WO2011104461A2 - 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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Definitions

  • a method of removing material fragments present on the surface of a multi-layer structure is a method of removing material fragments present on the surface of a multi-layer structure.
  • the present invention relates to the field of producing multilayer semiconductor structures (also called composite structures or "multilayer semiconductor wafers" in English) made by transfer of at least one layer on a final substrate.
  • a layer transfer is obtained by bonding, for example by molecular adhesion, a first plate (or initial substrate) on a second plate (or final substrate), the first plate being generally thinned after bonding.
  • the transferred layer may further comprise all or part of a component or a plurality of microcomponents.
  • the present invention relates to the problem of material fragments that appear on the exposed surface of the transferred layer during the manufacture of a multilayer structure formed by gluing.
  • This phenomenon of contamination has in particular been observed following a chemical etching step carried out on the first plate of a multi-layer structure, for example during the thinning of this first plate, and particularly when it does not occur. It has not been possible to completely stabilize the bonding interface.
  • the technique frequently used in the manufacture of multilayer structures to clean the surface of a transferred layer after a chemical thinning step is to perform a rinsing (or cleaning) step by means of a pressurized jet.
  • a jet of water or any rinsing solution
  • spray cleaning a technique sometimes referred to as "spray cleaning".
  • EP1662560 describes a method of treating an SOI plate having on its front face a peripheral rim bordering a circular recess. This method comprises in particular the elimination of this edge by polishing by means of a machine provided for this purpose.
  • This polishing machine comprises in particular a tank in which there is a rinsing solution. To clean the plate after polishing, the treated plate is immersed in the rinsing solution and ultrasonic waves are propagated in the solution.
  • the present invention proposes a method for removing fragments of material present on the exposed surface of a first layer bonded to a second plate, the fragments to be eliminated having a size greater than 2 ⁇ m, the method comprising a step of immersing at least the first layer in a liquid solution and a step of propagation, in the solution, of ultrasonic waves, the frequency and the power of the ultrasonic waves being adapted to create a cavitation effect in the liquid solution to remove fragments from the exposed surface.
  • the size of a fragment may correspond in particular to its length, its width or its diameter.
  • the method of the invention makes it possible to eliminate the fragments of relatively large material deposited on the surface of a multilayer structure during its manufacture, and in particular after a chemical etching.
  • the method is also advantageous in that the application parameters (ultrasound frequency, ultrasonic power, etc.) are controllable and reproducible. This method thus makes it possible to industrialize the cleaning of multilayer structures having undergone chemical etching, for example during a thinning step.
  • the fragments of material come, for example, from a preliminary chemical etching step performed on the first layer.
  • the frequency and power of the ultrasonic waves are preferably adjusted according to the viscosity of the liquid solution. As indicated in more detail later, it is thus possible to optimize the efficiency of the disposal method of the invention.
  • the liquid solution may be a rinse solution.
  • the liquid solution may be an etching solution.
  • the process of the invention directly in a bath of an etching solution used to etch the first plate of the multilayer structure chemically.
  • the etching solution serves as a propagation medium for the ultrasonic waves. In this way, only one tray and one liquid solution is required to effect chemical etching and to remove material fragments deposited on the surface of the first plate.
  • the liquid solution may further comprise at least one of the following solutions; a solution of TMAH, a solution of KOH, and a solution of H 3 PO 4 .
  • the fragments to be eliminated correspond to fragments of the first plate formed during a prior step of etching the first plate.
  • the fragments of material to be removed may comprise at least one of the following residues: oxide residues from an oxide layer located at least at the bonding interface between the first plate and the second plate, silicon residues from the peripheral edges of the first plate and microcomponent residues from the peripheral edges of the first plate.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a multilayer structure comprising the following successive steps:
  • thinning of the first plate comprising at least one step of chemical etching of the first plate
  • the method being characterized in that it further comprises, after the chemical etching step, the removal of material fragments present on the exposed surface of the first plate according to one of the described embodiments of the removal method. above.
  • the method may further include a step of oxidizing the first plate prior to the bonding step.
  • This additional oxidation step allows in particular to place an oxidation layer at the bonding interface between the first plate and the second plate so as to facilitate the bonding of the two plates.
  • the chemical etching step is carried out in a bath of an etching solution, and the liquid solution used during the removal of the fragments corresponds to the etching solution.
  • FIGS. 1A to 1D are schematic views showing the realization of a SOI multilayer structure
  • FIG. 2 represents, in the form of a flowchart, the main steps of the embodiment method illustrated in FIGS. 1A to 1D;
  • FIG. 3 shows schematically a method of removing fragments of material according to the invention.
