FR2894068A1 - Procede et equipement de collage par adhesion moleculaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne sous un premier aspect un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.L'état de surface est modifié en venant chauffer localement ou uniformément la surface de l'un et/ou l'autre des substrats à coller.

Description

Le domaine de l'invention est celui du collage par adhésion moléculaire de

deux substrats entre eux. L'invention concerne un procédé et un équipement de collage. Elle s'étend également à la formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semi-conducteur sur un substrat support. Pour former une telle structure, on procède en effet typiquement à la mise en contact intime d'un substrat donneur avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire des substrats entre eux. On procède ensuite au transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former la couche mince sur le substrat support. Le collage par adhésion moléculaire ( direct wafer bonding ou fusion bonding selon la terminologie anglo-saxonne) est une technique permettant de faire adhérer l'un à l'autre deux substrats présentant des surfaces parfaitement planes ( poli-miroir ), et cela sans application d'adhésif (de type colle, glue, etc.). Les surfaces en question sont en général celles de substrats en matériau isolant (par exemple quartz, verre) ou en matériau semi-conducteur (par exemple Si, GaAs, SiC, Ge...). Le collage est typiquement initié par application locale d'une légère pression sur les deux substrats mis en contact intime. Une onde de collage se propage ensuite sur toute l'étendue des substrats en quelques secondes. L'énergie de collage obtenue à température ambiante est généralement assez faible par rapport à celle observée entre deux solides liés de façon covalente, ionique ou métallique.

Pour de nombreuses applications, le collage est alors renforcé en réalisant un recuit thermique. Dans le cas d'une surface de silicium collée sur une autre surface de silicium ou d'oxyde de silicium, l'énergie de collage devient ainsi maximale après un recuit de renforcement du collage réalisé à des températures de l'ordre de 1100-1200 C.

Par ailleurs, afin d'obtenir un collage satisfaisant de deux substrats, on réalise typiquement avant collage une préparation de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller. Il s'agit là d'augmenter la tenue mécanique et/ou d'accroître la qualité de l'interface de collage. Une préparation des surfaces à coller visant à les rendre davantage hydrophiles est un exemple d'un tel traitement permettant d'augmenter la tenue mécanique entre les substrats lors du collage. Dans le cadre d'un collage hydrophile, les propriétés suivantes sont recherchées pour les surfaces à coller : -l'absence de particules ; - l'absence d'hydrocarbures ; l'absence de contaminants métalliques ; une faible rugosité de surface, typiquement inférieure à 5 A RMS ; une forte hydrophilie, c'est-à-dire une densité importante de liaisons silanols Si-OH terminant les surfaces à coller. La préparation des surfaces à coller est généralement réalisée en mettant en oeuvre un ou plusieurs traitements chimiques. A titre d'exemples de traitement chimique avant collage (hydrophile), on peut mentionner : le nettoyage de type RCA, à savoir la combinaison d'un bain SC1 (NH4OH, H2O2, H2O) adapté au retrait des particules et des hydrocarbures et d'un bain SC2 (HCI, H2O2, H2O) adapté au retrait des contaminants métalliques ; le nettoyage avec une solution ozonée (03) adapté au retrait des contaminants organiques ; le nettoyage avec une solution contenant un mélange d'acide sulfurique et d'eau oxygénée (encore appelée solution SPM, selon l'acronyme anglo-saxon de Sulfuric Peroxide Mixture ) ; La préparation des surfaces à coller peut également comprendre une préparation mécanique des surfaces (léger polissage ; brossage), en complément ou non des traitements chimiques. En complément des méthodes classiques de collage par adhésion moléculaire, des techniques de collage fort à basse température ont été développées plus récemment pour permettre la réalisation d'hétérostructures

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(collage de deux matériaux de nature différente), pour coller des substrats comportant des composants électroniques partiellement ou totalement réalisés (également connus sous les appellations anglosaxonnes de patterned substrate et de structured wafer ), ou encore pour coller des substrats susceptibles de s'altérer lors d'un recuit à haute température. Le collage par adhésion moléculaire avec activation plasma est un exemple d'une telle technique de collage fort à basse température. L'exposition, avant le collage, de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller à un plasma permet d'atteindre de fortes énergies de collage après des recuits de renforcement du collage relativement courts (environ 2 heures) et réalisés à basse température (typiquement inférieure à 600 C). On pourra par exemple se référer aux articles suivants : Effects of plasma activation on hydrophilic bonding of Si and SiO2 , T. Suni et al., J. Electroch. Soc. Vol. 149, N 6, p. 348 (2002); Time-dependent surface properties and wafer bonding of 02-plasma treated silicon (100) surfaces , M. Wiegand et al., J. Electroch. Soc. Vol. 147, N 7, p. 2734 (2000). On notera que les différentes techniques de préparation de surface évoquées précédemment font systématiquement appel à au moins une étape humide, à savoir à au moins un rinçage des surfaces par de l'eau déionisée. Les substrats sont ensuite séchés, par exemple par centrifugation ( dry-spin ). En fonction de leur degré d'hydrophilie, les surfaces des substrats présentent après séchage quelques monocouches d'eau adsorbée, ces monocouches étant à l'origine des forces intermoléculaires responsables de l'adhésion lors de la mise en contact. Le collage par adhésion moléculaire de substrats entre eux occasionne généralement des défauts. A titre d'exemples de défauts occasionnés par le collage, on peut notamment citer les défauts de type bulles (ou bubbles selon la terminologie anglo-saxonne) au niveau de l'interface de collage entre les deux substrats, ainsi que les défauts de type picots (ou edge voids selon la terminologie anglo-saxonne) au niveau de la couche mince

