Collage par thermocompression

La deuxième étape du procédé de report consiste à réaliser le collage entre le substrat initial avec le film de diamant épais recouvert d’un film de silice, avec le substrat receveur.

3.7.5.1 Choix de la couche de collage

Un grand nombre de matériaux utilisés pour la production électronique sont adap-tés au collage adhésif, tels que les polyimides, les époxys, les adhésifs thermoplastiques et les résines photosensibles. En fonction de l’application spécifique à laquelle est des-tinée le collage, le matériau sélectionné doit répondre à certains nombres de critères comme la compatibilité du procédé, la stabilité thermique, la stabilité mécanique, le fluage, la résistance chimique, etc. Toutefois le paramètre essentiel qu’il doit vérifier est l’absence de sous-produits de réaction volatils lors de sa transformation aux conditions de pression et de température du procédé. Ces derniers peuvent provoquer l’apparition de fissures et de délaminations en raison des gaz piégés aux interfaces des couches de collage.

Deux matériaux ont été considérés pour le collage : – la FOx®, qui a été utilisée pour le lissage

– le BCB (Benzocylobutène), une résine électronique

La FOx® est idéale dans la mesure où celle-ci est un équivalent à de la silice po-reuse. Elle aurait un double rôle de couche de collage et de couche de support optique.

Il serait alors possible de ne déposer qu’une fine couche de résine. Les substrats finaux adopteraient alors la configuration de DOI (Diamond-On-Insulator). Comme nous l’ex-pliquerons un peu plus tard, le silicium du substrat initial, que l’on cherche à retirer, peut se graver avec du KOH ou du TMAH (TétraMéthhylAmmonium Hydroxide) en phase liquide. Or des solutions basiques telles que le TMAH sont utilisées comme dé-veloppeur pour la FOx® lorsque celle-ci est utilisée comme résine de lithographie, ce qui signifie qu’elles peuvent solubiliser la résine, et donc a fortiori les bases, comme le KOH, le peuvent également. De ce fait, il est difficile d’utiliser la FOX telle quelle sans la transformer complètement en la densifiant. Pour cela, le collage doit être réalisé à hautes températures (supérieures à 450 °C). Dans ce cas-ci la température du procédé dépasse la température à laquelle la contrainte de la FOx® est maximale. Dès lors, le procédé de collage devient plus complexe à mettre en place pour éviter l’apparition de fissures. De ce fait, nous avons préféré, à ce stade de la réflexion, utiliser du BCB comme matériau de collage.

En raison de ses excellentes propriétés de planarisation, le BCB est parfaitement adapté pour le collage adhésif de wafers [236], voire même pour des substrats dont la topographie verticale dépasse les 200 nm [237]. Le BCB qui a été utilisé est distribué commercialement sous le nom de Cyclotène 3022-63 par la société Dow Chemical. La littérature recense plusieurs procédures utilisant des épaisseurs de plus de 1 µm pour le collage [236, 238, 239], mais Roelkens et al ont montré qu’il était possible de coller efficacement en utilisant seulement 200 nm [237]. Il s’agissait donc de trouver un compromis sur le choix de l’épaisseur afin que celle-ci soit suffisante pour assurer le collage d’un substrat en diamant 2 pouces dont l’uniformité n’est pas optimale, mais pas trop épaisse non plus pour limiter les contraintes dans le matériau. Utilisé tel quel, il permet de déposer des épaisseurs comprises entre 9.5 et 26 µm en fonction des vitesses de rotation du spin-coater. Ces épaisseurs sont bien trop grandes pour la réalisation du collage, ainsi cette résine a été diluée avec du meséthylène. Un mélange BCB-meséthylène permettant d’obtenir une épaisseur moyenne de résine de 360 nm après recuit a été utilisé.

3.7.5.2 Description du procédé de collage

Le principe de cette technique consiste à appliquer simultanément, sur les sub-strats mis en vis-à-vis, une forte pression (de l’ordre du MPa) et une température élevée. La combinaison de la pression et de l’apport thermique appliqué induit l’écrasement des aspérités et renforce ainsi le collage entre les deux couches. L’appareil de collage utilisé au cours de ces travaux, que nous appellerons « bonder », est un EVG501. Il permet de réaliser des collages de substrats sur des surfaces allant jusqu’au 2 pouces.

