EP4638343A1 - Procédé de scellement eutectique de deux substrats - Google Patents

Procédé de scellement eutectique de deux substrats

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Publication number
EP4638343A1
EP4638343A1 EP23836900.3A EP23836900A EP4638343A1 EP 4638343 A1 EP4638343 A1 EP 4638343A1 EP 23836900 A EP23836900 A EP 23836900A EP 4638343 A1 EP4638343 A1 EP 4638343A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
layer
bead
eutectic alloy
wettability
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23836900.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Audrey Berthelot
Frank Fournel
Pierre Perreau
Grégory ENYEDI
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.)
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4638343A1 publication Critical patent/EP4638343A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W76/00—Containers; Fillings or auxiliary members therefor; Seals
    • H10W76/60—Seals
    • H10W76/63—Seals characterised by their shape or disposition, e.g. between cap and walls of a container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W76/00—Containers; Fillings or auxiliary members therefor; Seals
    • H10W76/01—Manufacture or treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0109—Bonding an individual cap on the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0118—Bonding a wafer on the substrate, i.e. where the cap consists of another wafer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
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    • B81C2203/033—Thermal bonding
    • B81C2203/035—Soldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
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    • B81C2203/03—Bonding two components
    • B81C2203/033—Thermal bonding
    • B81C2203/037—Thermal bonding techniques not provided for in B81C2203/035 - B81C2203/036

Definitions

  • the present invention relates to the general field of microelectronics and, more particularly, to that of the encapsulation (or 'packaging') of a microelectronic device such as a MEMS type microsystem ("Micro-Electro-Mechanical Systems” ), NEMS (“Nano-Electro-Mechanical Systems”), MOEMS (“Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems”), or even NOEMS (“Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems”), consisting of encapsulating, or enclosing , this device in a hermetic cavity whose atmosphere is controlled.
  • MEMS type microsystem Micro-Electro-Mechanical Systems
  • NEMS Nano-Electro-Mechanical Systems
  • MOEMS Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems
  • NOEMS Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems
  • a method for hermetically sealing two substrates is disclosed.
  • the invention also relates to a device obtained by such a method.
  • the invention finds applications in numerous industrial fields, for example in the field of automobiles, mobile phones or even for video game consoles.
  • the invention is particularly interesting since it makes it possible to hermetically seal the substrates with a eutectic alloy while avoiding the risks of short-circuiting or mechanical blocking of the mobile structures.
  • Microelectronic devices of the MEMS, NEMS, MOEMS or even NOEMS type are sensors or actuators of nanometric or micrometric size. They are manufactured using microelectronics processes.
  • the encapsulation of these microelectronic devices makes it possible, on the one hand, to protect them from external elements (humidity, particle pollution, reactive elements such as oxygen) and, on the other hand, to control the atmosphere (pressure, composition of the encapsulated gas, etc.) prevailing in the cavity in which these devices are encapsulated.
  • the encapsulation pressure prevailing in the cavity varies depending on the intended application and is, typically, between 10 -3 mbar and 1 bar.
  • thermo-compression eutectic sealing
  • anodic sealing etc.
  • the constituents of the alloy are deposited separately on the faces of the substrates 11, 12 to be assembled.
  • a first bead 21 of material is formed on the first substrate 11, a first bead 21 of material is formed on the second substrate 12, a second bead 22 of material is formed (FIG. IA).
  • the two substrates 11, 12 are placed in intimate contact and a temperature is applied to the entire system. Melting occurs at the eutectic temperature if the relative composition of the two materials corresponds to the eutectic concentration. In the liquid phase, a homogeneous liquid composed of the two materials is present between the two faces. Then the solidification of the solder will give rise to the formation of a material composed of a separation of the materials used to carry out the eutectic fusion within the limit of their respective solubility. This material will then be called a eutectic material even if it is not formed by a single phase. This eutectic material is then between the two substrates 11, 12 and allows the mechanical closure of the interface to form the final assembly.
  • the eutectic material thus passes through a liquid state before solidifying and forming a hermetic cord 23 around the chips to be encapsulated ( Figure IB).
  • transition to the liquid phase can be accompanied by flow of eutectic material outside the area of the sealing bead (figure 2).
  • These leaks 23' which solidify, can cause possible mechanical blockages of the mobile structures, and/or generate short circuits between different zones of the device.
  • An aim of the present invention is to propose a eutectic sealing process remedying the drawbacks of the prior art and making it possible to hermetically seal two substrates, while avoiding the phenomena of short circuits and mechanical blocking.
  • the present invention proposes a process for the eutectic sealing of two substrates comprising the following steps: a) providing a first substrate having a first face covered by a first bead made of a first material, and possibly by one or more microelectronic devices, the first material comprising a first element, b) providing a second substrate having a first face covered by a second bead made of a second material, and optionally by one or more microelectronic devices, the second material comprising a second element, capable of forming a eutectic alloy with the first element, c) bringing the first bead and the second bead into contact, and carrying out a heat treatment to form a eutectic phase combining the first element of the first bead and the second element of the second bead, whereby a bead of sealing based on the eutectic alloy and the first substrate is sealed to the second substrate, the formation of the eutectic phase being accompanied by the formation of drops
  • first cord comprising the first material and the second material
  • second cord comprising the first material and the second material
  • first bead comprising the first material
  • second bead comprising the second material on which a portion of the first material has been deposited.
  • the first material on the first face of the first substrate is thinner to maintain the eutectic concentration before fusion.
  • the asymmetrical configuration is obtained by having a second bead comprising the second material and a first bead comprising the first material on which a portion of the second material has been deposited.
  • the second material on the first face of the second substrate is thinner to maintain the eutectic concentration before fusion.
  • At least one of the first substrate and the second substrate is locally covered by a wettability layer, the contact angle of a drop of eutectic alloy on the wettability layer being lower by at least 20 ° and preferably at least 40°, on the one hand, to the contact angle of the eutectic alloy on the first face of the first substrate and, on the other hand, to the contact angle of the eutectic alloy on the first face of the second substrate, whereby during step c), the flows of eutectic alloy will preferentially go onto the wettability layer.
  • the invention fundamentally differs from the prior art by the implementation of at least one zone of preferential wettability of the eutectic alloy facing the substrate.
  • the eutectic material formed during step c) has better wettability on the wettability layer than on the faces of the first and second substrates.
  • the wettability of this alloy is better on a metallic face than on a dielectric type face.
  • the positioning of a metallic wettability layer in contact with or near the location of the sealing bead makes it possible to contain drippings in the case of a substrate having a face made of a dielectric material.
  • a substrate will be chosen for which the contact angle of the drop of eutectic alloy is greater than or equal to 90°, preferably greater than or equal to 100°.
  • a wettability layer for which the contact angle of a drop of eutectic alloy is less than or equal to 70°, preferably less than or equal to 60° and even more preferably less than or equal to 40°.
  • the molten metal alloy adheres to the faces of the substrates to be assembled and the drips are contained at the level of the wettability layer.
