FR3077423A1 - Structure de manipulation pour amincir un substrat et procede d'amincissement d'un substrat utilisant une telle structure - Google Patents

Structure de manipulation pour amincir un substrat et procede d'amincissement d'un substrat utilisant une telle structure Download PDF

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Abstract

Structure de manipulation (100) pour amincir un substrat, sur lequel peut être disposé un dispositif microélectronique, telle qu'une microbatterie au lithium, comprenant un film adhésif (110) et un cadre de support (120), le film adhésif (110) comprenant une première face adhésive (111) et une seconde face (112), opposée à la première face adhésive (111).

Description

STRUCTURE DE MANIPULATION POUR AMINCIR UN SUBSTRAT ET PROCEDE D'AMINCISSEMENT D'UN SUBSTRAT UTILISANT UNE TELLE STRUCTURE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à une structure de manipulation pour amincir un substrat.
La présente invention concerne également un procédé d'amincissement d'un substrat, sur lequel peut être disposé au moins un dispositif microélectronique, telle qu'une microbatterie au lithium, utilisant une telle structure de manipulation.
Ces dernières années, les composants microélectroniques, et plus particulièrement, les microbatteries tout solides en couches minces sont devenus incontournables dans le développement des systèmes intelligents embarqués. Ces systèmes intelligents sont, par exemple, utilisés, dans les applications dites internet des objets («Internet of Things »), le stockage d'énergie, la récupération de l'énergie, l'électronique organique et inorganique, ou encore le domaine de la puissance.
Le développement de ces systèmes intelligents doit mener vers une miniaturisation des composants microélectroniques, et parallèlement à l'utilisation de substrats de support de plus en plus fins. Les substrats utilisés pour ces systèmes doivent être fins (typiquement ayant une épaisseur inférieure ou égale à ΙΟΟμιτι) voire même ultrafins (épaisseur inférieure à 50pm).
En pratique, ces substrats sont soumis à de nombreuses étapes technologiques lors des procédés de dépôt et d'encapsulation des couches actives des dispositifs microélectroniques (transfert, dépôt, gravure, nettoyage...). Or, la manipulation des substrats fins est très contraignante à cause de leurs fragilités mécaniques.
Une des solutions consiste à amincir, par voie mécanique ou par voie chimique, des substrats rigides standards à la fin des procédés de réalisation des dispositifs. L'amincissement des substrats rigides en silicium par voie mécanique (« grinding ») est parfaitement maîtrisé. Pour cela, la face avant d'un substrat est collée sur un film adhésif en matériau polymère (communément appelé « tape »), éventuellement solidaire d'un cadre (ou « frame ») pour faciliter sa manipulation. Puis la face arrière est amincie mécaniquement. Cependant, ce type d'amincissement est difficilement transposable aux substrats verres. En effet, amincir, de façon mécanique, un substrat verre d'une épaisseur initiale de 500pm à une épaisseur de moins de lOOpm peut conduire à une fragilisation du substrat aminci (présence de fissures et de dégradations aléatoires). De plus, dans le cas de dispositifs microélectroniques à très forte topographie (comme c'est le cas pour des microbatteries d'une épaisseur de 25 pm sur un substrat d'une épaisseur visée de 20 pm), la topographie se retrouve nécessairement en face avant, ce qui complexifie la suite des étapes technologiques à réaliser (étapes « back-end »).
La technique d'amincissement par voie chimique est une technique plus douce que la technique d'amincissement par voie mécanique. Cette voie offre une alternative pour l'amincissement des substrats rigides en verre afin de s'affranchir des inconvénients de l'amincissement mécanique énoncés précédemment. Cependant, un des problèmes majeurs de l'amincissement chimique concerne la manipulation des substrats pendant et après l'amincissement. En effet, les substrats initialement rigides deviennent très fragiles après l'étape d'amincissement et il est difficile de réaliser, par la suite, les étapes ultérieures de découpe et/ou après d'intégration avec d'autres composants.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est, par conséquent, un but de la présente invention de proposer une structure de manipulation de manipulation permettant de manipuler facilement un substrat lors de l'étape d'amincissement chimique et, éventuellement, permettant de manipuler facilement le substrat aminci lors d'étapes ultérieures (« back end »).
Ce but est atteint par une structure de manipulation pour amincir un substrat, comprenant un film adhésif et un cadre de support, le film adhésif comprenant une première face adhésive et une seconde face, opposée à la première face adhésive.
Il est facile de fixer mécaniquement un substrat sur une telle structure et de l'amincir. Le substrat peut être facilement manipulé. Il peut être découpé lorsqu'il est encore fixé à la structure de manipulation ou séparé de la structure de manipulation puis transféré vers des équipements de découpe.
Avec une telle structure, plusieurs substrats peuvent être amincis et manipulés simultanément.
Avantageusement, le cadre de support est en un matériau polymère de type acrylate, polychlorure, polycarbonate, polyéthylène, mercapto ester, polyépoxyde ou un de leurs dérivés. Par acrylate, on entend les composés de type acrylate et méthacrylate, i.e. (méth)acrylate.
Avantageusement, le cadre de support est en polyméthacrylate de méthyle.