Dépôt de la couche de silice épaisse par PECVD

Il est possible de déposer deux types de silice avec la PECVD : la silice LFSiO2

(Low Frequency SiO2) est plus contrainte (-370 MPa), et sa vitesse de dépôt est plus rapide (4 µm/h) que la silice HFSiO2 (High Frequency SiO2) qui est moins contrainte (-275 MPa), et se dépose deux fois plus lentement (2 µm/h). Nous avons pu constater qu’en utilisant la silice LFSiO2, le film de diamant épais délamine de la couche de silice après collage et après gravure du substrat initial. Trop contrainte, la seule couche de diamant ne suffit pas à maintenir une bonne adhésion des deux interfaces. De ce fait, la silice HFSiO2 a été utilisée comme couche intermédiaire afin de diminuer la tension à l’interface diamant/silice. Une première couche de 500 nm de silice HFSiO2 est déposée sur le film épais de diamant lissé, puis 1.5 µm de silice LFSiO2 termine le dépôt.

Procédure et paramètres de l’enrésinement

Afin de maximiser l’efficacité du collage, il est préférable que le dépôt de BCB soit effectué juste après le dépôt de silice PECVD. Cela permet d’éviter toute contamination résiduelle mais aussi de limiter l’absorption d’eau en surface. Dans le cas contraire, il est conseillé de recuire sur une plaque chauffante les deux substrats quelques minutes avant l’enrésinement à une température supérieure à 100 °C. Pour que l’adhésion soit optimale, une couche de primer est d’abord déposée.

Le mélange BCB-meséthylène en proportion 1 : 2 est ensuite déposé par spin-coating sur le substrat donneur. En effet, le fort pouvoir de planarisation du BCB permet d’homogénéiser davantage la surface et permet ainsi un meilleur contact avec le substrat receveur de silicium, extrêmement plat. Une accélération de 200 tours/min/s est appliquée jusqu’à atteindre une vitesse de 5000 rpm maintenue pendant 1’30min. Le substrat est ensuite recuit sur une plaque chauffante pendant une à deux minutes à 90 °C. Cette température a été choisie pour permettre la relaxation du polymère et des gaz emprisonné, mais en s’assurant de ne pas commencer à trop durcir la couche, afin que l’accroche reste suffisante.

Paramètres Valeurs Température du 1erpalier °C 150 Température du 2nd palier °C 280 Force N 2000 Pression mbar 10-4

Temps du palier min 60

Les deux substrats sont ensuite mis en regard puis alignés dans le bonder. Les paramètres du programme de collage sont regroupés dans le tableau3.8. Une première rampe en température rapide à 5 °C/min est appliquée pour atteindre un palier de 150 °C, température à partir de laquelle la force est appliquée. Cette température a été choisie car il a été montré que réaliser une étape de « pré-collage » à 150 °C permettait d’obtenir de meilleurs rendements de collage sans void [240]. Cette température est maintenue pendant quelques minutes puis une nouvelle rampe de 1.5 °C/min permet d’atteindre le palier à 280 °C maintenue pendant une heure. La température de transi-tion vitreuse du BCB étant égale à 320 °C, celle-ci ne devait pas être dépassée afin que la couche de collage ne se fragilise pas et ne se fissure pas, ce qui pourrait entraîner une délamination des substrats. La force est maintenue jusqu’à ce que la température redescende à 150 °C.

3.7.5.3 Caractérisation par infrarouge

Le collage des substrats a été caractérisé par infrarouge à l’aide d’une caméra optique. Dans la mesure où le silicium est transparent dans cette gamme de longueur d’onde, il est possible de distinguer les zones non collées des substrats. La figure 3.31

présente des images d’un collage de substrats 2 pouces. Les flèches rouges indiquent les zones dont le collage n’est pas optimal.

Figure 3.31 – Images optiques infrarouge caractérisant le collage d’un film de diamant polycristallin de quelques microns sur silicium 2 pouces avec un autre substrat en silicium. Les flèches en rouge indiquent des exemples de zones dont le collage n’est pas optimal.

3.7.6 Gravure du silicium