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FR2969378A1 - Structure composite tridimensionnelle comportant plusieurs couches de microcomposants en alignement - Google Patents

Structure composite tridimensionnelle comportant plusieurs couches de microcomposants en alignement Download PDF

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FR2969378A1
FR2969378A1 FR1250663A FR1250663A FR2969378A1 FR 2969378 A1 FR2969378 A1 FR 2969378A1 FR 1250663 A FR1250663 A FR 1250663A FR 1250663 A FR1250663 A FR 1250663A FR 2969378 A1 FR2969378 A1 FR 2969378A1
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FR
France
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microcomponents
plates
layer
bonding
plate
Prior art date
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Pending
Application number
FR1250663A
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English (en)
Inventor
Marcel Broekaart
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Publication date
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
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Abstract

Structure composite tridimensionnelle (300) comprenant un substrat final (200) et une couche en matériau semi-conducteur (100a) collée sur le substrat final par adhésion moléculaire. La couche en matériau semi-conducteur comporte une première face en regard d'une face du substrat final (200) et une seconde face opposée à ladite première face (101). La couche en matériau semi-conducteur (100a) comprend une première série de microcomposants (110) sur sa première face et une deuxième série de microcomposants (140) en alignement avec la première série de microcomposants (110). Les décalages résiduels entre les microcomposants de la première série de microcomposants (110) et les microcomposants de la deuxième série de microcomposants (140) sont inférieurs à 200 nm.

Description

Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne le collage par adhésion moléculaire réalisé à basse pression (encore appelé LPB pour "Low Pressure Bonding") entre deux plaques ou "wafers".
Afin d'obtenir une énergie de collage importante et de limiter les zones faiblement ou pas collées en périphérie des plaques, il est connu de réaliser le collage par adhésion moléculaire entre deux plaques sous une pression réduite ou vide partiel comme décrit notamment dans le document EP 2 200 077. Lors d'un collage par adhésion moléculaire sous basse pression, la force nécessaire pour initier la propagation d'une onde de collage entre deux plaques est moindre que celle requise à pression ambiante. En outre, plus la pression est basse, plus l'onde de collage se propage rapidement entre les plaques. Cependant, la qualité d'une structure obtenue par collage à basse pression entre deux plaques est variable. En effet, la déposante a constaté que des collages réalisés entre deux plaques par adhésion moléculaire à basse pression, typiquement à une pression inférieure ou égale à 1 millibar, donnaient aussi bien des résultats très satisfaisants que de mauvais résultats en termes de déformations des plaques, et ce pour des plaques issues d'un même lot. Ce manque de caractère répétitif des résultats après collage provient du fait que la propagation de l'onde de collage peut être initiée lors des opérations d'alignement et de mise en contact progressif des plaques avant de réaliser le collage proprement dit en raison de l'environnement à basse pression dans lequel se trouvent les plaques et qui favorise une telle initiation. Lorsque la propagation d'une onde de collage est initiée pendant ces étapes préalables de manipulation des plaques, des déformations inhomogènes peuvent survenir dans l'une ou les deux plaques. Ces déformations sont problématiques car elles ne sont pas contrôlables et sont irréversibles. 1 Un cas particulier dans lequel l'apparition de ces déformations inhomogènes est problématique est celui des structures semi-conducteurs multicouches (également dénommées "multilayer semiconductor wafers") réalisées suivant la technologie d'intégration tridimensionnelle (3D- qui met en oeuvre le transfert sur une première plaque, dite substrat final, d'au moins une couche formée à partir d'une deuxième plaque, collée par adhésion moléculaire sur la première plaque et en général amincie après collage, cette couche correspondant à la portion de la deuxième plaque dans laquelle ont été formés des éléments, par exemple une pluralité de microcomposants. D'autres éléments correspondants peuvent également être formés, éventuellement, dans la première plaque. Dans le cas d'une première plaque destinée à porter des microcomposants, en raison