Brevet FR2965974A1 — publié le 20120413

Domaine de l'invention Le domaine de la présente invention est celui des structures de silicium sur verre (SiOG, pour « Silicon-On-Glass »). Plus précisément, l'invention concerne un procédé amélioré pour réaliser cette structure. Contexte de l'invention La technologie du silicium sur isolant (SOI, pour « Silicon-On-Insulator ») est de plus en plus importante pour obtenir des transistors à couches minces, des cellules solaires, etc. très performants. Les tranches semi-conductrices (appelées « wafers ») de SOI consistent en une fine couche de silicium sensiblement monocristallin (généralement inférieure à un micron) sur un matériau isolant. Diverses structures et diverses manières d'obtenir ces wafers sont connues. Généralement, les structures utilisées sont formées par une couche mince de silicium collée à un autre wafer de silicium avec une couche isolante d'oxyde entre elles. Du fait de son épaisseur assez importante, en particulier comparée aux autres parties, une fraction majeure du coût de ces structures était le coût du substrat en silicium qui supporte la couche d'oxyde, recouverte par la mince couche de silicium. Ainsi, pour diminuer le coût des structures SOI, l'utilisation d'un substrat support réalisé en des matériaux moins coûteux que le silicium a été tentée, en particulier le verre ou les vitrocéramiques. Les structures SOI utilisant ces substrats à base de verre sont appelées structures SiOG, comme déjà mentionné. Des processus pour réaliser une structure SiOG sont décrits, par exemple, dans le brevet US n° 7 176 528. Un tel processus est représenté par la figure 1. Des espèces ioniques telles que l'hydrogène sont implantées dans un substrat source lb, généralement réalisé en silicium. L'implantation mène à la création d'une zone 7 affaiblie enfouie. En outre, le substrat source lb est collé à un substrat support à base de verre la et ensuite séparé en divisant le substrat source lb à une profondeur correspondant à la profondeur de pénétration des espèces implantées. De cette manière, sont produits une structure SiOG contenant le substrat support à base de verre la d'origine et une couche 8 du substrat source lb, et un substrat délamifié restant qui est une partie de l'ancien substrat source lb. Cependant, il n'est pas simple de remplacer un substrat support SOI classique par un substrat support à base de verre. Un problème potentiel lié au SiOG est que le substrat support à base de verre la contient généralement des métaux (en particulier des alcalis) et d'autres composants qui peuvent être nuisibles pour le silicium ou pour d'autres matériaux semi-conducteurs de la couche 8 du substrat source lb. Par conséquent, une couche protectrice est généralement nécessaire entre le substrat support à base de verre la et le substrat source 1b. De plus, cette couche protectrice peut faciliter l'adhérence entre la couche de silicium 8 et le substrat support à base de verre 1a en rendant la surface de collage de la couche de silicium 8 hydrophile. A cet égard, une couche de SiO2 peut être utilisée en tant que couche protectrice pour obtenir des conditions de surface hydrophile entre le substrat support à base de verre la et la couche de silicium 8. Une couche de SiO2 native peut être directement formée sur un substrat source en silicium 1b en l'exposant à l'atmosphère avant le collage. Alternativement, lorsqu'un collage anodique est utilisé, le processus de collage anodique produit « in situ » une couche de SiO2 entre le substrat source en silicium lb et le substrat support à base de verre la. Autrement, une couche de SiO2 peut être déposée ou développée activement sur le substrat source 1b avant le collage. Le brevet US 7 176 528 présente un autre type de couche protectrice qui peut être réalisée par un processus de collage anodique, cette couche protectrice étant une couche supérieure modifiée de verre du substrat support à base de verre 1a avec un niveau réduit d'ions. Le collage anodique présenté élimine sensiblement d'une couche supérieure d'épaisseur environ 100 nm du substrat à base de verre les constituants alcalins et alcalino-terreux du verre, et les autres ions modificateurs positifs qui sont nuisibles pour le silicium. Un collage moléculaire est ensuite habituellement réalisé en mettant les deux surfaces des substrats en quasi-contact. Une pression est appliquée aux substrats au moyen d'un piston mécanique afin de rapprocher localement les deux surfaces à une distance nanométrique. Dans le cas d'un collage hydrophile, cela conduit à l'établissement de collages hydrogène entre les molécules d'eau adsorbées au niveau des deux surfaces hydrophiles. Avec l'établissement progressif de collages hydrogène aux bords de la zone déjà collée, la zone collée augmente graduellement. Une onde de collage se