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de la structure finale couche mince sur substrat support obtenue après transfert. Par bulles, on entend des défauts qui résultent du piégeage de gaz et/ou d'eau à l'interface de collage entre les deux substrats. Les bulles peuvent apparaître après application d'un faible budget thermique à la structure collée (par exemple après application d'un recuit thermique à 200 C pendant 2 heures) et sont observables par inspection de l'interface de collage à l'aide d'une caméra infrarouge, ou encore par microscopie acoustique. Les bulles vont être responsables de la présence de zones non transférées au niveau de la structure finale obtenue après transfert. L'article Low-Temperature Wafer Bonding, Optimal 02 Plasma Surface Pretreatment Time de X.Zhang et J-P.Raskin in Electrochemical and Solid ûState Letters, 7 (8) G 172-G174 (2004) illustre le phénomène de la formation des bulles à l'interface de collage.

Par picots, on entend des défauts qui résultent du collage et qui sont typiquement observés à la périphérie de la structure finale (généralement sous la forme d'une plaquette circulaire). De tels défauts sont également connus sous la dénomination anglo-saxonne edge void . Une application du collage direct est celle qui est faite dans le cadre de la réalisation de structures du type semi-conducteur sur isolant SeOI (selon la terminologie anglo-saxonne Semiconductor On Insulator), et en particulier les structures silicium sur isolant SOI (selon la terminologie anglo-saxonne Silicon On Insulator). Dans ce cadre d'application, l'un au moins des substrats à coller présente une couche d'oxyde en surface ; à titre d'exemple, on réalise typiquement un collage Si/SiO2 ou encore un collage SiO2/SiO2 afin de former une structure SOI. II existe principalement trois méthodes de réalisation de structures SeOI par collage direct : SMART CUT , BSOI (et BESOI), et ELTRAN . On pourra trouver une description des procédés associés à chacune de ces méthodes dans l'ouvrage Silicon wafer bonding technology for VLSI and MEMS applications , S.S. Lyer and A.J. Auberton-Hervé, IEE (2002).

Mais des défauts de type picots, occasionnés par l'étape de collage, sont susceptibles d'apparaître après transfert de la couche mince du substrat donneur vers le substrat support. Comme cela est schématiquement représenté sur la figure 1 dans le cadre de la formation d'une structure SOI, un picot P est un trou (de diamètre typiquement compris entre 100 pm et 1 mm) dans la couche mince transférée qui correspond à une zone du substrat donneur non transférée sur le substrat support A. Les picots apparaissent le plus souvent en bord (zone périphérique) de la structure couche mince sur substrat support (plaquette circulaire) ; ils sont situés à une distance typiquement comprise entre 1 et 5 mm du bord de plaquette. Les picots sont ainsi des défauts macroscopiques liés à un mauvais collage en bord de plaques. II s'agit de défauts tueurs car, en l'absence de couche mince servant de couche active pour la formation de composants électroniques à la localisation d'un picot, aucun composant ne peut être fabriqué à cette localisation. Etant donné la taille des picots, un composant électronique comprenant au moins un picot est nécessairement défectueux. En outre, un procédé de transfert du type SMART CUT présente notamment l'intérêt de permettre le recyclage du substrat donneur. Or lorsque l'on réalise le collage d'un substrat donneur recyclé (c'est-à-dire un substrat donneur ayant déjà servi pour le prélèvement et le transfert d'une couche mince ; plaquette dite refresh ), on observe un nombre de picots plus important que lorsque l'on réalise le collage d'un substrat donneur originel (n'ayant jamais servi au prélèvement et au transfert d'une couche mince ; paquette dite fresh ). Cette présence accrue de picots tend alors à interdire la réalisation du recyclage. La présence de picots induisant des pertes en terme de qualité et de rendement, il existe donc un besoin pour éviter la formation de tels défauts.

