FR2956822A1 - Procede d'elimination de fragments de materiau presents sur la surface d'une structure multicouche - Google Patents

Procede d'elimination de fragments de materiau presents sur la surface d'une structure multicouche Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'élimination de fragments de matériau (118) présents sur la surface exposée d'une première couche (116) collée sur une deuxième plaque (110), le procédé comprenant une étape consistant à placer la première couche (116) dans une solution liquide et à propager dans la solution des ondes ultrasonores. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une structure multicouche (111) comprenant les étapes successives suivantes : - collage d'une première plaque sur une deuxième plaque de manière à former une structure multicouche, - recuit de la structure, - amincissement de la première plaque comprenant au moins une étape de gravure chimique de la première plaque, le procédé comprenant en outre, après l'étape de gravure chimique, l'élimination de fragments de matériau (118) présents sur la surface exposée de la première plaque amincie (116).

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la réalisation de structures semi-conducteurs multicouches (également dénommées structures composites ou "multilayer semiconductor wafers" en anglais) réalisées par transfert d'au moins une couche sur un substrat final. Un tel transfert de couche est obtenu par collage, par exemple par adhésion moléculaire, d'une première plaque (ou substrat initial) sur une deuxième plaque (ou substrat final), la première plaque étant en général amincie après collage. La couche transférée peut comprendre en outre tout ou partie d'un composant ou d'une pluralité de microcomposants. Plus précisément, la présente invention concerne le problème des fragments de matériau qui apparaissent sur la surface exposée de la couche transférée lors de la fabrication d'une structure multicouche formée par collage. Ce phénomène de contamination a en particulier été observé à la suite d'une étape de gravure chimique réalisée sur la première plaque d'une structure multicouche, par exemple lors de l'amincissement de cette première plaque, et particulièrement lorsque qu'il n'a pas été pas possible de complètement stabiliser l'interface de collage.
Ce type de contamination a notamment été constaté lors de la fabrication de structures multicouches hétérogènes de type silicium sur saphir (AL2O3) connue sous l'acronyme SOS (pour "Silicon-On-Saphire"). La technique fréquemment utilisée au cours de la fabrication de structures multicouches pour nettoyer la surface d'une couche transférée après une étape d'amincissement chimique consiste à réaliser une étape de rinçage (ou de nettoyage) au moyen d'un jet sous pression. En général, on applique manuellement un jet d'eau (ou une solution de rinçage quelconque) sous pression sur la surface de la plaque à nettoyer, technique parfois désignée sous l'expression « nettoyage à la douchette ». Cependant, la Déposante a constaté que l'efficacité de cette technique reste limitée puisqu'elle ne permet d'éliminer que très partiellement les fragments présents à la surface de la plaque à nettoyer. Par ailleurs, il n'est pas aujourd'hui possible d'automatiser de manière satisfaisante une étape de rinçage mettant en oeuvre un jet pressurisé.
Cette technique nécessite une intervention humaine, ce qui limite l'industrialisation de l'étape de rinçage. Il existe donc aujourd'hui un besoin pour éliminer de manière simple et efficace les fragments de matériau susceptibles d'apparaître sur la surface d'une structure multicouche lors de sa fabrication. Plus particulièrement, il existe un besoin pour nettoyer efficacement la première plaque d'une structure multicouche ayant subit une gravure chimique.
Objet et résumé de l'invention Un des buts de l'invention est de proposer une solution qui permet de répondre au besoin formulé ci-dessus. A cet effet, la présente invention propose un procédé d'élimination de fragments de matériau présents sur la surface exposée d'une première couche collée sur une deuxième plaque, le procédé comprenant une étape consistant à placer au moins la première couche dans une solution liquide et à propager dans la solution des ondes ultrasonores. De manière avantageuse, le procédé de l'invention permet d'éliminer les fragments de matériau se déposant sur la surface d'une structure multicouche lors de sa fabrication, et en particulier à l'issue d'une gravure chimique. Le procédé est également avantageux en ce que les paramètres d'applications (fréquence des ultrasons, puissance des ultrasons etc.) sont contrôlables et reproductibles. Ce procédé permet ainsi d'industrialiser le nettoyage des structures multicouches ayant subi une gravure chimique, lors par exemple d'une étape d'amincissement. Les fragments à éliminer peuvent présenter une taille supérieure à 2 pm. On notera que la taille d'un fragment peut correspondre notamment à sa longueur, à sa largeur ou à son diamètre.