  • the present invention generally applies to the removal of unwanted material fragments from the exposed surface of a multilayer structure during its manufacturing process.
  • a multilayer structure or composite structure is produced by gluing a first plate to a second plate constituting the support of the first plate.
  • the plates composing a multilayer structure are generally in the form of slices or "wafers" with a generally circular outline and may have different diameters, in particular diameters of 100 mm, 200 mm or 300 mm. However, it can also be plates of any shape, such as a rectangular plate, for example.
  • These plates preferably have a chamfered edge, namely an edge comprising an upper chamfer and a lower chamfer. These chamfers are generally rounded. However, the plates may have chamfers or edge-shaped of different shapes such as a bevel shape.
  • FIGS. 1A to 1B An example of a method of manufacturing a multilayer structure is now described with reference to FIGS. 1A to 1B.
  • 111a is formed by assembling a first plate 108 with a second plate 110.
  • the first plate 108 corresponds to an SOI structure comprising a buried oxide layer 104 interposed between two silicon layers (ie, the upper layer 101 and the lower layer 102).
  • the second plate 110 is here in sapphire.
  • the first and second plates 108 and 110 here have the same diameter. They could, however, have different diameters.
  • At least one of the two plates 108 and 110 has been oxidized before bonding.
  • This oxidation makes it possible in particular to have an oxide layer sandwiched between the two plates once the bonding has been performed.
  • This oxidation is carried out by means of a thermal treatment in an oxidizing medium.
  • the first plate 108 is oxidized before bonding, so as to form an oxide layer 106 over the entire surface of the first plate.
  • a layer of bonding oxide is thus found at the bonding interface between the first plate 108 and the second plate 110 and allows a better bonding between them.
  • the first plate 108 has a chamfered edge, namely an edge comprising an upper chamfer 122a and a lower chamfer 122b.
  • the second plate 110 similarly has an edge comprising an upper chamfer 124a and a lower chamfer 124b.
  • step E1 the assembly of the first plate 108 and the second plate 110 is achieved by means of the molecular adhesion technique well known to those skilled in the art.
  • bonding techniques can however be used, such as anodic bonding, metallic bonding, or adhesive bonding.
  • the principle of molecular bonding is based on the direct contact of two surfaces, that is to say without the use of a specific material (glue, wax, solder, etc.).
  • a specific material glue, wax, solder, etc.
  • Such an operation requires that the surfaces to be bonded are sufficiently smooth, free of particles or contamination, and that they are sufficiently close together to allow initiation of contact, typically at a distance of less than a few nanometers.
  • the attractive forces between the two surfaces are high enough to cause molecular adhesion (bonding induced by all attractive forces (Van Der Waals forces) of electronic interaction between atoms or molecules of the two surfaces to be glued).
  • the first plate 108 may comprise microcomponents (not shown in the figures) at its bonding face with the second plate 110, particularly in the case of the three-dimensional integration technology of components (3D-integration) which requires the transfer of one or more layers of microcomponents on a final support, or in the case of transfer of circuits such as in the manufacture of illuminated imagers on the rear face.
  • microcomponents not shown in the figures
  • the composite structure 111a then undergoes a moderate annealing of reinforcement of the bonding interface (for example at 400 ° C. for 2 hours), the purpose of which is to reinforce the bonding between the first plate 108 and the second plate 110 (step E2) .
  • a moderate annealing of reinforcement of the bonding interface for example at 400 ° C. for 2 hours
  • the first plate 108 is generally thinned so as to form a transferred layer of a predetermined thickness (for example, about 10 ⁇ m) on the support plate.
  • This thinning operation generally comprises a chemical phase.
  • FIGS. 1C and 1D illustrate an exemplary step of thinning the first plate 108.
  • the thinning step generally comprises two distinct substeps.
  • the first plate 108 is first thinned mechanically using a grinding wheel or any other tool able to mechanically use the material of the first plate ("grinding" in English) (step E3).
  • This first sub-step thinning eliminates most of the upper layer 102 so as to retain a residual layer 112 ( Figure 1C).
  • step E4 A second sub-step of thinning corresponding to a chemical etching of the residual layer 112 (step E4) is then carried out.
  • This step consists of placing the structure composite 111b in a bath comprising an etching solution 126 ( Figure 1D).
  • a solution of TMAH is used to etch the silicon of the first plate 108.
  • Other etching solutions may however be envisaged, these being chosen in particular according to the composition of the first slimming plate.