II a été proposé dans le document EP 1 566 830 de limiter le nombre de défauts de type voids et picots en bord de plaquette SOI obtenue suite à un collage moléculaire. Selon ce document, ces défauts se situent toujours à une position spécifique par rapport au centre de la plaquette, et semblent être dus à la configuration des bords de plaquettes. Ainsi pour diminuer le nombre de défauts, ce document propose de modifier la configuration des bords de plaquettes lors de leur fabrication. Plus précisément, ce document propose de modifier la courbure des tombées de bord, dans des régions allant de 3 à 10 mm à partir de la périphérie de la plaquette. Cette solution présente donc l'inconvénient de nécessiter une intervention mécanique préalable sur les plaquettes.

Une autre application du collage direct est celle du collage Si/Si du type DSB (selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Direct Si Bonding désignant un collage de Si direct). Comme mentionné précédemment, des défauts de type bulles sont toutefois susceptibles d'apparaître au niveau de l'interface de collage.

Une solution envisagée pour réduire la formation de bulles consiste à réaliser une activation plasma des surfaces à coller, de manière à obtenir une bonne énergie de collage. Cette solution ne s'avère toutefois pas satisfaisante pour réduire le nombre de bulles à l'interface de collage. L'invention a pour objectif de proposer une technique de collage qui remédie à ces inconvénients de l'état de la technique. Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière adaptée pour réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants :

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la modification de l'état de surface est une diminution de l'épaisseur d'une couche d'eau adsorbée en surface de l'un et/ou l'autre des substrats à coller ; la modification de l'état de surface est réalisée par chauffage ; le chauffage est appliqué avant la mise en contact intime et au moins jusqu'à l'initiation du collage des substrats entre eux ; - le chauffage est réalisé pendant une durée comprise entre 1 et 90 secondes, préférentiellement pendant 30 secondes ; le chauffage est réalisé par conduction thermique par transmission de chaleur depuis un plateau supportant l'un des substrats à coller ; le chauffage est réalisé par rayonnement depuis une lampe éclairant l'un des substrats à coller ; la lampe est une lampe rayonnant dans le domaine infrarouge, à une longueur d'onde comprise entre 0.8 pm et 5 pm ; le chauffage est réalisé à une température comprise entre 30 C et 90 C, préférentiellement entre 50 C et 60 C ; - le chauffage est appliqué de manière uniforme sur l'étendue de la surface du substrat à coller ; le chauffage est appliqué localement au niveau d'une zone périphérique du substrat à coller ; - le collage étant initié au centre, la zone périphérique couvre l'ensemble du pourtour du substrat à coller ; - le collage étant initié au bord, la zone périphérique décrit un arc de cercle diamétralement opposé au bord d'initiation et limité par un angle au centre d'environ 120 . Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un équipement de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier avant collage l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage, en particulier des moyens de chauffage

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adaptés pour élever et contrôler la température de l'un et/ou l'autre desdits substrats avant le collage. L'invention concerne également sous un autre aspect un procédé de formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semiconducteur sur un substrat support, comprenant les étapes de mise en contact intime d'un substrat donneur, par exemple un substrat refresh issu d'un recyclage, avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire desdits substrats entre eux suite à la propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, et de transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former ladite couche mince sur le substrat support, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface du substrat donneur et/ou du substrat support de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage. Et l'invention s'étend bien entendu aux structures couche mince sur substrat support obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà commentée : - la figure 2 illustre la formation de picots en fonction de la localisation du point d'initialisation du collage ; la figure 3 représente différents schémas d'équipements selon le deuxième aspect de l'invention ; les figures 4 et 5 représentent respectivement un chauffage uniforme et un chauffage localisé de deux substrats destinés à être mis en contact intime pour réaliser leur collage par adhésion moléculaire ; la figure 6 est un schéma illustrant la formation de picots en fonction de la vitesse de propagation de l'onde de collage.

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L'invention concerne selon un premier aspect un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux, mais s'étend également à la formation d'une structure comportant une couche mince en matériau semi-conducteur sur un substrat support, au cours duquel on réalise un collage par adhésion moléculaire d'un substrat donneur avec le substrat support, et on procède au transfert de la couche mince depuis le substrat donneur vers le substrat support. Comme mentionné précédemment, les procédés SMART CUT , BSOI (et BESOI), et ELTRAN sont des exemples de procédés mettant en oeuvre un collage par adhésion moléculaire.

Selon le procédé SMART CUT , on vient former avant collage, une zone de fragilisation par implantation d'espèces atomiques ou ioniques dans l'épaisseur du substrat donneur, et on procède après collage, au détachement du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation de manière à transférer la couche mince sur le substrat support.

Afin de réaliser le collage moléculaire, on vient typiquement mettre en contact intime le substrat donneur et le substrat support, puis on initie le collage par application locale d'une légère pression sur les deux substrats mis en contact intime. Une onde de collage se propage ensuite sur toute l'étendue des substrats.

