Brevet FR3118776A1 — publié le 20220715

TITRE : Procédé de collage à basse température et dispositif de substrat ainsi obtenu Procédé de collage à basse température d’un premier substrat (10) et d’un second substrat (20), ayant une première surface de collage (11) et une seconde surface de collage (21), comprenant les étapes suivantes consistant à : - dans une première étape (101) déposer une première couche SAM (1) sur la première surface de collage (11) et/ou une seconde couche SAM sur la seconde surface de collage (21), - dans une seconde étape (102), après la première étape, coller à basse température, à l’aide de la première couche SAM (1) et/ou de la seconde couche SAM développer une liaison par collage entre la première surface de collage (11) et la seconde surface de collage (21). Figure 2b Procédé de collage à basse température et dispositif de substrat ainsi obtenu DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte à un procédé de collage à basse température d’un premier substrat et d’un second substrat, le premier substrat ayant une première surface de collage et le second substrat une seconde surface de collage. L’invention se rapporte également à un dispositif de substrat ainsi obtenu. ETAT DE LA TECHNIQUE Les composants semi-conducteurs tels que, par exemple les systèmes micro-électro-mécaniques MEMS, sont soumis à des limitations souvent très fortes à cause des possibilités de matériaux utilisés, ces limitations concernant les températures de procédé possibles, en particulier pour l’assemblage de substrats (le collage de la plaquette) de sorte que les procédés de collage à basse température sont très demandés. Le document US 2003/211705 A1 décrit un tel procédé de collage à basse température consistant à effectuer une légère corrosion d’une première surface polie et ensuite coller contre une seconde surface. Mais ce procédé est limité principalement à des surfaces planes ayant une rugosité minimale. Les détails des procédés de collage direct sont, par exemple, donnés dans la publication suivante : T. Plach, K. Hingerl, S. Tollabimazraehno, G. Hesser, V. Dragoi, and M. Wimplinger ; Mechanisms for room temperature direct wafer bonding ; Journal of Applied Physics 113, 094905 (2013). BUT DE L’INVENTION La présente invention a pour but de développer un procédé de collage à basse température permettant de réaliser une liaison collée, avantageuse, entre un premier et un second substrat, de manière à le protéger. EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION L’invention a pour objet un procédé de collage à basse température d’un premier substrat et d’un second substrat, le premier substrat ayant une première surface de collage, le second substrat ayant une seconde surface de collage, ce procédé comprenant les étapes suivantes consistant à : dans une première étape déposer une première couche SAM sur la première surface de collage et/ou une seconde couche SAM sur la seconde surface de collage, dans une seconde étape, après la première étape, coller à basse température, à l’aide de la première couche SAM et/ou de la seconde couche SAM, développer une liaison par collage entre la première surface de collage et la seconde surface de collage. Le procédé selon l’invention de collage à basse température d’un premier substrat et d’un second substrat a l’avantage, vis-à-vis de l’état de la technique, de réaliser un collage à basse température, particulièrement en douceur, de surfaces, notamment de surfaces de collage, acceptant une plus grande rugosité des surfaces de collage et qui se fait de manière sélective selon les surfaces. Ainsi, l’invention permet de réaliser des liaisons collées, stables, et qui se développent localement, avec une plus grande tolérance vis-à-vis des rugosités pour les températures de liaison plus basses. Selon l’invention, on peut notamment envisager de relier la première surface de collage et la seconde surface de collage pour un collage à basse température, de préférence directement ou indirectement par une première couche SAM et/ou une seconde couche SAM. Il est particulièrement avantageux de n’avoir aucune autre couche intermédiaire déposée en plus (en dehors de la première et/ou de la seconde couche SAM) entre la première et la seconde surface de liaison, notamment au début du collage à basse température. Ainsi, selon l’invention, on réalise une liaison de substrat comprenant