Brevet FR2864339A1 — publié le 20050624

DISPOSITIF ET PROCEDE D'OBSERVATION D'UNE INTERFACE DE COLLAGE DOMMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne l'observation de la qualité de l'interface d'assemblage ou de collage de deux substrats ou d'empilements composites. L'assemblage est par exemple obtenu par adhésion moléculaire, ou par scellement eutectique, le collage pouvant par exemple être un collage adhésif ou un collage anodique. Les substrats sont par exemple du type utilisé dans le domaine de la microélectronique, notamment des substrats semi-conducteurs. L'invention trouve des applications dans le domaine des composants ou substrats pour la microélectronique, ou l'optoélectronique ou les MEMS. De manière connue, l'interface de collage ou d'assemblage entre deux éléments ou substrats peut être examiné en transmission optique. Les lampes et caméras utilisées à cette fin fonctionnent en général dans le proche infra-rouge (IR). Ainsi l'interface d'un collage d'un substrat Silicium sur un substrat Silicium, tous deux faiblement dopés, éventuellement avec une couche de collage intermédiaire en SiO2 de faible épaisseur, est examiné par une telle technique. On tire alors profit des propriétés de transparence ou de semitransparence du silicium pour des longueurs d'onde optique situées dans le proche infrarouge (longueur d'onde voisine de un micromètre). Deux tels substrats peuvent présenter des différences dans leurs propriétés optiques, et notamment dans leurs propriétés de transmission de la lumière utilisée. C'est notamment la cas lorsque ce sont des substrats semi-conducteurs qui ont des bandes interdites différentes (exemple: un substrat Si collé sur SiGe, ou sur Ge, ou sur SiC, ou sur GaAs, etc...). Un problème se pose lorsqu'un des substrats collés ou assemblés est peu transparent, ou absorbe la lumière utilisée lors d'une caractérisation optique en transmission. Ainsi, dans le cas du collage Silicium sur Germanium, le matériau Germanium, de faible bande interdite (0,67 eV), bloque la transmission du rayonnement dans le proche infrarouge ainsi d'ailleurs que pour toutes les longueurs d'ondes inférieures à 2 pm. Ce problème se rencontre aussi dès lors qu'un alliage de type SiXGel_x est utilisé, notamment pour x > 40 Selon un autre exemple, lorsqu'un substrat 25 comprend une épitaxie épaisse d'alliage de SiGe, la transmission optique est compromise. Une forte absorption peut avoir d'autres origines que la largeur de la bande interdite. Elle peut être par exemple due à un dopage particulier ou à une compensation par des impuretés, ou à des défauts du cristal. Ainsi, lorsqu'un des substrats de silicium d'un assemblage silicium silicium est fortement dopé, la transparence de ce substrat diminue, le signal lumineux transmis est affaibli et il y a perte de contraste. L'observation en transmission est alors problématique. Un autre problème se pose lorsqu'un des matériaux possède en surface une couche très absorbante ou très réfléchissante, par exemple dans le cas d'un collage métallique. Ainsi une couche de collage en SiO2 épaisse (par exemple de plusieurs micromètres d'épaisseur) cause une absorption importante du signal transmis et ainsi une perte d'imagerie. De même la présence d'une couche enterrée, absorbante dans l'infrarouge, est problématique. Selon un autre exemple lorsque la surface d'un des substrats comporte des couches métalliques (scellement eutectique par exemple) ou des couches fortement dopées, le mode d'observation en transmission devient impossible ou très difficile. Les structures de type SOI (semi-conducteur sur Isolant et notamment silicium sur isolant) font partie des structures concernées par la présente invention. Elles ont un processus d'élaboration qui met en oeuvre une étape de collage par adhésion moléculaire. Par transmission IR à travers la structure collée, on peut visualiser d'éventuels défauts de collage à l'interface considérée. La paire collée est alors éclairée en face arrière par une lumière blanche qui est partiellement absorbée par le silicium. Seule une partie de la radiation correspondant à la fenêtre de transparence du silicium (longueurs d'ondes transmises > 1 pm) est transmise vers la caméra permettant de visualiser cette interface. Mais la fenêtre spectrale de cette caméra filtre à nouveau la lumière transmise pour créer l'image de l'interface. Ainsi, le rayonnement est filtré à la fois par le matériau silicium (transmission au-delà de 1 pm) et par la caméra (limite haute vers 2 pm). Autrement dit, l'imagerie en transmission n'est possible que lorsque les fenêtres de transparence des