L'origine des défauts résultant du collage n'est pas déterminée de façon certaine aujourd'hui. L'analyse de la Demanderesse est que, dans le cadre d'un collage Si/Si type DSB, les défauts de type bulles apparaissent plus particulièrement car aucune couche d'oxyde (autre que natif) n'est alors présente en surface des substrats à coller. La Demanderesse estime en effet que dans le cas d'un collage avec présence d'une couche d'oxyde (par exemple pour un collage

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Si/SiO2, par exemple en vue de la formation d'une structure SeOl), l'eau et les gaz encapsulés lors du collage ou apparus ultérieurement (par exemple lors d'un traitement thermique de consolidation du collage) diffusent préférentiellement dans la couche d'oxyde et sont donc moins enclins à diffuser vers l'interface de collage. En revanche, dans le cas d'un collage DSB, en l'absence d'une telle couche d'oxyde, le Demanderesse estime que l'eau et les gaz encapsulés lors du collage ou apparus par la suite ont tendance à diffuser à l'interface de collage où ils vont être piégés et former des bulles.

En ce qui concerne les défauts de type picots, l'analyse de la Demanderesse est qu'il s'agit de défauts se formant à la fermeture du collage, là où l'onde de collage rencontre le bord des substrats collés. Les représentations de la figure 2 viennent étayer l'analyse de la Demanderesse concernant la formation des picots. On notera que sur cette figure 2, les flèches représentent le sens et la direction de propagation de l'onde de collage, les traits pointillés représentent la position de l'onde de collage à différents instants, et les points représentent les picots. Comme cela est illustré à gauche sur la figure 2, la Demanderesse a effectivement pu constater que lorsque le collage est initié au centre (par application locale d'une pression), on trouve potentiellement des picots sur toute la périphérie du substrat support. En revanche, comme cela est illustré à droite sur la figure 2, lorsque le collage est initié en bord de plaquette (typiquement au niveau d'une entaille dite notch pratiquée en bord de plaquette pour faciliter sa manipulation), des picots peuvent apparaître dans une zone périphérique du substrat support décrivant un arc de cercle diamétralement opposé au point d'initiation, limité par un angle au centre a d'environ 120 . D'une manière générale, l'invention propose de limiter la formation de défauts occasionnés par le collage, voire même d'éviter totalement la formation de tels défauts, en régulant la vitesse de propagation de l'onde de collage.

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Par réguler , on entend classiquement contrôler, maintenir et conserver la maîtrise de l'évolution d'un phénomène. Dans le cadre de la présente invention, le phénomène est celui de la propagation de l'onde de collage, et l'évolution du phénomène correspond à la vitesse de propagation l'onde de collage. La vitesse de propagation est plus précisément régulée de manière à être réduite par rapport à la vitesse classiquement observée en l'absence d'un tel contrôle. Afin de permettre la régulation de la vitesse de propagation de l'onde de collage, l'invention propose de réaliser avant collage une étape de modification de l'état de surface de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller. II s'agit en particulier de contrôler la quantité d'eau adsorbée en surface, et plus précisément de diminuer, sans toutefois l'éliminer complètement, l'épaisseur de la couche d'eau adsorbée par rapport à l'épaisseur de la couche d'eau classiquement adsorbée. En d'autres termes, il s'agit de réduire le nombre de monocouches d'eau adsorbée à la surface. On rappelle que le collage par adhésion moléculaire est également appelé collage direct car il s'agit d'un collage ne nécessitant pas l'application d'un adhésif (de type colle ou autre glue). C'est en effet l'eau adsorbée sur chacune des surfaces (quelques monocouches d'eau) mises en contact qui sert de colle et assure l'adhésion par l'intermédiaire de force de Van der Waals. Selon un mode de réalisation possible, l'état de surface d'un substrat est modifié, et la vitesse de propagation de l'onde de collage ainsi régulée, en jouant sur la température dudit substrat avant collage. On rappelle que le collage par adhésion moléculaire est classiquement pratiqué à température ambiante (20-25 C), que ce soit dans le cas d'un collage manuel ou dans le cas d'un collage automatique. La Demanderesse a pu constater que les picots et les bulles peuvent être partiellement ou totalement éliminés lorsque les substrats sont préchauffés avant et jusqu'à leur mise en contact intime. Le chauffage entraîne en effet une modification de l'état de surface des substrats mis en contact permettant de réduire la vitesse de propagation de l'onde de collage. En contrôlant ce chauffage, il est alors possible de réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage, c'est-à-dire de contrôler la réduction de la vitesse de propagation de l'onde de collage. On a représenté sur la figure 6 une courbe illustrant le nombre de picots Np observés après transfert en fonction de la vitesse de propagation de l'onde de collage Vp (exprimée en centimètres par seconde) pour un collage Si sur SiO2.

On notera que cette figure 6 n'est qu'un schéma donné à titre purement illustratif. En outre, les différents exemples numériques présentés dépendent bien évidemment des substrats utilisés pour le collage (substrat issu d'un recyclage û substrat refresh - ou non - substrat fresh ; type de matériau composant le substrat, en particulier sa souplesse, etc.).