propage ainsi jusqu'à ce qu'elle atteigne le bord d'au moins l'un des substrats. Toute perturbation de la propagation de l'onde de collage ou de la fermeture de l'onde de collage au bord d'un substrat peut conduire au piégeage d'une bulle d'air 9. Ces bulles d'air 9 empêchent localement le collage des substrats, ce qui crée des trous dans la couche 8 séparée du substrat source lb et collée au substrat support à base de verre 1a, comme représenté sur la figure 2. Il existe, par conséquent, un besoin pour un procédé pour coller les deux substrats qui évite que des bulles soient piégées pendant le collage moléculaire. Résumé de l'invention L'objet de la présente invention consiste à proposer des substrats de haute qualité en silicium et verre collés exempts de bulle. De plus, la présente invention a également pour objet de réaliser un collage efficace de séries de substrats, afin d'accélérer les processus industriels et de réduire les coûts. A ces fins, la présente invention propose un procédé pour coller un premier substrat comportant une première surface à un deuxième substrat comportant une deuxième surface, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - maintenir le premier substrat par au moins deux points de support, - positionner le premier substrat et le deuxième substrat de sorte que la première surface et la 35 deuxième surface soient l'une en face de l'autre, - déformer le premier substrat en appliquant, entre au moins un point de pression et les deux points de support, une contrainte dirigée vers le deuxième substrat, - amener la première surface déformée et la deuxième surface en contact, - relâcher progressivement la contrainte. Les caractéristiques préférées mais non limitatives de la présente invention sont comme suit : . l'aire de l'enveloppe convexe formée par l'ensemble des points de pression est nulle et l'aire de l'enveloppe convexe formée par l'ensemble des points de support et de pression n'est pas nulle ; . le premier substrat est maintenu par des 15 ventouses placées au niveau des points de support ; . chaque ventouse est reliée à un bras télescopique ; . le deuxième substrat est placé sur un support comprenant au moins deux éléments d'espacement 20 respectivement de chaque côté du deuxième substrat, lesdits éléments d'espacement étant plus hauts que l'épaisseur du deuxième substrat ; . le premier substrat est maintenu en reposant sur les éléments d'espacement, les points de support étant 25 des points de contact entre les éléments d'espacement et le premier substrat ; . le support comprend au moins une ventouse maintenant le deuxième substrat ; . la contrainte est appliquée par au moins une 30 tige de piston ; . le premier substrat est une feuille de verre, et dans lequel le deuxième substrat est une tuile de silicium ; . le premier substrat est collé séquentiellement à 35 une pluralité de deuxièmes substrats en appliquant une contrainte au premier substrat pour chaque deuxième substrat ; . ladite au moins une tige de piston est montée sur un dispositif mobile et applique séquentiellement chaque contrainte au premier substrat ; . le premier substrat est collé simultanément à une pluralité de deuxièmes substrats en déformant le premier substrat entier. 10 Brève description des dessins Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus et d'autres de la présente invention seront évidents dans la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation illustratif de celle-ci, qui doit 15 être lue en relation avec les dessins joints, sur lesquels : - la figure 1 décrite précédemment représente les étapes d'un processus connu pour réaliser des structures SiOG ; 20 - la figure 2 décrite précédemment est une vue transversale d'un détail d'un défaut causé par la présence d'une bulle dans une structure SOI ; - la figure 3 représente une onde de propagation de collage pendant une collage moléculaire ; 25 - la figure 4 représente un mode de réalisation d'une étape de maintien d'un substrat dans un processus selon l'invention ; - les figures 5a à 5e représentent un autre mode de réalisation d'une étape de maintien d'un substrat 30 dans un processus selon l'invention ; - les figures 6a à 6d représentent les étapes successives d'un mode de réalisation d'un processus selon l'invention ; - les figures 7a à 7b sont des vues de dessus 35 d'autres dispositions possibles de substrats sur un support dans un mode de réalisation d'un processus selon l'invention ; - les figures 8a à 8f représentent les étapes successives d'un autre mode de réalisation d'un 5 processus selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré Avec référence aux dessins, un procédé selon un 10 mode de réalisation possible de l'invention va maintenant être décrit. Pour éviter le piégeage de bulles, la seule solution est de contrôler soigneusement la propagation de l'onde de collage, telle que représentée sur la 15 figure 3. En effet, le front d'onde de collage est la courbe délimitant à un instant donné la zone déjà collée (c'est-à-dire, déjà parcourue par l'onde de collage), et s'étendant vers les zones non liées par attraction moléculaire. Une bulle est piégée si deux 20 points distincts de cette courbe se joignent, entourant de ce fait une zone non liée. Etant donné que l'air ne peut pas s'échapper d'une telle zone entourée non liée, le front d'onde de collage s'arrête. Ainsi, à tout moment, le front d'onde de collage doit être continu. 