matériaux observés et celle de la caméra se superposent. Un problème est donc la nécessité du recouvrement, au moins partiel, des fenêtres de transmission de tous les matériaux et de la caméra. D'autres solutions sont connues parmi la microscopie acoustique en transmission, ou la microscopie par rayons X. La première technique est disponible industriellement. Elle permet d'obtenir une meilleure résolution que l'IR mais est longue à mettre en oeuvre (environ plusieurs minutes pour chaque paire collée) et, surtout, nécessite de placer le collage dans un milieu autre que l'air, en général un milieu aqueux. Il se pose donc le problème de trouver un 30 nouveau procédé pour caractériser ou examiner l'interface d'un assemblage de deux éléments tels que des substrats ou des couches. Il se pose aussi le problème de trouver un procédé de caractérisation d'une telle interface dans le cas où l'un des éléments de l'assemblage est peu transparent ou bien dans le cas où l'un des éléments possède une couche très épaisse ou fortement réfléchissante. Un autre problème est de trouver un procédé permettant de caractériser une telle interface lorsqu'un des deux éléments, liés par cette interface, est opaque ou semi-transparent au rayonnement infra-rouge, par exemple dans le domaine sprectral compris entre 0,7 pm et 1 pm. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne un nouveau procédé pour observer ou caractériser une interface, non pas en mode de transmission mais en mode de réflexion, en changeant le trajet optique de la radiation utile. La présente invention propose une solution pour visualiser les interfaces de collage ou d'assemblage entre deux éléments tels que deux substrats ou un substrat et une couche, notamment dans le cas où l'un des éléments est opaque ou partiellement transparent dans un certain domaine spectral, par exemple l'infrarouge. Ces matériaux sont par exemple collés sur un substrat silicium faiblement dopé. L'invention concerne un procédé de caractérisation de l'interface entre un premier élément, tel qu'un substrat ou une couche mince, et un deuxième élément, tel qu'un substrat ou une couche mince, comportant: - éclairer le premier élément avec un rayonnement pour lequel il est au moins partiellement 5 transparent, - détecter le rayonnement réfléchi par l'interface. Dans le cas d'un assemblage silicium sur un substrat absorbant, l'invention met en oeuvre d'une part la transparence optique du silicium et d'autre part, le pouvoir de réflexion du substrat absorbant et/ou de l'interface substrat - silicium. Le deuxième élément ou une ou des couches du deuxième élément, peuvent être au moins partiellement absorbants au rayonnement utilisé. Le procédé selon l'invention ne nécessite pas de recouvrement entre les fenêtres de transmission du deuxième élément et celui de moyens de visualisation, tels qu'une caméra, utilisés pour détecter le rayonnement réfléchi par l'interface. Les deux éléments peuvent être par exemple liés par adhésion moléculaire ou par scellement eutectique ou par collage, ce dernier pouvant notamment être de type adhésif ou anodique ou métallique. Le premier élément et/ou le deuxième élément peut être en silicium. Le deuxième élément peut être en, ou comporter du, Germanium ou du SiGe (siliciure de Germanium) ou du Carbure de silicium (SiC) ou de l'Arséniure de Gallium (GaAs) ou comporter un alliage de type SixGel_X Les deux éléments peuvent former une structure SOI, le deuxième élément comportant par exemple une couche d'oxyde. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES - La figure 1 représente la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. - la figure 2 représente une structure de type SOI, - les figures 3A et 3B représentent des 10 étapes d'un procédé de réalisation d'une structure detype SOI, - la figure 4 est un exemple d'image obtenue en réflexion à travers une couche de matériau sur un substrat. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Un exemple de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 1. Une couche ou un film mince ou un substrat de matériau semi-conducteur 2, par exemple d'épaisseur comprise entre 100 pm et 1 mm, est formée ou reportée sur un substrat 4, par exemple d'epaisseur comprise entre les mêmes valeurs. La liaison 6 entre la couche ou le substrat 2 et le substrat 4 est par exemple une liaison par adhésion moléculaire. L'élément 2 comporte en outre une face 8, dite face avant, et vers laquelle est dirigé un rayonnement 10 produit par une source de rayonnement. Le substrat 2 est au moins partiellement transparent au rayonnement 10, tandis que le susbtrat 