Pour de faibles vitesses de collage (typiquement inférieures à 1,7 cm/s), la Demanderesse n'a relevé aucun picots. Pour une vitesse de 1,7cm/s, la Demanderesse a observé entre 0 et 1 picot. Le nombre de picots augmente ensuite rapidement lorsque la vitesse de propagation de l'onde de collage augmente. La Demanderesse a ainsi pu compter 5 picots pour une vitesse de l'ordre de 2 cm/s et entre 50 et 100 picots pour une vitesse de l'ordre de 3 cm/s. Lorsque seul un nettoyage standard (par exemple RCA) des substrats à coller est réalisé avant collage, la Demanderesse a pu observer une vitesse de propagation de l'onde de collage comprise globalement entre 1 cm/s et 2,5 cm/s (gamme GN sur la figure) En moyenne, sur l'ensemble des structures obtenues après transfert lorsque le collage est réalisé suite à un nettoyage RCA, on n'observe pas de picots. Mais certaines structures présentent un nombre important de picots ; il s'agit typiquement de celles pour lesquelles l'onde de collage s'est propagée à une vitesse supérieure à 1.7 cm/s.

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On mentionne ici que l'on associe généralement bonne énergie de collage et propagation rapide de l'onde de collage. Le document US 6 881 596 propose ainsi de déterminer la qualité de l'interface de collage en mesurant la vitesse de propagation de l'onde de collage.

L'article Dynamics of a Bonding Front de Rieutord, Bataillou et Moriceau in Physical REview Letters, PRL 94, 236101 propose quant à lui une formule (voir équation 5) indiquant que la vitesse de propagation augmente si l'énergie de collage augmente. Comme déjà mentionné précédemment, une activation plasma peut être été réalisée en complément du nettoyage standard RCA. Cette activation plasma vise notamment à augmenter l'énergie de collage. La Demanderesse a pu constater que la vitesse de propagation est plus importante après activation plasma des substrats à coller. On a représenté de manière schématique sur la figure 6 la vitesse de propagation dans le cadre d'un traitement nettoyage RCA + activation plasma (ici activation de l'une seulement des surfaces à coller). Comme on peut le constater, l'augmentation de la vitesse de propagation s'accompagne de la formation d'un nombre important de picots (cf. gamme GN+P sur la figure). Revenant à la description de l'invention, on modifie avant collage l'état de surface de l'un et/ou l'autre des substrats à coller de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage. Dans le cadre de l'exemple de la figure 6, cette régulation est prévue pour que la vitesse de l'onde de collage soit comprise dans la gamme GR (typiquement comprise entre 0,8 et t7 cm/s ; soit globalement un temps de collage compris entre 18 et 35 secondes pour des substrats sous la forme de plaquettes de 300 mm de diamètre) de manière à éviter la formation de picots. Une première application que l'on fera de la régulation par chauffage concerne la formation d'une structure SeOl suite au collage de deux substrats dont l'un au moins présente une couche d'oxyde en surface.

En effet, en venant réduire la vitesse de l'onde de collage, un collage de meilleure qualité (en particulier en bord de plaquette) peut être obtenu,

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prévenant ainsi le non transfert de certaines zones du substrat donneur vers le substrat support et par conséquent la formation de picots. La Demanderesse a ainsi pu constater qu'en mettant en oeuvre une telle mise en contact à chaud aucun picot n'est observé, alors que jusqu'à 80-100 picots peuvent être comptés sur des structures SOI issues d'un collage par mise en contact à température ambiante. On notera que l'obtention de ce collage de bonne qualité rend possible le recyclage c'est-à-dire l'utilisation de substrats du type refresh. Dans le cadre de cette première application, le chauffage est réalisé à une température comprise entre 30 et 90 C, préférentiellement entre 50 et 60 C. Cette gamme de température résulte d'un compromis entre l'apparition des picots à une température voisine de 25 (température ambiante) et l'observation d'une baisse de l'énergie de collage à une température trop importante.

Si les substrats sont chauffés à une température excessive, une grande partie de l'eau adsorbée en surface (voire même la totalité) va s'évaporer et la force du collage risque de chuter fortement. Or d'autres types de défauts sont susceptibles d'être occasionnés par une énergie de collage trop faible. A l'extrême, le collage moléculaire peut même ne pas se produire.

Pour illustrer la chute d'énergie de collage, on pourra se reporter à l'article de Suni et al. dans J. Electrochem. Soc. Vol.149 N 6 p348-351, 2002 intitulé Effects of Plasma Activation on Hydrophilic Bonding of Siand SiO2 , dans lequel il est fait état de ce que l'énergie de collage chute de 2.5J/m2 (cas d'une collage à température ambiante) à 1 J/m2 (cas d'un collage réalisé à 150 C), le tout après un recuit de renforcement du collage réalisé à 200 C. Dans le cadre de cette première application, l'invention propose ainsi d'utiliser la plus basse des températures permettant la disparition des picots, de manière à ne pas occasionner une chute préjudiciable de l'énergie de collage.