  • the cavity thus sealed is airtight and the assembly has good mechanical strength.
  • the wettability layer (also called wetting layer) is a metallic layer.
  • the metal layer is made of a metal chosen from W, Ti, Al, Au and Cu.
  • the wettability layer is a layer of metal nitride, such as TiN, WN, AIN.
  • the wettability layer is a semiconductor layer such as Si, Ge, SiC, AsGa, InP.
  • the first face of the first substrate is made of a dielectric material, preferably Si ⁇ 2 or SisN/i, of a semiconductor material or of metal nitride such as TiN, WN, AIN (the wettability layer will then preferably be made of metal) and/or the first face of the second substrate is made of a dielectric material, preferably SiO2 or SisN/i, or of a semiconductor material or nitride metallic such as TiN, WN, AIN (the wetting layer will then preferably be made of metal).
  • the eutectic alloy is chosen from Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn and Au-Ge.
  • the first material is chosen from AISi or AlCu for the AIGe eutectic alloy, Au for the Au-ln, Au-Sn, Au-Si or Au-Ge eutectic alloy, Bi for the Bi-Sn eutectic alloy and /or the second material is chosen from Ge for the Al-Ge or Au-Ge eutectic alloy, Sn for the Au-Sn or Bi-Sn eutectic alloy, Si for the Au-Si eutectic alloy, In for the Au-ln eutectic alloy.
  • the first element has a volume VI and the second element has a volume V2.
  • the volumes VI and V2 are chosen so as to form a eutectic alloy with the relative concentrations given by VI and V2.
  • the volumes and relative compositions of the two elements are chosen to correspond to the eutectic concentration.
  • the first bead is arranged on the first wettability layer, the wettability layer protruding either on one side of the first bead or on either side of the first bead and/or the second bead is arranged on the second wettability layer, the wettability layer protruding either from one side of the second bead or from either side of the second bead.
  • the wettability layer(s) is/are offset relative to the first bead and/or relative to the second bead, the wettability layer(s) being connected ( s) to the first cord and/or the second cord by crosspieces if necessary.
  • the sleepers are advantageously made of the same material as the wettability layer.
  • the invention also relates to a device thus obtained.
  • the device comprises a first substrate and a second substrate sealed to each other by a sealing bead based on a eutectic alloy, at least one of the first substrate and the second substrate being locally covered by a layer of wettability, the contact angle of a drop of eutectic alloy on the wettability layer being lower, on the one hand, than the contact angle of the eutectic alloy on the first face of the first substrate and, on the other hand hand, to the contact angle of the eutectic alloy on the first face of the second substrate, drippings of the eutectic alloy being trapped on the wettability layer.
  • the wettability layer is a metallic layer, preferably chosen from W, Ti, Al, Au and Cu
  • the first face of the first substrate is made of a dielectric material, preferably Si ⁇ 2, or of a semiconductor material and /or the first face of the second substrate is made of a dielectric material, preferably Si ⁇ 2, or of a semiconductor material.
  • the eutectic alloy is chosen from Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn and Au-Ge.
  • the sealing bead is placed on the wettability layer, the wettability layer protruding either from one side of the sealing bead or from either side of the sealing bead.
  • the wettability layer is offset locally relative to the sealing bead, the wettability layer being connected to the sealing bead by crosspieces.
  • the sleepers are advantageously made of the same material as the wettability layer.
  • Figures IA and IB previously described, represent, schematically, different stages of a eutectic sealing process according to the prior art.
  • Figure 2 previously described, is a photograph showing flows of a eutectic alloy resulting from a process of the prior art, as shown in Figures IA and IB.
  • Figures 3A and 3B represent, schematically, different stages of a eutectic sealing process according to a particular embodiment of the invention.
  • Figures 4A and 4B represent, schematically, different stages of a eutectic sealing process according to another particular embodiment of the invention.
  • FIGS. 5A and 5B schematically represent different stages of a eutectic sealing process according to another particular embodiment of the invention.
  • Figures 6A and 6B represent, schematically, different stages of a eutectic sealing process according to another particular embodiment of the invention.
  • Figure 7 represents, schematically and in top view, a cord placed on a wettability layer, according to a particular embodiment of the invention.
  • Figures 8A and 8B schematically represent different stages of a eutectic sealing process according to another particular embodiment of the invention; the wettability layer and the cord shown in section in Figure 8A correspond to those of Figure 9, according to the section defined by the dashed line.
  • Figure 9 represents, schematically and in top view, a bead of material placed on a wettability layer, according to a particular embodiment of the invention.
  • the process for eutectic sealing of two substrates comprises the following steps: a) providing a first substrate 111 having a first face covered by a first bead 121 made of a first material, and optionally by one or more microelectronic devices 140, the first material comprising a first element, b) providing a second substrate 112 having a first face covered by a second bead 122 made of a second material, and possibly by one or more microelectronic devices 140, the second material comprising a second element, capable of forming a eutectic alloy with the first element, c) bringing the first bead 121 and the second bead 122 into contact, d) carrying out a heat treatment to form a eutectic phase combining the first element provided by the first bead and the second element provided by the second bead, by means of whereby a sealing bead 123 is formed based on the eutectic alloy and the first substrate 111 is sealed to the second substrate 112 with
  • the encapsulation pressure prevailing in the cavity is variable depending on the application envisaged and is, typically, between 10 -3 mbar and 1 bar (i.e. between 0.1 Pa and 100,000 Pa).
  • At least one of the first substrate 111 supplied in step a) and of the second substrate 112 supplied in step b) is locally covered by a layer of wettability 130, whereby during step c), the flows 123' of the eutectic alloy form on the wettability layer 130 and are contained at least partially, and preferably, completely at the level of this layer 130.
  • Each substrate 111, 112 provided in step a) and step b) comprises two main faces parallel to each other.
  • the first face of the first substrate 111 is intended to be placed opposite the first face of the second substrate 112.
  • the substrates 111 and 112 can be made up mainly of the same material or the substrates 111 and 112 can be made up of different materials. These materials can be chosen from Si, Ge, InP, AsGa, AI2O3, SiC, GaN, LNO, LTO.
  • the first substrate 111 and/or the second substrate 112 may comprise a support substrate covered by a thin layer.
  • the thin layer then forms the first face of the first substrate or the first face of the second substrate.
  • the first face of the first substrate 111 and/or the first face of the second substrate 112 may be made of a dielectric material Si ⁇ 2, SisIX or a metal nitride such as TiN, WN or AIN.
  • the first face of the first substrate 111 and/or the first face of the second substrate 112 are made of oxide, for example Si ⁇ 2.
  • This may be a native oxide layer, a thermal oxide layer, or a deposited oxide layer.
  • first substrate 111 comprising a Si support substrate covered by a thin layer of SiO2.
  • the first face of the first substrate 111 and/or the first face of the second substrate 112 may be of the same nature or of different natures.
  • the first substrate and the second substrate have, for example, each a thickness of between 300 pm and 1000 pm.