Avantageusement, le film adhésif est en un matériau polymère de type acrylate ou polyester.
De tels matériaux sont inertes chimiquement vis-à-vis des solutions de gravure classiquement utilisées en microélectronique.
Avantageusement, le film adhésif perd ses propriétés d'adhésion sous irradiation ultra-violette ou par activation thermique. Le substrat peut être facilement séparé de la structure de manipulation, sans risquer de le détériorer.
Selon une première variante avantageuse, le cadre de support est positionné sur la première face adhésive du film adhésif.
Selon une deuxième variante avantageuse, le cadre de support est positionné sur la seconde face du film adhésif.
L'invention concerne également un procédé d'amincissement d'un substrat comprenant les étapes successives suivantes :
a) fourniture d'un substrat comprenant une première face principale sur laquelle est disposé un dispositif microélectronique, une seconde face principale opposée à la première face principale, et une face latérale,
b) positionnement du substrat sur une structure de manipulation comprenant un film adhésif et un cadre de support, le film adhésif comprenant une première face adhésive et une seconde face, opposée à la première face, la première face du substrat étant en disposée en regard de la première face adhésive du film adhésif,
c) dépôt d'une couche de protection latérale sur la face latérale et sur le pourtour de la seconde face du substrat, la couche de protection latérale étant en contact avec la première face adhésive du film adhésif,
d) amincissement de la seconde face principale du substrat par gravure chimique, la gravure chimique étant réalisée dans une solution de gravure, vis-àvis de laquelle la structure de manipulation est chimiquement inerte.
Le procédé selon l'invention est simple à mettre en œuvre. Le substrat à amincir est mécaniquement fixé sur la structure de manipulation qui est chimiquement inerte vis-à-vis de la solution de gravure. Le procédé d'amincissement (aussi appelé procédé de rectification chimique) permet de réduire l'épaisseur du substrat jusqu'à obtenir un substrat fin ou ultrafin.
Par fin ou ultrafin, on entend de manière générale, un substrat ayant une épaisseur inférieure à 200μιτι, et de préférence inférieure ou égale à ΙΟΟμιτι.
Avantageusement, le substrat est en verre, en silicium ou en céramique.
Avantageusement, la couche de protection latérale est en un matériau polymère de type acrylate, polychlorure, polycarbonate, polyéthylène, mercapto ester, polyépoxyde ou un de leurs dérivés, ou en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium.
Avantageusement, à l'issue de l'étape d), le substrat a une épaisseur inférieure ou égale à ΙΟΟμιτι, et de préférence, inférieure à 50μιτι.
Avantageusement, le substrat fourni à l'étape a), a une épaisseur supérieure ou égale à 200μιτι, et de préférence, allant de 500μιτι à 1mm.
Avantageusement, après l'étape d), le substrat est découpé, par découpe mécanique ou par découpe laser, en plusieurs éléments.
Avantageusement, le procédé comporte une étape ultérieure e) dans laquelle la première face adhésive du film adhésif est soumise à un rayonnement ultraviolet de manière à altérer la première face adhésive pour séparer le substrat du film adhésif. Le substrat est facilement séparable de la structure de manipulation, sans altération du composant microélectronique et sans détérioration du substrat aminci.
Avantageusement, le dispositif microélectronique est un dispositif électrochimique, telle qu'une microbatterie au lithium.
Avantageusement, plusieurs dispositifs microélectroniques, identiques ou différents, sont disposés sur la première face du substrat.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels :
- la figure 1, est une représentation schématique, en vue de dessus d'une structure de manipulation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- les figures 2A et 2B, sont des représentations schématiques, en coupe et de profil, d'une structure de manipulation, selon différents modes de réalisation particuliers de l'invention,
- la figure 3 est représentation schématique, en coupe et de profil, d'une microbatterie, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- la figure 4 est représentation schématique, en trois dimensions, d'un substrat support sur lequel sont disposés plusieurs dispositifs microélectroniques, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- la figure 5 est une représentation schématique, en vue de dessus, d'une structure de manipulation sur laquelle a été fixée un substrat comprenant un ou plusieurs dispositifs microélectroniques, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- les figures 6A à 6C, sont des représentations schématiques, en coupe et de profil, d'une structure de manipulation sur laquelle a été fixé un substrat comprenant un ou plusieurs dispositifs microélectroniques, selon différents modes de réalisation particuliers de l'invention,
- la figure 7 représente une étape d'amincissement d'un substrat, sur une structure de manipulation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- la figure 8 représente une étape de séparation du substrat de la structure de manipulation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
- la figure 9 représente un cliché photographique d'un substrat sur lequel sont disposés des dispositifs microélectroniques, après l'étape d'amincissement selon un mode de réalisation du procédé 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 pouvant se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Structure de manipulation 100 :
La présente invention concerne une structure de manipulation permettant d'amincir et manipuler facilement un substrat ou plusieurs substrats 200 sur lequel sont disposés un ou plusieurs dispositifs microélectroniques 300.
Comme représenté sur la figure 1, et sur les figures 2A et 2B, la structure de manipulation 100 comprend un film adhésif 110, destiné à fixer mécaniquement le substrat 200, solidaire d'un cadre de support 120 qui permet la manipulation de la structure 100.