En référence à l'exemple de la figure 6, on vise ainsi une vitesse de propagation de l'onde de collage non inférieure à 0,8 cm/s pour ne pas occasionner une chute préjudiciable de l'énergie de collage et en tout état de cause inférieure à 1,7 cm/s pour éviter la formation de picots. Ainsi quelque soient les préparations de surface réalisées avant collage, on vise une vitesse dans la gamme GR, notamment en réduisant de manière contrôlée cette vitesse par chauffage. On mentionne que l'activation plasma peut également être utilisée dans le cadre de la régulation de la vitesse de l'onde de collage, l'activation plasma entraînant effectivement une accélération de la propagation de l'onde de collage (soit une augmentation de la vitesse de propagation). Une première variante consiste à chauffer de manière uniforme l'intégralité de l'un et/ou de l'autre des substrats à coller. Une seconde variante consiste à réaliser un chauffage localisé de l'un et/ou de l'autre des substrats à coller, limité à la zone où les picots sont susceptibles d'apparaître. Comme discuté précédemment en regard de la figure 2, il s'agit de la zone de terminaison de l'onde de collage, la localisation et l'étendue de cette zone dépendant de la manière dont le collage a été initié.

Ainsi, lorsque le collage de deux substrats circulaires est initié au centre, l'invention propose de chauffer l'intégralité de la zone périphérique (c'est-à-dire l'ensemble du pourtour du substrat). A titre d'exemple purement illustratif, cette zone périphérique peut être considérée comme occupant une bande périphérique de 50 mm de large depuis le bord d'une plaquette de 300 mm de diamètre. En revanche, lorsque le collage de deux substrats circulaires est initié au bord, l'invention propose avantageusement de ne chauffer que le bord diamétralement opposé à ce point (en particulier la zone périphérique délimitée par un angle au centre d'environ 120 ).

En mettant en oeuvre un chauffage localisé, l'onde de collage est uniquement ralentie localement. On prévient ainsi la formation de picots sans que le reste du collage (zone non chauffée) ne soit altéré et subisse une perte en terme d'énergie de collage. Le chauffage (localisé ou étendu à la totalité de l'un et/ou de l'autre des substrats) peut être réalisé par conduction thermique. II peut être prévu que le plateau sur lequel repose l'un des substrats à coller (plateau également connu sous le terme anglo-saxon de chuck ) transmette sa chaleur. Il peut également être prévu que le chauffage soit réalisé par rayonnement, par exemple en utilisant une ou plusieurs lampes halogènes éclairant tout ou partie du et/ou des substrats à chauffer.

Le chauffage est pratiqué avant la mise en contact intime des surfaces à coller (les substrats étant alors typiquement mis en regard, séparés de quelques millimètres à l'aide d'espaceurs) et au moins jusqu'à l'initiation du collage (les substrats ayant alors été mis en contact intime). En particulier, le chauffage est réalisé de sorte que la zone où les picots sont susceptibles d'apparaître reste à la température désirée jusqu'à ce que les substrats soient collés dans cette zone (par hypothèse, l'eau désorbée localement ne doit pas pouvoir revenir se condenser avant que le collage ne soit terminé). La durée de chauffage dépend fortement du dispositif utilisé pour élever puis contrôler la température de la zone chauffée. Elle est typiquement comprise entre 1 et 90 secondes. A titre d'exemple, à l'aide d'une lampe halogène 500 W, la durée de chauffage est typiquement comprise entre 30 et 90 secondes. On notera que cette gamme temporelle dépend également d'autres paramètres, comme par exemple la distance entre la lampe et les substrats.

La distribution spectrale de la lampe utilisée pour chauffer et faire désorber l'eau est également un paramètre influant la durée du chauffage. En effet, une lampe émettant principalement de la lumière dans l'infrarouge moyen (longueur d'onde moyenne autour de 3 pm, typiquement comprise entre 0,8 et 5 pm) est particulièrement efficace pour réaliser la désorption de l'eau (la bande d'absorption des molécules d'eau étant effectivement voisine de 3 pm) et conduit donc à un chauffage ultra rapide, permettant de diminuer

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quasi-instantanément l'épaisseur de la couche d'eau adsorbée. En outre, l'utilisation d'un tel rayonnement infrarouge permet de chauffer sélectivement l'eau adsorbée tout en chauffant beaucoup moins la tranche de silicium, matériau relativement transparent dans l'infrarouge.