notamment un composant MEMS, en procédant en douceur. On peut notamment envisager pour le collage, de substrats réalisés par le procédé de l’invention ou de dispositif de substrat en forme de plaquette SIO (silicium sur isolant). La première et/ou la seconde couche SAM selon l’invention sont des monocouches de molécules autoassemblées SAM. Lors du collage direct de deux surfaces, les molécules d’eau jouent un rôle décisif. Elles initialisent le collage de la tranche aux basses températures, notamment à température ambiante ; on diffuse ensuite dans l’oxyde en surface des surfaces de collage adjacentes et on fait réagir avec dégagement d’eau. Pour disposer de suffisamment de molécules d’eau à la surface de collage, il est connu, selon l’état de la technique, d’effectuer une étape de gravure avant l’étape de collage pour générer, à la surface de collage, une couche amorphe ayant un volume libre. La couche amorphe ainsi générée favorise le stockage de molécules d’eau et permet un procédé rapide de diffusion et de déplacement au niveau de la surface limite. De tels procédés nécessitent toutefois un contact mécanique direct avec la surface de collage pour que les liaisons chimiques puissent se développer au-dessus de la surface limite. Ces procédés connus ne tolèrent pour cette raison, aucune forte rugosité des surfaces de collage. En revanche, l’invention permet, à l’aide de la première et/ou seconde couches SAM, un meilleur collage à basse température des substrats, en acceptant une rugosité plus importante des surfaces de collage et en permettant en outre un collage localement limité ou un collage structuré. De façon préférentielle, selon un développement, le collage à basse température se fait dans une seconde étape à une température inférieure à 100°C, de préférence à la température inférieure à 50°C et d’une manière particulièrement préférentielle, à la température ambiante. La température ambiante est notamment supérieure à 0°C, de préférence supérieure à 10°C pour le collage à basse température. La température ambiante est notamment une température comprise entre 17°C et 23°C. Ainsi, le collage à faible température aboutit à un procédé particulièrement peu agressif ce qui est avantageux pour de nombreuses applications à différents composants. Le fait que dans une étape intermédiaire, après la première étape et avant la seconde étape, on effectue l’hydrophilisation partielle ou totale de la première couche SAM ou/et de la seconde couche SAM, selon un développement de l’invention il est possible, d’une manière particulièrement avantageuse, que la première couche SAM et/ou la seconde couche SAM, au début de la seconde étape, en particulier au début de la liaison à basse température, présente des propriétés hydrophiles, ce qui favorise le stockage à proximité de la surface, des molécules d’eau nécessaires au collage. Dans l’étape intermédiaire après la première étape et avant la seconde étape, la première couche SAM et/ou la seconde couche SAM sont exposées partiellement ou complètement à une atmosphère oxydante réactive, en particulier contenant de l’ozone, de vapeur d’eau et/ou d’oxygène réactif, de sorte qu’une forme de réalisation de l’invention permet d’envisager une hydrophilisation avantageuse de la première et/ou de la seconde couches SAM. On peut également envisager d’exposer la première couche SAM et/ou la seconde couches SAM, localement ou en totalité à l’atmosphère oxydante réactive. Dans l’étape intermédiaire, après la première étape et avant la seconde étape, on utilise, notamment pour l’hydrophilisation de la première couche SAM et/ou de la seconde couche SAM, un rayonnement électromagnétique ; ce rayonnement électromagnétique a, de préférence une énergie supérieure à 6 eV ou une longueur d’onde inférieure à 200 nm de sorte que selon une forme de réalisation de l’invention, on peut envisager une hydrophilisation avantageuse. Suivant une caractéristique avantageuse, on peut hydrophiliser ainsi avec un rayonnement électromagnétique énergique, dans une atmosphère, par exemple, de la vapeur d’eau ou de l’oxygène. Le rayonnement électromagnétique à forte teneur en énergie présente, de préférence, une énergie supérieure à 6 eV ou une longueur d’onde inférieure à 20 nm ce qui développe des espèces réactives nécessaires par une photo-excitation directe. L’utilisation d’un masque photographique permet de limiter