La structure de manipulation 100 est chimiquement inerte vis-à-vis de la solution de gravure utilisée lors de l'étape d). Elle est, avantageusement, en un ou plusieurs matériaux polymères.
Le film adhésif 110 comporte une première face principale 111, adhésive, une seconde face principale 112, pouvant être adhésive ou non adhésive, opposée à la première face principale 111, et une face latérale allant de la première face principale 111 à la seconde face principale 112.
Le film adhésif 110 a une surface supérieure à celle du substrat 200, de manière à pouvoir positionner aisément le substrat 200 sur le film adhésif 110.
Le film adhésif 110 sera choisi de manière à être résistant aux solutions de gravure utilisée. Par exemple, il sera résistant aux solutions acides, dans le cas de substrat en verre.
Le film adhésif 110 est, de préférence, en un matériau polymère.
Le film adhésif 110 est, de préférence, choisi par exemple dans la famille des films activable par insolation UV, par pression ou par chauffage thermique. Un film activable thermiquement permet de mettre en œuvre le procédé avec des dispositifs microélectroniques sensibles aux UV. L'étape d'activation du film adhésif permet une libération aisée des dispositifs microélectroniques lors des procédés de « back-end ».
Le film adhésif 110 est, de préférence, à base d'acrylique et/ou de polyester.
A titre illustratif, nous pouvons citer, les films adhésifs 110 commercialisés par la société 3M sous les références « 3M™9085UV », les films « SP sériés » ou « CP sériés » commercialisés par la société Furukawa Electric group ou encore les films « thermal release » commercialisés par la société Nitto.
Le film adhésif 110 a une épaisseur allant de ΙΟΟμιτι à 1mm, par exemple de l'ordre de 150μιτι.
Avantageusement, l'adhésif 110 présente une très forte force de collage (supérieure à lN/20mm). Une simple pression suffit à coller le substrat 200 sur le film adhésif 110. L'exposition du film adhésif 110 à une insolation UV et/ou thermique suffit à diminuer cette force de collage (à des forces d'adhésion inférieures à lN/20mm).
Le cadre de support 120 de la structure de manipulation 100 est rigide, c'est-à-dire qu'il est autoporté et qu'il supporte également le poids, à la fois, du film adhésif 111 et du substrat 200 à amincir. Il peut être facilement manipulé.
Il est fabriqué à partir d'un matériau inerte par rapport aux produits chimiques utilisés dans les solutions de gravure lors de l'amincissement du substrat 200. De préférence, il est en un matériau polymère.
Il peut être en un matériau choisi parmi les polymères à base d'acrylate, de polychlorure, de polycarbonate, de polyéthylène, de mercapto ester, certains époxydes, un de leurs dérivés ou un de leur copolymère.
Le cadre 120 peut être de différentes formes (carré, circulaire, rectangulaire, etc).
De préférence, il est circulaire.
Selon un premier mode de réalisation, le cadre 120 est évidé et sa forme correspond, avantageusement, à celle du pourtour du film adhésif 110 (figures 1 et 2A). Il est positionné sur la première face 111 du film adhésif 110. Il est directement en contact avec la première face 111, c'est-à-dire qu'ils sont adjacents. Les parois internes du cadre 120 évidé et de la première face 111 du film adhésif 110 délimitent une cavité. Le rayon externe du cadre 120 est représenté par la lettre R sur la figure 2A. Le rayon R sera choisi par l'homme du métier en fonction de la taille du substrat 200. Le rayon R va, par exemple, de 100mm à 350mm. La couronne a une épaisseur A allant, par exemple, de 1 mm à 5mm.
Selon un deuxième mode de réalisation, le cadre 120, évidé ou non évidé (figure 2B), est positionné sur la seconde face 112 du film adhésif. Il est directement en contact avec la seconde face 112, c'est-à-dire qu'ils sont adjacents. Dans ce mode de réalisation, la solution est moins sensible aux éventuelles vibrations de la structure, dues aux bains de gravure chimique et aux procédés de rinçage.
La seconde face 112 du film adhésif peut être adhésive, de manière à permettre le collage du cadre 120 directement sur le film adhésif 110. Autrement, un film supplémentaire adhésif peut être utilisé pour associer par collage le film adhésif 110 avec le cadre rigide 120.
Optionnellement, des éléments de renfort de fixation (comme les colles par exemple) peuvent être ajoutés sur le film adhésif 110 et/ou sur le cadre 120 pour une meilleure fixation.
L'évidement optionnel de ce cadre peut être réalisé par des techniques chimiques ou des techniques d'ablation laser.
L'utilisation d'un cadre 120 évidé permet d'utiliser plusieurs catégories de films adhésifs 110.
Généralement, un cadre 120 plein autorise l'utilisation d'adhésifs thermiques.
D'une manière générale, les dimensions (diamètre interne, diamètre externe, épaisseur) et la forme (circulaire, carré, rectangulaire ou autre) du cadre 120, évidé ou non évidé, peuvent être adaptées au regard des substrats 200 rigides employés et des équipements utilisés pour les procédés de gravure chimique et pour les étapes de « back-end ».