D'autre part, la solution liquide peut être une solution de rinçage ou une solution de gravure. Il est en effet possible de réaliser le procédé de l'invention directement dans un bain d'une solution de gravure utilisé pour graver chimiquement la première plaque de la structure multicouche. Dans ce cas, la solution de gravure sert de milieu de propagation pour les ondes ultrasonores. De cette manière, un seul bac et une seule solution liquide sont nécessaires pour réaliser une gravure chimique et éliminer les fragments de matériau déposés sur la surface de la première plaque. La solution liquide peut en outre comprendre au moins l'une des solutions suivantes : une solution de TMAH, une solution de KOH, et une solution de H3PO4. Selon un aspect particulier de l'invention, au moins une partie des fragments à éliminer correspond à des fragments de la première plaque formés au cours d'une étape préalable de gravure chimique de la première plaque.
En outre, les fragments de matériau à éliminer peuvent comprendre au moins l'un des résidus suivants : résidus d'oxyde provenant d'une couche d'oxyde située au moins à l'interface de collage entre la première plaque et la deuxième plaque, résidus de silicium provenant des bords périphériques de la première plaque et résidus de microcomposants provenant des bords périphériques de la première plaque. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure multicouche comprenant les étapes successives suivantes : - collage d'une première plaque sur une deuxième plaque de manière à former une structure multicouche, - recuit de la structure, amincissement de la première plaque comprenant au moins une étape de gravure chimique de la première plaque, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de gravure chimique, l'élimination de fragments de matériau présents sur la surface exposée de la première plaque conformément à un des modes de réalisation du procédé d'élimination décrits ci-dessus. Le procédé peut comprendre en outre une étape d'oxydation de la première plaque avant l'étape de collage.
Cette étape d'oxydation supplémentaire permet en particulier de placer une couche d'oxydation au niveau de l'interface de collage entre la première plaque et la deuxième plaque de manière à faciliter le collage des deux plaques. Dans un mode de réalisation particulier, l'étape de gravure chimique est réalisée dans un bain d'une solution de gravure, et la solution liquide utilisée lors de l'élimination des fragments correspond à la solution de gravure.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : les figures 1A à 1D sont des vues schématiques représentant la réalisation d'une structure multicouche de type SOI ; - la figure 2 représente, sous forme d'un organigramme, les principales étapes du procédé de réalisation illustré en figures lA à 1D; la figure 3 représente, de façon schématique, un procédé d'élimination de fragments de matériau selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention s'applique, d'une manière générale, à l'élimination de fragments de matériau apparaissant de manière indésirable sur la surface exposée d'une structure multicouche au cours de son procédé de fabrication. On réalise une structure multicouche, ou structure composite, en collant une première plaque sur une deuxième plaque constituant le support de la première plaque.
Les plaques composant une structure multicouche se présentent généralement sous la forme de tranches ou "wafers" au contour généralement circulaire et peuvent présenter différents diamètres, notamment des diamètres de 100 mm, 200 mm ou 300 mm. Toutefois, il peut également s'agir de plaques de forme quelconque, comme une plaque de forme rectangulaire, par exemple. Ces plaques présentent de préférence un bord chanfreiné, à savoir un bord comprenant un chanfrein supérieur et un chanfrein inférieur. Ces chanfreins sont en général de forme arrondie. Toutefois, les plaques peuvent présenter des chanfreins ou tombées de bord de différentes formes telles qu'une forme en biseau.
Le rôle de ces chanfreins est de faciliter la manipulation des plaques et d'éviter les bris de bords qui pourraient se produire si ces bords étaient saillants, de tels bris étant sources de contamination en particules des surfaces des plaques.
Un exemple de procédé de fabrication d'une structure multicouche est à présent décrit en référence aux figures 1A à 1B. Comme représentée en figures 1A et 1B, une structure composite iiia est formée par assemblage d'une première plaque 108 avec une deuxième plaque 110.