l’hydrophilisation localement à des zones prédéfinies des surfaces de collage. Comme dans une étape supplémentaire après la seconde étape, on expose la première et la seconde surfaces de collage notamment le premier et le second substrat collé à une température supérieure à 150°C cela permet d’envisager, selon un développement de l’invention, que la liaison générée dans la seconde étape entre la première et la seconde surface de collage sera avantageusement renforcée pour avoir une liaison par collage permanente et très solide de la plaque. A cette température, les molécules d’eau réagissent avec le matériau du substrat de l’autre côté de la surface occupée par la mince couche d’oxyde au niveau des surfaces de collage et développent les liaisons par la surface limite de collage et entre les molécules SAM. Par exemple, la température de la première et de la seconde surfaces de collage exposées dans l’étape supplémentaire se situe entre 150°C et 400°C, de préférence entre 150°C et 300°C, et d’une manière particulièrement préférentielle, entre 150°C et 200°C. Comme la première couche SAM et/ou la seconde couche SAM déposées dans la première étape comportent des chaînes de molécules, la première couche SAM et/ou la seconde couche SAM étant formées de préférence par et/ou à l’aide de chaînes de molécules de siloxane, une forme de réalisation utilise une couche SAM avantageusement, pour réaliser la liaison par collage entre la première et la seconde surfaces de collage. De façon préférentielle, la première et/ou seconde couches SAM sont, par exemple, des chaînes de molécules de siloxane, telles que 3,3,5,5,7,7,7 Heptaméthytétrasiloxane ou 2-Bis-Triméthylsiloxane dont les groupes méthyle après dépôt dans une première étape, de préférence avec un traitement postérieur, effectué dans une étape intermédiaire entre la première étape et la seconde étape, sont remplacés par des groupes hydroxyle. Pour développer des liaisons par collage temporaires, on envisage en variante ou en plus, d’utiliser une chaîne d’hydrocarbures purs dont les terminaisons finales sont oxydées par traitement, notamment dans l’étape intermédiaire, de façon à développer des groupes carboxyle ou hydroxyle. Comme dans la première étape, on utilise un précurseur pour déposer la première couche SAM ou la seconde couche SAM, le précurseur étant notamment du silane en forme de chaîne, tel que chloro-silane ou méthoxyle-silane ou éthoxy-silane ou disilasane ou diméthyle-amine-silane, selon un développement de l’invention, la première et/ou seconde couche SAM se dépose avantageusement. Les groupes d’accrochage de tels précurseur SAM en forme de chaîne réagissent dans la première étape, de préférence avec des surfaces hydroxyles de la première et/ou de la seconde surface de collage de sorte que les chaînes moléculaires s’accrochent à la première ou à la seconde surface de collage. En particulier, il peut également arriver que les deux surfaces de collage ont deux couches SAM différentes. Selon un développement de l’invention, tout d’abord dans une étape préalable, on développe une première et une seconde surface de collage sur le premier substrat et sur le second substrat, les surfaces de collage ayant au moins en surface des oxydes minces et/ou des hydroxyles. Cela se fait, par exemple, par oxydation thermique, traitement ou plasma d’oxygène, dépôt chimique à la vapeur basse pression (LPCVD) ou dépôt chimique à la vapeur enrichie de plasma (PECVD et/ou dépôt de couches atomique ALD). Dans la première étape, on dépose au moins une couche SAM sur la surface de liaison. Comme précurseur on envisage, par exemple, des chloro-siloxanes en chaîne qui réagissent avec les hydroxyles en surface et accrochent ainsi les chaînes moléculaires à la surface de collage. Dans la seconde étape, après la première étape, on fixe finalement la première et la seconde surface de collage à une température plus basse, de préférence à la température ambiante, l’une sur l’autre. Un avantage particulier est que les molécules SAM en forme de chaîne, grâce à leur souplesse mécanique permettent de compenser en partie les rugosités et le volume libre laissé par la couche SAM ou les deux couches SAM du fait de leurs densités atomiques relativement faibles. Il est souhaitable que la première ou seconde couche soit hydrophile pour attirer les molécules d’eau. L’hydrophilie des chaînes moléculaires