FR3144695A1 - Procédé de collage hybride direct de puce à plaque - Google Patents
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Abstract
Titre : Procédé de collage hybride direct de puce à plaque L’invention porte sur un procédé de collage hybride direct de puce (10) à plaque (20) comprenant les étapes suivantes : Fournir au moins une puce (10) comprenant un premier plot (11) de cuivre et une première couche (12) d’oxyde de silicium, Fournir une plaque (20) comprenant un deuxième plot (21) de cuivre et une deuxième couche (22) d’oxyde de silicium,Manipuler la puce (10) de façon à positionner la face (100) de la puce (10) en regard de la zone (210) de réception de la puce sur la plaque (20), en alignant les premier et deuxième plots (11, 21),Déposer au moins une goutte d’eau (30) dans la zone (210) de réception de la puce et/ou sur la face (100) de la puce (10), Appliquer une pression sur la puce (10) pour former, à partir de la goutte d’eau (30), un film d’eau (31) entre la face (100) et la zone (210) de réception de la puce (10). Figure pour l’abrégé : Fig.2
Description
La présente invention concerne l’intégration 3D, plus particulièrement le collage direct de puce à plaque et plus particulièrement le collage hybride direct de puce à plaque.
Dans le domaine de l’intégration 3D de composants semiconducteurs, des procédés sont développés pour reporter et assembler une plaque ou une puce sur autre plaque. Parmi ces procédés, le collage direct et plus particulièrement le collage hybride permettent d’assembler deux circuits intégrés en empilement, et/ou d’établir une connexion électrique directe entre ces deux circuits intégrés via l’interface de collage. Cela permet d’augmenter la densité d’interconnexions des composants fabriqués par intégration 3D.
En particulier, le collage hybride cuivre/oxyde est une technique de collage industrielle consistant typiquement à mettre en regard deux surfaces composées de plots de cuivre entourés d’oxyde de silicium. Ces surfaces composées de deux matériaux sont ainsi dites hybrides. L’objectif du collage est d’effectuer un contact électrique entre les plots de cuivre des deux surfaces en regard l’une de l’autre. Les plots de cuivre ont une taille typique de quelques microns. Il est donc nécessaire d’aligner parfaitement les deux surfaces préalablement au collage direct. Initialement développé pour un collage « plaque à plaque », ce collage hybride est désormais développé pour effectuer un collage « puce à plaque » en recourant à des machines dites « pick and place » (que l’on peut traduire par « saisir et positionner » ou « prendre et déposer » ou encore « prendre et placer » selon la signification usuelle retenue par l’homme du métier). Cela permet d’allier une grande précision de placement et une cadence importante. Le document « Die to Wafer Direct Hybid Bonding Demonstration with High Alignment Accuracy and Electrical Yields, A. Jouve et al., in 2019 International 3D Systems Integration Conference (3DIC), pp. 1–7 » divulgue un procédé de collage hybride direct de puce à plaque présentant une grande précision d’alignement avec un rendement élevé. Un inconvénient de ce procédé est que des défauts de collage D peuvent apparaître au niveau de certaines puces 10KO, comme illustré à la .
Il existe donc un besoin consistant à réduire, voire à supprimer, les défauts de collage pour un collage direct de façon général et plus particulièrement pour un collage hybride direct de puce à plaque. Un objectif de l’invention est de répondre à ce besoin.
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de collage direct de puce à plaque comprenant au moins les étapes suivantes :
- Fournir au moins une puce présentant une première face plane comprenant de préférence des premières marques d’alignement,
- Fournir au moins une plaque présentant une deuxième face plane comprenant une zone de réception de la puce et de préférence des deuxièmes marques d’alignement,
- Manipuler la puce de façon à positionner la première face de la puce en regard de la zone de réception de la puce sur la deuxième face de la plaque, en alignant la puce vis-à-vis de la plaque, de préférence via les premières et deuxièmes marques d’alignement,
- Mettre en contact la première face de la puce avec la zone de réception de la puce, de façon à coller la puce sur la deuxième face de la plaque.
Avantageusement, le procédé comprend, avant mise en contact et de préférence avant manipulation de la puce, un dépôt d’au moins une goutte d’eau dans la zone de réception de la puce sur la deuxième face de la plaque et/ou sur la première face de la puce. La goutte d’eau ne recouvre pas les marques d’alignement à ce stade.
Avantageusement, le procédé comprend également, lors de la manipulation de la puce et après dépôt de la goutte d’eau, une application d’une pression sur la puce configurée pour former, à partir de la goutte d’eau déposée, un film d’eau entre la première face et la zone de réception de la puce.