Dans cet exemple, la première plaque 108 correspond à une structure SOI comprenant une couche d'oxyde enterrée 104 intercalée entre deux couches de silicium (i.e. la couche supérieure 101 et la couche inférieure 102). La deuxième plaque 110 est ici en saphir. Les première et deuxième plaques 108 et 110 présentent ici le même diamètre. Elles pourraient toutefois avoir des diamètres différents. De préférence, au moins l'une des deux plaques 108 et 110 a été oxydée avant collage. Cette oxydation permet en particulier d'avoir une couche d'oxyde intercalée entre les deux plaques une fois le collage réalisé. Cette oxydation est réalisée au moyen d'un traitement thermique en milieu oxydant. Dans l'exemple décrit ici, la première plaque 108 est oxydée avant collage, de manière à former une couche d'oxyde 106 sur toute la surface de la première plaque. De manière alternative, il est possible de déposer une couche d'oxyde dite couche d'oxyde de collage sur la face à assembler de la première plaque 108 avant collage sur la deuxième plaque 110, cette dernière pouvant également comporter une couche d'oxyde en surface. Une couche d'oxyde de collage se retrouve ainsi à l'interface de collage entre la première plaque 108 et la deuxième plaque 110 et permet un meilleur collage entre celles-ci. Par ailleurs, la première plaque 108 présente un bord chanfreiné, à savoir un bord comprenant un chanfrein supérieur 122a et un chanfrein inférieur 122b. La deuxième plaque 110 présente de la même manière un bord comprenant un chanfrein supérieur 124a et un chanfrein inférieur 124b. Dans l'exemple décrit ici, l'assemblage de la première plaque 108 et de la deuxième plaque 110 est réalisé au moyen de la technique d'adhésion moléculaire bien connue de l'homme du métier (étape El).
D'autres techniques de collage peuvent toutefois être utilisées, comme par exemple le collage anodique, métallique, ou avec adhésif. Pour rappel, le principe du collage par adhésion moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans l'utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, brasure, etc.). Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour permettre d'initier un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller). On notera que la première plaque 108 peut comprendre des microcomposants (non représentés sur les figures) au niveau de sa face de collage avec la deuxième plaque 110, notamment dans le cas de la technologie d'intégration tridimensionnelle de composants (3D-integration) qui nécessite le transfert d'une ou plusieurs couches de microcomposants sur un support final, ou encore dans le cas de transfert de circuits comme par exemple dans la fabrication d'imageurs éclairés en face arrière. La structure composite lita subit ensuite un recuit modéré de renforcement de l'interface de collage (par exemple à 400°C pendant 2 heures) qui a pour but de renforcer le collage entre la première plaque 108 et la deuxième plaque 110 (étape E2).
Une fois ce recuit réalisé, on procède en général à l'amincissement de la première plaque 108 de manière à former une couche transférée d'une épaisseur déterminée (par exemple, de 10 pm environ) sur la plaque support. Cette opération d'amincissement comprend généralement une phase chimique.
Or, la Déposante a constaté l'apparition de fragments de matériaux indésirables sur la surface exposée de la première plaque 108 à la suite d'une étape d'amincissement impliquant une phase chimique. Une étude approfondie de ces fragments de matériau a permis de mettre en évidence le mécanisme de formation de ces fragments. Le mécanisme de formation est décrit plus en détail en relation avec les figures 1C et 1D qui illustrent un exemple d'étape d'amincissement de la première plaque 108. L'étape d'amincissement comprend en général deux sous-étapes distinctes. La première plaque 108 est tout d'abord amincie mécaniquement à l'aide d'une meule ou tout autre outil apte à user mécaniquement le matériau de la première plaque (« grinding » en anglais) (étape E3). Cette première sous-étape d'amincissement permet d'éliminer la majeure partie de la couche supérieure 102 de façon à ne conserver qu'une couche résiduelle 112 (figure 1C).
On procède ensuite à une deuxième sous-étape d'amincissement correspondant à une gravure chimique de la couche résiduelle 112 (étape E4). Cette étape consiste à placer la structure composite 111b dans un bain comprenant une solution de gravure 126 (figure 1D).
Dans l'exemple décrit ici, une solution de TMAH est utilisée pour graver le silicium de la première plaque 108. D'autres solutions d'attaque chimique peuvent toutefois être envisagées, celles-ci étant choisies notamment en fonction de la composition de la première plaque à amincir. On peut, par exemple, utiliser une solution de KOH ou de H3PO4 selon la situation considérée. La couche d'oxyde enterrée 104 intercalée entre les couches 101 et 102 de la première plaque sert de couche d'arrêt lors de la gravure chimique. La gravure chimique est ainsi interrompue au niveau de la couche d'oxyde 104. La gravure chimique permet ainsi d'éliminer la couche résiduelle 112 restante à l'issue de l'amincissement mécanique. La Déposante a cependant observé qu'à l'issue de la gravure chimique des fragments de matériau 118 étaient présents sur la surface exposée de la première plaque 116. Ces fragments 118 présentent typiquement une taille supérieure à 2 dam.