4 B 14431.3 PM peut le réfléchir au moins partiellement, sinon complètement. Les deux substrats peuvent donc avoir des propriétés optiques différentes, en particulier des indices optiques différents dans au moins une partie du domaine spectral du rayonnement 10. Le rayonnement 10 est par exemple de la lumière blanche. Une caméra 14 permet de visualiser le rayonnement réfléchi par l'interface 6. L'intensité de ce rayonnement réfléchi est modulé, partiellement ou totalement, lorsque des défauts sont présents à, ou dans, l'interface 6. Ces défauts sont par exemple une absence de collage ou l'existence de particules restées bloquées entre les deux éléments 2, 4. Un bon collage résultera au contraire en une image uniformément brillante ou présentant un fond uniforme brillant. D'une façon générale, chaque matériau peut être caractérisé optiquement afin de déterminer sa fenêtre de transparence vis-à-vis des longueurs d'ondes concernées (par exemple le proche IR) et déterminer ainsi s'il est considéré comme transparent, opaque ou partiellement ou semi- transparent. Les deux éléments 2, 4 peuvent être liés par adhésion moléculaire ou par scellement eutectique ou par collage, ce dernier pouvant être par exemple de type adhésif ou anodique ou métallique. Ainsi une couche métallique 6, utilisée pour un collage métallique, peut même être présente sur un des deux éléments 2 et 4. Une couche sur un des substrats (celui qui n'est pas transparent ou partiellement transparent) peut donc être épaisse (par exemple couche de collage d'épaisseur comprise entre 1 pm et 10 pm) et/ou fortement réfléchissante. Le premier élément 2 est par exemple en silicium. Le deuxième élément 4 est par exemple en silicium, sans dopage ou faiblement ou fortement dopé. Il peut aussi comporter du Germanium ou du SiGe (silicure de Germanium) ou du Carbure de silicium (SiC) ou de l'Arséniure de Gallium (GaAs), ou du InP (phosphure d'indium). Il peut être en un matériau qui bloque le transmission infra-rouge, notamment un matériau semi-conducteur de faible bande interdite, par exemple inférieure à leV ou à 0,7 eV. Il peut aussi être en un matériau dopé ou impur, et dont le dopage ou les impûretés lui conféreraient des propriétés d'absorption de la lumière dans un domaine spectral justement utilisé pour l'examen en transmission, par exemple l'infra-rouge. Comme illustré sur la figure 1, la caméra 14 peut être reliée à des moyens 30 de mémorisation et/ou d'analyse d'images, par exemple un microordinateur programmé à cet effet, et/ou à des moyens 32 de visualisation. Des moyens 30 d'analyse peuvent aussi mettre en oeuvre un programme de comptage des défauts sur chacune des images. Un opérateur peut ainsi examiner un assemblage de deux substrats 2 et 4 provenant d'une 30 unité de production. 20 25 L'invention permet donc une caractérisation de l'interface de chaque assemblage. Il est possible d'examiner, sur une seule image, une plaque entière de semi-conducteur, de 5 diamètre 200 mm ou 300 mm. Il est également possible d'effectuer un agrandissement d'une partie de l'interface d'un assemblage, par exemple effectuant une opération de zoom en approchant la caméra 14 du composant étudié ou en utilisant une optique spécifique comme un microscope. En fait l'invention s'applique aussi à une structure SOI qui comporte typiquement, comme illustré sur la figure 2, une couche 12 de matériau semi- conducteur, dans laquelle peuvent ensuite être formés des composants proprement dits, composants qui seraient opaques à un rayonnement utilisé pour une observation en transmission, et sous laquelle est réalisée une couche 15 enterrée d'oxyde de silicium. Cette dernière constitue une isolation vis-à-vis des courants parasites et des charges provenant de particules ionisées. Elle permet aussi une bonne isolation de composants voisins réalisés dans la même couche 12 de semi-conducteur, et notamment une diminution sensible des capacités parasites entre de tels composants voisins. Elle repose elle-même sur un substrat 13 en silicium, qui joue le rôle de support mécanique. Typiquement, la couche superficielle 12 de silicium a par exemple une épaisseur d'environ 10 nm à 1000 nm ou plus, tandis que la couche d'oxyde 15 a une rr. épaisseur de l'ordre de quelques centaines de nm (par exemple 400 nm) ou plus. L'observation peut alors être réalisée après l'étape de report du substrat 2 ou 12 sur le substrat 4 ou 13 et avant un éventuel traitement ultérieur. Les figures 3A et 3B représentent schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif ou composant SOI pouvant être examiné par un procédé selon l'invention. Dans