notamment de la taille très réduite et du nombre important de microcomposants présents sur une même couche, chaque couche transférée, c'est-à-dire chaque plaque comportant la couche, doit être positionnée sur le substrat final (première plaque seule ou comportant déjà d'autres couches transférées) avec une précision correcte afin de respecter un alignement avec la couche sous-jacente de l'ordre de 0,3 microns. En outre, il peut être nécessaire de réaliser des traitements sur la couche après son transfert, par exemple pour former d'autres microcomposants, pour découvrir en surface des microcomposants, pour réaliser des interconnections, etc., ces traitements devant également être réalisés avec une grande précision vis-à-vis des composants présents dans la couche. Si le collage par adhésion moléculaire à basse pression permet d'obtenir une énergie de collage importante sans avoir à réaliser un recuit de renforcement de l'interface de collage à haute température qui pourrait endommager les microcomposants, les déformations inhomogènes engendrées dans les plaques comme expliquées ci-avant peuvent rendre très difficile, voire impossible, de former des microcomposants supplémentaires en alignement avec les microcomposants formés avant le transfert. Ce type de problème de déformations inhomogènes des plaques collées est présent même en dehors du cadre de l'intégration 3D, c'est-à- dire dans le cas où la première plaque ne comporte pas de microcomposants ou n'est pas destinée à en porter ultérieurement. Dans le cas particulier de l'intégration 3D, les déformations inhomogènes résultant du collage moléculaire à basse pression conduisent ensuite à un phénomène de désalignement des microcomposants des différentes couches. Ce phénomène de désalignement, encore appelé « overlay », décrit en relation avec la figure 5, se présente sous la forme de défauts de l'ordre de 50 nm, nettement inférieure à la précision d'alignement des substrats au moment du collage moléculaire.
La figure 5 illustre une structure tridimensionnelle 400 obtenue par collage par adhésion moléculaire à basse pression entre une première plaque ou substrat initial 410, sur lequel est formée une première série de microcomposants 411 à 419 par photolithographie au moyen d'un masque permettant de définir les zones de formation de motifs correspondant aux microcomposants à réaliser, et une deuxième plaque ou substrat final 420. Le substrat initial 410 a été aminci après collage afin de retirer une portion de matière présente au-dessus de la couche de microcomposants 411 à 419 et une deuxième couche de microcomposants 421 à 429 a été formée au niveau de la surface exposée du substrat initial 410.
Cependant, même en utilisant des outils de positionnement, des décalages se produisent entre certains des microcomposants 411 à 419, d'une part et 421 à 429, d'autre part, tels que les décalages Ê , A22, A33, Ià44, indiqués sur la figure 5 (correspondant respectivement aux décalages observés entre les couples de microcomposants 411/421, 412/422, 413/423 et 414/424). Ces décalages ne résultent pas de transformations élémentaires (translation, rotation ou leurs combinaisons) qui pourraient avoir pour origine un assemblage imprécis des substrats. Ces décalages résultent de déformations inhomogènes qui apparaissent dans la couche provenant du substrat initial lors de son collage avec le substrat final. En fait, ces déformations entraînent des déplacements locaux et non uniformes au niveau de certains microcomposants 411 à 419. Aussi, certains des microcomposants 421 à 429 formés sur la surface exposée du substrat après transfert présentent des variations de position avec ces microcomposants 411 à 419 qui peuvent être de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres, voire du micron. Ce phénomène de désalignement (encore appelé "overlay") entre les deux couches de microcomposants peut être source de courts-circuits, de distorsions dans l'empilement ou de défauts de connexion entre les microcomposants des deux couches. Ainsi, dans le cas où les microcomposants transférés sont des imageurs formés de pixels et que les étapes de traitement post transfert visent à former sur chacun de ces pixels des filtres de couleur, on a observé une perte de la fonction de colorisation pour certains de ces pixels. Ce phénomène de désalignement conduit ainsi à une réduction de la qualité et de la valeur des plaques de semi-conducteurs multicouches fabriquées. L'impact de ce phénomène devient de plus en plus critique en raison des exigences sans cesse croissantes vis-à-vis de la miniaturisation des microcomposants et de leur densité d'intégration par couche.
Résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une solution qui permet de limiter les déformations inhomogènes qui apparaissent dans une plaque ou un substrat lors de son collage par adhésion moléculaire sur une autre plaque ou substrat, tout en conservant les avantages d'un collage à basse pression. A cet effet, la présente invention propose un procédé de collage par adhésion moléculaire entre au moins une première plaque et une deuxième plaque comprenant au moins une étape d'alignement mécanique, une étape de mise en contact des deux plaques et une étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques, procédé dans lequel, lors desdites étapes d'alignement mécanique et de mise en contact des deux plaques, les plaques sont placées dans un environnement à une première pression supérieure ou égale à une valeur de seuil de pression prédéterminée et en ce que, lors de l'étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage, les plaques sont placées dans un environnement à une deuxième pression inférieure à ladite valeur de seuil de pression prédéterminée. Grâce au procédé de l'invention, il est possible de réaliser toutes les étapes d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques sans risque d'initier la propagation d'une onde de collage puisque la pression de l'environnement des plaques est maintenue durant ces étapes au-dessus d'une valeur de seuil prédéterminée, choisie en conséquence. On évite ainsi les risques de déformations inhomogènes dans la structure résultante en contrôlant le moment de l'initiation de la propagation de l'onde de collage, c'est-à-dire au moment où les plaques sont correctement alignées et totalement en contact. On obtient en outre un bon collage présentant très peu de défauts de type "voids" et des déformations contrôlées car l'initiation de la propagation de l'onde de collage est réalisée à une deuxième pression inférieure à la valeur de seuil de pression prédéterminée. Dans le cas particulier d'une intégration 3D, on réduit ainsi fortement les risques de désalignement ou "overlay" lors de la formation ultérieure de couches supplémentaires de microcomposants ou lors du collage de deux plaques comportant chacune des microcomposants destinés à être alignés entre eux. Selon un aspect de l'invention, la valeur de seuil de pression prédéterminée est comprise entre 20 millibars et 5 millibars. Par exemple, lors de l'étape d'alignement mécanique et de mise en contact des deux plaques, lesdites plaques sont placées dans un environnement à une première pression d'environ 400 millibars. Toutefois, la première pression peut avoisiner ou dépasser la pression atmosphérique sans sortir du cadre de l'invention. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, avant l'étape d'alignement mécanique et de mise en contact des deux plaques, les plaques sont disposées l'une en regard de l'autre en interposant entre les deux plaques au moins trois éléments d'espacement de manière à maintenir un espace entre les deux plaques, l'étape d'alignement mécanique et de mise en contact des deux plaques comprenan - le retrait d'un des éléments d'espacement, - l'application d'une première force latérale par un poussoir sur les plaques de manière à aligner les deux plaques l'une par rapport à l'autre, les plaques étant retenues par au moins un doigt de maintien, - le retrait des autres éléments d'espacement, - le retrait du poussoir, - l'application d'une deuxième force latérale par le poussoir sur les deux plaques, et - le retrait du poussoir. Selon un aspect de l'invention, l'étape d'initiation d'une onde de collage comprend l'application d'un point de pression mécanique sur une des deux plaques. Selon un autre aspect de l'invention, les plaques sont placées dans un environnement à une deuxième pression inférieure à 1 millibar qui permet d'initier spontanément la propagation d'une onde de collage entre les plaques. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'une structure composite tridimensionnelle comprenant une étape de réalisation d'une première couche de microcomposants sur une face d'une première plaque et au moins une étape d'alignement mécanique et une étape de mise en contact de la face de ladite première plaque comportant la couche de microcomposants avec la face d'une deuxième plaque suivies d'une étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques, procédé dans lequel, les étapes d'alignement mécanique, de mise en contact des plaque et d'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les plaques sont réalisées conformément au procédé de collage de l'invention. L'utilisation du procédé de collage par adhésion moléculaire réalisé à basse pression de la présente invention permet, lors du transfert d'une couche de microcomposants, d'éliminer