Une étude a permis de démontrer que ces fragments de matériau sont des débris provenant des bords de la première plaque. Plus précisément, les bords chanfreinés des première et deuxième plaques causent des problèmes d'adhérence en périphérie entre ces deux plaques. Malgré l'étape de recuit modéré de renforcement de l'interface de collage, une portion annulaire en périphérie de la première plaque 108 située au voisinage du chanfrein inférieur 122b présente un mauvais collage (voire l'absence totale de collage) sur la deuxième plaque 110. La réduction de l'épaisseur de la première plaque lors des étapes d'amincissement mécanique et chimique fragilise alors de manière significative les bords de la première plaque au voisinage du chanfrein inférieur 122b. L'action de gravure latérale lors de la gravure chimique fragilise encore davantage la zone périphérique non collée (ou mal collée) de la première plaque. Cette fragilisation accrue conduit généralement à des cassures non contrôlées en périphérie de la première plaque amincie. Ces cassures entraînent la formation de débris ou fragments de matériau qui sont ensuite susceptibles de se déposer sur la surface exposée de la première plaque amincie 116. Ainsi, des fragments contenant de l'oxyde et éventuellement du silicium peuvent venir polluer la surface exposée de la première plaque amincie 116 (figure 1D). Les cassures se produisent notamment au cours de la gravure chimique lors de l'amincissement, et ce lorsque l'épaisseur restante de la première plaque ne permet plus de supporter son propre poids en périphérie. Il semble qu'une fois ce stade critique atteint, une portion périphérique de la première plaque au voisinage du chanfrein inférieur 122b s'écroule, produisant ainsi des fragments de matériau 118 indésirables. A noter que ces fragments 118 peuvent également contenir des résidus de circuit provenant d'éventuels microcomposants enterrés dans la première plaque au niveau de sa face de collage avec la deuxième plaque 110. La Déposante a donc mis au point un procédé d'élimination des fragments de matériau pouvant apparaître sur la surface d'une structure multicouche au cours de sa fabrication. Un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention est décrit en référence aux figures 2 et 3. Une fois la gravure chimique réalisée (figure 1D), la structure multicouche 111c est rincée puis placée dans un bac 128 (ou cuvette) contenant une solution de rinçage 130, comme illustré en figure 3. Cette solution de rinçage peut correspondre par exemple à de l'eau déionisée (EDI). Toutefois, d'autres solutions de rinçage peuvent également être envisagées. Des ondes ultrasonores, c'est-à-dire des ondes mécaniques et élastiques diffusées par exemple par un liquide et dont la fréquence est supérieure à 20 kHz, sont alors propagées dans la solution de rinçage dans laquelle est immergée la structure composite 111c. Ces ondes ultrasonores peuvent être produites, par exemple, en faisant osciller des transducteurs piézoélectriques à une fréquence et à une puissance déterminée (utilisation d'un sonicateur, par exemple).
D'autres types de transducteurs à ultrason peuvent toutefois être envisagés dans le cadre de l'invention (transducteurs magnétostrictifs, générateurs pneumatiques...). L'émission d'ondes ultrasonores dans des conditions particulières conduit à un effet dit de cavitation acoustique dans le bac de rinçage 128. Plus spécifiquement, les ondes ultrasonores entraînent des dépressions importantes dans la solution de rinçage 130. Lorsque ces dépressions atteignent un seuil critique, elles donnent naissance à des bulles dans la solution de rinçage 130. Ces bulles sont communément appelées bulles de cavitation.
Les bulles de cavitation étant particulièrement instables, celles-ci implosent lorsqu'elles rencontrent la surface exposée de la première plaque amincie 116. En implosant, ces bulles peuvent émettre une onde de choc suffisante pour casser, décoller et disperser les fragments de matériau 118 présents sur la surface exposée de la première plaque amincie 116. Une fois décollés de la surface exposée de la première plaque amincie 116, les fragments de matériau 118 sont évacués par la solution de rinçage 130. L'amplitude des dépressions permettant d'obtenir ce phénomène de cavitation est notamment contrôlée en fonction de la fréquence et de la puissance des ondes ultrasonores émises. Toutefois, la viscosité de la solution de rinçage 130 a également un impact sur l'amplitude des dépressions produites. En effet, plus la viscosité de la solution de rinçage 130 est élevée, plus l'effet de cavitation est difficile à obtenir. La fréquence et la puissance des ondes ultrasonores seront donc réglées en fonction de la viscosité de la solution de rinçage 130.