Selon un autre mode de réalisation on prévoit un procédé de collage hybride direct de puce à plaque comprenant au moins les étapes suivantes :
- Fournir au moins une puce comprenant au moins un premier plot de cuivre et une première couche d’oxyde de silicium, ladite puce présentant une première face plane formée par des parties exposées du premier plot de cuivre et de la première couche d’oxyde de silicium,
- Fournir au moins une plaque comprenant au moins un deuxième plot de cuivre et une deuxième couche d’oxyde de silicium, ladite plaque présentant une deuxième face plane comprenant une zone de réception de la puce, ladite zone étant formée par des parties exposées du deuxième plot de cuivre et de la deuxième couche d’oxyde de silicium,
- Manipuler la puce de façon à positionner la première face de la puce en regard de la zone de réception de la puce sur la deuxième face de la plaque, en alignant les premier et deuxième plots de cuivre,
- Mettre en contact la première face de la puce avec la zone de réception de la puce, de façon à coller la puce sur la deuxième face de la plaque.
Avantageusement, le procédé comprend, avant mise en contact et de préférence avant manipulation de la puce, un dépôt d’au moins une goutte d’eau dans la zone de réception de la puce sur la deuxième face de la plaque et/ou sur la première face de la puce.
Avantageusement, le procédé comprend également, lors de la manipulation de la puce et après dépôt de la goutte d’eau, une application d’une pression sur la puce configurée pour former, à partir de la goutte d’eau déposée, un film d’eau entre la première face et la zone de réception de la puce.
Dans le cadre du développement de la présente invention, il a été constaté que la formation du film d’eau par dépôt d’une goutte d’eau et application d’une pression sur ladite goutte d’eau permettait avantageusement de supprimer les défauts de collage entre la puce et la plaque.
En général, il est contre-indiqué et/ou contre-intuitif de former une interface liquide, notamment à base d’eau, lorsqu’on effectue un alignement précis de la puce en regard de la plaque. Il est en effet présumé que la présence d’eau entre la puce et la plaque va modifier l’alignement initial typiquement effectué par un équipement industriel de précision de type « pick and place ».
Dans le cadre de la présente invention, il a été constaté de façon surprenante que l’application d’une pression sur la goutte d’eau, qui permet de former un film mince d’eau, permet de conserver l’alignement initial effectué par l’équipement. Ainsi, la formation d’un film mince d’eau évite un désalignement de la puce vis-à-vis de la plaque.
Cette présence d’eau en film mince réduit ou supprime les défauts de collage.
Cette présence d’eau en film mince réduit ou supprime les défauts de collage.
Pour éviter les défauts de collage, l’homme du métier du collage hybride direct pourrait envisager des solutions plus complexes, par exemple en effectuant la manipulation et la mise en contact sous vide ou sous atmosphère contrôlée à base d’hélium ou encore de courber les puces au moment du collage. Ces solutions imposent plus de contraintes aux équipements industriels et sont plus coûteuses. Elles n’ont pas été retenues dans le cadre de la présente invention.
Le procédé selon l’invention permet ainsi avantageusement de réduire ou supprimer les défauts de collage en collage direct et en collage hybride direct, en maîtrisant les coûts.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, sur les schémas de principe, les épaisseurs et/ou les dimensions des différentes couches, motifs et reliefs ne sont pas représentatives de la réalité.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, la première face plane et la zone de réception de la puce sont à base d’un même matériau, par exemple Si, Ge, AsGa, InP, GaN, SiC, Al2O3, diamant, SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN, Cu, Ti, Ni, Au, W.
Selon un exemple, la puce comprend au moins un premier plot à base d’un premier matériau et une première couche à base d’un deuxième matériau, et la première face plane est formée par des parties exposées du premier plot et de la première couche.
Selon un exemple, la plaque comprend au moins un deuxième plot à base du premier matériau et une deuxième couche à base du deuxième matériau, et la zone de réception de la puce est formée par des parties exposées du deuxième plot et de la deuxième couche,
Selon un exemple, le procédé est un procédé de collage hybride direct de puce à plaque.
Selon un exemple, le premier matériau est choisi parmi le cuivre, le titane, le nickel, l’or, le tungstène.
Selon un exemple, le deuxième matériau est choisi parmi SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN.
Selon un exemple, le film d’eau s’étend sur la deuxième face, en restant au sein de la zone de réception de la puce.
Selon un exemple, les deuxièmes marques d’alignement sont disposées dans la zone de réception de la puce. L’alignement se fait typiquement en intercalant un objectif de microscope entre les deuxièmes marques d’alignement de la zone de réception de la puce, et les premières marques d’alignement de la première face plane de la puce. Après alignement, l’objectif du microscope est retiré et la puce et la zone de réception de la puce sont mises en contact via le film d’eau. Selon un exemple, le dépôt de l’au moins une goutte d’eau est configuré de sorte à ce que l’au moins une goutte d’eau ne couvre pas totalement lesdites premières et/ou deuxièmes marques d’alignement.
