Brevet FR2877091A1 — publié le 20060428

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE MESURE DE L'ÉNERGIE D'ADHÉSION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention se rapporte à l'adhérence entre deux surfaces. L'invention concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif permettant de mesurer l'énergie d'adhésion à l'interface, et à son application aux couches assemblées par collage moléculaire. La mesure de l'adhérence d'une couche mince sur un substrat est un problème qui intervient dans un grand nombre de procédés technologiques, et notamment en microélectronique. En général, l'estimation de cette adhérence s'accompagne de la destruction de l'échantillon: les méthodes mises en oeuvre pour mesurer l'énergie d'adhésion sont généralement basées sur des expériences de résistance mécanique à l'arrachement. En particulier, l'adhérence est un critère important pour le collage moléculaire, technique générique qui permet d'assembler des matériaux différents sans apport de matière adhésive extérieure. Cette technique présente de nombreuses applications, par exemple la fabrication de substrats silicium sur isolant (SOI: Silicon On Insulator ) dans lesquels sont assemblées deux plaquettes de silicium, l'une au moins étant oxydée en surface, c'est-à-dire recouverte d'une couche d'oxyde isolant. L'une des plaquettes peut ensuite être amincie, par exemple par fracture après implantation, attaque mécano chimique, etc. La plaque SOI ainsi obtenue est donc composée d'une couche collée sur un support mécanique. Les plaques SOI sont généralement amenées à subir différents traitements successifs, par exemple des recuits, des dépôts, des efforts mécaniques; dans certains cas, la couche est décollée du support pour transfert sur un autre substrat de réalisation d'empilements plus complexes. Il est donc important, pour l'élaboration et l'utilisation de ces produits, de pouvoir contrôler et quantifier l'énergie d'adhésion à différents stades du procédé. La méthode principale utilisée pour mesurer l'énergie d'adhésion dans le cas du collage moléculaire à l'heure actuelle est la méthode dite de la lame un dispositif d'espacement calibré est introduit entre deux plaques adhérant l'une à l'autre, et le décollement induit est mesuré ; ce décollement est d'autant plus grand que l'énergie d'adhésion est faible (Maszara WP et coll. : Bonding of silicon wafers for silicon-oninsulators ; J Appl Phys 1988; 64: 4943-4950). Cette méthode ne s'applique cependant que sur des plaques rigides et ne convient donc pas pour évaluer l'énergie d'une couche amincie sur un substrat. De plus, l'introduction du dispositif d'espacement est considérée comme destructive puisqu'une action mécanique importante est appliquée sur la surface de l'assemblage SOI qui doit être partiellement décollé. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention se propose de pallier les inconvénients mentionnés et de mesurer l'énergie d'adhésion de façon non destructive. En particulier, l'invention concerne la mesure de l'énergie d'adhésion par l'intermédiaire de la détermination du taux de fermeture de l'interface, ou d'une grandeur qui lui est caractéristique, par exemple le déficit en densité électronique à l'interface. Le taux de fermeture est mesuré ici à l'échelle des liaisons atomiques: sa détermination ne s'apparente donc pas au recensement de défauts macroscopiques, comme des bulles , à l'interface. L'invention est notamment adaptée pour mesurer l'adhérence initiée par un collage moléculaire, en particulier sur des substrats microélectroniques. Sous l'un de ses aspects, l'invention se rapporte à un procédé de mesure de l'énergie d'adhésion entre deux surfaces comprenant la détermination du déficit de densité électronique à l'interface. Avantageusement, la détermination du déficit de densité électronique est effectuée par l'intermédiaire de la réflexion de rayons X à faible incidence sur l'interface. Sous un autre aspect, le déficit de densité de longueur de diffusion de neutrons est utilisé. De préférence, l'énergie d'adhésion est dérivée du déficit de densité électronique, du déficit de longueur d'onde de diffusion, ou du taux de fermeture, par l'intermédiaire d'un étalonnage. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en uvre le procédé selon l'invention. Notamment, le dispositif selon l'invention comprend des moyens pour mesurer le taux de fermeture ou une de ses grandeurs caractéristiques, comme le déficit de densité électronique ou le déficit de densité de longueur de diffusion. Avantageusement, les moyens de mesure comprennent des moyens pour extraire cette information d'un graphe représentant le coefficient de réflexion de rayons X par l'interface selon leur angle d'incidence, de préférence faible. Le dispositif peut comprendre des moyens de détection des rayons X et de stockage du coefficient de réflexion ainsi détecté en fonction d'un angle d'incidence variable. Des neutrons peuvent remplacer les rayons X. Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend un profil d'étalonnage de l'énergie d'adhésion en fonction du taux de fermeture ou du déficit de densité électronique ou du déficit de densité longueur de diffusion, et des moyens de comparaison du taux de fermeture ou du déficit de densité déterminé avec le profil. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs. La figure 1 représente un appareillage pour mettre en oeuvre un procédé de mesure selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 2 illustre schématiquement les 5 étapes du procédé de mesure selon un mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Lors d'études sur les mécanismes d'adhésion, la demanderesse a découvert que l'énergie d'adhésion était reliée à la structure de l'interface, c'est-à-dire à la répartition de la matière. En particulier, le taux de fermeture de l'interface, défini comme le rapport entre la surface d'un composé réellement en contact avec un substrat et la surface totale de contact, a pu être relié à l'énergie d'adhésion entre le support et le composé. De façon générale, une interface adhérente est formée d'une alternance de zones collées et de zones non collées. Notamment dans le cas de couches minces assemblées par collage moléculaire, la distance entre les couches au niveau des zones non collées de l'interface peut être extrêmement faible, typiquement de l'ordre du nanomètre. La mise en évidence de la surface qui n'est pas en contact nécessite alors une technique très sensible. Afin de mesurer le taux de fermeture, ou une grandeur qui lui est caractéristique, selon une technique non destructive, il a été trouvé que les rayons X étaient particulièrement adaptés, du fait notamment de leur faible longueur d'onde, typiquement de l'ordre de 0,1 nm. Or, il a déjà été montré que la mesure du coefficient de réflexion de l'interface pour les rayons X selon l'angle d'incidence permet, par un traitement approprié, à savoir la Transformation de Fourier inverse ou une méthode matricielle de l'optique multicouche (décrite par exemple dans l'ouvrage de Born M et Wolf E: Principle of Optics, 6th Edition, 1980, Pergamon Press), de remonter au profil de densité électronique au travers de l'interface, c'est-à-dire au nombre d'électrons par unité de volume mesuré au niveau de l'interface (voir par exemple Bataillou B, Moriceau H, Rieutord F: Direct inversion of interfacial reflectivity data using the Patterson function ; J Appt Cryst 2003; 36: 1352-1355). Or si le taux de fermeture est de 100 c'est-à-dire s'il n'y a pas de zones sans contact, la densité électronique p est identique à celle des matériaux qui sont collés, en particulier à celle psi du silicium pour les plaques SOI de type silicium sur silicium. Parallèlement, si seule une fraction est collée, la densité électronique p au niveau de l'interface ne vaut qu'une fraction de la densité électronique psi du silicium massif: de fait, le profil de densité électronique obtenu présente généralement la forme d'un déficit de densité électronique Ap au niveau de l'interface de collage, déficit d'autant moins marqué que l'adhésion est forte (figure 2B). Le taux de fermeture peut donc être déduit du déficit de densité électronique Ap selon une fonction qui peut être étalonnée en quelques points. Il est possible également d'utiliser des modèles d'adhésion entre surfaces rugueuses pour obtenir la corrélation souhaitée. On peut trouver une description de certains de ces modèles par exemple dans Johnson KL: Contact Mechanics, 1985, Cambridge University Press. La correspondance entre le déficit de densité électronique et l'énergie d'adhésion peut être déduite également d'une courbe maîtresse, ou profil d'échantillonnage. Un appareillage permettant de mettre en oeuvre le procédé de mesure selon l'invention comprend ainsi de façon avantageuse une source 1 de rayons X, un goniomètre 2 et un détecteur 3 tels qu'illustrés sur la figure 1. Un dispositif 4 est connecté au détecteur 3, par exemple un microordinateur, afin de stocker les informations détectées. Avantageusement, le dispositif 4 est couplé à des moyens de programmation afin de mettre en uvre les calculs ou comparaisons selon l'invention pour obtenir les résultats d'énergie d'adhésion E. Un composé 10, par exemple une plaquette SOI comprenant une couche Si 12 et une couche mince Si superficielle 14, est positionné sur le goniomètre 2. L'un des avantages du procédé selon l'invention est qu'il est non destructif, et n'impose aucune préparation spéciale pour le composé 10. L'interface 16 entre le substrat 12 et la couche superficielle 14 est soumise à un rayonnement X émis par la source 1; l'intensité réfléchie par l'interface 16 est mesurée par le détecteur 3, et normalisée par le dispositif 4 selon l'intensité du faisceau direct incident mesurée au cours de l'expérience, afin d'obtenir le coefficient de réflexion R de l'interface 16 pour les rayons X. Grâce au goniomètre 2, l'angle d'incidence 0 peut varier, et le coefficient de réflexion est mesuré en fonction de l'angle d'incidence 0 des rayons émis par la source 1; généralement, des angles d'incidence assez faibles, d'une fraction de degré à quelques degrés, sont balayés. La plupart du temps, le