II est également possible d'adapter la température de la solution de rinçage à la situation considérée. Le tableau ci-dessous présente des conditions expérimentales qui peuvent typiquement être appliquées pour obtenir un effet de cavitation satisfaisant et ainsi éliminer les fragments de matériau 118 de la surface de la première plaque amincie 116 : Conditions expérimentales Bac En inox, en quartz ou en PTFE. Solution de rinçage EDI, TMAH etc. utilisée (possibilité d'ajouter d'adjuvants dans la solution de rinçage, recirculation possible de la solution de rinçage dans le bac). Température A température ambiante ou à 40°C. Puissance des ondes 660W ou 1200 W. ultrasonores Fréquence des ondes 44KHz ou entre 700 KHz et 1000KHz ultrasonores Orientation des _ Horizontale : efficacité convenable structures composites - Verticale : bonne efficacité dans le bac Durée 15 minà20min Composition des une couche d'oxyde (de 500 Â à 2 lm fragments de matériau d'épaisseur) recouverte observés de silicium et/ou d'un empilement de circuit. De manière alternative, il est possible de réaliser le procédé d'élimination selon l'invention directement dans le bain de la solution de gravure 126 lors de la gravure chimique illustré en figure 1D. Dans ce cas, la solution de gravure 126 (de TMAH, par exemple) sert de milieu de propagation pour les ondes ultrasonores et l'effet de cavitation intervient en concomitance avec l'action de gravure de la solution de gravure 126.
Une fois le procédé d'élimination des fragments selon l'invention réalisé, on peut éventuellement réaliser une opération de détourage afin d'éliminer une portion annulaire en périphérie de la première plaque amincie 116. Par ailleurs, le procédé de l'invention s'applique à tout type de 20 structure multicouche, et plus particulièrement, aux structures multicouches dont les plaques présentent des bords chanfreinés (ou des tombées de bord d'une forme quelconque) et qui ne peuvent être portés à des températures élevées afin de stabiliser parfaitement l'interface de collage. L'invention s'applique en particulier aux structures de type SOS.
Le procédé d'élimination selon l'invention permet donc avantageusement d'éliminer les fragments de matériau qui se déposent, ou qui sont susceptibles de se déposer, sur la surface d'une structure multicouche, et plus particulièrement, sur la surface exposée de la couche transférée (i.e. la première couche amincie).
Le procédé de l'invention est particulièrement adapté pour éliminer les particules de taille relativement importante, c'est-à-dire dont la taille est typiquement supérieure à 2 pm. Le procédé permet ainsi d'éliminer des fragments de quelques micromètres, voire de quelques centimètres.
Le procédé de l'invention est également avantageux en ce que les paramètres d'application sont contrôlables et reproductibles. Cette technique peut ainsi être optimisée et automatisée à des fins industrielles (contrairement au procédé de rinçage conventionnel au jet pressurisé). Par exemple, un bac à ultrason peut avantageusement être intégré dans une ligne de production de structures multicouches afin de mettre en oeuvre le procédé de l'invention.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé d'élimination de fragments de matériau (118) présents sur la surface exposée d'une première couche (116) collée sur une deuxième plaque (110), ledit procédé comprenant une étape consistant à placer au moins la première couche dans une solution liquide (126, 130) et à propager dans ladite solution des ondes ultrasonores.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les fragments à éliminer présentent une taille supérieure à 2 pm.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite solution est une solution de rinçage (130) ou une solution de gravure (126).
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite solution comprend au moins l'une des solutions suivantes : une solution de TMAH, une solution de KOH, et une solution de H3PO4. 20
  5. 5. Procédé d'élimination selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins une partie desdits fragments de matériau (118) à éliminer correspond à des fragments de la première couche (116) formés au cours d'une étape préalable de gravure chimique 25 de la ladite première couche.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits fragments de matériau à éliminer comprennent au moins l'un des résidus suivants : résidus d'oxyde provenant d'une couche 30 d'oxyde (106) située au moins à l'interface de collage entre ladite première couche (116) et ladite deuxième plaque (110), résidus de silicium provenant des bords périphériques de ladite première couche et résidus de microcomposants provenant des bords périphériques de ladite première couche. 35
  7. 7. Procédé de fabrication d'une structure multicouche comprenant les étapes successives suivantes : collage d'une première plaque (108) sur une deuxième plaque (110) de manière à former une structure multicouche (111a), recuit de ladite structure, amincissement de la première plaque comprenant au moins une étape de gravure chimique de la première plaque, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de gravure chimique, l'élimination de fragments de matériau (118) présents sur la surface exposée de la première plaque amincie (116) conformément au procédé d'élimination défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, ledit procédé comprenant en outre une étape d'oxydation de la première plaque avant l'étape de collage.
  9. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ladite étape de gravure chimique est réalisée dans un bain d'une solution de gravure (126), et dans lequel ladite solution utilisée lors de l'élimination des fragments correspond à ladite solution de gravure.
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