provient des groupes terminaux, polaires tels que, par exemple, les groupes OH sur la molécule SAM. Si la molécule SAM présentait de tels groupes polaires déjà comme précurseurs, avant le dépôt (c’est-à-dire avant ou pendant la première étape) on risquerait une polymérisation non voulue, anticipée des molécules entre elles car les groupes d’accrochage sont également immobilisés spécifiquement par la séparation des molécules d’eau des hydroxyles à la surface. Un dépôt direct et sans particules, de couches SAM à terminaison OH, hydrophiles, n’est pas possible pour cette raison. D’une manière particulièrement préférentielle selon l’invention, il est toutefois possible, par une exposition locale ou en surface de la première et/ou seconde couche SAM avant le collage, c’est-à-dire avant la seconde étape et après la première étape, d’enrichir par rapport à une atmosphère oxydante réactive, par exemple, présentant de l’ozone, de la vapeur d’eau et/ou de l’oxygène réactif pour une hydrophilisation. De manière avantageuse, cela se fait en appliquant un rayonnement électromagnétique énergique à l’atmosphère avec de la vapeur d’eau ou de l’oxygène. Le rayonnement électromagnétique énergique possède ainsi, de préférence, une énergie supérieure à 6 eV ou une longueur d’onde inférieure à 200 nm, ce qui permet de développer les espèces réactives nécessaires par photo-excitation directe. En plus ou en variante, il est également possible d’exposer à faible température, notamment à la température ambiante, le collage de plaques, suivantes c’est-à-dire notamment après la seconde étape, à une température supérieure à 150°C (et par exemple inférieure à 400°C ou inférieure à 300°C et inférieure à 200°C) pour développer un collage de plaque, permanent, très résistant. A de telles températures, les molécules d’eau réagissent avec le matériau du substrat de l’autre côté de la surface supérieure correspondant à une mince couche d’oxyde et les liaisons par la surface limite de collage et entre les molécules SAM se font ensuite. Un autre objet de l’invention est un dispositif de substrat comprenant un premier substrat et un second substrat reliés selon une forme de réalisation de l’invention, la liaison par collage entre la première surface de collage et la seconde surface de collage se faisant notamment à l’aide de la première couche SAM ou de la seconde couche SAM. Suivant une autre caractéristique, le premier substrat ou le second substrat ont un élément micromécanique, en particulier un élément MEMS, de préférence un ou plusieurs capteurs. Le ou les capteurs sont, de préférence des capteurs inertiels, notamment des capteurs de vitesse de rotation et/ou des capteurs d’accélération, des capteurs de pression, des micro-miroirs, des résonateurs et/ou des micros. D’autres types de capteurs micromécaniques et actionneurs sont envisageables. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’un mode de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : représentation schématique d’un procédé selon un mode de réalisation de la présente invention, représentation schématique d’un procédé selon une forme de réalisation de l’invention, représentation schématique d’un procédé selon une forme de réalisation de l’invention, représentation schématique d’une liaison collée selon l’état de la technique, représentation schématique d’une liaison collée selon une forme de réalisation de la présente invention. DESCRIPTION D’UN MODE DE REALISATION La est une représentation schématique d’un procédé de collage à faible température d’un premier substrat 10 et d’un second substrat 20 selon une forme de réalisation de la présente invention. Dans l’étape préalable 100, qui précède la première étape 101, on fournit une première surface de collage 11 sur le premier substrat 10 et une seconde surface de collage 21 sur le second substrat 20. De façon préférentielle, les surfaces de collage 11, 21 ont, en surface, un oxyde et un hydroxyle. Cela se fait, par exemple, par le développement naturel de l’oxydation, l’oxydation et le revêtement LPVD, revêtement PECVD et/ou revêtement ALD. Dans la première étape 101, on dépose une première couche SAM 1 sur une première surface de collage 11 du premier substrat 10 et/ou une seconde couche SAM sur une seconde surface de collage 21 du second substrat 20. Comme précurseur pour obtenir la première et/ou la seconde couche SAM 1 on envisage, par