  • microelectronic devices 140 may be arranged on the first face of the first substrate 111 and/or on the first face of the second substrate 112.
  • the microelectronic devices of the first substrate 111 may be identical or different from those present on the second substrate 112.
  • microelectronic device is meant a microelectronic component, such as for example, a microsystem of the MEMS type (“Micro-Electro-Mechanical Systems”), NEMS (“Nano-Electro-Mechanical Systems”), MOEMS (“Micro-Opto-Electro - Mechanical Systems”), or even NOEMS (“Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems”).
  • it may be an infrared micro-detector, transistor, micro-battery, capacitor, super-capacitor, photovoltaic component, accelerometer, pressure sensor, microphone, antenna, gyrometer or gyroscope, any other device deemed necessary for the realization of the final object.
  • the first material of the first bead 121 can be chosen from AISi or AlCu for the AIGe eutectic alloy, Au for the Au-ln, Au-Sn, Au-Si or Au-Ge eutectic alloy, Bi for the Bi eutectic alloy. -Sn.
  • the second material of the second bead 122 can be chosen from Ge for the Al-Ge or Au-Ge eutectic alloy, Sn for the Au-Sn or Bi-Sn eutectic alloy, Si for the Au-Si eutectic alloy, In for the Au-ln eutectic alloy.
  • the first material comprises aluminum and the second material comprises germanium to form the AIGe eutectic alloy.
  • the first material may consist of the first element and/or the second material may consist of the second element.
  • the first material may be aluminum and the second material germanium.
  • first bead in the form of a multilayer comprising a layer of aluminum covered by a thin layer of germanium (for example the thin layer has a thickness of 10 nm) and a second bead made of germanium.
  • an additional layer on the first face of the first substrate and the first material and/or on the first face of the second substrate and the second material.
  • a thin layer of Ge on aluminum itself deposited on a layer of Si ⁇ 2.
  • the wetting layer can be filed subsequently.
  • the presence of the Ge layer promotes the reaction between aluminum and Germanium by facilitating the start of the reaction on the aluminum despite the presence of a layer of aluminum oxide which can form. When the entire surface of the substrate is covered by this Ge layer, the devices are formed on this layer. It is also possible to remove part of the Ge layer and possibly part of the aluminum layer if necessary.
  • This layer is generally deposited just before the bonding step.
  • the wettability layer 130 is a metallic layer.
  • the wettability layer is made of W, Ti, Al, Au or Cu.
  • the wettability layer 130 is a metallic layer
  • the first face of the first substrate 111 is made of a dielectric, semiconductor material or a metal nitride
  • the first face of the second substrate 112 is made of a dielectric, semiconductor or metal nitride material.
  • the wettability of the eutectic is better on the wettability layer 130 than on the first face of the first substrate 111 or on the first face of the second substrate 112. Thus, the eutectic alloy will remain on the wettability layer 130 rather than on the wettability layer 130. flow onto the substrates.
  • the contact angle of the drop of eutectic on the first face of the first substrate 111 or on the first face of the second substrate 112 is greater by at least 20 ° and preferably at least 40° at the contact angle of the drop of eutectic on the wettability layer 130.
  • the contact angle of the AIGe drop on a Si ⁇ 2 face is greater than 110° (thesis V. Lumineau). Silicon oxide is therefore not wetted by the Al-Ge eutectic alloy.
  • a wettability layer 130 for which the contact angle of the AIGe drop on this layer is less than or equal to 90°, preferably less than or equal to 70° will advantageously be chosen.
  • the method used is, for example, that described in the thesis of V. Lumineau.
  • the measure of contact angle is that of the drop placed: we observe the shape of a drop of the eutectic alloy formed on a flat face for a temperature higher than its melting temperature. To do this, the alloy is placed in an alumina crucible which ends in a capillary with a diameter of 0.6 mm. Once fusion has taken place and the experimental temperature has been reached, a piston forms a drop at the end of the capillary. The crucible is then lowered towards the solid face to be studied and the drop is deposited.
  • Observations are carried out in situ, in temperature, using a camera (25 images/s) and through a porthole.
  • the video recording of the spreading of the drop then allows the measurement and calculation of the intrinsic parameters of the drops via the Drop Shape Analysis software.
  • a pumping system makes it possible to obtain a high vacuum of up to 5.10' 7 mbar (i.e. 5.10' 5 Pa).
  • the wettability layer 130 can be arranged in several configurations.
  • the wettability layer 130 can be placed between the first substrate 111 and the first bead 121 ( Figures 4A and 4B), and/or between the second substrate 112 and the second bead 122 ( Figures 3A and 3B).
  • the wettability layer 130 protrudes from the cord 121, 122 so as to have a free face to contain the flow 123'.
  • the wettability layer 130 may protrude on either side of the bead 121, 122. Alternatively, it may protrude only on one side of the bead 121, 122.
  • the overhang zone of the wettability layer 130 may be between a few tens of nanometers to a few hundred micrometers.
  • the wettability layer 130 can protrude on either side of the cord 121, 122 which covers it ( Figures 3A and 3B, 4A and 4B).
  • the wettability layer can protrude only on one side of the bead ( Figures 5A and 5B, 6A and 6B, 7).
  • the wettability layer 130 protrudes only outside the cavity formed by the sealing bead 123 and the two substrates to guide the flows of eutectic 123' outside the cavity containing the chip microelectronic device(s). and preserve them.
  • the wettability layer 130 can be placed next to the cord 121, 122 ( Figures 8A and 8B, 9). It can be in contact with the bead 121, 122 or be offset relative to the bead 121, 122 (ie the wettability layer do not touch the cord).
  • the wettability layer 130 forms a belt around the cord.
  • Crosspieces or 'bridges'
  • the sleepers may be made of the same or different material than that of the wettability layer.
  • the wettability layer 130 is located only outside the sealing bead (ie outside the cavity) and is separated from the sealing bead.
  • a single wettability layer 130 has been described. It is also possible to have a wettability layer on each substrate 111, 112.
  • the first substrate 111 and the second substrate 112 are each covered locally by a wettability layer 130, whereby during step c), the drips 123' of the eutectic alloy form on the wettability layers 130 and are contained at least partially, and preferably completely, at the level of these layers.
  • the two layers can be arranged on each substrate in the same or different way.
  • the size of the wettability layer 130 will be determined based on the size of the beads. Its size will be chosen so as to be able to contain the drips.
  • step c) the two cords 121, 122, or even the two substrates 111, 112, are placed in intimate contact with each other and then the heat treatment is carried out.
  • the treatment can be carried out under a controlled atmosphere (vacuum, inert atmosphere) and/or with mechanical pressure to contact the entire face. For example, we can apply a force greater than or equal to 2 kN or 10 kN or even 30 kN.
  • the temperature is chosen according to the eutectic alloy.
  • the temperature is chosen so as to reach, or even exceed, the melting temperature of the eutectic alloy, to form a solder based on the eutectic alloy between the substrates 111, 112 to be assembled.