ou de limiter le phénomène de désalignement ("overlay") et de réaliser des plaques de semi-conducteurs multicouches de très grande qualité. La couche de microcomposants peut notamment comporter des capteurs d'images. L'invention concerne encore une structure composite tridimensionnelle comprenant un substrat final et une couche en matériau semi-conducteur collée sur le substrat final par adhésion moléculaire, ladite couche en matériau semi-conducteur ayant une première face en regard d'une face du substrat final et une seconde face opposée à ladite première face, la couche en matériau semi-conducteur comprenant une première série de microcomposants sur sa première face et une deuxième série de microcomposants sur sa seconde face en alignement avec la première série de microcomposants, caractérisée en ce que les décalages résiduels entre les microcomposants de la première série de microcomposants et les microcomposants de la deuxième série de microcomposants sont inférieurs à 200 nm de manière homogène sur toute la surface de la plaque. Selon un aspect de la structure de l'invention, les décalages résiduels entre les microcomposants de la première série de microcomposants et les microcomposants de la deuxième série de microcomposants sont inférieurs à 100 nm. Selon un autre aspect de la structure de l'invention, les microcomposants de la deuxième série de microcomposants ont une taille inférieure à 1 pm. Selon un autre aspect de la structure de l'invention, celle-ci comprend en outre une couche d'oxyde disposée entre la première face de la couche en matériau semi-conducteur et la face du substrat final en regard de ladite première face de la couche en matériau semi-conducteur. Selon encore un autre aspect de la structure de l'invention, au moins la première série de microcomposants comporte des capteurs d'images. Le substrat final et la couche en matériau semi-conducteur peuvent notamment présenter un diamètre de 300 mm ou 450 mm.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est un organigramme des étapes d'un procédé de collage par adhésion moléculaire de l'invention illustré dans les figures 2A à 21, - les figures 2A à 21 sont des vues schématiques d'un procédé de collage par adhésion moléculaire conformément à un mode de réalisation de l'invention, - les figures 3A à 3D, sont des vues schématiques montrant la réalisation d'une structure tridimensionnelle mettant en oeuvre le procédé de collage par adhésion moléculaire de la présente invention, - la figure 4 est un organigramme des étapes mises en oeuvre lors de la réalisation de la structure tridimensionnelle illustrée dans les figures 3A à 3D, - la figure 5 est une vue schématique montrant une structure tridimensionnelle après collage par adhésion moléculaire à basse pression selon l'art antérieur.
Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La présente invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de structures composites comprenant au moins le collage par adhésion moléculaire d'un premier substrat ou plaque sur un deuxième substrat ou plaque. Le collage par adhésion moléculaire est une technique bien connue en soi. Pour rappel, le principe du collage par adhésion moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans l'utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, brasure, etc.). Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour permettre d'initier un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller).
L'adhésion moléculaire est réalisée par initiation d'au moins un point de contact sur une plaque en contact intime avec une autre plaque afin de déclencher la propagation d'une onde de collage à partir de ce point de contact. On appelle ici "onde de collage" le front de liaison ou d'adhésion moléculaire qui se propage à partir du point d'initiation et qui correspond à la diffusion des forces attractives (forces de Van Der Waals) depuis le point de contact sur toute la surface de contact intime entre les deux plaques (interface de collage). Le point de contact est initié typiquement par application d'une pression mécanique sur la surface exposée d'une des deux plaques. Ce point de contact peut être néanmoins généré de façon spontanée en soumettant les deux plaques en contact à une très faible pression, typiquement inférieure à 5 millibars (mbars) et/ou par l'action de la force de gravité d'une plaque sur l'autre. Bien que le collage par adhésion moléculaire à basse pression permette d'améliorer la qualité de ce dernier, la déposante a constatée que si le collage, et plus précisément la propagation d'une onde de collage, est initié pendant la phase d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques, des déformations inhomogènes peuvent se produire dans les plaques.