un premier substrat 40 semi-conducteur (on prendra l'exemple du silicium) est réalisée une couche isolante (on prendra l'exemple de l'oxyde de silicium SiO2) 42 d' épaisseur typiquement de l'ordre de quelques centaines de nm, par exemple comprise entre 100 nm et 500 nm. Cette épaisseur peut aussi atteindre quelques dizaines de milliers de nm et être donc comprise, par exemple, entre 100 nm et 5000 nm. Différentes techniques peuvent être mises en oeuvre pour la réalisation de cette zone isolante, par exemple par dépôt ou traitement thermique. Dans un deuxième substrat semi-conducteur 44 est réalisée une implantation atomique ou ionique, formant une mince couche 46 qui s'étend sensiblement parallèlement à une surface 45 du substrat 44. En fait est ainsi formée une couche ou un plan de fragilisation ou de fracture délimitant dans le volume du substrat 44 une région inférieure 48 destinée à constituer un film mince et une région supérieure 49 constituant la masse du substrat 44. Cette implantation est en général une implantation d'hydrogène, mais peut être aussi faite à 2864339 B 144J_L._ l'aide d'autres espèces, ou encore avec une coimplantation H/He. Les deux substrats 40 et 44 ainsi préparés sont ensuite assemblés par une technique de type "wafer bonding" ou par contact de type adhérent par exemple par adhésion moléculaire ou par collage. On pourra se reporter, en ce qui concerne ces techniques, à l'ouvrage de Q.Y. Tong et U. Gosele Semiconductor Wafer Bonding (Science and Technology), Wiley Interscience Publications. Une partie du substrat 44 est ensuite détachée par un traitement permettant de provoquer une fracture le long du plan de fragilisation 46. Un exemple de cette technique est décrit dans l'article de A.J. AubertonHervé et al. Why can Smart-Cut change the future of microelectronics ? paru dans International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 10, N .1 (2000), p. 131-146. La formation d'un plan de fragilisation peut être obtenue par d'autres méthodes que par l'implantation d'ions. Ainsi, il est aussi possible de réaliser une couche de silicium poreux, comme décrit dans l'article de K. Sataguchi et al. ELTRAN by Splitting Porous Si layers , Proceedings of the 9th International Symposium on Silicon-on-Insulator Tech. and Device, 99-3, The Electrochemical Soweby, Seattle, p. 117-121 (1999). L'invention permet d'examiner les caractéristiques de l'interface 42 formée entre les deux éléments 40, 48. La figure 4 est un exemple d'image obtenue par réflexion à l'interface d'un film de Germanium formé sur un substrat Si/Si02r structure similaire à celle décrite ci-dessus en liaison avec la figure 3B. Sur cette figure 4 on perçoit les zones sombres qui témoignent des défauts à l'interface germanium substrat: un cercle, en bas à gauche de la figure 4, et une zone irrégulière et allongée dans le contour du film, en haut à droite de la figure. REVENDICATIONS 1. Procédé de caractérisation de l'interface entre un premier élément (2, 12), tel qu'un substrat ou une couche mince, et un deuxième élément (4, 14), tel qu'un substrat ou une couche mince, comportant: - éclairer le premier élément avec un rayonnement (10) pour lequel il est au moins 10 partiellement transparent, - détecter le rayonnement réfléchi par l'interface. 2. Procédé selon la revendication 1, le deuxième élément (4, 14) étant partiellement absorbant au rayonnement avec lequel le premier élément est éclairé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, 20 les deux éléments étant liés par adhésion moléculaire ou par scellement eutectique ou par collage. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, les deux éléments étant liés par collage adhésif ou par 25 collage anodique ou par collage métallique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, le premier élément (2, 12) étant en silicium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, le deuxième élément (4, 14) étant en silicium. i1 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le deuxième élément comportant du Germanium ou du SiGe (siliciure de Germanium) ou du Carbure de silicium (SiC) ou de l'Arséniure de Gallium (GaAs) ou du phosphure d'indium (InP). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, les deux éléments formant une structure SOI. 9. Procédé selon la revendication 8, le deuxième élément comportant une couche d'oxyde (15). 10. Procédé selon l'une des revendications 15 1 à 9, le rayonnement (10) utilisé étant de la lumière blanche. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, comportant en outre une étape de comptage de 20 défauts de l'interface.