  • the temperature applied is lower than the melting temperature of the first bead 121, and the melting temperature of the second bead 122.
  • a temperature greater than 425°C will be applied (melting temperature of the eutectic alloy ).
  • the sealing bead 123 is made of a eutectic alloy comprising two elements, one coming from the first element of the first bead and the other coming from the second element of the second bead. This alloy is also called solder.
  • the sealing bead 123 has, for example, a width of between 30 pm and 200 pm.
  • the width will be chosen so as to be high enough to allow good airtightness while being low enough to allow miniaturization.
  • the sum of the thicknesses of the first and second materials is generally between 100 nm and 10 pm. Preferably it will be 1 pm.
  • wetting layer can be combined with the use of mechanical stop as described in the prior art.

Landscapes

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  • Die Bonding (AREA)
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Abstract

Procédé comprenant les étapes suivantes : a) fournir un premier substrat (111) recouvert par un premier cordon (121) comprenant un premier élément, b) fournir un deuxième substrat (112) recouvert par un deuxième cordon (122) comprenant un deuxième élément, c) mettre en contact le premier cordon (121) et le deuxième cordon (122), et réaliser un traitement thermique pour former une phase eutectique alliant le premier élément et le deuxième élément, moyennant quoi on forme un cordon de scellement (123) à base d'un alliage eutectique et on scelle le premier substrat (111) au deuxième substrat (112), la formation de la phase eutectique étant accompagnée de la formation de coulures (123'), au moins l'un du premier substrat (111) et du deuxième substrat (112) étant recouvert localement par une couche de mouillabilité (130), moyennant quoi lors de l'étape c), les coulures (123') d'alliage eutectique se forment sur la couche de mouillabilité (130).

Description

PROCÉDÉ DE SCELLEMENT EUTECTIQUE DE DEUX SUBSTRATS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de la microélectronique et, plus particulièrement, de celui de l'encapsulation (ou 'packaging') d'un dispositif microélectronique tel qu'un microsystème de type MEMS (« Micro-Electro-Mechanical Systems »), NEMS («Nano-Electro-Mechanical Systems »), MOEMS (« Micro-Opto-Electro- Mechanical Systems »), ou encore NOEMS (« Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems »), consistant à encapsuler, ou enfermer, ce dispositif dans une cavité hermétique dont l'atmosphère est contrôlée.
L'invention concerne un procédé de scellement hermétique de deux substrats.
L'invention concerne également un dispositif obtenu par un tel procédé.
L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, par exemple dans le domaine de l'automobile, des téléphones portables ou encore pour les consoles de jeux vidéo.
L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de sceller hermétiquement les substrats avec un alliage eutectique tout en évitant les risques de court-circuit ou de blocage mécanique des structures mobiles.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les dispositifs microélectroniques de type MEMS, NEMS, MOEMS ou encore NOEMS sont des capteurs ou actionneurs de taille nanométrique ou micrométrique. Ils sont fabriqués via les procédés de la microélectronique.
L'encapsulation de ces dispositifs microélectroniques permet, d'une part, de les protéger vis-à-vis des éléments extérieurs (humidité, pollution particulaire, éléments réactifs comme l'oxygène) et, d'autre part, de contrôler l'atmosphère (pression, composition du gaz encapsulé, etc.) régnant dans la cavité dans laquelle ces dispositifs sont encapsulés. La pression d'encapsulation régnant dans la cavité est variable suivant l'application envisagée et est, typiquement, comprise entre 10-3 mbar et 1 bar.
Différents types de scellement peuvent être mis en œuvre pour cette encapsulation : thermo-compression, scellement eutectique, scellement anodique etc...
Actuellement, le scellement eutectique semble être le plus prometteur.
Typiquement, comme représenté sur les figures IA et IB, dans le procédé de scellement eutectique, les constituants de l'alliage sont déposés séparément sur les faces des substrats 11, 12 à assembler. Sur le premier substrat 11, un premier cordon 21 de matériau est formé. Sur le deuxième substrat 12, un deuxième cordon 22 de matériau est formé (figure IA).
Lors du scellement, les deux substrats 11, 12 sont mis en contact intime et une température est appliquée à l'ensemble du système. La fusion apparait à la température eutectique si la composition relative des deux matériaux correspond à la concentration eutectique. Dans la phase liquide, un liquide homogène composé des deux matériaux est présent entre les deux faces. Puis la solidification de la brasure va donner lieu à la formation d'un matériau composé d'une démixtion des matériaux utilisés pour faire la fusion eutectique dans la limite de leur solubilité respective. Ce matériau sera ensuite appelé matériau eutectique même s'il n'est pas formé par une seule phase. Ce matériau eutectique est alors entre les deux substrats 11, 12 et permet la fermeture mécanique de l'interface pour former l'assemblage final.
Le matériau eutectique ainsi passé par un état liquide avant de se solidifier et former un cordon hermétique 23 autour des puces à encapsuler (figure IB).
Or, le passage en phase liquide peut s'accompagner d'écoulement de matériau eutectique en dehors de la zone du cordon de scellement (figure 2). Ces coulures 23', qui se solidifient, peuvent engendrerde possibles blocages mécaniques des structures mobiles, et/ou générer des courts-circuits entre différentes zones du dispositif.
Il est donc nécessaire de maîtriser la fuite de la brasure liquide.
Par exemple, dans la thèse de V. Lumineau (2018 « Étude de la réalisation de scellement des MEMS par l'alliage eutectique Al-Ge »), il a été proposé de former des butées attenantes aux cordons. Ces butées limitent le rapprochement des deux plaques à assembler et donc l'écrasement du bicouche Al-Ge. Cependant, pour que cette solution fonctionne, il est nécessaire de mettre des butées pleines de chaque côté du cordon à une certaine distance. Cependant, cette solution ne peut être appliquée à tous les dispositifs à cause des contraintes de compacité des différentes structures par exemple.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de scellement eutectique remédiant aux inconvénients de l'art antérieur et permettant de sceller hermétiquement deux substrats, tout en évitant les phénomènes de courts-circuits et de blocage mécanique.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de scellement eutectique de deux substrats comprenant les étapes suivantes : a) fournir un premier substrat ayant une première face recouverte par un premier cordon en un premier matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques, le premier matériau comprenant un premier élément, b) fournir un deuxième substrat ayant une première face recouverte par un deuxième cordon en un deuxième matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques, le deuxième matériau comprenant un deuxième élément, apte à former un alliage eutectique avec le premier élément, c) mettre en contact le premier cordon et le deuxième cordon, et réaliser un traitement thermique pour former une phase eutectique alliant le premier élément du premier cordon et le deuxième élément du deuxième cordon, moyennant quoi on forme un cordon de scellement à base de l'alliage eutectique et on scelle le premier substrat au deuxième substrat, la formation de la phase eutectique étant accompagnée de la formation de coulures d'alliage eutectique.