A cet effet, l'invention propose de réaliser les opérations d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques en plaçant celles-ci dans un environnement ayant une pression supérieure à une valeur de seuil de pression prédéterminée, en deçà de laquelle il existe des risques d'initier la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques lors de leur manipulation, Par "pression ambiante", on entend la pression régnant naturellement dans la chambre de collage, c'est-à-dire sans utilisation de moyen de pompage, cette pression correspondant à la pression atmosphérique de l'environnement où se trouve la machine de collage. La valeur de seuil de pression est inférieure à la pression atmosphérique. Un fois ces opérations réalisées, la pression de la chambre peut être diminuée en dessous de la valeur de seuil de pression définie afin de permettre l'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaquLs On décrit maintenant en relation avec les figures 1 et 2A à 21 un exemple de collage par adhésion moléculaire entre deux plaques conformément à un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Sur la figure 2A, une première plaque ou substrat 20 est placée dans une chambre 110 d'une machine de collage 100, la chambre comprenant un dispositif porte-substrat 40 (étape Si). Le dispositif porte-substrat 40 comprend un plateau support 40a qui présente des défauts de planéité de préférence inférieurs à 15 microns. Le plateau support 40a maintient la première plaque 20, par exemple au moyen d'un système électrostatique ou de succion associé au plateau support 40a ou par simple gravité, en vue de son assemblage par adhésion moléculaire avec une deuxième plaque ou substrat 30. Les systèmes associés de maintien de la plaque (électrostatique ou par succion) sont utilisés dans la mesure où a été vérifié qu'ils ne déforment pas la plaque afin de ne pas entrainer une augmentation des problèmes de désalignement ("overlay"). Une fois la plaque 20 maintenue sur le plateau support, on vient positionner trois éléments d'écartement 41 à 43 destinées à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques. La machine de collage comprend en outre un poussoir 44 qui comprend une tête 441. Le poussoir 44 se déplace entre une position de retrait dans laquelle la tête 441 est à distance du bord des plaques 20 et 30 et n'exerce pas de force sur les plaques (comme illustrée sur la figure 2A), et une position d'alignement mécanique dans laquelle la tête 441 est en butée contre le bord des plaques 20 et 30 et exerce une force d'alignement, principalement dans le sens radial, sur les deux plaques qui sont retenues du côté opposé par deux doigts de maintien 45 et 46, le doigt 45 étant destiné à coopérer avec des marques d'alignement ménagées sous formes d'encoches 21 et 31 ("notch") respectivement dans les plaques 20 et 30 (comme illustrée sur la figure 2B). Dans sa position d'alignement, la tête 441 du poussoir 44 exerce une poussée contre les plaques qui permet de mettre en butée ces dernières contre les doigts de maintien 45 et 46 et d'assurer leur alignement. La plaque 30 est alors déposée sur les éléments d'écartement 41 à 43 de manière à disposer la surface ou face inférieure 32 de la plaque 30 en regard de la surface supérieure 22 de la plaque 20 (figure 2B, étape S2). A ce moment, le poussoir 44 est dans sa position d'alignement mécanique et exerce une force de maintien sur les plaques contre les doigts 45 et 46. De façon bien connue, les surfaces 22 et 32 respectivement des plaques 20 et 30 destinées à être collées ont été préparées (polissage, nettoyage, traitement hydrophobe/hydrophile, etc.) pour permettre une adhésion moléculaire. Lors de l'opération suivante, l'élément d'écartement 41 est retiré puis le poussoir 44 est placé dans sa position de retrait (figure 2C, étape S3), ce qui fait descendre la portion de plaque 30 présente à l'emplacement de l'élément d'écartement 41 et du doigt de maintien 45 sur la plaque 20. Le poussoir 44 est placé de nouveau dans sa position d'alignement afin de maintenir les plaques alignées (figure 2D, étape S4).
Les éléments d'écartement encore présents entre les deux plaques, à savoir ici les éléments d'écartement 42 et 43, sont retirés tandis que le poussoir 44 est toujours dans sa position de maintien des plaques en alignement (figure 2E, étape S5), les plaques 20 et 30 subissant à ce moment des contraintes en compression. Le poussoir 44 est alors placé dans sa position de retrait pour relâcher les contraintes appliquées sur les plaques et pour libérer la plaque 33 de son maintien contre les doigts 45 et 46 et laisser la face inférieure de celle-ci reposer entièrement sur la face supérieure de la plaque 20 (figure 2F, étape S6). Le poussoir 44 est placé une nouvelle fois dans sa position d'alignement mécanique afin de s'assurer que les plaques 20 et 30 sont bien alignées avant l'initiation de la propagation d'une onde de collage (figure 2G, étape S7). Le poussoir est ensuite placé dans sa position de retrait afin de relâcher les contraintes appliquées sur les plaques 20 et 30 (figure 2H, étape S8).