25 Dans le cas représenté, la collage commence par un contact au point Pl. Ensuite, le front d'onde de collage s'étend radialement : L(tl), L(t2) et L(t3) représentent la position du front d'onde de collage à trois instants tl Un premier mode de réalisation est représenté sur la figure 4. Dans ce mode de réalisation avantageux, le premier substrat la est maintenu en quatre points de support S1, S2, S3 et S4 par un système sous vide, une ventouse 3 étant placée au niveau de chaque point de support. Le premier substrat la est ensuite positionné à quelques dixièmes de millimètres au-dessus du deuxième substrat. Les figures 5a à 5c montrent d'autres géométries pour les points de support et de pression qui permettent le lancement de la propagation de l'onde de collage à différents emplacements. Deux points de support seulement sont nécessaires. L'invention n'est pas limitée à l'une quelconque de ces géométries, et un homme du métier saurait comment placer les points de support et de pression en fonction de la forme et du matériau du premier substrat la. La géométrie des points de support et de pression peut, par exemple, respecter deux conditions : - Au moins deux points de support S1 et S2 doivent être non alignés avec au moins un point de pression P1. Autrement dit, l'enveloppe convexe formée par l'ensemble des points de support et de pression (c'est-à-dire, le polygone le plus petit contenant au moins chaque point de cet ensemble) doit avoir une aire non nulle. Cependant, il n'existe aucun moyen de support physique qui soit totalement ponctuel : par exemple, une ventouse 3 s'étend sur plusieurs cm2. Ainsi, si les ventouses 3 sont suffisamment grandes, les géométries telles que représentées par les figures 5d à 5e ne contredisent pas cette première condition et peuvent être utilisées dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, étant donné qu'une ventouse 3 agit en tant que pluralité de points de support suffisamment éloignés. - S'il y a au moins trois points de pression, ils ne doivent pas former un triangle. Autrement dit, l'enveloppe convexe formée par l'ensemble des points de pression doit avoir une aire de surface nulle. Si un triangle est formé, lorsqu'un contact entre les surfaces 2a et 2b est réalisé, le front d'onde de collage lie les bords du triangle, et de l'air peut être piégé à l'intérieur. Au contraire, si tous les points de pression forment une ligne, aucune zone dans laquelle l'air peut être piégé n'apparaît. Le premier substrat la est ensuite cintré en appliquant la contrainte F entre ledit au moins un point de pression P1 et les points de support, par exemple grâce au déplacement d'une tige de piston 5 en contact avec le premier substrat la au point de pression Pl. En outre, le contact entre la tige de piston 5 et le premier substrat la peut être linéaire et non ponctuel, selon la deuxième condition expliquée ci-dessus. Dans ce cas, la contrainte F est appliquée entre les points de support (Sl, S2) et une ligne de pression P. Lorsque les deux surfaces 2a et 2b sont en contact, le collage moléculaire est lancé. La dernière étape consiste à relâcher la contrainte F pour laisser l'onde de collage se 25 propager. Une première possibilité considérée consiste simplement à relâcher le vide d'un seul coup et de provoquer une propagation à grande vitesse de l'onde de collage. Cependant, le demandeur a remarqué que cette 30 propagation est plus rapide au niveau du bord du substrat qu'ailleurs. Ainsi, les parties latérales du front d'onde de collage pourraient se rejoindre alors que la partie centrale n'a pas encore atteint le bord du substrat. Cela pourrait entraîner le piégeage d'une 35 bulle. Pour éviter ce risque, la solution proposée par l'invention consiste à relâcher progressivement, et non soudainement, la contrainte F appliquée entre les points de support et de pression (S1, S2, Pl...), afin de contrôler à tout moment la propagation de l'onde de collage. A cette fin, les ventouses 3 peuvent être montées, par exemple, sur des bras télescopiques 4. De façon avantageuse, dans une variante du procédé selon l'invention, le premier substrat 1a est collé à une pluralité de deuxièmes substrats 1b. En effet, le premier substrat la est, par