exemple, des chlorosilanes en chaîne qui réagissent avec les hydroxydes de surface et accrochent ainsi les chaînes moléculaires à la surface de collage et notamment à la première ou seconde surface de collage 11, 21. Dans la seconde étape 102 après la première étape 101, on colle l’une sur l’autre la première et la seconde surfaces de collage 11, 21 à faible température, de préférence à la température ambiante ; on forme une liaison par collage avec la première couche SAM 1 ou la seconde couche SAM. On développe ainsi un substrat ou une combinaison de plaquettes. Un avantage particulier est que les molécules SAM en forme de chaîne peuvent compenser les rugosités grâce à leur souplesse mécanique, le volume libre laissé par la première couche SAM ou les deux couches SAM résulte de leur densité atomique relativement faible ( ). Il est souhaitable que la première ou seconde couche SAM 1 soit hydrophile pour attirer des molécules d’eau. L’hydrophilie des chaînes moléculaires se développe par les groupes d’extrémité, polaires, tels que, par exemple, des groupes OH sur les molécules SAM des couches SAM1. Si la molécule SAM présentait de tels groupes polaires comme précurseurs avant le dépôt (c’est-à-dire avant ou au cours de la première étape 101) on risquerait une polymérisation précoce, non voulue des molécules entre elles, car les groupes d’accrochage immobilisent également de manière spécifique leur séparation des molécules d’eau aux hydrophiles en surface. Ainsi, il n’est pas possible d’avoir un dépôt de couche SAM hydrophile, direct sans particules. Selon un développement, il est toutefois possible dans une étape intermédiaire 101’ optionnelle, avant la seconde étape 102 et après la première étape 101, d’arriver par une exposition locale ou surfacique de la première et/ou seconde couche SAM1, par rapport à une atmosphère oxydante réactive, par exemple, contenant de l’ozone, de la vapeur d’eau et/ou de l’oxygène réactif, d’hydrophiliser la première ou seconde couche SAM, 1 telle que déposée. De manière avantageuse, cela se fait, par exemple, par un rayonnement électromagnétique riche en énergie dans une atmosphère de vapeur d’eau ou d’oxygène. Ce rayonnement électromagnétique riche en énergie a, de préférence, une énergie supérieure à 6 eV ou une longueur d’onde inférieure à 200 nm, ce qui permet de développer les espèces réactives nécessaires par photo-excitation locale. En plus ou en variante, il est possible d’exposer le collage de plaques ainsi réalisées à faible température, notamment à température ambiante dans une étape supplémentaire 103 après la seconde étape 102, à une température supérieure à 150°C pour développer un collage de plaque, permanent très résistant. A ces températures, les molécules d’eau réagissent avec le matériau du substrat de l’autre côté de celui de la couche mince d’oxydes existants en surface et elles relient les liaisons sur la surface limite de collage et entre les molécules SAM. La première ou seconde couche SAM 1 sont en particulier des chaînes de molécules de siloxane méthylé, par exemple 3,3,5,5,7,7,7 Heptaméthyltetrasiloxane ou 2-Bis-Triméthylsiloxane dont les groupes méthyle après revêtement dans la première étape 101 avec le post-traitement décrit ci-dessus dans l’étape intermédiaire 101’, sont remplacés par des groupes hydroxyle (voir également les figures 2a et 2b). Pour développer des liaisons temporaires de collage on peut envisager d’utiliser une simple chaîne d’hydrocarbures dont les terminaisons sont oxydées par traitement de façon à développer des groupes carboxyle ou hydroxyle. Les figures 2a et 2b sont des représentations schématiques d’un procédé selon une forme de réalisation de la présente invention. La montre le dépôt d’une première couche SAM 1 sur une première surface de collage 11 d’un premier substrat 10 selon une première étape 101 de la présente invention. On a, par exemple, représenté la réaction d’accrochage en surface par l’exemple du 1,1,1-Trichloro-3,3,5,5,7,7,7-heptaméthyletetrasiloxane de la . Dans la partie gauche de la on a une représentation schématique de l’hydroxylation, en particulier dans l’étape intermédiaire 101’ par l’exemple 1,1,1-Trichloro-3,3,5,5,7,7,7-heptaméthyltetrasiloxane. Dans la partie droite de la on a une représentation schématique de l’opération de collage dans la seconde étape 102 avec l’exemple du 1,1,1-Trichloro-3,3,5,5,7,7,7-heptaméthyltetrasiloxane. Dans