Conformément à l'invention, les étapes Si à S8 décrites ci-dessus sont réalisées en plaçant les plaques dans un environnement à une première pression Pl. A cet effet, comme illustrées sur les figures 2A à 2H, les étapes S3 à S8 d'alignement et de mise en contact progressif des plaques 20 et 30 sont réalisées dans une chambre 110 dans laquelle règne une pression qui peut être soit égale ou supérieure à la pression ambiante, soit à une pression inférieure à la pression ambiante mais supérieure à une valeur de seuil de pression prédéterminée. Dans ce dernier cas, la chambre comprend des moyens de mise sous vide partiel tels qu'une pompe à vide ou similaire (non représenté sur les figures 2A à 2H). Plus précisément et comme expliqué ci-avant, la première pression PI est supérieure à une valeur de seuil de pression prédéterminée, comprise entre 20 mbars et 5 mbars par exemple, afin d'empêcher l'initiation de la propagation de collage pendant les étapes 10 d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques. En effet, dès l'étape S3, une portion de la face de collage 31 de la plaque 30 se trouve en contact avec la face de collage 21 de la plaque 20. Par conséquent, à partir de ce moment et si les plaques étaient placées dans un environnement dont la pression est inférieure à la valeur de seuil de 15 pression tout les contacts ou chocs appliqués sur les plaques lors de leurs manipulations, en particulier lors du contact entre le poussoir et les plaques ou lors du retrait de celui-ci entraînant la descente de la plaque 30 sur la plaque 20, seraient susceptibles de provoquer l'initiation de la propagation d'une onde de collage. 20 En ayant recours à une pression Pl au-dessus de la valeur de seuil, il est possible d'éviter, à ce stade du procédé, le déclenchement de la propagation d'une onde de collage qui peut être source de déformations inhomogènes dans les plaques et de phénomènes de désalignement ultérieurs ("overlay"). La pression Pi de l'environnement dans lequel les 25 plaques sont placées lors des étapes S1 à S8 est constante ou non (i.e. potentiellement variable au cours des étapes d'alignement et de mise en contact). Après les étapes d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques, on procède au collage par adhésion moléculaire (étape S9). A 30 cet effet, la pression de la chambre 110 est abaissée à une deuxième pression P2 inférieure à la valeur de seuil de pression, à savoir à une pression typiquement inférieure à 20 mbars, de préférence inférieure à 5 mbars. La pression P2 de l'environnement dans lequel les plaques sont placées lors de l'étape S9 est constante ou non (i.e. potentiellement 35 variable au cours de l'étape d'initiation). Comme illustré sur la figure 21, l'initiation de propagation d'une onde de collage peut être réalisée au moyen d'un outil 50 équipé d'un stylet 51 permettant d'appliquer un point de contact mécanique sur la plaque 30. De manière avantageuse mais non obligatoire, la pression mécanique exercée par le stylet 51 sur la plaque 30 peut être contrôlée afin de limiter les déformations au niveau du point de contact. Comme illustré très schématiquement sur la figure 21, l'outil 50 peut comprendre un dynamomètre 53. Le stylet 51 est relié au dynamomètre 53 et comporte une extrémité libre 52 avec laquelle on exerce une pression mécanique sur la plaque 30 afin d'initier un point de contact entre les deux plaques 20 et 30. En connaissant la valeur de la surface de contact 52a de l'outil 50 avec la plaque 30, il est possible d'appliquer une pression mécanique comprise entre 1 MPa et 33,3 MPa en contrôlant la force d'appui F exercée par l'outil sur la plaque (force d'appui=pression mécanique x surface d'appui). En limitant ainsi la pression appliquée sur un des deux substrats lors de l'initiation d'un point de contact, on réduit les déformations inhomogènes engendrées dans la plaque tout en réalisant un collage par adhésion moléculaire sur l'ensemble des surfaces des deux plaques en contact. La force d'appui exercée par l'extrémité 52 sur la plaque 30 est contrôlée au moyen du dynamomètre 53. L'élément d'appui et plus particulièrement son extrémité destinée à venir en contact avec la plaque peut être réalisée ou recouverte d'un matériau tel que le Téflon®, la silicone ou un polymère. D'une manière générale, l'extrémité de l'élément d'appui est réalisée ou recouverte avec un matériau suffisamment rigide afin de pouvoir appliquer la pression de manière contrôlée. En effet, un matériau trop souple pourrait se déformer et conduire à une surface de contact imprécise et, par conséquent, à un manque de précision de la pression appliquée. En outre, un matériau trop rigide pourrait conduire à la formation de défauts (empreinte) à la surface de la plaque. L'initiation de la propagation de l'onde de collage peut être également initiée spontanément entre les plaques 20 et 30 en abaissant la pression P2 dans la chambre à une valeur très faible, typiquement inférieure à 1 mbar.