Il est également possible d'utiliser un premier cordon comprenant le premier matériau et le deuxième matériau, par exemple sous la forme d'un multicouche, et/ou un deuxième cordon comprenant le premier matériau et le deuxième matériau, par exemple sous la forme d'un multicouche.
Il est ainsi possible de former une configuration symétrique. Il est également possible de former une configuration asymétrique, par exemple, en ayant un premier cordon comprenant le premier matériau et un deuxième cordon comprenant le deuxième matériau sur lequel on a déposé une partie du premier matériau. Dans ce cas, le premier matériau sur la première face du premier substrat est plus fin pour garder la concentration eutectique avant la fusion.
Selon une autre variante de réalisation, la configuration asymétrique est obtenue en ayant un deuxième cordon comprenant le deuxième matériau et un premier cordon comprenant le premier matériau sur lequel on a déposé une partie du deuxième matériau. Dans ce cas, le deuxième matériau sur la première face du deuxième substrat est plus fin pour garder la concentration eutectique avant la fusion.
Il est possible de modifier la répartition des matériaux sur une seule des deux faces ou sur les deux faces.
Avantageusement, on choisira une configuration conduisant à la formation d'un flux atomique au travers de l'interface de collage, c'est-à-dire une configuration asymétrique.
Dans ce procédé, au moins l'un du premier substrat et du deuxième substrat est recouvert localement par une couche de mouillabilité, l'angle de contact d'une goutte d'alliage eutectique sur la couche de mouillabilité étant inférieur d'au moins 20° et de préférence d'au moins 40°, d'une part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du premier substrat et, d'autre part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du deuxième substrat, moyennant quoi lors de l'étape c), les coulures d'alliage eutectique vont préférentiellement aller sur la couche de mouillabilité.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par la mise en œuvre d'au moins une zone de mouillabilité préférentielle de l'alliage eutectique en face du substrat. Le matériau eutectique formé lors de l'étape c) présente une meilleure mouillabilité sur la couche de mouillabilité que sur les faces des premier et deuxième substrats.
Ainsi, au lieu de mettre une barrière « physique » (comme les butées dans l'art antérieur), on utilise une barrière dite « énergétique » avec une face à forte énergie de surface pour le métal liquide et une zone de mouillage à plus basse énergie de surface. Le métal liquide va mouiller cette zone de mouillage comme s'il tombait dans un puit de potentiel. En intégrant de façon judicieuse une couche de mouillabilité préférentielle, les coulures de matériau eutectique seront guidées et maintenues dans une zone « non risquée » pour la fonctionnalité de la puce.
Par exemple, dans le cas de l'alliage eutectique Al-Ge, la mouillabilité de cet alliage est meilleure sur une face métallique que sur une face de type diélectrique. Le positionnement d'une couche de mouillabilité métallique en contact ou à proximité de l'emplacement du cordon de scellement permet de contenir les coulures dans le cas d'un substrat ayant une face en un matériau diélectrique.
On choisira notamment un substrat pour lequel l'angle de contact de goutte d'alliage eutectique est supérieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 100°.
On choisira, par exemple, une couche de mouillabilité pour laquelle l'angle de contact de goutte d'alliage eutectique est inférieur ou égal à 70°, de préférence inférieur ou égal à 60° et encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 40°.
Avec ce procédé de scellement, l'alliage métallique en fusion adhère sur les faces des substrats à assembler et les coulures sont contenues au niveau de la couche de mouillabilité. La cavité ainsi scellée est hermétique et l'assemblage présente une bonne tenue mécanique.
Avantageusement, la couche de mouillabilité (aussi appelée couche de mouillage) est une couche métallique. De préférence, la couche métallique est en un métal choisi parmi W, Ti, Al, Au et Cu.
Selon une autre variante avantageuse, la couche de mouillabilité est une couche de nitrure métallique, comme TiN, WN, AIN.
Selon une autre variante avantageuse la couche de mouillabilité est une couche de semi-conducteur comme le Si, le Ge, le SiC, l'AsGa, l'InP.
Avantageusement, la première face du premier substrat est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou du SisN/i, en un matériau semi-conducteur ou en nitrure métallique comme TiN, WN, AIN (la couche de mouillabilité sera alors de préférence en métal) et/ou la première face du deuxième substrat est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou du SisN/i, ou en un matériau semi-conducteur ou en nitrure métallique comme TiN, WN, AIN (la couche de mouillage sera alors de préférence en métal).
Avantageusement, l'alliage eutectique est choisi parmi Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn et Au-Ge.
Avantageusement, le premier matériau est choisi parmi AISi ou AlCu pour l'alliage eutectique AIGe, Au pour l'alliage eutectique Au-ln, Au-Sn, Au-Si ou Au-Ge, Bi pour l'alliage eutectique Bi-Sn et/ou le deuxième matériau est choisi parmi Ge pour l'alliage eutectique Al-Ge ou Au-Ge, Sn pour l'alliage eutectique Au-Sn ou Bi-Sn, Si pour l'alliage eutectique Au- Si, In pour l'alliage eutectique Au-ln.
Le premier élément a un volume VI et le deuxième élément a un volume V2. Les volumes VI et V2 sont choisis de manière à former un alliage eutectique avec les relatives concentrations donné par VI et V2. Les volumes et les compositions relatives des deux éléments sont choisis de manière à correspondre à la concentration eutectique.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, le premier cordon est disposé sur la première couche de mouillabilité, la couche de mouillabilité dépassant soit d'un côté du premier cordon soit de part et d'autre du premier cordon et/ou le deuxième cordon est disposé sur la deuxième couche de mouillabilité, la couche de mouillabilité dépassant soit d'un côté du deuxième cordon soit de part et d'autre du deuxième cordon.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, la/les couche(s) de mouillabilité est/sont déportée(s) par rapport au premier cordon et/ou par rapport au deuxième cordon, la/les couche(s) de mouillabilité étant connectée(s) au premier cordon et/ou au deuxième cordon par des traverses éventuellement. Les traverses sont avantageusement en un même matériau que la couche de mouillabilité.
L'invention concerne également un dispositif ainsi obtenu. Le dispositif comprend un premier substrat et un deuxième substrat scellé l'un à l'autre par un cordon de scellement à base d'un alliage eutectique, au moins l'un du premier substrat et du deuxième substrat étant recouvert localement par une couche de mouillabilité, l'angle de contact d'une goutte d'alliage eutectique sur la couche de mouillabilité étant inférieur, d'une part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du premier substrat et, d'autre part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du deuxième substrat, des coulures de l'alliage eutectique étant piégées sur la couche de mouillabilité.
Avantageusement, la couche de mouillabilité est une couche métallique, de préférence choisie parmi W, Ti, Al, Au et Cu, la première face du premier substrat est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2, ou en un matériau semi-conducteur et/ou la première face du deuxième substrat est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2, ou en un matériau semi-conducteur.