la deuxième étape 102, on colle la seconde surface de collage 21 du second substrat 20 sur la couche SAM 1 à la première surface de collage 11 du premier substrat 10, en particulier, à faible température. La est une représentation schématique d’une liaison par collage selon l’état de la technique. Les deux surfaces de collage 11’, 21’ ont des rugosités. La liaison se fait dans l’environnement des points de contact direct des deux surfaces supérieures 11’, 21’, ce qui, dans de nombreux cas, se traduit par une liaison par collage qui n’a, toutefois, qu’une faible résistance. En revanche, la est une représentation schématique d’une liaison par collage selon une forme de réalisation de l’invention. Entre la première et la seconde surface de collage 11, 12, on a une première couche SAM 1 ou une seconde couche SAM. La couche SAM 1, assure pour une certaine rugosité, une plage de contact importante par laquelle se développent les liaisons chimiques entre les deux surfaces de collage 11, 12. Il en résulte un meilleure liaison. Procédé de collage à basse température d’un premier substrat (10) et d’un second substrat (20), le premier substrat (10) ayant une première surface de collage (11), le second substrat (20) ayant une seconde surface de collage (21), procédé comprenant les étapes suivantes consistant à : - dans une première étape (101), déposer une première monocouche de molécules autoassemblées SAM (1) sur la première surface de collage (11) et/ou une seconde couche monocouche de molécules autoassemblées SAM sur la seconde surface de collage (21), - dans une seconde étape (102), après la première étape, coller à basse température, et développer, à l’aide de la première couche SAM (1) et/ou de la seconde couche SAM une liaison par collage entre la première surface de collage (11) et la seconde surface de collage (21). Procédé selon la revendication 1, selon lequel coller à basse température dans la seconde étape (102) à une température inférieure à 100°C, de préférence à une température inférieure à 50°C et d’une manière particulièrement préférentielle à la température ambiante. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel dans une étape intermédiaire (101’), après la première étape (101) et avant la seconde étape (102), faire une hydrophilisation partielle ou complète de la première couche SAM (1) et/ou de la seconde couche SAM. Procédé selon la revendication 3, selon lequel dans l’étape intermédiaire (101’), après la première étape (101) et avant la seconde étape (102), exposer la première couche SAM (1) et/ou la seconde couche SAM en partie ou en totalité à une atmosphère réactive oxydante, notamment comprenant de l’ozone, de la vapeur d’eau et/ou de l’oxygène réactif. Procédé selon la revendication 3 ou 4, selon lequel dans l’étape intermédiaire (101’) après la première étape (101) et avant la seconde étape (102), pour hydrophiliser la première couche SAM (1) et/ou la seconde couche SAM, utiliser un rayonnement électromagnétique, ce rayonnement électromagnétique ayant, de préférence, une énergie supérieure à 6 eV et/ou une longueur d’onde inférieure à 200 nm. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel dans une étape supplémentaire (103), après la seconde étape (102), exposer la première surface collée et la seconde surface collée (11, 21), notamment le premier substrat et le second substrat collés (10, 20) à une température supérieure à 150°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel la première couche SAM (1) et/ou la seconde couche SAM, déposées dans la première étape (101), la première couche SAM (1) et/ou la seconde couche SAM étant formées, par des chaînes de molécules de siloxane et/ou à l’aide de telles chaînes. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel dans l’étape (101), pour déposer la première couche SAM (1) et/ou la seconde couche utiliser un précurseur comprenant notamment un silane en forme de chaîne telle que chlorosilane et/ou méthoxysilane et/ou éthoxysilane et/ou disilazane et/ou diméthyl-amine silane. Dispositif de substrat comprenant un premier substrat (10) et un second substrat (20) collés à l’aide d’un procédé selon l’une des revendications précédentes, le collage entre la première surface de collage (11) et la seconde surface de collage (21) étant fait à l’aide de la première couche SAM (1) et/ou de la seconde couche SAM.