Il est en outre possible de remonter la pression dans une phase transitoire entre les étapes d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques et l'étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage. Le procédé de l'invention est applicable à l'assemblage de tout type de matériau compatible avec le collage moléculaire et en particulier les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le germanium, le verre, le quartz, le saphir etc. Les plaques à assembler peuvent notamment être d'un diamètre de 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, ou 450 mm. Les plaques peuvent en outre comprendre des microcomposants sur la majorité de leur surface ou seulement sur une zone limitée. Un domaine particulier mais non exclusif du procédé de collage de la présente invention est celui de la réalisation de structures tridimensionnelles.
Un procédé de réalisation d'une structure tridimensionnelle par transfert d'une couche de microcomposants formée sur un substrat initial sur un substrat final conformément à un mode de réalisation de l'invention est maintenant décrit en relation avec les figures 3A à 3D et 4. La réalisation de la structure tridimensionnelle débute par la formation d'une première série de microcomposants 110 à la surface d'une plaque ou substrat initial 100 (figure 3A, étape S10). Les microcomposants 110 peuvent être des composants entiers et/ou seulement une partie de ceux-ci. Le substrat initial 100 peut être une structure monocouche, par exemple une couche de silicium, ou structure multicouche telle qu'une structure de type SOI. Les microcomposants 110 sont formés par photolithographie au moyen d'un masque permettant de définir les zones de formation de motifs correspondant aux microcomposants 110 à réaliser. Lors de la formation des microcomposants 110 par photolithographie, le substrat initial 100 est maintenu sur un dispositif porte-substrat 120. Le dispositif porte-substrat comprend un plateau support 120a sur lequel est plaqué le substrat initial 100, par exemple au moyen d'un système électrostatique ou de succion associé au plateau support 120a, La face 101 du substrat initial 100 comprenant les microcomposants 110 est ensuite positionnée en regard et en contact d'une face 201 d'une plaque ou substrat final 200 (étapes S20, figure 3B) en vue d'un collage par adhésion moléculaire. Conformément à l'invention, les étapes S20 d'alignement mécanique et de mise en contact du substrat initial 100 sur le substrat final 200, tels que les étapes S3 à S8 décrites ci- sont réalisées dans une enceinte ou chambre (non représentée sur la figure 6B) dans laquelle la pression est supérieure à 5 mbars, afin d'éviter toute initiation de propagation d'onde de collage durant ces étapes. Selon une variante de mise en oeuvre, c'est le substrat final 200 dépourvu de microcomposants qui est maintenu par le dispositif porte- substrat tandis que le substrat initial 100 est amené au-dessus du substrat final 200. Une couche d'oxyde, par exemple en SiO2, peut en outre être formée sur la face 101 du substrat initial 100 comprenant les microcomposants 110 et/ou sur la face 201 du substrat final 200 destinée à être collée avec la face 101. Conformément à l'invention, la pression dans la chambre ou l'enceinte (non représentée sur les figures 3A à 3D) contenant les substrats 100 et 200 alignés et mis en contact l'un avec l'autre est abaissée à une valeur inférieure à 5 mbars. Un point de contact est alors initié entre les deux substrats par application d'une pression mécanique Pm sur le substrat 200, de préférence à proximité du bord de ce dernier (étape S30, figure 3B). Comme indiqué précédemment, la pression Pm peut-être comprise entre 1 MPa et 33,3 MPa et appliquée sur une surface d'appui inférieure ou égale à 1 mm2.