Selon un exemple, le film d’eau s’étend sur la deuxième face, en dehors de la zone de réception de la puce. Il n’est pas nécessaire que le film d’eau soit confiné à la zone de réception de la puce. En particulier, il n’est pas nécessaire de prévoir des zones hydrophobes au pourtour de la zone de réception de la puce. Cela évite de devoir préparer spécifiquement la deuxième face de la plaque et/ou la première face de la puce pour procéder au collage.
Selon un exemple, la deuxième face présente une zone dite périphérique en pourtour de la zone de réception de la puce, ladite zone périphérique et la zone de réception de la puce étant toutes les deux hydrophiles. Cela permet au film d’eau de s’étendre librement en dehors de la zone de réception de la puce. Cela permet d’évacuer un excès d’eau lors de la formation du film d’eau entre la première face de la puce et la zone de réception de la puce sur la plaque.
Selon un exemple, le film d’eau présente une épaisseur inférieure ou égale à 10 µm, de préférence inférieure à 1µm et plus préférentiellement inférieure à 100 nm ou inférieure à 50 nm. Cela permet d’éviter que la puce soit entraînée par l’eau en dehors de sa position d’alignement avec la zone de réception de la puce.
Selon un exemple, la goutte d’eau déposée occupe initialement, avant application de la pression, une surface S30sur la zone de réception de la puce très inférieure, c’est-à-dire au moins deux fois inférieure, à la surface S210correspondant à la zone de réception de la puce. La goutte d’eau peut être typiquement centrée sur la zone de réception de la puce. Il n’est pas nécessaire de couvrir toute la surface de la zone de réception de la puce lors du dépôt de la goutte d’eau. Selon un exemple, la goutte d’eau est déposée sur la première face plane de la puce et occupe initialement, avant application de la pression, une surface S30sur la première face plane très inférieure, c’est-à-dire au moins deux fois inférieure, à la surface de ladite première face plane de la puce.
Selon un exemple, l’application de la pression permet d’étaler la goutte d’eau sur et en dehors de la zone de réception de la puce, pour former le film d’eau entre la première face et la zone de réception de la puce. Cette pression est appliquée volontairement, typiquement par l’équipement de « pick and place ». Cette pression n’est pas uniquement due au poids de la puce ou aux forces de tension de surface de la goutte d’eau.
Selon un exemple, la deuxième face et/ou la première face comprennent des marques d’alignement. Cela permet d’aligner précisément la puce avec la zone de réception de la puce, typiquement lors de l’utilisation d’un équipement industriel de type « pick and place ».
Selon un exemple, la première face comprend des premières marques d’alignement. Selon un exemple, la deuxième face comprend des deuxièmes marques d’alignement dans la zone de réception de la puce. Selon un exemple, les premières et/ou les deuxièmes marques d’alignement sont configurées pour aligner la puce avec la zone de réception de la puce, par l’intermédiaire d’un microscope ou d’une optique semi-transparente intercalée entre la puce et la zone de réception de la puce.
Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume choisi de sorte qu’après étalement naturel de la goutte d’eau sur la zone de réception de la puce, la goutte d’eau ne couvre pas les deuxièmes marques d’alignement. Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume choisi de sorte qu’après étalement naturel de la goutte d’eau sur la première face de la puce, la goutte d’eau ne couvre pas les premières marques d’alignement.
Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume compris entre 1 pL et 100 µL, de préférence entre 8 nL et 10 µL.
Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume inférieur ou égal à 100 µL. Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume supérieur ou égal à 8 nL. Selon un exemple, la goutte d’eau déposée présente un volume inférieur ou égal à 10 µL.
Selon un exemple, la pression appliquée est maintenue pendant une durée comprise entre 100 ms et 10 s, préférentiellement pendant 1 s. Cela permet de former un film d’eau en réduisant les risques que ce film d’eau entraîne la puce en dehors de la position d’alignement initial de la puce. Cela permet également d’obtenir une cadence de placement compatible avec les exigences industrielles.
Selon un exemple, l’humidité relative de l’atmosphère est contrôlée de sorte à être supérieure ou égale à 80% lors de la manipulation de la puce. Cela permet de limiter l’évaporation de la goutte d’eau déposée, avant application de la pression sur ladite goutte d’eau. L’évolution du volume de la goutte d’eau est ainsi mieux maîtrisée. Le volume de la goutte d’eau peut ainsi être réduit. Cela permet d’appliquer le procédé à des puces de très petite taille, présentant par exemple une surface de première face de l’ordre de 100*100 µm².