  • a solution of KOH or H 3 PO 4 can be used depending on the situation under consideration.
  • the buried oxide layer 104 interposed between the layers 101 and 102 of the first plate serves as a stop layer during chemical etching.
  • the chemical etching is thus interrupted at the level of the oxide layer 104.
  • the chemical etching thus makes it possible to eliminate the residual layer 112 remaining after the mechanical thinning.
  • the chamfered edges of the first and second plates cause adhesion problems at the periphery between these two plates.
  • an annular portion at the periphery of the first plate 108 situated in the vicinity of the lower chamfer 122b has a poor bonding (or even complete absence of bonding) on the second plate 110.
  • the reduction of the thickness of the first plate during the mechanical and chemical thinning steps then significantly weakens the edges of the first plate in the vicinity of the lower chamfer 122b.
  • the lateral etching action during chemical etching further weakens the unglued (or poorly bonded) peripheral area of the first plate. This increased embrittlement generally leads to uncontrolled breaks at the periphery of the first thinned plate. These breaks cause the formation of debris or fragments of material that may then be deposited on the exposed surface of the first thinned plate 116.
  • fragments containing oxide and possibly silicon can pollute the exposed surface of the first thinned plate 116 ( Figure 1D).
  • Breaks occur in particular during chemical etching during thinning, and when the remaining thickness of the first plate no longer supports its own weight periphery. It appears that once this critical stage is reached, a peripheral portion of the first plate in the vicinity of the lower chamfer 122b collapses, thereby producing undesirable material fragments 118.
  • these fragments of material 118 are generally of relatively large size. Typically, these fragments have a size of at least 2 ⁇ m. The large size of these fragments is explained in particular by their mechanism of formation by collapse as described above. Because of their large size, these fragments can not be effectively removed by conventional ultrasonic cleaning.
  • fragments 118 may contain circuit residues originating from any microcomponents buried in the first plate at its bonding face with the second plate 110.
  • the Applicant has therefore developed a method of removing fragments of material that may appear on the surface of a multilayer structure during its manufacture.
  • An exemplary implementation of the method of the invention is described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the multilayer structure 111c is rinsed and then placed in a tank 128 (or bowl) containing a rinsing solution 130, as illustrated in FIG. 3.
  • This rinsing solution may correspond, for example, to Deionized water (EDI). However, other rinsing solutions may also be considered.
  • Ultrasonic waves that is to say mechanical and elastic waves diffused for example by a liquid and whose frequency is greater than 20 kHz, are then propagated in the rinsing solution in which the composite structure 111c is immersed,
  • ultrasonic waves can be produced, for example, by oscillating piezoelectric transducers at a specific frequency and power (eg use of a sonicator).
  • Other types of ultrasound transducers may, however, be envisaged within the scope of the invention (magnetostrictive transducers, pneumatic generators, etc.).
  • the emission of ultrasound waves under particular conditions leads to an effect called acoustic cavitation in the rinsing tank 128. More specifically, the ultrasonic waves cause significant depressions in the rinsing solution 130. When these depressions reach a critical threshold they give rise to bubbles in the rinsing solution 130. These bubbles are commonly called cavitation bubbles.
  • the cavitation bubbles being particularly unstable, they implode when they meet the exposed surface of the first thinned plate 116. By imploding, these bubbles can emit a shock wave sufficient to break, loosen and disperse the fragments of material 118 present on the exposed surface of the first thinned plate 116.
  • the material fragments 118 are removed by the rinsing solution 130.
  • the amplitude of the depressions making it possible to obtain this cavitation phenomenon is notably controlled according to the frequency and the power of the emitted ultrasonic waves.
  • the Applicant has determined that to obtain a cavitation effect capable of removing fragments of at least 2 ⁇ m in size, the frequency of the ultrasonic waves must be low. In other words, this frequency must be set in a range between 20 kHz and 1000 kHz. The closer the frequency is to the lower limit of the range (.120 kHz), the more the method of the invention makes it possible to eliminate large fragments.
  • the frequency of the ultrasonic waves is between 20 kHz and 500 kHz, or even between 20 kHz and 100 kHz.
  • the frequency is between 700 kHz and 1000 kHz.
  • the viscosity of the rinsing solution 130 also has an impact on the amplitude of the depressions produced. Indeed, the higher the viscosity of the rinsing solution 130, the more the cavitation effect is difficult to obtain. It is therefore necessary to minimize the viscosity of the liquid solution in which the ultrasonic waves propagate.