Le procédé d'amincissement d'un substrat 200, sur lequel est disposé un dispositif microélectronique 300, mettant en œuvre une telle structure de manipulation comprend les étapes successives suivantes :
a) fourniture d'un substrat 200 comprenant une première face principale 201 sur laquelle est disposé au moins un dispositif microélectronique 300, une seconde face principale 202 opposée à la première face principale 201, et une face latérale,
b) positionnement du substrat 200 sur la structure de manipulation 100, précédemment décrite, la première face 201 du substrat 200 étant en disposée en regard de la première face adhésive 111 du film adhésif 110,
c) dépôt d'une couche de protection latérale 600 sur la face latérale et sur le pourtour de la seconde face 202 du substrat 200, la couche de protection latérale 600 étant en contact avec la première face adhésive 111 du film adhésif 110,
d) amincissement de la seconde face principale 202 du substrat 200 par gravure chimique, la gravure chimique étant réalisée dans une solution de gravure, vis-àvis de laquelle la structure de manipulation 100 est chimiquement inerte.
A l'issue de l'étape d), le substrat 200 a été aminci jusqu'à une épaisseur inférieure à 200μιτι, par exemple, jusqu'à une épaisseur inférieure ou égale à ΙΟΟμιτι. Il peut ensuite être facilement séparé de la structure de support et/ou être soumis à d'autres étapes (étapes « back end »).
Substrat 200 :
Le substrat 200, aussi appelé substrat hôte ou substrat support, fourni à l'étape a), est de préférence un substrat rigide.
Par substrat rigide, nous entendons tout support aisément utilisable en microélectronique avec une épaisseur supérieure à 200μιτι. Par exemple, le substrat rigide a une épaisseur supérieure à 200μιτι, par exemple de 500μιτι à 1mm. Il a, par exemple, une épaisseur de 500μιτι.
Comme représenté sur la figure 3, le substrat 200 comporte une première face principale 201, dite face active, opposée à une seconde face principale 202. Le substrat 200 comprend également une face latérale allant de la première face principale 201 à la seconde face principale.
Le substrat 200 peut avoir différentes formes géométriques. Il est possible par exemple d'utiliser des formats circulaires type wafers ou des formats feuilles, c'est-à-dire rectangulaires.
Le substrat a, avantageusement, les performances requises pour l'encapsulation des microbatteries au lithium. Il est élaboré en un matériau ayant des niveaux de barrière WVTR et OTR au plus, respectivement, de 104 g/m2/j et de 104 cm3/m2/j pour garantir des propriétés d'étanchéité suffisantes vis-à-vis de l'air et de la vapeur d'eau.
Le substrat 200 peut être en un matériau choisi parmi les verres, le silicium (monocristallin ou polycristallin), les céramiques, le mica, et le quartz. De préférence, il est en verre.
Les verres peuvent être des borosilicates (comme les D263®LA, D263®M, D263®T, MEMpax® ou encore le Borofloat® commercialisés par la société SCHOTT®), des dérivés de borosilicates comme les verres alkali-free borosilicates (AF32®, AF45, Corning®Willow....) ou encore des verres de type boro-aluminosilicates (« alkaline earth boro-aluminosilcates ») commercialisés par exemple par les sociétés Corning Lotus™, EAGLE XG®.
De préférence, le substrat 200 est transparent aux longueurs d'onde des lasers classiquement utilisés pour les étapes de découpe. Par transparent, on entend que le substrat 200 laisse passer au moins 50% de la lumière émise par le laser.
Dispositif microélectronique 300 :
Au moins un dispositif microélectronique 300 est disposé sur la première face principale 201 du substrat 200 (face active). Le dispositif microélectronique a une épaisseur allant de 5pm à 30pm, et de préférence de 10 à 15pm.
La première face 201 du substrat 200 peut comporter plusieurs dispositifs microélectroniques 300 afin, par exemple, de multiplier les performances électrochimiques par une mise en parallèle ou en série des dispositifs microélectroniques. Les dispositifs microélectroniques 300 peuvent être identiques ou différents.
Par dispositif microélectronique, on entend un composant microélectronique 300, comme par exemple, un MEMS (microsystème électromécanique), un MOEMS (microsystème opto-électro-mécanique), un microdétecteur infrarouge, un transistor, une microbatterie, une capacité, une supra-capacité, un composant photovoltaïque, une antenne ou tout autre dispositif jugé nécessaire pour la réalisation d'objets connectés.
Par la suite, même si la description fait référence à une microbatterie, et plus particulièrement à une microbatterie au lithium, l'invention est transposable à tout dispositif microélectronique 300, éventuellement sensible à l'air (au dioxygène et à la vapeur d'eau). Il peut s'agir, par exemple d'un empilement capacitif ou d'un composant électrochrome.
Comme représenté sur la figure 3, la microbatterie 300 comprend des collecteurs de courant cathodique 301 et anodique 302, disposés sur le substrat 200. Deux couches actives, l'une formant l'électrode négative 303, et l'autre formant l'électrode positive 304, sont séparées par une couche d'électrolyte 305. Chaque couche active 303, 304 est en contact avec l'un des collecteurs de courant 301, 302.