Selon un exemple, le procédé comprend en outre une étape de séchage après application de la pression, configurée pour supprimer le film d’eau. La mise en contact, c’est-à-dire le collage direct ou le collage hybride direct, est ainsi effectuée. Ce séchage peut être effectué par simple stockage sous atmosphère ambiante. Alternativement, il peut être effectué sous atmosphère sèche, dans un dessiccateur par exemple, ou sous atmosphère de gaz neutre, par exemple sous azote, ou sous argon ou sous hélium. Une humidité relative inférieure à 1% peut ainsi être obtenue. Il est aussi possible de faire ce séchage en mettant la plaque sous vide, par exemple à 20mbar de pression à 21°C. Il est préférable de ne pas descendre en dessous de la pression de vapeur saturante de l’eau. Il est aussi possible d’augmenter la température, par exemple à 75°C. Il est préférable de ne pas dépasser la température d’ébullition de l’eau.
Selon un exemple, le procédé comprend en outre une étape de recuit destinée à améliorer ou à renforcer le collage, après la mise en contact.
Dans le cadre de la présente invention, un procédé de report et de collage d’une ou plusieurs puces sur une seule et unique plaque est décrit. Ce procédé est préférentiellement destiné à une mise en œuvre industrielle, pour reporter et coller une pluralité de puces sur chaque plaque d’une pluralité de plaques. Il appartient au domaine du collage hybride direct. « Hybride » signifie que les surfaces de collage sont composées d’au moins deux matériaux. « Direct » signifie que l’interface de collage correspond, après collage définitif, directement aux deux surfaces de collage, sans qu’il y ait de couche de collage, comme une colle polymère, intercalée entre les deux surfaces de collage.
Dans la présente demande, une « puce » désigne typiquement un circuit intégré comprenant des composants microélectroniques ou optoélectroniques ou encore des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Une « plaque » ou « wafer » désigne typiquement un substrat comprenant ou portant une pluralité de puces. Une puce peut aussi par extension désigner un morceau de plaque dépourvu de composants. L’alignement peut se faire avec des marques d’alignement ou, dans ce dernier cas, simplement avec la précision de déplacement de la machine. L’alignement se fait typiquement avec une précision de 100 µm ou mieux.
La zone de réception de la puce est également appelée zone de collage dans la suite.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, les termes « sur », « surmonte », « recouvre », « sous-jacent », en « vis-à-vis » et leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt, le report, le collage, l’assemblage ou l’application d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l’une de l’autre, mais signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d’elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Une couche peut par ailleurs être composée de plusieurs sous-couches d’un même matériau ou de matériaux différents.
On entend par un substrat, un film, une couche, « à base » d’un matériau A, un substrat, un film, une couche comprenant ce matériau A uniquement ou ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments dopants ou des éléments d’alliage.
Une goutte d’eau selon l’invention est préférentiellement composée d’eau pure ou désionisée (eau DI). Notamment, elle ne comprend pas de particules de taille supérieure à 20 nm. Elle présente de préférence une résistivité supérieure à 1 MOhm.
La surface hybride de la puce ou de la plaque peut être constituée de différents matériaux :
Cuivre, titane, nickel, or, tungstène par exemple (ces métaux pouvant être oxydé en surface ou non)
SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN par exemple.
Cuivre, titane, nickel, or, tungstène par exemple (ces métaux pouvant être oxydé en surface ou non)
SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN par exemple.
La surface de la puce peut ne pas être hybride et être composée d’un seul matériau (Si, Ge, AsGa, InP, GaN, SiC, Al2O3, diamant, SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN, Cuivre, titane, nickel, or, tungstène par exemple).
La surface de la plaque peut ne pas être hybride et être composée d’un seul matériau (Si, Ge, AsGa, InP, GaN, SiC, Al2O3, diamant, SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN, Cuivre, titane, nickel, or, tungstène par exemple).
Plusieurs modes de réalisation de l’invention mettant en œuvre des étapes successives du procédé de fabrication sont décrits ci-après. Sauf mention explicite, l’adjectif « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les étapes se suivent immédiatement, des étapes intermédiaires pouvant les séparer.
Par ailleurs, le terme « étape » s’entend de la réalisation d’une partie du procédé, et peut désigner un ensemble de sous-étapes.
Par ailleurs, le terme « étape » ne signifie pas obligatoirement que les actions menées durant une étape soient simultanées ou immédiatement successives. Certaines actions d’une première étape peuvent notamment être suivies d’actions liées à une étape différente, et d’autres actions de la première étape peuvent être reprises ensuite. Ainsi, le terme étape ne s’entend pas forcément d’actions unitaires et inséparables dans le temps et dans l’enchaînement des phases du procédé.
Un repère de préférence orthonormé, comprenant les axes x, y, z est représenté sur les figures annexées. Lorsqu’un seul repère est représenté sur une même planche de figures, ce repère s’applique à toutes les figures de cette planche.
