Brevet FR3134227A1 — publié le 20231006

Procédé de collage d’un premier substrat au niveau d’une surface présentant une nanotopologie élastique Un aspect de l’invention concerne un procédé de collage d’un premier substrat à un deuxième substrat, le premier substrat comprenant, avant collage, une couche de support, le procédé comprenant : une étape de retrait de la couche de support du premier substrat de sorte à dégager une première surface du premier substrat, ledit retrait entrainant la formation d’une nanotopologie élastique sur la première surface du premier substrat ; une étape de décapage de la première surface avec des atomes de gaz rares ou de dépôt sur la première surface d’un film mince de métal ou de semi-conducteur ; une étape de collage par thermocompression du premier substrat contre le deuxième substrat, le contact entre le premier substrat et le deuxième substrat se faisant au niveau de la première surface et d’une deuxième surface du deuxième substrat, cette étape de collage étant réalisée à l’aide d’une technique de collage par diffusion atomique ou d’une technique de collage par activation de surface ; procédé dans lequel l’étape de décapage ou de dépôt et l’étape de collage sont effectuées sous ultravide, la pression étant comprise entre 1 et 100 kN et la température étant comprise entre 200 °C et 600 °C lors de l’étape de collage par thermocompression. Procédé de collage d’un premier substrat au niveau d’une surface présentant une nanotopologie élastique DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui du collage de substrats par thermocompression. La présente invention concerne un procédé de collage par thermocompression et en particulier un procédé de collage par thermocompression d’un substrat ayant une surface présentant une nanotopologie élastique consécutive au retrait d’une couche de support. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Le collage direct est une technique maintenant bien connue et utilisée pour des applications industrielles comme la fabrication de SOI (Silicon On Insulator en anglais) ou la production d’imageurs par exemple. Le collage direct est un collage spontané entre deux surfaces sans apport de matière, et notamment sans couche épaisse de liquide. Il est néanmoins possible d‘avoir quelques monocouches d’eau adsorbées sur les surfaces mais ces dernières sont macroscopiquement sèches. Les surfaces à coller par un procédé de collage direct doivent répondre à des spécifications très strictes. En particulier, elles doivent être très lisses (notamment une rugosité inférieure à 0.5 nm RMS mesurée avec un AFM (pour Atomic Force Microscopy ou microscopie à force atomique en français) sur un scan de 1×1µm²), très planes et, en général, présenter une chimie de surface adaptée Utiliser la thermocompression pour le collage direct permet en général de relâcher les contraintes en termes de préparation de surface et notamment en termes de rugosité. Néanmoins les inventeurs ont montré que pour certaines nanotopologies de surface induites par des structures sous les surfaces à coller, il n’est pas possible d’utiliser un collage par thermocompression pour obtenir un collage de bonne qualité. En effet, les machines de thermocompression utilisées pour de tels collages arrivent certes à délivrer des pressions uniaxiales de 50 kN à 100 kN sur des plaques de 200 mm de diamètre, mais la répartition de la pression ne permet alors pas de vaincre élastiquement la nanotopologie pour pouvoir coller l’ensemble de la surface. Les surfaces peuvent même se décoller entièrement quand la pression se relâche. C’est le cas notamment pour les nanotopologies induites par des contraintes internes localisées lors du retrait d’une couche support par exemple le retrait de la couche de silicium en face arrière d’un substrat SOI. Ces nanotopologies sont appelées nanotopologies élastiques dans la suite. Aussi, pour pallier la présence de ces nanotopologies et permettre un collage sans défaut, la technique la plus courante consiste à déposer une couche de matériau (très souvent de l’oxyde de silicium) et à réaliser une planarisation par un polissage mécano-chimique (ou CMP) de sorte à s’affranchir de cette nanotopologie, ce qui rend le collage direct parfois complexe. Aussi, il existe un besoin d’un procédé de collage qui permette, pour au moins certaines nanotopologies, de coller deux surfaces sans avoir recours à une étape de planarisation au niveau des surfaces à coller, voire sans avoir recours au dépôt d’une couche de matériau au niveau de la surface à coller. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment dans le cas de nanotopologie élastiques, en permettant un collage sans planarisation, le procédé selon l’invention utilisant la pression lors du thermocollage pour réduire la nanotopologie élastique, le collage étant précédé d’une étape de préparation de surface sous ultra-vide par décapage de la surface avec des atomes de gaz rares ou par un dépôt d’un film mince de métal ou de semi-conducteur. Ces étapes de préparation sont similaires à celles mises en œuvre par ailleurs dans un collage SAB – pour Surface Activated Bonding en anglais ou collage par activation de surface en français – et ADB – pour Atomic Diffusion Bonding en anglais ou collage par diffusion atomique en français. Ces collages sont des collages directs covalents consistant à mettre en œuvre directement au moment du collage direct des liaisons covalentes. Ceci est possible faisant apparaitre sous ultravide (pression -8 mbar soit environ -6 Pa) des liaisons pendantes soit pour le SAB à l’aide d’un décapage de la surface avec des atomes de gaz rares (très souvent de l’argon) ou pour l’ADB par le dépôt d’un film très fin (souvent inférieur à 10 nm) de métal ou de semi-conducteur