coefficient de réflexion R décroît avec l'angle d'incidence 0, et est souvent représenté en fonction de la composante verticale q du vecteur d'onde transféré (q = 4n/a. sin 0, avec 2 longueur d'onde du rayonnement utilisé) : voir figure 2A. A partir de la courbe du coefficient R en fonction de q, il est possible, tel que mentionné plus haut, de remonter au profil de densité électronique p(z) autour de l'interface et à la densité électronique Ap au niveau de l'interface 16: figure 2B. Comme la densité électronique p est liée à la fraction collée de l'interface, on passe de la densité électronique Ap au niveau de l'interface 16 entre deux couches 12, 14 de densités psi à l'énergie d'adhésion E par une fonction simple. Cette fonction peut être calculée à partir de modèles d'adhésion entre surfaces rugueuses ou simplement étalonnée à partir de quelques points où l'énergie est mesurée par la méthode de la lame . Ainsi, dans la figure 2C, les points représentés sur la courbe correspondent à des séries de mesures, par la technique de Maszara (collage de lames épaisses) décrite dans la référence mentionnée plus haut, de l'énergie d'adhésion sur des interfaces entre silicium/silicium ou silicium/oxyde. Les différentes étapes peuvent être effectuées par le même microordinateur 4, ou un dispositif de détection peut comprendre des moyens distincts pour obtenir et stocker chaque résultat intermédiaire. Le procédé selon l'invention a été validé sur des collages hydrophobes et hydrophiles à différentes températures de recuit et ayant subi des traitements de surface différents destinés à modifier l'énergie d'adhésion. Les résultats ont montré que le procédé donnait des résultats fiables. Compte tenu du degré d'absorption des couches pour le rayonnement, il est préférable que l'épaisseur de la couche supérieure 14 du composé 10 soit inférieure ou égale au micron avec des sources classiques (par exemple anode en cuivre pour le tube de rayon X) et des matériaux comme le silicium. Cette limite peut être augmentée en utilisant par exemple un rayonnement moins absorbé, comme des rayons X durs ou des neutrons, ou des matériaux moins absorbants. En particulier, dans le cas d'un rayonnement de neutrons, le taux de fermeture sera avantageusement déterminé par l'évaluation du déficit de densité de longueur de diffusion, qui est une grandeur caractéristique de l'interaction neutron/noyau. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de l'énergie d'adhésion (E) entre deux couches (12, 14) comprenant des moyens (4) de détermination d'une grandeur caractéristique du taux de fermeture. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la grandeur caractéristique du taux de fermeture est le déficit de densité électronique (Ap) à l'interface (16). 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel les moyens (4) de détermination du déficit de densité électronique (Ap) comprennent des moyens pour extraire la densité électronique (p(z)) à l'interface à partir d'un profil de réflexion (R) des rayons X selon l'angle d'incidence (0) sur l'interface (16). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3 comprenant des moyens (3, 4) pour détecter des rayons X et pour stocker le coefficient de réflexion (R) des rayons X détectés. 5. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la grandeur caractéristique du taux de fermeture est le déficit de densité de longueur de diffusion à l'interface (16). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 comprenant des moyens (4) pour déterminer le taux de fermeture à partir du déficit de densité électronique (Ap). 7. Dispositif selon la revendication 5 comprenant des moyens (4) pour déterminer le taux de fermeture à partir du déficit de longueur de diffusion. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7 comprenant un profil d'étalonnage de l'énergie d'adhésion en fonction du taux de fermeture, et des moyens pour comparer le taux de fermeture déterminé avec le profil d'étalonnage. 15 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant un profil d'étalonnage de l'énergie d'adhésion en fonction de la grandeur caractéristique du taux de fermeture, et des moyens (4) pour comparer cette grandeur détectée avec le profil d'étalonnage. 10. Procédé pour mesurer l'énergie d'adhésion comprenant une étape de détermination du 25 déficit de densité électronique à l'interface. 11. Procédé selon la revendication 10 comprenant une étape de réflexion de rayons X à faible incidence sur l'interface. 12. Procédé pour mesurer l'énergie d'adhésion comprenant une étape de détermination du déficit de densité de longueur d'onde à l'interface. 13. Procédé selon la revendication 12 comprenant une étape de réflexion de neutrons à faible incidence sur l'interface. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 10 à 13 comprenant la comparaison du déficit de densité à l'interface déterminé avec un profil d'étalonnage. 15. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 ou du procédé selon l'une des revendications 10 à 14 pour mesurer l'énergie d'adhésion entre des couches assemblées par collage moléculaire.