Les collecteurs de courant 301, 302 sont, avantageusement, métalliques. A titre illustratif, ils peuvent être en titane, or, aluminium, platine, ou en tungstène.
L'électrode positive 304 (cathode) est en un matériau ayant une bonne conductivité électronique et ionique (par exemple TiOS, TiS2, LiTiOS, LiTiS2, LiCoO2, V2O5...). On choisira de préférence une électrode positive en oxyde de cobalt. Ce type de cathode est considéré comme l'une des couches les plus performantes pour les microbatteries et en même temps les plus contraintes lors des étapes de réalisation. En effet, les contraintes mécaniques engendrées après formation de la couche cathodique (Coefficient d'expansion thermique entre 10xl0’6/°C et 15xlO’6/°C et un module de Young entre 100 et 500 GPa) peuvent influer sur le comportement des substrats rigides une fois amincis.
L'électrolyte 305 est un isolant électronique avec une forte conductivité ionique (par exemple LiPON, LiPONB, LiSiCON...).
L'électrode négative 303 (anode) est une couche qui peut être du lithium métallique ou un matériau lithié.
Optionnellement et selon les configurations, les couches actives peuvent être protégées par un système d'encapsulation primaire composé d'une ou de plusieurs couches barrières élémentaires dont le rôle principal est de garantir une intégrité des dispositifs microbatteries pendant les différentes phases du procédé.
La microbatterie sera réalisée par les techniques connues de l'homme du métier.
Comme représenté sur la figure 4, les dispositifs microélectroniques 300 sont positionnés en dehors du contour périphérique du substrat pour les protéger, lors de l'étape de gravure. Avantageusement, cette distance géométrique par rapport au bord du substrat de support sera choisie de manière à être au moins égal au double de l'épaisseur initiale du substrat et/ou du capot. Par exemple, elle est de 5mm. Elle est représentée par la lettre D sur les figures 4, 6A, 6B, 6C, 7 et 8.
Positionnement du substrat 200 sur la structure de manipulation 100 :
Lors de l'étape b), et comme représenté sur les figures 5 et 6A à 6C, le substrat 200 est positionné sur la structure de manipulation 100.
La première face 201 du substrat 200, c'est-à-dire la face active, est disposée en regard de la première face 111 adhésive du film adhésif 110 de manière à protéger les dispositifs microélectroniques 300 lors de l'étape de gravure chimique.
La première face principale 201 et/ou les dispositifs microélectroniques 300 sont en contact avec le film adhésif 110 de la structure de manipulation 100.
Couche de protection latérale 600 :
Lors de l'étape c), une couche de protection latérale 600 est formée sur la face latérale du substrat 200 et sur le pourtour de la seconde face 202 du substrat 200 (figures 5 et 6A à 6C).
Par pourtour, on entend la périphérie.
La couche de protection latérale 600 couvre totalement et de façon continue la face latérale du substrat 200.
La couche de protection latérale 200 masque le pourtour de la seconde face du substrat 200. Cette zone de masquage est positionnée en dehors du périmètre des dispositifs microélectroniques 300. La zone de masquage protège le pourtour du substrat 200 lors de l'étape de gravure. Seules les zones non protégées seront gravées. Le masquage du pourtour par la couche de protection latérale 600 permet de protéger la face active 201 d'une éventuelle infiltration des produits chimiques utilisés lors du procédé d'amincissement.
La couche de protection latérale 600 est en contact avec le film adhésif 110 de la structure de manipulation 100.
Avantageusement, la couche de protection latérale 600 permet de renforcer le collage du substrat 200 au film adhésif 110.
La couche de protection latérale 600 est à une distance B de la paroi interne de la couronne formant le cadre évidé 120. La distance B est par exemple de l'ordre de 5mm.
L'épaisseur C de la couche de protection latérale 600 va, de préférence, de 1 à 10 mm, par exemple de l'ordre de 5 mm.
La largeur de la zone périphérique de la seconde face principale 202 du substrat 200, recouverte par la couche de protection latérale 600, va, de préférence, de 1 à 10 mm, par exemple de l'ordre de 5 mm.
La couche de protection latérale 600 est, de préférence, en un matériau polymère. Le matériau polymère est choisi pour ses propriétés de résistance chimique aux solutions liquides utilisées pour l'amincissement.
A titre illustratif, nous pouvons citer tous les polymères qui présentent une bonne résistance chimique aux acides et aux bases parmi les polymères à base d'acrylate, de polychlorure, de polycarbonate, de polyéthylène, de mercapto ester, d'époxydes, de polysiloxanes (silicones), un de leurs dérivés ou un de leurs copolymères. L'homme du métier choisira le polymère de protection latérale en fonction de la nature de la solution de gravure (acide, base), de la température de la solution de gravure, de la durée de gravure et/ou de la méthode d'application (technique de dépôt, voie de polymérisation thermique ou UV).
La viscosité de la solution contenant polymère ou le précurseur du polymère a, avantageusement, une viscosité inférieure à 1000 cPs.
De préférence, on utilisera un polymère de type époxyde ou silicone.
A titre illustratif, et non limitatif, on peut citer les produits silicones commercialisés par la société Novagard comme les références Novagard®-200series et Novagard®-400series, des produits époxy commercialisés par Polytec (EP660, EP655, EP630-LV) et les produits UV commercialisés par la société Norland (NOA60, NOA61, NOA65, NOA71...).