Dans la présente demande de brevet, on parlera préférentiellement d’épaisseur pour une couche ou un film. L’épaisseur est prise selon une direction normale au plan d’extension principal de la couche ou du film. Ainsi, une couche ou un film présente typiquement une épaisseur selon z. Les termes relatifs « sur », « surmonte », « sous », « sous-jacent » se réfèrent à des positions prises selon la direction z.
Un élément situé « à l’aplomb » ou « au droit d’» un autre élément signifie que ces deux éléments sont situés tous deux sur une même ligne perpendiculaire à un plan dans lequel s’étend principalement une face inférieure ou supérieure d’un substrat, c’est-à-dire sur une même ligne orientée verticalement sur les figures en coupe transverse.
La correspond à une image de microscopie acoustique réalisée après collage hybride direct de puces 10 sur une plaque 20, selon un procédé standard de collage hybride direct. Sur les neuf puces 10 collées sur cette zone de plaque 20, six puces 10OKprésentent un collage normal, sans défauts apparents, et trois puces 10KOprésentent des défauts de collage D. Le procédé selon l’invention vise à supprimer ces défauts de collage.
Un principe du procédé selon l’invention est d’intercaler une goutte d’eau entre la puce et la plaque et d’appliquer une pression sur cette goutte d’eau de manière à former un film mince d’eau entre la puce et la plaque. De façon surprenante, l’alignement de la puce vis-à-vis de la plaque est conservé en présence de ce film mince d’eau. Lors du séchage du film d’eau, la puce vient en contact direct de la plaque et le collage se fait sans défauts.
Les figures 2 à 6 illustrent certaines étapes du procédé de collage hybride direct selon l’invention.
Comme illustré à la , une puce 10 comprenant des plots 11 de cuivre au moins en partie intégrés au sein d’une couche 12 d’oxyde de silicium est amenée par un dispositif 1 de « Pick and Place » en regard d’une plaque 20. La face 100 de la puce 10 est plane et se compose notamment des parties exposées des plots 11 de cuivre et des parties exposées de la couche 12 d’oxyde de silicium. La face 100 est donc une face composite ou hybride présentant une surface formée en partie par les plots 11 de cuivre en affleurement et les parties de la couche 12 exposée.
La face 200 de la plaque 20 en regard de la puce 10 est sensiblement identique à la face 100, au moins au niveau de la zone 210 de réception de la puce 10. Dans cette zone 210, la face 200 est plane et se compose notamment des parties exposées des plots 21 de cuivre et des parties exposées de la couche 22 d’oxyde de silicium. Au niveau de la zone 210, la face 200 est donc comme la face 100 une face composite ou hybride présentant une surface formée en partie par les plots 21 de cuivre en affleurement et les parties de la couche 22 exposée.
Le dispositif 1 de « Pick and Place » permet de manipuler la puce 10 de façon à aligner les plots 11 de la puce 10 à l’aplomb des plots 21 de la plaque 20. Cet alignement peut typiquement se faire par l’intermédiaire de premières marques d’alignement positionnées sur la puce 10 (non illustrées) et/ou de deuxièmes marques d’alignement 40 positionnées sur la plaque 20, dans la zone 210, comme illustré en vue de dessus à la . L’alignement est typiquement réalisé à l’aide d’un microscope que l’on place entre la puce 10 et la plaque 20, et qui permet une observation simultanée des premières et deuxièmes marques d’alignement. Après l’alignement le microscope se retire et la puce 10 est descendue jusqu’à la mise en contact avec la zone de réception 210, en écrasant la goutte d’eau pour former un film d’eau intercalé entre la puce 10 et la zone 210. Les dispositifs de pick and place sont généralement équipés de tel microscope. C’est le cas par exemple du dispositif NEO HB commercialisé par la société SET. Sur la , les premières et deuxièmes marques d’alignement sont sous forme de croix qui se superposent après alignement. En variante, les premières et deuxièmes marques d’alignement peuvent être complémentaires. Par exemple les deuxièmes marques d’alignement 40 sont constituées d’une croix (comme sur la ) et les premières marques d’alignement sont constituées de quatre carrés disjoints qui après alignement se positionnent en complément de la croix pour former un carré.
Avant ou pendant la manipulation de la puce 10 par le dispositif 1 de « Pick and Place », une goutte d’eau 30 est déposée sur au moins l’une des faces 100, 200 en regard l’une de l’autre. Selon une possibilité la goutte d’eau 30 est déposée uniquement dans la zone 210, par exemple au centre de la zone 210. Selon une autre possibilité la goutte d’eau 30 est déposée ou formée uniquement sur la face 100 de la puce 10, par exemple au centre de la face 100. Selon une autre possibilité une première goutte d’eau 30 est déposée ou formée sur la face 100, et une deuxième goutte d’eau 30 est déposée ou formée sur la zone 210. Le principe de cette étape de procédé est d’intercaler au moins une goutte d’eau entre la face 100 et la zone 210 destinées à venir au contact l’une de l’autre.