exemple, une feuille de verre, alors que le deuxième substrat lb est une tuile de silicium. De grandes feuilles de verre peuvent être facilement fabriquées, de sorte qu'elles puissent recevoir une pluralité de substrats en silicium, étant donné que lesdits substrats ont généralement une largeur entre 20 et 30 cm. Cependant, l'invention n'est pas limitée au collage de substrats de verre et de silicium. Les figures 6a à 6d représentent schématiquement une séquence de collage d'un premier substrat la et d'une pluralité de deuxièmes substrats lb selon un deuxième mode de réalisation avantageux de l'invention. Initialement (figure 6a), les deuxièmes substrats lb sont positionnés au préalable sur un support 10 et maintenus par un système de ventouses à vide 12 optionnel. Le premier substrat 1a est ensuite positionné et disposé sur des éléments d'espacement 11 situés de chaque côté des deuxièmes substrats lb (c'est-à-dire, entre deux rangées). Ces éléments d'espacement 11 ont une hauteur dépassant l'épaisseur des deuxièmes substrats, de préférence d'au moins 200 pm. Dans le cas de tuiles de silicium ayant une épaisseur, par exemple, de 775 pm, la hauteur des éléments d'espacement 11 atteint par conséquent au moins 975 um. Les éléments d'espacement 11 sont des lignes de support pour le premier substrat 1a (il peut cependant y avoir plutôt une succession de points). Pendant une deuxième étape (figure 6b), la tige de piston 5 applique la contrainte F. Comme cela a déjà été expliqué, la tige de piston 5 peut venir en contact ponctuel au centre de chaque tuile ou venir en contact linéaire (figures 7a et 7b). La contrainte appliquée par les tiges de piston 5 fléchira alors le premier substrat la entre les éléments d'espacement linéaires 11. Le contact mécanique est ensuite obtenu pour un ou plusieurs deuxièmes substrats lb positionnés entre les éléments d'espacement 11 et le premier substrat 1a. Les neuf tuiles montrées sur la figure 7a peuvent, par exemple, être collées toutes les neuf simultanément (en utilisant neuf pistons, ou en utilisant trois tiges de contact linéaire, non montré), ou, par exemple, rangée par rangée (en utilisant trois pistons comme montré sur la figure 7a), ou, par exemple, une par une en utilisant un piston, non montré). La ventouse 12 est ensuite relâchée, ainsi le deuxième substrat lb n'est maintenu que par le point de pression Pl où le collage moléculaire est réalisé. La tige de piston 5 est ainsi raccourcie progressivement, le deuxième substrat lb s'élevant du support 10 alors que le front d'onde de collage s'étend (figure 6c). Avec une déformation du premier substrat la correspondant à un déplacement de ses bords par rapport au point de pression Pl d'au moins 200 um (du fait de la hauteur de chaque élément d'espacement 11), il est possible de commander la vitesse de l'onde de collage de sorte que la vitesse de l'onde de collage idéalement en chaque point de l'interface de collage ne dépasse pas la vitesse minimum de l'onde de collage qui est observée dans la zone centrale de l'interface de collage pendant un collage non contrôlé, pour éviter la formation de bulles. L'invention permet de réduire la vitesse de l'onde de collage au centre ainsi qu'à la périphérie de l'interface de collage. Le collage se termine lorsque la tige de piston 5 atteint de nouveau sa position de départ. L'onde de collage s'est propagée sur la surface entière du deuxième substrat lb (figure 6d). Le procédé peut ensuite être appliqué au deuxième substrat lb suivant ou à la ligne suivante de deuxièmes substrats lb. De façon avantageuse, la tige de piston 5 est montée sur un dispositif mobile 6. Ce dispositif mobile 6 est, par exemple, un robot à 3 axes. Il peut se déplacer d'une première ligne de substrats lb à une autre et appliquer séquentiellement la contrainte F à ceux-ci. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le premier substrat la entier est déformé, et il est collé simultanément à la pluralité de deuxièmes substrats lb. Dans ce cas, comme on peut le voir sur la figure 8a, la séquence de collage commence par une étape de positionnement préalable des substrats. Le premier substrat la est maintenu sous vide par des ventouses 3 à l'extrémité de bras télescopique 4 au-dessus d'une pluralité de deuxièmes substrats lb qui reposent sur le support 10. Chaque deuxième substrat lb peut être maintenu par au moins une ventouse 12 logée dans le support 10. Le centre de la première surface 2a du substrat la est maintenu à au moins 100 pm au-dessus des surfaces 2b des deuxièmes substrats lb. Pour déformer ce substrat 1a, un élément central, par exemple une tige de piston 5, est en contact avec le substrat la au point Pl. Les ventouses 3 et les bras télescopiques 4 sont mobiles en rotation de sorte que le substrat 1a peut prendre une forme libre, imposée