La couche de protection latérale 600 peut être réalisée par un dépôt d'une ou plusieurs couches physiques de même nature ou de natures différentes. La couche de protection peut également être obtenue par un traitement de surface comme par exemple un dépôt physique de couches minces, ayant de préférence une épaisseur de inférieure à 200pm, par exemple de l'ordre de ΙΟΟμιτι. On déposera, par exemple, un polymère liquide sur la bordure et les flancs de la structure définie par le substrat support et un éventuel capot d'encapsulation.
D'autres techniques peuvent être utilisées pour protéger latéralement les dispositifs microélectroniques 300 de la solution de gravure. On pourra faire appel à des techniques consistant à déposer des films de masquage soit par laminage (film adhésif) soit par dépôt physique ou chimique de couches (silicium, carbure de silicium, polysilicium pour la protection aux acides et silice, nitrure de silicium pour la protection aux bases).
On choisira, avantageusement, un polymère dont la polymérisation est réalisée par irradiation UV. De préférence, il s'agit d'une irradiation UV localisée pour ne pas détériorer le film adhésif 110.
Amincissement du substrat 200 :
L'étape d'amincissement, réalisée lors de l'étape d), permet d'obtenir un substrat ayant une épaisseur et une rugosité contrôlées (figure 7).
L'amincissement est réalisé par gravure chimique (rectification chimique). L'un des avantages majeurs de la rectification chimique par rapport à la rectification mécanique réside dans le faible stress engendré par l'amincissement chimique.
La solution utilisée pour la gravure chimique sera choisie par l'homme du métier de manière à être adaptée pour graver le substrat 200.
Par exemple, pour graver des éléments en silicium, il s'agira d'une solution de nature basique. La solution de gravure peut être de l'hydroxyde de potassium (KOH) à une température de 80°C permettant une vitesse de gravure de l'ordre de 1,5 qm/mn. Dans le cas de l'utilisation d'une solution basique, on privilégiera des matériaux de type polysiloxanes (silicones) pour le collage de la structure de base pour leur résistance aux solutions basiques.
Pour graver des éléments en verre, on choisira une gravure de nature acide. Il peut s'agir d'une solution de gravure très concentrée en acide fluorhydrique HF (49%), d'un mélange HF avec de l'acide chlorhydrique HCl, ou encore d'un mélange entre l'HF, l'eau et de l'acide nitrique. A titre d'exemple dans le cas d'un verre alkali-free, une solution chimique comprenant un mélange équilibré avec 10% d'acide chlorhydrique (HCl) et 2% d'acide fluorhydrique (HF) permet d'avoir une vitesse de gravure standard (25°C) jusqu'à lqm/min. Cette valeur peut être de l'ordre de 2qm/min pour une solution de gravure chauffée à 35°C. Les mélanges peuvent être ajustés afin d'augmenter la vitesse de gravure, ainsi un mélange de 10%HF et 37%HCI permet d'atteindre des vitesses de 4qm/min. On pourra atteindre des valeurs de vitesse de gravure situées entre 20 et 30 qm/min en ajustant les proportions de chaque constituant et/ou en augmentant la température.
De façon générale, les solutions de gravure peuvent être adaptées en température et en composition en fonction des matériaux à graver (silicium, verre), des épaisseurs finales recherchées et/ou des rugosités de surface souhaitées. Il est possible d'envisager une gravure chimique dans des solutions, appelées bains, en mode batch (trempage) ou par jet (douchette) en série.
L'étape de gravure est, avantageusement, suivie par une étape de rinçage à l'eau déionisée et par un séchage, par exemple, sous un flux d'air ou de gaz neutre. Ces séquences d'opérations rinçage/séchage peuvent être répétées de nombreuses fois jusqu'à élimination totale des résidus du mélange acide employé dans la gravure.
Découpe du substrat 200 et, éventuellement, formation de contacts électriques :
Après l'étape d'amincissement, une étape ultérieure dans laquelle les différents dispositifs microélectroniques 300 sont séparés en élément unitaire est réalisée.
Pour cela, des ouvertures sont réalisées dans le substrat 200. Les ouvertures sont représentées par les traits pointillés de la figure 8. Cette étape peut être réalisée par toute méthode de découpe connue de l'homme du métier et adaptée aux matériaux des substrats et/ou capots. On pourra utiliser notamment une découpe mécanique à scie (« sawing ») ou encore une découpe laser (laser CO2, laser YAG, laser picoseconde, laser femtoseconde ou laser excimer). Les ouvertures ont, par exemple, un diamètre de ΙΟΟμιτι à 500μιτι. Avantageusement, on réalisera la découpe de manière à ne pas couper ou détériorer le film adhésif 110 de la structure de manipulation 100.
Après les étapes d'amincissement et de découpe, une étape dans laquelle les contacts sont libérés peut être réalisée. Pour cela, les ouvertures peuvent remplies avec un élément électriquement conducteur, tel qu'un métal ou un alliage de métal, ou encore une résine électriquement conductrice. Par exemple, on pourra choisir une résine à base de polymères électriquement conducteurs, telle que la résine E4110 commercialisée par la société Epo-Tek. Un traitement thermique peut ensuite être réalisé. Il est également possible de laminer un film électriquement conducteur ou d'électrodéposer des couches électriquement conductrices dans les ouvertures.