Une deuxième application que l'on fera du chauffage concerne la réalisation d'un collage de type DSB. La Demanderesse a effectivement pu constater que les bulles peuvent être partiellement ou totalement éliminées dans le cadre d'un collage Si/Si du type DSB lorsque les substrats sont chauffés uniformément avant et jusqu'à leur mise en contact intime. Des observations IR ont ainsi montré une réduction importante, voire même une disparition des bulles. Le chauffage permet en effet de diminuer l'épaisseur de la couche d'eau adsorbée en surface des substrats. La quantité d'eau (et/ou de gaz) susceptibles de diffuser à l'interface de collage est ainsi réduite, ce qui permet de limiter l'apparition de bulles à l'interface de collage. La discussion précédente concernant les différentes manières de réaliser le chauffage s'applique également à cette deuxième application, en notant toutefois que l'on réalise ici préférentiellement un chauffage uniforme de l'un et/ou l'autre des substrats à coller.

Le collage DSB peut notamment être utilisé afin de réaliser un collage Si/Si de substrats présentant des orientations cristallines différentes, ou encore des substrats présentant des dopages différents, ou encore des substrats présentant des niveaux de contraintes différents. Suite au transfert d'une partie d'un des substrats sur l'autre, pour venir y former une couche mince, on réalise ainsi des structures couche mince sur substrat support pour lesquelles la couche mince d'un côté et le substrat support de l'autre présentent des propriétés différentes. L'invention propose également selon un second aspect un équipement permettant de réaliser un collage moléculaire de deux substrats entre eux.

Un équipement de collage manuel par adhésion moléculaire comprend classiquement un support sur lequel est posé un premier substrat, le second

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substrat étant ensuite rapporté en regard du premier substrat. L'initiation du collage (pression locale) est assurée manuellement à l'aide d'un stylet. Un équipement automatisé peut notamment comprendre : -un aligneur permettant de repérer le centre et l'orientation de la plaque (en particulier grâce à la présence d'une entaille dite notch ) ; - une ou plusieurs station(s) de préparation de surface avant collage (opérations de nettoyage, rinçage, séchage, etc.) ; - un support de collage recevant le premier substrat, puis le second au terme du collage. Des espaceurs peuvent également être prévus pour maintenir le second substrat quelques millimètres au-dessus du premier avant leur mise en contact; - un piston automatique assurant l'initiation du collage ; - un ou plusieurs ports de chargement recevant les cassettes de substrats à coller ou déjà collés ; - un robot assurant le transport des plaques d'un élément de l'équipement à un autre. D'une manière générale, l'équipement selon le second aspect de l'invention reprend la configuration classique des équipements de collage par adhésion moléculaire (manuel ou automatisé) mais comprend en outre des moyens permettant de modifier, avant collage, l'état de surface de l'un et/ou l'autre des substrats à coller. Il s'agit notamment de moyens de chauffage permettant d'élever et de contrôler la température de l'un et/ou de l'autre des substrats donneur et support avant leur mise en contact intime et également lors de leur mise en contact intime (c'est-à-dire également au cours de la propagation de l'onde de collage). Ces moyens de chauffage peuvent dispenser la chaleur par dessus e1Jou par dessous les substrats prêts à être collés. A titre d'exemples de dispositifs permettant le chauffage par-dessous, et en référence à la figure 3, on peut prévoir un chuck C formant une plaque chauffante . Il s'agit par exemple d'un chuck dans la masse duquel une ou plusieurs résistances électriques R sont intégrées (cf. représentation

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à gauche sur la figure 3), ou encore d'un chuck C dans la masse duquel on intègre des moyens F permettant de réaliser une circulation de fluide dont la température est régulée (au centre sur la figure 3). Il est également possible d'utiliser (à droite du la figure 3) une ou plusieurs lampes chauffantes L qui vont communiquer leur chaleur au chuck ou directement éclairer la face arrière de l'un des substrats à travers un plateau transparent (au moins transparent au rayonnement IR). On notera que sur cette figure 3 (ainsi que sur les figures 4 et 5 qui seront mentionnées par la suite) les substrats donneur et support sont représentés comme étant mis en regard (typiquement séparés de quelques millimètres par des espaceurs E), avant d'être mis en contact intime. Ces différentes techniques peuvent être utilisées séparément ou en combinaison, localement ou sur la totalité du chuck. II est de la sorte possible de réaliser des gradients de température sur l'étendue des surfaces, ou encore de réaliser un contrôle local de la température. A titre d'exemple de dispositif permettant le chauffage par-dessus, on peut prévoir un arrangement de lampes rayonnant directement sur les substrats, de façon uniforme ou volontairement localisée (notamment là où les picots sont susceptibles d'apparaître).

De manière à bien contrôler la température de la zone chauffée (qu'il s'agisse d'une partie ou de la totalité d'un ou des substrats), l'équipement peut en outre avantageusement comprendre un dispositif de mesure de la température dans la zone chauffée (non représenté ; par exemple sous la forme d'un pyromètre ou d'un thermocouple).

L'équipement peut bien entendu se présenter sous une version manuelle ou automatique. On fournit ci-après deux exemples de réalisation du procédé selon le premier aspect de l'invention pour la formation de structures SOI, dans le cadre du procédé de transfert de type SMART CUT .