comme le silicium par exemple. Ces collages sont réalisés à basse température, typiquement inférieure à 200°C voire, principalement, à température ambiante. Pour cela, un aspect de l’invention concerne un procédé de collage d’un premier substrat à un deuxième substrat, le premier substrat comprenant, avant collage, une couche de support, le procédé comprenant : une étape de retrait de la couche de support du premier substrat de sorte à dégager une première surface du premier substrat, ledit retrait entrainant la formation d’une nanotopologie élastique sur la première surface du premier substrat ; une étape de décapage de la première surface avec des atomes de gaz rares ou de dépôt sur la première surface d’un film mince de métal ou de semi-conducteur ; une étape de collage par thermocompression du premier substrat contre le deuxième substrat, le contact entre le premier substrat et le deuxième substrat se faisant au niveau de la première surface et d’une deuxième surface du deuxième substrat, cette étape de collage étant réalisée à l’aide d’une technique de collage par diffusion atomique (désignée dans la suite par l’acronyme anglais ADB) ou d’une technique de collage par activation de surface (désignée dans la suite par l’acronyme anglais SAB). De plus, dans le procédé selon l’invention, les étapes de décapage ou de dépôt et de collage par thermocompression sont réalisées sous ultravide (c’est-à-dire à une pression -8 mbar). En outre, dans le procédé selon l’invention, lors de l’étape de collage par thermocompression, la pression est comprise entre 1 et 100 kN et la température est comprise entre la température ambiante et 600°C voire entre 100°C et 300°C. On entend par film mince, une couche dont l’épaisseur est inférieure ou égale à 50 nm, de préférence inférieure ou égale à 10nm, voire inférieure ou égale à 2nm et dont l’épaisseur est supérieure ou égal à 0.1 nm, de préférence supérieure ou égal à 0.5 nm. Grâce à l’invention, il est possible de coller une surface présentant une nanotopologie élastique ayant des caractéristiques normalement incompatibles avec un collage direct sans avoir recours à un polissage mécano-chimique, voire sans avoir recours à un dépôt d’une couche de matériau au niveau de la surface à coller, par exemple lorsque la première surface est en silicium (sans oxyde à sa surface) et que la deuxième surface est également en silicium. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans un mode de réalisation, lors de l’étape de collage par thermocompression, la pression est comprise entre 30 kN et 50 kN. Dans un mode de réalisation, lors de l’étape de collage par thermocompression, la température est comprise entre 100°C et 300 °C. Dans un mode de réalisation, l’étape de collage est réalisée à l’aide d’une technique de collage par diffusion atomique et le film mince déposé lors de l’étape de dépôt d’un film mince est un film mince de silicium, de germanium, de titane, de tungstène, de nickel ou de cuivre (cette liste n’étant pas exhaustive). Dans un mode de réalisation, l’étape de collage est effectuée à l’aide d’une technique de collage par activation de surface et l’activation de surface est réalisée à l’aide d’un gaz rare choisi parmi l’argon, d’hélium, de néon ou bien encore de xénon. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. La montre un logigramme d’un procédé selon l’invention. Les , et illustrent les différentes étapes du procédé selon l’invention. Procédé (100) de collage d’un premier substrat (S1) à un deuxième substrat (S2), le premier substrat (S1) comprenant, avant collage, une couche de support (CS), le procédé (100) comprenant : une étape (1E1) de retrait de la couche de support (CS) du premier substrat (S1) de sorte à dégager une première surface (SF1) du premier substrat (S1), ledit retrait entrainant la formation d’une nanotopologie élastique (NT) sur la première surface (SF1) du premier substrat (S1) ; une étape (1E2, 1E2’) de décapage de la première surface avec des atomes de gaz rares ou de dépôt sur la première surface d’un film mince de métal ou de semi-conducteur ; une étape (1E3) de collage par thermocompression du premier substrat (S1) contre le deuxième substrat (S2), le contact entre le premier substrat (S1) et le deuxième substrat (S2) se faisant au niveau de la première surface (SF1) et d’une deuxième surface du deuxième substrat (S2), cette étape de collage étant réalisée à l’aide d’une technique de collage par diffusion atomique (ADB) ou d’une technique de collage par activation de surface (SAB) ; procédé (100) dans lequel l’étape (1E2,1E2’) de décapage ou de dépôt et l’étape (1E3) de collage sont effectuées sous ultravide, la pression étant comprise entre 1 et 100 kN et la température étant comprise entre la température ambiante et 600 °C lors de l’étape (1E3) de collage par thermocompression. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, lors de l’étape de collage par thermocompression, la pression est comprise entre 30 kN et 50 kN. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel, lors de l’étape de collage par thermocompression, la température est comprise entre 100 °C et 300 °C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel, l’étape de collage est réalisée à l’aide d’une technique de collage par activation de surface et l’activation de surface est réalisée à l’aide d’un gaz rare choisi parmi l’argon, d’hélium, de néon ou bien encore de xénon. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel l’étape de collage par thermocompression est réalisée à l’aide d’une technique de collage par diffusion atomique et dans lequel le film mince déposé lors de l’étape de dépôt d’un film mince est un film mince de silicium, de germanium, de titane, de tungstène, de nickel ou de cuivre.