Finalement, les dispositifs microélectroniques sont séparés de façon individuelle pour obtenir des éléments unitaires.
Séparation du substrat 200 de la structure de manipulation 100 :
La séparation est réalisée en exposant, préférentiellement, la face amincie du verre à une irradiation ultra-violette afin d'altérer l'adhésion entre le film adhésif 110 et le substrat 200 et/ou les dispositifs microélectroniques 300 (figure 8).
Il est possible de manipuler l'ensemble des dispositifs microélectroniques 300 sur un seul substrat pour d'éventuelles opérations de transfert et/ou de récupération des dispositifs 300 par les outils dédiés dans la microélectronique.
Exemple illustratif et non limitatif d'un mode de réalisation de l'invention :
Cet exemple concerne l'amincissement d'un substrat 200 en verre comprenant des microbatteries au lithium.
Etape 1 : Réalisation de l'empilement des microbatteries 300 sur un substrat 200 :
Plusieurs microbatteries au lithium 300 ont été réalisées sur un substrat 200 en verre AF32 de 500μιτι d'épaisseur. La variation de l'épaisseur totale (ou TTV pour « Total Thickness Variation ») est de Ιμιτι. Les microbatteries ont une épaisseur de 20μιτι environ. Les microbatteries sont réalisées par des techniques connues de l'homme du métier. Les microbatteries sont positionnées à une distance D par rapport au bord du substrat de 5mm.
Les collecteurs de courant sont tout d'abord déposés sur le substrat. Puis sont successivement déposés la cathode, l'électrolyte et l'anode.
La cathode est en oxyde de cobalt (LiCoO2) d'une épaisseur de 20μιτι obtenue à partir d'un dépôt sous vide (PVD pour « Physical Vapor Déposition ») suivie d'un recuit thermique à 600°C pendant lOh.
L'électrolyte est une couche de 2μιτι d'épaisseur en LiPON.
L'électrode négative est une couche en lithium métal d'une épaisseur de 2 μιτι.
Etape 2 : Structure de manipulation 100 :
Le cadre rigide 120 est de forme circulaire. Il est obtenu par découpage, et évidage, d'un panneau en polyméthacrylate (PMMA) d'une épaisseur de 4 mm. La couronne présente un diamètre externe R de 220mm et un diamètre interne de 200mm, soit une valeur A de l'ordre de 20mm. Un laser dans l'infrarouge (comme le CO2) avec une puissance de 50 Watts et une vitesse de lOmm/s peut être utilisé pour créer le cadre évidé.
Le ruban adhésif 110 est un film commercialisé par la société Nitto sous la référence « UE-111AJ » sensible aux UV (365nm) d'une épaisseur d'environ 110 μιτι. Il présente une force d'adhésion supérieure à 4 N/20mm. Il s'agit, par exemple, d'un ruban thermique comme les rubans comercialisés sous le nom Revalpha par la société Nitto.
Le ruban adhésif 110 est monté sur le cadre par un collage sous pression (environ 1 bar) au niveau de la partie du cadre évidé afin de l'étendre jusqu'au cadre évidé. Le film adhésif et les parois du cadre évidé forment une cavité d'une hauteur équivalente à l'épaisseur du cadre, i.e. environ 4 mm (figure 2).
Etape 3 : Positionnement du substrat 200 sur la structure de manipulation 100 :
Le substrat 200 est reporté sur la structure de manipulation 110 par une technique de laminage à une pression d'environ 1 bar. La face active 201 est en regard de la partie adhésive de la structure 100. Ainsi, le substrat rigide 200 est logé dans la cavité définie par le cadre évidé 120 et le film adhésif 110.
Le substrat 200 est positionné à une distance B (de l'ordre de 5mm) du diamètre interne du cadre évidé 120.
Une fois, le substrat 200 positionné, une force modérée F (de l'ordre de 2N) peut être appliquée afin de garantir un contact homogène et une bonne adhésion du substrat 200 contenant les dispositifs microbatteries 300 et la structure de manipulation
100.
Etape 4 : Dépôt de la couche de protection latérale 600 :
La couche de protection latérale 600 est localisée sur la face latérale du substrat 200 et en périphérie de la surface de la seconde face 202 du substrat 200 sur une largeur C, de l'ordre de 10mm, et sur une épaisseur d'environ 1mm. Elle est également en contact avec le film adhésif 110.
La couche de protection latérale 600 est obtenue en utilisant la solution NOA61 commercialisé par la société Norland. La solution a une viscosité de 300 CPs. La solution est déposée à une pression d'environ 2 bars. Puis un pré-recuit UV localisé est réalisé pendant 5 s à une puissance de 100 Watts en utilisant une lampe UV dans la gamme 315nm-550nm. Ce pré-recuit permet de pré-réticulé et de fixer le polymère sur le substrat 200. La localisation de l'insolation UV permet de ne pas dégrader les performances du film adhésif 110. Le durcissement du polymère est effectué lors d'une deuxième opération d'exposition UV pendant 10 minutes à une puissance de 100 Watts. Optionnellement, la réticulation est complétée par un recuit thermique à 50°C pendant lOh.
