiculairement à la direction glo bale de déplacement du faisceau laser sur son parcours en boustrophédon. Ainsi, le taux d'ablation est alors de 5.107 m3/s pour la matière plas tique et de 8106 m3/s pour la céramique. On constate, qu'à chaque impul sion, une épaisseur de 25 m de matière plastique ou une épaisseur de 1,5 jum de céramique est retirée. Au contraire, pour le siliclum, constituant le substrat semi-conducteur, un taux d'ablation de 5.104 um3/s est obtenu. On constate, qu'à chaque im puision, une épaisseur de 0,025 um de silicium est retirée. Ainsi, dans les mêmes conditions, I'épaisseur de silicium retirée est 1000 fois plus petite que l'épaisseur de matière plastique retirée et 60 fois plus petite que l'épaisseur de céramique. Ainsi, une très grande disparité existe entre les effets du faisceau la ser sur la couche de couverture devant être retirée (en matière plastique ou en céramique) et sur le matériau définissant la surface à mettre à nu (sili cium). En conséquence, quelques impuisions peuvent être appliquses sur le siliclum de la puce sans conséquence pour l'intégrité de la surface à mettre à nu puisque la vitesse d'ablation du silicium est très faible par rapport à la vitesse d'ablation de la couche de couverture et il n'y a pas d'échauffement significatif du silicium. Plus généralement, pour l'ablation d'une paroi d'un bo^'tier contenant un substrat semi-conducteur, les paramètres suivants conviennent. L'énergie du faisceau laser est avantageusement comprise entre J et 1000,uJ et, de préférence, entre 800,uJ et 1000,uJ. Le diamètre du faisceau ou du point iumineux obtenu ("spot", en an glais) est avantageusement compris entre 10,um et 100 m et, de préfé rence, compris entre 40,um et 60,um au cours de l'essentiel de la durée de l'ablation. Le diamètre est augmenté en fin d'ablation pour être compris entre lim et 100 m. En variante, I'énergie du faisceau est diminuée en fin d'ablation pour être comprise entre 200 J et 400 J. Plus précisément, I'énergie du faisceau laser est amence à varier en tre 200 J et lOOO uJ, le diamètre du faisceau variant entre 10,um et um. En début d'usinage, la fluence est maximale. Ainsi, I'énergie du faisceau est comprise de préférence entre 800 uJ et 1000 J et le diamètre du spot est compris entre 40,um et 60,um. En fin d'usinage, la fluence est rébuite, soit par maintien de l'énergie du faisceau constante et augmentation du diamètre du spot Jusqu'à un dia mètre compris entre 80 um et lOO m, soit par maintien du diamètre du fais ceau entre 40 um et 60,um et réduction de l'énergie du faisccau à une va l O leur comprise entre 200 uJ et 400 J. La durée des impuisions est avantageusement comprise entre 50 fs et 500 fs et, de préférence, comprise entre 75 fs et 125 fs. Le taux de répétition, c'est-à-dire la fréquence des impulsions, est avantageusement compris entre 0,1 kHz et 10 kHz et est. de préférence, supérieur à 1 kHz. Sur la figure 4 est illustré un autre exemple d'application du procédé selon l'invention. Dans ce cas, le faisceau laser 14 est utilisé pour retirer un voile de salissure superficiel 60 formé à la surface 62 d'une _uvre d'art, celle-ci étant constituce par exemple d'un tableau 64. Pour une telle application, le procédé est avantageusement mis en _uvre avec les paramètres qui suivent. L'énergie du faisceau laser est compris entre 1 J et 100 J et est. de préférence, faible et notamment comprise entre 1 J et 5 pJ. Le diamètre du spot est compris entre 10 IJm et 100 m et est. de pré férence, proche de l OO um. La durée des impulsions est comprise entre 50 fs et 500 fs et est. de préférence, proche de 100 fs. Le taux de répétition des impuisions est compris entre 0,1 kHz et kHz et est. de préférence, proche de 10 kHz. Afin d'éviter les éventuelles modifications des couleurs du tableau, la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 300 nm et 1500 nm et est. de préférence, supérieure à 1000 nm. Des essais ont été réalisés pour le nettoyage de sculptures en cal caire et en plâtre, ainsi que sur des dessins réalisés sur papier. Pour l'enlèvement des salissures sur le plâtre et le calcaire, un ba layage a été effectué avec un faisceau laser ayant une énergie de 5 J, une vitesse de balayage de la surface de 90 mm/s, une durce d'impulsions de fs pour un taux de répétition de 1 kHz et un diamètre de faisceau de 1 00,um. On constate expérimentalement qu'il ne se produit aucune ablation du substrat, la fluence du faisceau étant sous le seuil de fluence du plâtre et du l 0 