Un premier exemple est celui d'un chauffage uniforme des substrats à l'aide d'un chuck chauffant. Les différentes étapes sont les suivantes : préparation des surfaces à coller selon un nettoyage humide combinant un nettoyage RCA et un traitement à base d'ozone ; activation plasma optionnelle (02) de la surface du substrat donneur ; nettoyage des surfaces immédiatement avant collage, par brossage puis rinçage à l'eau ultra-pure et séchage par centrifugation ; chauffage uniforme des substrats à coller à l'aide d'un chuck chauffant sur lequel sont disposés les substrats non encore mis en contact mais mis en regard et séparés de quelques millimètres (cf. figure 4). Le chauffage est réalisé pendant quelques secondes, selon la puissance du dispositif chauffant (de 1 à 90 secondes, typiquement 30 secondes). - mise en contact intime des substrats et initiation du collage ; arrêt du chauffage. Un deuxième exemple est celui d'un chauffage localisé au niveau de la zone où les picots sont susceptibles d'apparaître et comprend les étapes suivantes : préparation des surfaces à coller selon un nettoyage humide combinant un nettoyage RCA et un traitement à base d'ozone ; activation plasma optionnelle (02) de la surface du substrat donneur ; nettoyage des surfaces immédiatement avant collage, par brossage puis rinçage à l'eau ultra-pure et séchage par centrifugation ; chauffage des substrats à coller uniquement dans la zone opposée au point d'initiation à l'aide d'une lampe L disposée au-dessus des substrats non encore mis en contact mais mis en regard et séparés de quelques millimètres (cf. figure 5). Le chauffage est réalisé pendant quelques secondes, selon la puissance du dispositif chauffant (de 1 à 90 secondes, typiquement 30 secondes) ; mise en contact et initiation du collage (initiation localisée en le en bord de plaquette); arrêt du chauffage des plaques ;

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.

2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la modification de l'état de surface est une diminution de l'épaisseur d'une couche d'eau adsorbée en surface de l'un et/ou l'autre des substrats à coller.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modification de l'état de surface est réalisée par chauffage.

4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le chauffage est appliqué avant la mise en contact intime et au moins jusqu'à l'initiation du collage des substrats entre eux.

5. Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé pendant une durée comprise entre 1 et 90 secondes, préférentiellement pendant 30 secondes.

6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par conduction thermique par transmission de chaleur depuis un plateau supportant l'un des substrats à coller.25

7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par rayonnement depuis une lampe éclairant l'un des substrats à coller.

8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lampe est une lampe rayonnant dans le domaine infrarouge, à une longueur d'onde comprise entre 0.8pm et 5pm.

9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le 10 chauffage est réalisé à une température comprise entre 30 C et 90 C, préférentiellement entre 50 C et 60 C.

10. Procédé selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le chauffage est appliqué de manière uniforme sur l'étendue de la surface du 15 substrat à coller.

11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le chauffage est appliqué localement au niveau d'une zone périphérique du substrat à coller.

12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le collage est initié au centre, caractérisé en ce que ladite zone périphérique couvre l'ensemble du pourtour du substrat à coller. 25

13. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le collage est initié au bord, caractérisé en ce que ladite zone périphérique décrit un arc de cercle diamétralement opposé au bord d'initiation et limité par un angle au centre d'environ 120 . 20 23

14. Procédé de formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semiconducteur sur un substrat support, comprenant les étapes de: mise en contact intime d'un substrat donneur avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire desdits substrats entre eux suite à la propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats ; transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former ladite couche mince sur le substrat support ; caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface du substrat donneur et/ou du substrat support de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.

15. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le substrat 15 donneur est un substrat refresh issu d'un recyclage.

16. Equipement de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux suite à la propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier avant collage 20 l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.

17. Equipement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de modification de l'état de surface consistent en des moyens de 25 chauffage adaptés pour élever et contrôler la température de l'un et/ou l'autre desdits substrats avant la mise en contact intime et au moins jusqu'à l'initiation du collage desdits substrats entre eux.

18. Equipement selon la revendication 17 comprenant un plateau sur lequel 30 repose un des substrats à coller, caractérisé en ce que le plateau forme une plaque chauffante.

19. Equipement selon la revendication 18, caractérisé en ce que une ou plusieurs résistances électriques sont intégrées dans la masse du plateau.

20. Equipement selon la revendication 18, caractérisé en ce que des moyens permettant de réaliser une circulation de fluide dont la température est régulée sont intégrés dans la masse du plateau.

21. Equipement selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs lampes chauffantes éclairant le plateau de manière à le chauffer.

22. Equipement selon la revendication 17, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont formés par une ou plusieurs lampes chauffantes rayonnant directement sur les substrats.

23. Equipement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lampe est une lampe rayonnant dans le domaine infrarouge, à une longueur d'onde comprise entre 0.8pm et 5pm.20