Avantageusement, l'alliage eutectique est choisi parmi Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn et Au-Ge.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, le cordon de scellement est disposé sur la couche de mouillabilité, la couche de mouillabilité dépassant soit d'un côté du cordon de scellement soit de part et d'autre du cordon de scellement.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, la couche de mouillabilité est déportée localement par rapport au cordon de scellement, la couche de mouillabilité étant connectée au cordon de scellement par des traverses. Les traverses sont, avantageusement, en un même matériau que la couche de mouillabilité.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les figures IA et IB, précédemment décrites, représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon l'art antérieur. La figure 2, précédemment décrite, est un cliché montrant des coulures d'un alliage eutectique résultant d'un procédé de l'art antérieur, tel que représenté sur les figures IA et IB.
Les figures 3A et 3B représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Les figures 4A et 4B, représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
Les figures 5A et 5B, représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
Les figures 6A et 6B, représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 7 représente, de manière schématique et en vue de dessus, un cordon disposé sur une couche de mouillabilité, selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Les figures 8A et 8B, représentent, de manière schématique, différentes étapes d'un procédé de scellement eutectique selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention ; la couche de mouillabilité et le cordon représenté en coupe sur la figure 8A correspondent à ceux de la figure 9, selon la coupe définie par le trait en tirés.
La figure 9 représente, de manière schématique et en vue de dessus, un cordon de matériau disposé sur une couche de mouillabilité, selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation, tels que « dessus », « dessous », etc. d'une structure s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les figures.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Nous allons maintenant décrire plus en détail le procédé de scellement eutectique de deux substrats en faisant référence aux figures 3A et 3B, 4A et 4B, 5A et 5B, 6A et 6B, 7, 8A et 8B, 9 annexées.
Le procédé de scellement eutectique de deux substrats comprend les étapes suivantes : a) fournir un premier substrat 111 ayant une première face recouverte par un premier cordon 121 en un premier matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques 140, le premier matériau comprenant un premier élément, b) fournir un deuxième substrat 112 ayant une première face recouverte par un deuxième cordon 122 en un deuxième matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques 140, le deuxième matériau comprenant un deuxième élément, apte à former un alliage eutectique avec le premier élément, c) mettre en contact le premier cordon 121 et le deuxième cordon 122, d) réaliser un traitement thermique pour former une phase eutectique alliant le premier élément fourni par le premier cordon et le deuxième élément fourni par le deuxième cordon, moyennant quoi on forme un cordon de scellement 123 à base de l'alliage eutectique et on scelle le premier substrat 111 au deuxième substrat 112 avec le cordon de scellement 123.
Le cordon de scellement 123 obtenu et les deux substrats 121, 122 délimitent une cavité hermétique dans laquelle sont, avantageusement, disposés un ou plusieurs dispositifs microélectroniques 140. La pression d'encapsulation régnant dans la cavité est variable suivant l'application envisagée et est, typiquement, comprise entre 10-3 mbar et 1 bar (soit entre 0,1 Pa et 100 000 Pa).
Dans ce procédé, au moins l'un du premier substrat 111 fourni à l'étape a) et du deuxième substrat 112 fourni à l'étape b) est recouvert localement par une couche de mouillabilité 130, moyennant quoi lors de l'étape c), les coulures 123' de l'alliage eutectique se forment sur la couche de mouillabilité 130 et sont contenues au moins partiellement, et de préférence, totalement au niveau de cette couche 130.
Chaque substrat 111, 112 fourni à l'étape a) et à l'étape b) comprend deux faces principales parallèles l'une à l'autre. La première face de premier substrat 111 est destinée à être mise en regard de la première face du deuxième substrat 112.
Les substrats 111 et 112 peuvent être constitués majoritairement du même matériau ou les substrats 111 et 112 peuvent être constitués de matériaux différents. Ces matériaux peuvent être choisi parmi Si, Ge, InP, AsGa, AI2O3, SiC, GaN, LNO, LTO.
Le premier substrat 111 et/ou le deuxième substrat 112 peuvent comprendre un substrat support recouvert par une couche mince. La couche mince forme alors la première face du premier substrat ou la première face du deuxième substrat.
La première face du premier substrat 111 et/ou la première face du deuxième substrat 112 peuvent être en un matériau diélectrique SiÛ2, SisIX ou d'un nitrure métallique comme le TiN, le WN ou l'AIN.
De préférence, la première face du premier substrat 111 et/ou la première face du deuxième substrat 112 sont en oxyde, par exemple SiÛ2. Il peut s'agir d'une couche d'oxyde natif, d'une couche d'oxyde thermique ou d'une couche d'oxyde déposée.
Ainsi, il est possible d'avoir un premier substrat 111 comprenant un substrat support en Si recouvert par une couche mince de SiÛ2. Il en va de même pour le deuxième substrat 112.
La première face du premier substrat 111 et/ou la première face du deuxième substrat 112 peuvent être de nature identique ou de natures différentes.
Le premier substrat et le deuxième substrat ont, par exemple, chacun une épaisseur comprise entre 300 pm et 1 000 pm.
Un ou plusieurs dispositifs microélectroniques 140 peuvent être disposés sur la première face du premier substrat 111 et/ou sur la première face du deuxième substrat 112. Les dispositifs microélectroniques du premier substrat 111 peuvent être identiques ou différents de ceux présent sur le deuxième substrat 112. Par dispositif microélectronique, on entend un composant microélectronique, comme par exemple, un microsystème de type MEMS (« Micro-Electro-Mechanical Systems »), NEMS (« Nano-Electro-Mechanical Systems »), MOEMS (« Micro-Opto-Electro- Mechanical Systems »), ou encore NOEMS (« Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems »). Par exemple, il peut s'agir de micro-détecteur infrarouge, transistor, microbatterie, capacité, supra-capacité, composant photovoltaïque, accéléromètre, capteur de pression, microphone, antenne, gyromètre ou gyroscope, tout autre dispositif jugé nécessaire pour la réalisation de l'objet final.
Le premier matériau du premier cordon 121 peut être choisi parmi AISi ou AlCu pour l'alliage eutectique AIGe, Au pour l'alliage eutectique Au-ln, Au-Sn, Au-Si ou Au-Ge, Bi pour l'alliage eutectique Bi-Sn.
Le deuxième matériau du deuxième cordon 122 peut être choisi parmi Ge pour l'alliage eutectique Al-Ge ou Au-Ge, Sn pour l'alliage eutectique Au-Sn ou Bi-Sn, Si pour l'alliage eutectique Au-Si, In pour l'alliage eutectique Au-ln.
De préférence, le premier matériau comprend de l'aluminium et le deuxième matériau comprend du germanium pour former l'alliage eutectique AIGe.
Le premier matériau peut être constitué du premier élément et/ou le deuxième matériau peut être constitué du deuxième élément.
Par exemple, le premier matériau peut être de l'aluminium et le deuxième matériau du germanium.
Il est également possible comme décrit précédemment d'avoir des configurations symétriques ou asymétriques.
Il est possible, par exemple, d'avoir un premier cordon sous la forme d'un multicouche comprenant une couche d'aluminium recouverte par une fine couche de germanium (par exemple la fine couche a une épaisseur de 10 nm) et un deuxième cordon constitué de germanium.