  • the viscosity of the liquid solution should be less than or equal to 30 mPa ⁇ S (ie 30 cps) at 25 ° C. Note that in this document, the term "viscosity" means the dynamic viscosity of a medium.
  • the frequency and the power of the ultrasonic waves will therefore be adjusted according to the viscosity of the rinsing solution 130.
  • the adjustment of the power of the ultrasonic waves makes it possible to modify the power of removal of the fragments of material 118.
  • the power is set, for example, between 600W and 1200W.
  • Rinse solution (possibility to add adjuvants in the used rinsing solution, possible recirculation of the rinsing solution in the tank).
  • an oxide layer (from 500 ⁇ to 2 ⁇ m fragments of
  • the etching solution 126 (of TMAH, for example) serves as a propagation medium for the ultrasonic waves and the cavitation effect is concomitant with the etching action of the etching solution 126.
  • the process of the invention is applicable to any type of multilayer structure, and more particularly to multilayer structures whose plates have chamfered edges (or edge drops of any shape) and which can not be brought to high temperatures to perfectly stabilize I Bonding Interface.
  • the invention applies in particular to structures of the SOS type.
  • the elimination process according to the invention therefore advantageously makes it possible to eliminate the fragments of material which are deposited, or which are likely to be deposited, on the surface of a multilayer structure, and more particularly on the exposed surface of the transferred layer (ie the first thinned layer).
  • the method of the invention is particularly suitable for removing particles of relatively large size, that is to say whose size is typically greater than 2 .mu.m.
  • the method thus makes it possible to eliminate fragments of a few microns or even a few centimeters.
  • the method of the invention is also advantageous in that the application parameters are controllable and reproducible. This technique can thus be optimized and automated for industrial purposes (unlike the conventional pressurized jet rinsing process).
  • an ultrasound tank can advantageously be integrated into a production line of multilayer structures in order to implement the method of the invention.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'élimination de fragments de matériau (118) présents sur Ia 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

Procédé d'élimination de fragments de matériau présents sur la surface d'une structure muiticouche.
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 muiticouche 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 muiticouche, 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 (AL203) 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 œuvre un jet pressurisé. Cette technique nécessite une intervention humaine, ce qui limite l'industrialisation de l'étape de rinçage.
Par ailleurs, des bacs à ultrasons sont aujourd'hui couramment utilisés pour nettoyer des plaques en cours de polissage. Le document EP1662560, par exemple, décrit un procédé de traitement d'une plaque SOI comportant sur sa face avant un rebord périphérique bordant un renfoncement circulaire. Ce procédé comprend notamment l'élimination de ce rebord par polissage au moyen d'une machine prévue à cet effet. Cette machine de polissage comprend en particulier un bac dans lequel se trouve une solution de rinçage. Pour nettoyer la plaque après polissage, la plaque traitée est immergée dans la solution de rinçage et des ondes ultrasonores sont propagées dans la solution.
Cette technique de nettoyage aboutit généralement à des résultats satisfaisants lorsqu'il s'agit d'éliminer des particules de polissage subsistant après polissage. La Déposante a cependant constaté que ce type de machine ne permet pas d'éliminer convenablement les fragments de matériau présents sur la surface exposée d'une structure multicouche suite à une étape de gravure chimique.
II 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 subi 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, les fragments à éliminer présentant une taille supérieur à 2 μιη, le procédé comprenant une étape d'immersion d'au moins la première couche dans une solution liquide et une étape de propagation, dans la solution, d'ondes ultrasonores, la fréquence et la puissance des ondes ultrasonores étant adaptées pour créer un effet de cavitation dans la solution liquide pour éliminer les fragments de la surface exposée.
On notera que la taille d'un fragment peut correspondre notamment à sa longueur, à sa largeur ou à son diamètre.
De manière avantageuse, le procédé de l'invention permet d'éliminer les fragments de matériau de taille relativement importante 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 de matériau proviennent, par exemple, d'une étape préliminaire de gravure chimique réalisée sur la première couche.
La fréquence et la puissance des ondes ultrasonores sont de préférence réglées en fonction de la viscosité de la solution liquide. Comme indiqué plus en détail ultérieurement, il est ainsi possible d'optimiser l'efficacité du procédé d'élimination de l'invention.
D'autre part, la solution liquide peut être une solution de rinçage. Alternativement, la solution liquide peut être 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 H3P04.
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 flgure 2 représente, sous forme d'un organigramme, les principales étapes du procédé de réalisation illustré en figures 1A 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
111a 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 111a 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 pm.