Le volume de la goutte d’eau 30 est de préférence assez faible. D’une façon générale, ce volume peut être compris entre 1pL et 100µL, de préférence entre 8nL et 10µL. Ces valeurs correspondent typiquement à un volume de goutte obtenu en un seul dépôt. L’étape de dépôt de goutte peut être répétée plusieurs fois pour augmenter le volume total déposé.
Si la goutte est disposée avant l’alignement, le volume de la goutte d’eau 30 est à adapter en fonction de la surface S210de la zone de collage, de façon à ce que la surface S210de la zone de collage soit partiellement couverte au moins sur 1%, voire 10% ou 25% de sa surface, ou plus particulièrement au moins à 50% de sa surface par la goutte en tenant compte de son étalement naturel mais ne doit pas couvrir les marques d’alignement afin de permettre l’alignement.
Si la goutte est disposée après alignement, il y a moins de contrainte sur son volume.
Dans tous les cas, après écrasement de la goutte d’eau, le film d’eau 31 ainsi formé peut couvrir toute la surface S210de la zone de collage (comme illustré sur la et la ) ou seulement une partie (10% voire 25% voire 50%) de cette surface.
Plus le volume de la goutte d’eau 30 est faible, plus celle-ci va s’évaporer rapidement. La manipulation de la puce 10 et l’alignement précis de la puce 10 vis-à-vis de la zone 210 peuvent prendre un certain temps, par exemple quelques secondes ou dizaines de secondes environ. Le choix du volume de la goutte d’eau 30 peut tenir compte de ce temps de manipulation pendant lequel la goutte 30 commence à s’évaporer. Le volume de la goutte d’eau 30 est de préférence suffisamment important pour compenser les pertes d’eau par évaporation et pour couvrir toute la surface S210ou au moins 1%, ou plus particulièrement au moins 10, 25 ou 50%, de la zone de collage sous l’effet de la pression exercée par la puce 10 lors de l’étape suivante du procédé.
Un compromis dans le choix du volume de la goutte d’eau 30 peut donc être trouvé en fonction de la taille de la puce 10, et/ou en fonction de la distance entre la position initiale de la goutte et les marques d’alignement, et/ou en fonction de la distance entre deux zones 210 de réception de puces voisines, et/ou en fonction du temps de manipulation et d’alignement. Selon un exemple, pour une puce 10 de 3*3 mm² et pour des marques d’alignement 40 situées à 100 µm à l’intérieur des coins ou des bords de la zone 210, un volume raisonnable pour la goutte d’eau 30 est d’environ 520 nL. Selon une possibilité, c’est en fonction de la surface S30qu’occupe la goutte 30 sur la zone 210 lors du dépôt et après son étalement naturel qu’est choisi le volume de goutte à dispenser. La surface S30qu’occupe la goutte 30 après son étalement naturelle sans appuie spécifique est de préférence au moins deux fois inférieure à la surface S210de la zone 210, voire au moins dix fois inférieure.
Il est possible de ralentir la cinétique d’évaporation de la goutte d’eau 30 en augmentant l’humidité relative de l’atmosphère de la machine de « pick and place ». Cela permet de réduire le volume de goutte nécessaire. Sous une atmosphère présentant une valeur d’humidité relative RH de l’ordre de 90% par exemple, la goutte 30 peut présenter un volume de quelques dizaines de picolitre (pL) seulement. La taille de la goutte 30 est ainsi réduite. Cela permet de mettre en œuvre le procédé pour des puces de très petite taille, par exemple de l’ordre de 100*100 µm².
Lorsque la goutte est déposée ou formée et que l’alignement est effectué, le dispositif 1 de « Pick and Place » est abaissé en direction de la zone 210. Dans le cas illustré à la , la face 100 vient donc d’abord au contact de la goutte 30, ce qui a pour effet d’étaler la goutte 30 sur la zone 210.
Le dispositif 1 de « Pick and Place » applique ensuite une pression sur la goutte 30 de façon à ce que la goutte 30 s’étale sur toute la zone 210, ou au moins sur 1% ou plus particulièrement sur 50% de la zone 210, pour former un film d’eau 31 entre la face 100 et la zone 210, comme illustré aux figures 4 et 5. Lors de l’application de cette pression, une partie de l’eau est typiquement éjectée en dehors de la zone 210 de collage. Le film d’eau 31 s’étend au-delà de la zone 210. Cela ne gêne pas l’invention. Il n’est pas nécessaire de confiner l’eau ou le film d’eau 31 dans la zone 210. La zone 220 en périphérie de la zone 210 peut être hydrophile, comme la zone 210. Cela évite de devoir préparer spécifiquement la zone périphérique 220. En particulier, il n’est pas nécessaire de prévoir des zones hydrophobes au niveau de la zone périphérique 220 ni même une topographie particulière comme une marche qui pourrait confiner la goutte dans la zone 210. La mise en œuvre du procédé est facilitée.