Etape 5 : Amincissement chimique du substrat 200 :
Cette étape est réalisée en trempant le substrat 200 et la structure de manipulation 100 dans un bain chimique acide (pH<7) constitué de 10% d'HCI et de 37% d'HF. Le bain est chauffé à une température de 25°C. La gravure est réalisée pendant une durée d'environ 90mn afin de ramener l'épaisseur initiale du substrat 200 de 500pm à 50pm, à l'exception des zones protégées par la couche de protection latérale. L'épaisseur du verre du pourtour masqué par le polymère de protection est restée inchangée (500pm) et l'intégrité mécanique de la zone de préhension est entièrement préservée, autorisant ainsi des opérations de manipulation et de transfert de la structure. Différentes étapes de « back-end » relatives à l'accomplissement des procédés microélectroniques comme les opérations de découpe, de singulation, de libération de contacts électriques ou d'intégration peuvent ensuite être réalisées.
La structure amincie est ensuite soumise à des opérations de rinçage à l'eau DI et de séchage sous air.
Etape 6 : Libération des dispositifs individuels :
Dans un premier temps, des traits de découpe sont réalisés dans le substrat 200. La découpe en dispositif unitaire est obtenue en réalisant 10 passages d'un laser picoseconde dans le visible (530 nm) à une énergie de 50 pJ à une vitesse de 5 20mm/s sur le substrat.
Puis la face amincie (seconde face 202) du substrat 200 est exposée à un flux UV pendant 60s afin d'altérer l'adhésion entre le film adhésif 110 et le substrat 200 et/ou les dispositifs microélectroniques 300 disposés sur le substrat 200.
Les dispositifs microélectroniques 300 sont ainsi libérés de la structure 10 de manipulation 100 et séparés les uns des autres. Ils peuvent être récupérés par des instruments dédiés à de telles manipulations.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Structure de manipulation (100) pour amincir un substrat, comprenant un film adhésif (110) et un cadre de support (120), le film adhésif (110) comprenant une première face adhésive (111) et une seconde face (112), opposée à la première face adhésive (111).
  2. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cadre de support (120) est en un matériau polymère de type acrylate, polychlorure, polycarbonate, polyéthylène, mercapto ester, polyépoxyde ou un de leurs dérivés.
  3. 3. Structure selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le cadre de support (120) est en polyméthacrylate de méthyle.
  4. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film adhésif (110) est en un matériau polymère de type acrylate ou polyester.
  5. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film adhésif (110) perd ses propriétés d'adhésion sous irradiation ultra-violette ou par activation thermique.
  6. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le cadre de support (120) est positionné sur la première face adhésive (111) du film adhésif (110).
  7. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cadre de support (120) est positionné sur la seconde face (112) du film adhésif (110).
  8. 8. Procédé d'amincissement d'un substrat (200), sur lequel est disposé un dispositif microélectronique (300) comprenant les étapes successives suivantes :
    a) fourniture d'un substrat (200) comprenant une première face principale (201) sur laquelle est disposé un dispositif microélectronique (300), une seconde face principale (202) opposée à la première face principale (201), et une face latérale,
    b) positionnement du substrat (200) sur une structure de manipulation (100) telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, la première face (201) du substrat (200) étant en disposée en regard de la première face adhésive (111) du film adhésif (110),
    c) dépôt d'une couche de protection latérale (600) sur la face latérale et sur le pourtour de la seconde face (202) du substrat (200), la couche de protection latérale (600) étant en contact avec la première face adhésive (111) du film adhésif (110),
    d) amincissement de la seconde face principale (202) du substrat (200) par gravure chimique, la gravure chimique étant réalisée dans une solution de gravure, vis-à-vis de laquelle la structure de manipulation (100) est chimiquement inerte.
  9. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le substrat (200) est en verre, en silicium ou en céramique.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la couche de protection latérale (600) est en un matériau polymère de type acrylate, polychlorure, polycarbonate, polyéthylène, mercapto ester, polyépoxyde ou un de leurs dérivés, ou en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium.
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que, à l'issue de l'étape d), le substrat (200) a une épaisseur inférieure ou égale à ΙΟΟμιτι, et de préférence, inférieure à 50μιτι.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le substrat (200), fourni à l'étape a), a une épaisseur supérieure ou égale à 200pm, et de préférence, allant de 500pm à 1mm.
  13. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que, après l'étape d), le substrat (200) est découpé, par découpe mécanique ou par découpe laser, en plusieurs éléments.
  14. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape ultérieure e) dans laquelle la première face adhésive (111) du film adhésif (110) est soumise à un rayonnement ultraviolet de manière à altérer la première face adhésive (111) pour séparer le substrat (200) du film adhésif (110).
  15. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que le dispositif microélectronique (300) est un dispositif électrochimique, telle qu'une microbatterie au lithium.
  16. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que plusieurs dispositifs microélectroniques (300), identiques ou différents, sont disposés sur la première face (201) du substrat (200).
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