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.
La Déposante a par ailleurs observé que ces fragments de matériau 118 sont généralement de taille relativement importante. Typiquement, ces fragments présentent une taille d'au moins 2 pm. La taille importante de ces fragments s'explique notamment par leur mécanisme de formation par écroulement comme décrit ci-avant. Compte tenu de leur grande taille, ces fragments ne peuvent être éliminés efficacement par un nettoyage conventionnel aux ultrasons.
A noter également que ces fragments 118 peuvent 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 œuvre 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 sonîcateur, 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. La Déposante a déterminé que, pour obtenir un effet de cavitation capable d'éliminer des fragments d'au moins 2 pm en taille, la fréquence des ondes ultrasonores doit être faible. Autrement dit, cette fréquence doit être réglée dans une plage comprise entre 20 kHz et 1000 kHz. Plus la fréquence se situe près de la limite basse de la plage (Le. 20 kHz), plus le procédé de l'invention permet d'éliminer des fragments de grande taille. Dans un mode de réalisation particulier, la fréquence des ondes ultrasonores est comprise entre 20 kHz et 500 kHz, voire même entre 20 kHz et 100 kHz. Dans une variante, la fréquence est comprise entre 700 kHz et 1000 kHz. 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. Il convient donc de réduire au maximum la viscosité de la solution liquide dans laquelle se propagent les ondes ultrasonores. Typiquement, la viscosité de la solution liquide doit être inférieure ou égale à 30 mPa.S (i.e. 30 cps) à 25 °C. A noter que, dans ce document, on entend par « viscosité » la viscosité dynamique d'un milieu.
La fréquence et la puissance des ondes ultrasonores seront donc réglées en fonction de la viscosité de la solution de rinçage 130.
Il est également possible d'adapter la température de la solution liquide à la situation considérée. En particulier, plus la température de la solution est élevée, plus la viscosité de celle-ci diminue. Il est ainsi possible de chauffer la solution liquide dans lequel les ondes ultrasonores se propagent afin d'obtenir une viscosité inférieur à 30 mPA.S.
Par ailleurs, le réglage de la puissance des ondes ultrasonores permet de jouer sur la puissance d'enlèvement des fragments de matériau 118. Ainsi, plus la puissance des ondes ultrasonores est importante, plus la puissance d'enlèvement est élevée. La puissance est réglée, par exemple, entre 600W et 1200W.
Le tableau ci-dessous présente des conditions expérimentales qui peuvent typiquement être appliquées pour obtenir un effet de cavitation permettant d'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.
EDI, TMAH etc.
Solution de rinçage (possibilité d'ajouter d'adjuvants dans la solution utilisée 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 lOOOKHz ultrasonores
Orientation des
structures - Horizontale ; efficacité convenable composites dans le - Verticale : bonne efficacité
bac
Durée 15 min à 20 min
Composition des
une couche d'oxyde (de 500 Â à 2 \im fragments de
d'épaisseur) recouverte
matériau
de silicium et/ou d'un empilement de circuit. observés
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 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 I 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 œuvre le procédé de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'élimination de fragments de matériau (118) présents sur la surface exposée d'une première couche (116) collée sur une deuxième plaque (110), les fragments à éliminer présentant une taille supérieur à 2 pm, ledit procédé comprenant ;
- une étape d'immersion d'au moins la première couche dans une solution liquide (126, 130) ; et
- une étape de propagation, dans ladite solution, d'ondes ultrasonores, la fréquence et la puissance desdites ondes ultrasonores étant adaptées pour créer un effet de cavitation dans la solution liquide pour éliminer lesdits fragments de ladite surface exposée.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lesdits fragments résultent d'une étape préliminaire (E4) de gravure chimique réalisée sur ladite première couche.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fréquence et la puissance desdites ondes ultrasonores sont réglées en fonction de la viscosité de ladite solution liquide.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite solution est une solution de rinçage (130).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite solution est une solution de gravure (126).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite solution comprend au moins l'une des solutions suivantes ; une solution de TMAH, une solution de KOH, et une solution
Figure imgf000016_0001
7. Procédé d'élimination selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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 de la ladite première couche.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdits fragments de matériau à éliminer comprennent au moins l'un des résidus suivants ; résidus d'oxyde provenant d'une couche 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.
9. 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.
10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, ledit procédé comprenant en outre une étape d'oxydation de la première plaque avant l'étape de collage.
11. Procédé de fabrication selon la revendication 9 ou 10, 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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