La pression exercée par le dispositif 1 de « Pick and Place » doit être suffisante pour obtenir un film d’eau 31 de faible épaisseur e31. L’épaisseur e31du film d’eau 31 résiduel est typiquement inférieure 5 µm, de préférence inférieure à 1µm et plus précisément inférieure à 100 nm ou inférieure à 50 nm. Pour obtenir une telle épaisseur e31, une force comprise entre 0,1 N et 1 kN, de préférence comprise entre 1 N et 300 N, est appliquée au dispositif 1 de « Pick and Place ». Une pression d’appui de quelques dizaines à quelques milliers de pascals (Pa) est ainsi exercée sur le film d’eau 31.
Selon un exemple, la pression exercée sur le film d’eau 31 est de l’ordre de 104à 3.106Pa pour une puce carrée de 10mm*10mm soumise à une force de 1 à 300 N. Pour une puce de 1 mm*1 mm, la pression varie de 106à 3.108Pa.
La pression exercée sur le film d’eau 31 est maintenue pendant une durée comprise entre 100 ms et 10 s, de préférence entre 500 ms et 5 s. Selon un exemple, la pression exercée sur le film d’eau 31 est maintenue pendant une durée de l’ordre de 1 s. Cette durée est parfaitement compatible avec la mise en œuvre industrielle du procédé. Le dispositif 1 de « Pick and Place » est ensuite retiré, typiquement pour aller manipuler une autre puce et effectuer un autre collage selon le procédé. Avantageusement, lors du retrait du dispositif 1 de « Pick and Place », l’alignement entre la puce 10 et la zone 210 est conservé en présence du film mince 31.
Comme illustré à la , le film d’eau 31 disparaît par séchage et la puce 10 est en contact direct avec la zone 210. Le collage hybride direct de la puce 10 sur la zone 210 est ainsi au moins en partie réalisé. Le séchage du film d’eau 31 peut correspondre à un simple stockage dans une atmosphère présentant une humidité relative (HR) inférieure à 100%, et de préférence inférieure à 50%. Il est aussi possible de réaliser le séchage dans une atmosphère très sèche (HR < 1%), et/ou dans une atmosphère de gaz neutre comme l’azote, l’argon ou l’hélium par exemple. Il est aussi possible d’obtenir un air sec avec un dessiccateur. Il est aussi possible de faire ce séchage en mettant la plaque sous vide, dans une atmosphère présentant une pression inférieure à la pression ambiante, par exemple à 20 mbar de pression et à une température ambiante de 21°C. Il est préférable de ne pas descendre en dessous de la pression de vapeur saturante de l’eau. Il est aussi possible d’augmenter la température lors du séchage, par exemple jusqu’à 75°C. Il est préférable de ne pas dépasser la température d’ébullition de l’eau.
Après séchage, un recuit classique pour le collage hybride direct peut être effectué, par exemple à 300°C pendant 2 heures.
Selon un exemple particulier de mise en œuvre du procédé, toutes les étapes sont effectuées dans une salle blanche à 21°C et 45% d’humidité relative. Les surfaces hybrides de la face 100 et de la zone 210 sont composées de plots de cuivre entourés d’oxyde de silicium, typiquement selon un mode de réalisation décrit dans le document « Die to Wafer Direct Hybid Bonding Demonstration with High Alignment Accuracy and Electrical Yields, A. Jouve et al., in 2019 International 3D Systems Integration Conference (3DIC), pp. 1–7 ». La taille de chaque puce 10 est de 3*3mm². Une machine de « pick and place » NEO HB de la société SET est utilisée. Elle est modifiée pour inclure un distributeur de goutte d’eau NanoJet (avec une vanne piézoélectrique NJ-K-4010) de la société Microdrop. Avant de commencer l’alignement de la puce 10 et de la plaque 20, une goutte d’eau 30 de 520 nL est déposée sur la plaque 20 au centre de la zone 210 de réception de la puce 10. La goutte d’eau 30 ne recouvre pas les marques d’alignement 40 qui se trouvent au-delà des coins de la zone 210 de collage. L’alignement est effectué en moins de 5s et la puce 10 est mise en contact avec la goutte d’eau 30. Une force de 20 N est appliquée sur la puce 10, ce qui correspond à une pression exercée d’environ 2,2 GPa. La pression est maintenue pendant 1 s. Le procédé est répété pour coller une pluralité de puces 10 sur la plaque 20. La plaque 20 est ensuite sortie de la machine de « pick and place » et stockée dans l’atmosphère de la salle blanche pendant 24 heures. Après stockage, un recuit à 300°C pendant 2 heures est réalisé dans un four.