seulement par les points S1 et S2 de contact entre le substrat la et les ventouses 3, et le point Pl de contact avec la tête de la tige de piston 5. En allongeant la tige de piston 5, la contrainte F est appliquée et le point P1 se rapproche des substrats lb, comme représenté par la figure 8b. Une force de contact inférieure à 10 N (par exemple, de 2 à 10 N) est appliquée pour commencer le collage moléculaire (figure 8c). L'onde de propagation de collage est ensuite lancée par un relâchement graduel du cintrage imposé sur le premier substrat la. Pour cela, les bras télescopiques sont allongés (figure 8d). La vitesse de ce relâchement est limitée de sorte qu'un front d'onde de collage uniforme se propage entre les deux substrats la et lb. Lorsque le front d'onde de collage atteint d'autres deuxièmes substrats lb, comme représenté par la figure 8e, avantageusement, des tiges de piston auxiliaires 5' logées dans la structure 10 lancent des ondes de collage sur les autres deuxièmes substrats lb. La séquence de collage se termine lorsque les contraintes appliquées au premier substrat la entier sont relâchées (figure 8f). En particulier, il est important de distinguer deux cas selon que le nombre de rangées de deuxièmes substrats lb est impair ou pair. Si ce nombre est pair (comme montré sur la figure 8), le premier contact est effectué sur le bord des deux rangées centrales. Si ce nombre est impair, le premier contact est au centre de la rangée centrale. Le mécanisme de collage est le même pour les rangées latérales. Ce mode de réalisation du procédé selon l'invention permet un processus industriel à grande vitesse, étant donné qu'une pluralité de tuiles de silicium peuvent être collées en une fois. De plus, étant donné qu'un petit nombre seulement de manipulations sont nécessaires, un tel procédé garantit un collage très précis conduisant à des produits de qualité élevée. REVENDICATIONS1. Procédé pour coller un premier substrat (la) comportant une première surface (2a) à un deuxième substrat (1b) comportant une deuxième surface (2b), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à . - maintenir le premier substrat (la) par au moins deux points de support (S1, S2), - positionner le premier substrat (la) et le deuxième substrat (lb) de sorte que la première surface (2a) et la deuxième surface (2b) soient l'une en face de l'autre, - déformer le premier substrat (la) en appliquant, entre au moins un point de pression (Pl) et les deux points de support (S1, S2), une contrainte (F) dirigée vers le deuxième substrat (lb), - amener la première surface (2a) déformée et la deuxième surface (2b) en contact, - relâcher progressivement la contrainte (F). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'aire de l'enveloppe convexe formée par l'ensemble de points de pression est nulle et l'aire de l'enveloppe convexe formée par l'ensemble de points de support et de pression est non nulle. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier substrat (la) est maintenu par des ventouses (3) placées aux points de support (Sl, S2). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel chaque ventouse (6) est reliée à un bras télescopique 35 (4). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le deuxième substrat (lb) est placé sur un support (10) comprenant au moins deux éléments d'espacement (11) respectivement de chaque côté du deuxième substrat (lb), lesdits éléments d'espacement étant plus hauts que l'épaisseur du deuxième substrat (lb). 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le premier substrat (1a) est maintenu en reposant sur les éléments d'espacement (11), les points de support (Sl, S2) étant des points de contact entre les éléments d'espacement (11) et le premier substrat. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel le support (10) comprend au moins une ventouse (12) maintenant le deuxième substrat (lb). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la contrainte (F) est appliquée par au moins une tige de piston (5). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le premier substrat (la) est une feuille de verre, et dans lequel le deuxième substrat (lb) est une tuile de silicium. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le premier substrat (la) est collé séquentiellement à une pluralité de deuxièmes substrats (1b) en appliquant une contrainte (F) au premier substrat (la) pour chaque second substrat (lb). 11. Procédé selon les revendications 8 et 10, dans lequel ladite au moins une tige de piston (5) est montée sur un dispositif mobile (6) et applique séquentiellement chaque contrainte (F) au premier substrat (1a). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le premier substrat (la) est collé simultanément à une pluralité de deuxièmes substrats (lb) en déformant le premier substrat (la) entier.