Il est possible de déposer une couche additionnelle sur la première face du premier substrat et le premier matériau et/ou sur la première face du deuxième substrat et le deuxième matériau. Par exemple, il est possible de déposer une fine couche de Ge sur de l'aluminium lui-même déposé sur une couche de SiÛ2. La couche de mouillage peut être déposée ultérieurement. Par exemple, il est possible de déposer une couche de Ge de 10 nm sur l'aluminium. La présence de la couche de Ge favorise la réaction entre l'aluminium et le Germanium en facilitant le début de la réaction sur l'aluminium malgré la présence d'une couche d'oxyde d'aluminium qui peut se former. Lorsque toute la surface du substrat est recouverte par cette couche de Ge, les dispositifs sont formés sur cette couche. Il est également possible de retirer une partie de la couche de Ge et éventuellement une partie de la couche d'aluminium si nécessaire.
Cette couche est en général déposée juste avant l'étape de collage.
De préférence, la couche de mouillabilité 130 est une couche métallique. Avantageusement, la couche de mouillabilité est en W, Ti, Al, Au ou Cu.
Selon un mode de réalisation très avantageux, la couche de mouillabilité 130 est une couche métallique, la première face du premier substrat 111 est en un matériau diélectrique, semi-conducteur ou en un nitrure métallique et la première face du deuxième substrat 112 est en un matériau diélectrique, semi-conducteur ou en un nitrure métallique.
La mouillabilité de l'eutectique est meilleure sur la couche de mouillabilité 130 que sur la première face du premier substrat 111 ou sur la première face du deuxième substrat 112. Ainsi, l'alliage eutectique restera sur la couche de mouillabilité 130 plutôt que de s'écouler sur les substrats.
Par « la mouillabilité de l'eutectique est meilleure », on entend que l'angle de contact de la goutte d'eutectique sur la première face du premier substrat 111 ou sur la première face du deuxième substrat 112 est supérieur d'au moins 20° et de préférence d'au moins 40° à l'angle de contact de la goutte d'eutectique sur la couche de mouillabilité 130.
Par exemple, l'angle de contact de la goutte d'AIGe sur une face en SiÛ2 est supérieurà 110° (thèse V. Lumineau). L'oxyde de silicium n'est donc pas mouillé par l'alliage eutectique Al-Ge. Ainsi, une couche de mouillabilité 130 pour laquelle l'angle de contact de la goutte d'AIGe sur cette couche est inférieur ou égal à 90°, de préférence inférieur ou égal à 70° sera avantageusement choisie.
Afin de déterminer l'angle de contact de la goutte de l'alliage eutectique, la méthode utilisée est, par exemple, celle décrite dans la thèse de V. Lumineau. La mesure d'angle de contact est celle de la goutte posée : on observe la forme d'une goutte de l'alliage eutectique formé sur une face plane pour une température supérieure à sa température de fusion. Pour cela, l'alliage est placé dans un creuset en alumine qui se termine par un capillaire de diamètre 0,6 mm. Une fois la fusion opérée et la température expérimentale atteinte, un piston permet de former une goutte à l'extrémité du capillaire. Le creuset est ensuite descendu vers la face solide à étudier et la goutte est déposée. Les observations sont réalisées in situ, en température, à l'aide d'une caméra (25 images/s) et à travers un hublot. L'enregistrement vidéo de l'étalement de la goutte permet ensuite la mesure et le calcul des paramètres intrinsèques des gouttes via le logiciel Drop Shape Analysis. Un système de pompage permet d'obtenir un vide poussé pouvant aller jusqu'à 5.10’7 mbar (soit 5.10’5 Pa).
La couche de mouillabilité 130 peut être disposée selon plusieurs configurations.
La couche de mouillabilité 130 peut être disposée entre le premier substrat 111 et le premier cordon 121 (figures 4A et 4B), et/ou entre le deuxième substrat 112 et le deuxième cordon 122 (figures 3A et 3B).
La couche de mouillabilité 130 dépasse du cordon 121, 122 de manière à avoir une face libre pour contenir la coulure 123'. La couche de mouillabilité 130 peut dépasser de part et d'autre du cordon 121, 122. Alternativement, elle peut dépasser uniquement d'un côté du cordon 121, 122. La zone de débord de la couche de mouillabilité 130 peut être comprise entre quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de micromètres.
La couche de mouillabilité 130 peut dépasser de part et d'autre du cordon 121, 122 qui la recouvre (figures 3A et 3B, 4A et 4B).
Alternativement, la couche de mouillabilité peut dépasser uniquement d'un côté du cordon (figures 5A et 5B, 6A et 6B, 7). Avantageusement, la couche de mouillabilité 130 dépasse uniquement à l'extérieur de la cavité formée par le cordon de scellement 123 et les deux substrats pour guider les coulures d'eutectique 123' à l'extérieur de la cavité contenant le ou les dispositifs microélectroniques puce et les préserver.
Selon une autre variante de réalisation, la couche de mouillabilité 130 peut être disposée à côte du cordon 121, 122 (figures 8A et 8B, 9). Elle peut être en contact du cordon 121, 122 ou être déportée par rapport au cordon 121, 122 (i.e. la couche de mouillabilité ne touche pas le cordon). Par exemple, la couche de mouillabilité 130 forme une ceinture autour du cordon. Des traverses (ou 'ponts') peuvent permettre de faciliter l'évacuation des coulures vers la couche de mouillabilité. Les traverses peuvent être en un matériau identique ou différent de celui de la couche de mouillabilité. Préférentiellement, la couche de mouillabilité 130 est située uniquement à l'extérieur du cordon de scellement (i.e. à l'extérieur de la cavité) et est disjointe du cordon de scellement.
Une seule couche de mouillabilité 130 a été décrite. Il est également possible d'avoir une couche de mouillabilité sur chaque substrat 111, 112.
Alternativement, le premier substrat 111 et le deuxième substrat 112 sont chacun recouverts localement par une couche de mouillabilité 130, moyennant quoi lors de l'étape c), les coulures 123' de l'alliage eutectique se forment sur les couches de mouillabilité 130 et sont contenues au moins partiellement, et de préférence, totalement au niveau de ces couches.
L'utilisation de deux couches de mouillabilité permet de mieux confiner le matériau eutectique et ainsi le stabiliser. Une telle configuration peut également permettre de réduire les dimensions de ces couches par rapport à une unique couche de mouillabilité, ce qui est particulièrement avantageux pour miniaturiser les dispositifs.
Les deux couches pouvant être disposées sur chaque substrat de manière identique ou de manière différente.
La taille de la couche de mouillabilité 130 sera déterminée en fonction de la taille des cordons. Sa taille sera choisie de manière à pouvoir contenir les coulures.