calcaire. On constate qu'après ablation de la couche de salissure, le substrat constitué de calcaire ou de plâtre n'a subi aucun jaunissement, contraire ment à ce qu i se prod u it, lors de l'utilisation d'u n laser YAG. Pour le nettoyage de dessins sur papier, la vitesse de balayage a été choisie égale à 200 mm/s. Les autres paramètres sont les mêmes que pré cédemment. Lors de ce test, on constate que le papier ne subit aucun jau nissement lors du nettoyage. L'utilisation d'un laser femto-seconde pour l'ablation d'une couche de couverture recouvrant initialement une face à mettre à nu permet d'éviter tout échauffement excessif et excès de contraintes mécaniques sur la sur face à mettre à nu. Ainsi, lorsqu'il s'agit d'un circuit électronique ou d'une _uvre d'art, ceux-ci ne sont pas détériorés. Dans l'installation décrite, le dispositif 20 de suivi de l'ablation est constitué d'une caméra CCD. Pour l'évolution de l'ablation du suivi, ce dis positif peut observer soit directement la surface cible balayée par le fais ceau, soit procéder à une observation de la taille du panache résultant du déplacement du faisceau et déterminer la quantité de matière retirée, cette quantité étant liée à la taille du panache. En variante, le dispositif de suivi de l'ablation comporte des moyens d'observation spectroscopique permettant de déterminer la couleur et la composition du panache obtenu lors du déplacement du faisceau et ainsi déterminer la quantité de matière retirce. Suivant encore une autre variante, le dispositif d'ablation comporte des moyens de mesure acoustique, permet tant de déterminer l'amplitude de lions de choc et ainsi déterminer la quan- tité de matière retirée et done la vitesse d'ablation du matériau. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'ablation d'une couche de couverture (54; 60) recou vrant initialement une surface (56; 62) à mettre à nu formée dans un maté riau différent de la couche de couverture (54; 60), caractérisé en ce qu'il comporte une étape de balayage de la couche de couverture (54; 60) avec un faisceau laser (14) ayant une énergie comprise entre 1 J et 1000mJ, une durée d'impulsion comprise entre 10 fs et 500 fs et une longueur d'on des comprise entre 200 nm et 1600 nm. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une succession d'étapes de: - balayage de la couche de couverture (54; 60) avec ledit faisceau laser (14); et - examen de ladite couche de couverture résiduelle après balayage. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite surface à mettre à nu est une surface (56) d'un substrat semi-conducteur (52) d'un circuit intégré (50) et ladite couche de couverture est une paroi (54) d'un bo^tier contenant ledit substrat semi-conducteur (52). 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'énergie du faisceau laser est comprise entre 200,uJ et 1000 J, le diamètre du fais ceau est compris entre 10,um et 100 m, la durée des impulsions est com prise entre 50 fs et 500 fs, et la fréquence des impuisions est comprise entre 0,1 kHz et 10 kHz. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie du faisceau laser est comprise entre 800 J et 1000,uJ, le diamètre du fais ceau est compris entre 40 m et 60 um, la durée des impuisions est com prise entre 75 fs et 125 fs, et la fréquence des impulsions est supérieure à 1 kHz. 6.- Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que le diamètre du faisceau est augmenté, au moins lors de l'étape finale de ba layage, pour être compris entre 80,um et 100 m. 7.- Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que l'énergie du faisceau est diminuée, au moins lors de l'étape finale de ba layage, pour être compris entre 200,uJ et 400 J. 8.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite surface à mettre à nu est une surface (62) d'une _uvre d'art (64) et ladite couche de couverture est un voile de salissure (60) formé sur ladite surface (62) de l'_uvre d'art. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'énergie du faisceau laser est comprise entre 1 J et 100 J, le diamètre du faisceau est compris entre 10 m et 100,um, la durée des impuisions est comprise entre 50 fs et 500 fs, et la fréquence des impulsions est comprise entre 0,1 kHz et 10 kHz. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'énergie du faisceau laser est comprise entre l J et 5,uJ, le diamètre du faisceau laser est compris entre 80,um et 100,um, la durée des impuisions est com prise entre 50 fs et 150 fs, et la fréquence des impuisions est comprise entre