La est une image réalisée à l’aide d’un microscope acoustique à balayage SAM (acronyme de Scanning Acoustic Microscopy en anglais) sur la plaque 20 portant les puces 10, afin de caractériser la qualité du collage hydride direct. Il apparaît clairement que la totalité des puces 10, 10OKsont parfaitement collées sans défauts d’interface par le procédé selon l’invention.
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que le procédé proposé offre une solution particulièrement efficace pour le collage hybride direct de puce à plaque.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits.
Claims (15)
- Procédé de collage direct de puce (10) à plaque (20) comprenant au moins les étapes suivantes :
- Fournir au moins une puce (10) présentant une première face (100) plane,
- Fournir au moins une plaque (20) présentant une deuxième face (200) plane comprenant une zone (210) de réception de la puce (10),
- Manipuler la puce (10) de façon à positionner la première face (100) de la puce (10) en regard de la zone (210) de réception de la puce (10) sur la deuxième face (200) de la plaque (20), en alignant la puce vis-à-vis de la plaque,
- Mettre en contact la première face (100) de la puce (10) avec la zone (210) de réception de la puce (10), de façon à coller la puce (10) sur la deuxième face (200) de la plaque (20),
- avant mise en contact, un dépôt d’au moins une goutte d’eau (30) dans la zone (210) de réception de la puce (10) sur la deuxième face (200) de la plaque (20) et/ou sur la première face (100) de la puce (10), et
- lors de la manipulation de la puce (10) et après dépôt de la goutte d’eau (30), une application d’une pression sur la puce (10) configurée pour former, à partir de la goutte d’eau (30) déposée, un film d’eau (31) entre la première face (100) et la zone (210) de réception de la puce (10).
- Procédé selon la revendication précédente dans lequel :
- la puce (10) comprend au moins un premier plot (11) à base d’un premier matériau et une première couche (12) à base d’un deuxième matériau, et la première face (100) plane est formée par des parties exposées du premier plot (11) et de la première couche (12),
- la plaque (20) comprend au moins un deuxième plot (21) à base du premier matériau et une deuxième couche (22) à base du deuxième matériau, et la zone (210) de réception de la puce (10) est formée par des parties exposées du deuxième plot (21) et de la deuxième couche (22),
- Procédé selon la revendication précédente dans lequel le premier matériau est choisi parmi le cuivre, le titane, le nickel, l’or, le tungstène, et dans lequel le deuxième matériau est choisi parmi SiO2, Si3N4, SICN, Al2O3, TiN, TaN, WN.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première face (100) plane comprend des premières marques d’alignement et la deuxième face (200) plane comprend des deuxièmes marques d’alignement (40), et dans lequel l’alignement de la puce vis-à-vis de la plaque est effectué via lesdites premières et deuxièmes marques d’alignement.
- Procédé selon la revendication précédente dans lequel les deuxièmes marques d’alignement (40) sont disposées dans la zone (210) de réception de la puce (10), et dans lequel le dépôt de l’au moins une goutte d’eau (30) est configuré de sorte à ce que l’au moins une goutte d’eau (30) ne couvre pas totalement lesdites deuxièmes marques d’alignement (40).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le film d’eau (31) s’étend sur la deuxième face (200), en dehors de la zone (210) de réception de la puce (10).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le film d’eau (31) s’étend sur la deuxième face (200), en restant au sein de la zone (210) de réception de la puce (10).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième face (200) présente une zone (220) dite périphérique en pourtour de la zone (210) de réception de la puce (10), ladite zone périphérique (220) et la zone (210) de réception de la puce (10) étant toutes les deux hydrophiles.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le film d’eau (31) présente une épaisseur e31inférieure 5 µm, de préférence inférieure à 1µm et plus préférentiellement inférieure à 100 nm ou inférieure à 50 nm.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la goutte d’eau (30) déposée occupe initialement, avant application de la pression, une surface S30sur la zone (210) de réception de la puce (10) très inférieure, c’est-à-dire au moins deux fois inférieure, à la surface S210correspondant à la zone (210) de réception de la puce (10), et l’application de la pression permet d’étaler ladite goutte d’eau (30) sur et en dehors de la zone (210) de réception de la puce (10), pour former le film d’eau (31) entre la première face (100) et la zone (210) de réception de la puce (10).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la goutte d’eau (30) déposée présente un volume inférieur ou égal à 100 µL.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la goutte d’eau (30) déposée présente un volume compris entre 8 nL et 10 µL.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la pression appliquée est maintenue pendant une durée comprise entre 100 ms et 10 s.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’humidité relative de l’atmosphère est contrôlée de sorte à être supérieure ou égale à 80% lors de la manipulation de la puce (10).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une étape de séchage après application de la pression, configurée pour supprimer le film d’eau (31).
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