Lors de l'étape c), les deux cordons 121, 122, voire les deux substrats 111, 112, sont mis en contact intime l'un avec l'autre puis le traitement thermique est réalisé. Le traitement peut être réalisé sous atmosphère contrôlée (vide, atmosphère inerte) et/ou avec une pression mécanique pour contacter l'ensemble de la face. Par exemple, on pourra appliquer une force supérieure ou égale à 2 kN ou 10 kN ou même 30 kN.
La température est choisie en fonction de l'alliage eutectique. La température est choisie de manière à atteindre, voire dépasser, la température de fusion de l'alliage eutectique, pour former une brasure à base de l'alliage eutectique entre les substrats 111, 112 à assembler. De préférence, la température appliquée est inférieure à la température de fusion du premier cordon 121, et à la température de fusion du deuxième cordon 122. Par exemple, pour réaliser l'alliage eutectique Al-Ge, on appliquera une température supérieure à 425°C (température de fusion de l'alliage eutectique).
Le cordon de scellement 123 est en un alliage eutectique comprenant deux éléments, l'un provenant du premier élément du premier cordon et l'autre provenant du deuxième élément du deuxième cordon. Cet alliage est également appelé brasure.
La formation du cordon 123 en alliage eutectique assure la forte tenue mécanique du scellement.
Le cordon de scellement 123 a, par exemple, une largeur comprise entre 30 pm et 200 pm. La largeur sera choisie de manière à être suffisamment élevée pour permettre une bonne herméticité tout en étant assez faible pour autoriser une miniaturisation.
La somme des épaisseurs du premier et deuxième matériaux est comprise en générale entre 100 nm et 10 pm. Préférentiellement elle sera de 1 pm.
L'utilisation de couche de mouillage peut être combinée avec l'utilisation de butée mécanique comme décrit dans l'art antérieur.
Le procédé précédemment décrit permet de réaliser des assemblages dont l'épaisseur est inférieure à 10 pm. De plus, le scellement présente peu de défectivité de type trou aux interfaces par rapport à la thermo-compression, ce qui est intéressant pour les assemblages nécessitant une atmosphère contrôlée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de scellement eutectique de deux substrats (111, 112) comprenant les étapes suivantes : a) fournir un premier substrat (111) ayant une première face recouverte par un premier cordon (121) en un premier matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques (140), le premier matériau comprenant un premier élément, b) fournir un deuxième substrat (112) ayant une première face recouverte par un deuxième cordon (122) en un deuxième matériau, et éventuellement par un ou plusieurs dispositifs microélectroniques (140), le deuxième matériau comprenant un deuxième élément, apte à former un alliage eutectique avec le premier élément, c) mettre en contact le premier cordon (121) et le deuxième cordon (122), et réaliser un traitement thermique pour former une phase eutectique alliant le premier élément du premier cordon (121) et le deuxième élément du deuxième cordon (122), moyennant quoi on forme un cordon de scellement (123) à base de l'alliage eutectique et on scelle le premier substrat (111) au deuxième substrat (112), la formation de la phase eutectique étant accompagnée de la formation de coulures (123') d'alliage eutectique, procédé caractérisé en ce que au moins l'un du premier substrat (111) et du deuxième substrat (112) est recouvert localement par une couche de mouillabilité (130), l'angle de contact d'une goutte d'alliage eutectique sur la couche de mouillabilité (130) étant inférieur d'au moins 20° et de préférence d'au moins 40°, d'une part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du premier substrat (111) et, d'autre part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du deuxième substrat (112), moyennant quoi lors de l'étape c), les coulures (123') d'alliage eutectique se forment sur la couche de mouillabilité (130).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier cordon (121) comprend le premier matériau et le deuxième matériau, le premier cordon (121) étant par exemple sous la forme d'un multicouche, et/ou en ce que le deuxième cordon (122) comprend le premier matériau et le deuxième matériau, le deuxième cordon (122) étant par exemple sous la forme d'un multicouche.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la couche de mouillabilité (130) est une couche métallique, de préférence choisie parmi W, Ti, Al, Au et Cu, ou une couche de nitrure métallique, par exemple une couche de TiN, AIN ou WN.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première face du premier substrat (111) est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou en SisN/i, en un matériau semi-conducteur ou en nitrure métallique et/ou en ce que la première face du deuxième substrat (112) est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou en SisN/i, en un matériau semi-conducteur ou en nitrure métallique.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage eutectique est choisi parmi Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn et Au-Ge.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier matériau est choisi parmi AISi ou AlCu pour l'alliage eutectique AIGe, Au pour l'alliage eutectique Au-ln, Au-Sn ou Au-Si et/ou en ce que le deuxième matériau est choisi parmi Ge pour l'alliage eutectique Al-Ge, Sn pour l'alliage eutectique Au-Sn ou Bi-Sn, Si pour l'alliage eutectique Au-Si.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier cordon (121) est disposé sur la couche de mouillabilité (130), la couche de mouillabilité (130) dépassant soit d'un côté du premier cordon (121) soit de part et d'autre du premier cordon (121) ou en ce que le deuxième cordon (122) est disposé sur la couche de mouillabilité (130), la couche de mouillabilité (130) dépassant soit d'un côté du deuxième cordon (122) soit de part et d'autre du deuxième cordon (122).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de mouillabilité (130) est déportée par rapport au premier cordon (121) ou par rapport au deuxième cordon (122), la couche de mouillabilité (130) étant connectée au premier cordon (121) ou au deuxième cordon (122) par des traverses.
9. Dispositif comprenant un premier substrat (111) et un deuxième substrat (112) scellé l'un à l'autre par un cordon de scellement (123) à base d'un alliage eutectique, au moins l'un du premier substrat (111) et du deuxième substrat (112) étant recouvert localement par une couche de mouillabilité (130), l'angle de contact d'une goutte d'alliage eutectique sur la couche de mouillabilité (130) étant inférieur, d'une part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du premier substrat (111) et, d'autre part, à l'angle de contact d'alliage eutectique sur la première face du deuxième substrat (112), des coulures (123') de l'alliage eutectique étant disposées sur la couche de mouillabilité (130).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de mouillabilité (130) est une couche métallique, de préférence choisie parmi W, Ti, Al, Au et Cu, ou une couche en nitrure métallique, par exemple une couche de TiN, AIN ou WN, et en ce que la première face du premier substrat (111) est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou en SisN/i, en un matériau semi-conducteur ou en un nitrure métallique et/ou en ce que la première face du deuxième substrat (112) est en un matériau diélectrique, de préférence du SiÛ2 ou en SisN/i, ou en un matériau semi-conducteur ou en un nitrure métallique.
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que l'alliage eutectique est choisi parmi Al-Ge, Au-ln, Au-Sn, Au-Si, Bi-Sn et Au-Ge.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le cordon de scellement (123) est disposé sur la couche de mouillabilité (130), la couche de mouillabilité (130) dépassant soit d'un côté du cordon de scellement (123) soit de part et d'autre du cordon de scellement (123).
13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la couche de mouillabilité (130) est déportée localement par rapport au cordon de scellement (123), la couche de mouillabilité (130) étant connectée au cordon de scellement (123) par des traverses.
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