L'initiation du point de contact entraîne la propagation d'une onde de collage sur l'interface entre le substrat initial 100 et le substrat final 200. Les deux substrats sont alors collés ensemble par adhésion moléculaire sur la totalité de leur surface en contact (interface de collage). On obtient ainsi une couche enterrée de microcomposants 110 à l'interface de collage entre les substrats 100 et 200. Après le collage et tel que représenté sur la figure 3C, le substrat initial 100 est aminci afin de retirer une portion de matière présente au-dessus de la couche de microcomposants 110 (étape S40). Dans le cas où le substrat 100 est un substrat de type SOI, on peut utiliser avantageusement la couche isolante enterrée pour délimiter l'épaisseur de la couche 100a restante. On obtient alors une structure composite 300 formée du substrat final 200 et d'une couche 100a correspondant à la portion restante du substrat initial 100. Le substrat initial 100 peut être aminci notamment par polissage mécano-chimique (CMP), par gravure chimique, ou par clivage ou fracture le long d'un plan de fragilisation formée préalablement dans le substrat par implantation atomique. Comme représentée sur la figure 3D, l'étape suivante dans la réalisation de la structure tridimensionnelle consiste à former une deuxième couche de microcomposants 140 au niveau de la surface exposée du substrat initial 100 aminci (figure 3D, étape S50). Les microcomposants 140 peuvent correspondre à des parties complémentaires de microcomposants 110 pour former un composant fini et/ou à des composants distincts destinés à fonctionner avec des microcomposants 140. Afin de former les microcomposants 140 en alignement avec les microcomposants 110 enterrés, on utilise un masque de photolithographie similaire à celui utilisé pour former les microcomposants 110. De même que lors de la formation des microcomposants 110, la structure composite 300, formée du substrat final 200 et de la couche 100a, est maintenue sur un plateau support 130a d'un dispositif porte-substrat 130 identique au dispositif 120. Le masque de photolithographie est alors appliqué à la surface libre de la couche 100a. Dans une variante, la structure tridimensionnelle est formée par un empilement de couche, chaque couche ayant été reportée par le procédé d'assemblage de la présente invention, et chaque couche étant en alignement avec les couches directement adjacentes. Dans une autre variante encore, le substrat final 200 comporte lui aussi des microcomposants. Grâce au procédé de collage par adhésion moléculaire de l'invention, le substrat initial 100 a pu être collé sur le substrat final sans déformation ou tout du moins avec une réduction des déformations telle qu'il n'est plus observé de décalages significatifs des microcomposants 110 avant et après transfert du substrat initial 100 sur le substrat final 200. On peut ainsi limiter ces décalages résiduels à des valeurs inférieures à 200 nm, voire 100 nm de manière homogène sur toute la surface de la plaque.
Les microcomposants 140, même de tailles très réduites (par exemple < 1 pm), peuvent alors être formés facilement en alignement avec les microcomposants 110, et ce même après transfert du substrat initial. Cela permet, par exemple, d'interconnecter entre eux les microcomposants présents dans deux couches, ou sur deux faces distinctes d'une même couche, par l'intermédiaire de connections métalliques, en minimisant les risques de mauvaise interconnexion. Le procédé de collage de la présente invention permet, par conséquent, de limiter les phénomènes de déformations inhomogènes des plaques au cours de leur collage moléculaire à basse pression. Dans le cas particulier où les deux plaques comportent des microcomposants, le procédé permet finalement de limiter le phénomène de désalignement ("overlay") lors du transfert d'une couche de circuit sur une autre couche ou sur un substrat support et de réaliser des plaques de semi-conducteurs multicouches de très grande qualité.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Structure composite tridimensionnelle (300) comprenant un substrat final (200) et une couche en matériau semi-conducteur (100a) collée sur le substrat final par adhésion moléculaire, ladite couche en matériau semi-conducteur ayant une première face en regard d'une face du substrat final (200) et une seconde face opposée à ladite première face (101), la couche en matériau semi-conducteur (100a) comprenant une première série de microcomposants (110) sur sa première face et une deuxième série de microcomposants (140) sur sa seconde face en alignement avec la première série de microcomposants (110), caractérisée en ce que les décalages résiduels entre les microcomposants de la première série de microcomposants (110) et les microcomposants de la deuxième série de microcomposants (140) sont inférieurs à 200 nm de manière homogène sur toute la surface de la plaque.
  2. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les décalages résiduels entre les microcomposants de la première série de microcomposants (110) et les microcomposants de la deuxième série de microcomposants (140) sont inférieurs à 100 nm.
  3. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les microcomposants de la deuxième série de microcomposants (140) ont une taille inférieure à 1 pm.
  4. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une couche d'oxyde disposée entre la première face de la couche en matériau semi-conducteur (100a) et la face du substrat final (200) en regard de ladite première face de la couche en matériau semi-conducteur (100a).
  5. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins la première série de microcomposants (110) comporte des capteurs d'images.
  6. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le substrat final et la couche en matériau semi-conducteur présentent un diamètre de 300 mm.
  7. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le substrat final et la couche en matériau semi-conducteur présentent un diamètre de 450 mm.
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