meilleur des cas, pour une température de collage de 1400˚C.
A.4 Collage à basse température
La haute température peut être problématique dans le cas du collage de deux matériaux ayant des propriétés thermiques différentes (conductivité, dilatation). Également, les propriétés diélectriques des isolants où celles des dopants peuvent être endommagées. Un collage est considéré à basse température lorsqu’elle n’excède pas 300˚C.
Après nettoyage et activation standard, une activation supplémentaire des surfaces par plasma O2peut réduire fortement la température de collage à une valeur inférieure à 300˚C. Ce collage s’explique par la formation de nombreux groupes silanol en surface. Des valeurs d’énergie de collage deγ=1 à 1,5 J/m2. L’inconvénient est que cette technique favorise la formation de bulles. L’énergie de collage pourrait être augmentée en appliquant un plasma après collage, ce qui enlèverait la couche moléculaire d’eau entre les wafers et permettrait de créer des liaisons Si-Si.
Des techniques alternatives permettent également de coller deux surfaces à basse ou moyenne tempéra- ture. Par exemple, nous pouvons citer les techniques qui utilisent un verre à bas point de fusion ou celles
basées sur la dépôt d’une couche intermédiaire à base de sol-gel.
Il existe aussi différentes techniques de collage à température ambiante. Par exemple, il est bien évi- demment possible d’utiliser une colle polymère. Une autre technique permet de coller du verre à l’acide fluorhydrique (HF). Le protocole consiste à nettoyer les surfaces pour obtenir une surface propre hydro- phile. Puis les wafers sont gravés dans une solution de HF à 1% et mis en contact en laissant une goutte de HF entre les deux wafers. Ils sont ensuite mis en compression entre 4 et 10 MPa pendant au moins 12h.
A.5 Soudure anodique
La soudure anodique est définie comme le collage entre un matériau inorganique, isolant à conduction ionique (verre, quartz), avec un matériau conducteur d’électrons comme le métal ou les semi-conducteurs (tel le silicium ou le germanium). La technique consiste à mettre en contact les deux wafers nettoyés et activés à moyenne température (sous le point de "ramollissement") pour augmenter la conductance de l’isolant. Puis, l’isolant est polarisé négativement (cathode) alors que le métal ou le semi conducteur est polarisé positivement (anode). Le procédé qui conduit à la soudure n’a pas encore été totalement expliqué et fait encore débat (voir paragraphe )
L’équipement de base pour faire une soudure anodique se base sur une plaque chauffante dont la surface est plane et lisse, une source de haute tension, et une électrode de polarisation (ponctuelle ou plane). Le silicium est chauffé à une température entre 300˚C et 500˚C. Puis une tension entre 500 et 2000 V est appliquée. Ainsi, la conductance du verre est élevée et les ions, principalement sodium, migrent à travers le verre. Une couche de déplétion chargée négativement apparaît à l’interface silicium verre et forme l’équivalent d’un condensateur. La lame séparatrice est de quelques nanomètres. Un saut de polarisation entre les deux surfaces crée une très forte pression électrostatique qui attire les deux surfaces (voir paragraphe 2.3.2 de la thèse). La distance devient tellement faible que des liaisons Si-O-Si se forment.
A.5.1 Verre pour la soudure anodique
Les coefficients d’expansion du silicium et du verre sont généralement différents. Le refroidissement jusqu’à la température ambiante doit donc être lent pour éviter la détérioration des matériaux. Ainsi, le verre idéal doit avoir des propriétés mécaniques stables, une bonne résistance aux chocs thermiques, un coefficient de dilatation proche de celui du silicium, une bonne conductance et doit résister à de fortes sollicitations électriques.
A.5.2 Mécanisme de la soudure anodique
A.5 Comme nous l’avons dit précédemment, la résistivité du verre diminue avec l’augmentation de la température. Les cations peuvent ainsi migrer à travers le verre sous l’influence du champ électrique. Dans le même temps, les anions restent fixes du fait de leur faible mobilité. Les charges négatives ne sont donc pas compensées et une couche ionique chargée négativement apparaît à l’interface.
Deux théories différentes prétendent expliquer le phénomène de soudure anodique. La première est basée sur l’oxydation locale de l’anode de silicium. On suppose que les ions O−etOH−proches de l’interface dans la couche déplétée migrent vers le silicium sous l’effet du champ électrique et favorisent le formation de liaisons Si-O-Si. L’autre explication ne prend en compte que l’effet d’une forte force électrostatique qui met les deux surfaces en contact. Les deux théories proposent d’expliquer la neutralisation des ions Na+ par la formation de Na2O en surface du verre.
A.5.3 Réaction chimique pour le modèle de collage
Il est couramment accepté que le collage est formé par des liaisons siloxane Si-O-Si. Deux modèles différents expliquent ce collage. Un premier modèle explique que l’électrolyse du Na2O génère des ions sodium et oxygène :
Dans le même temps, l’eau adsorbée se dissocie :
H2O −→ H++ OH−. (A.2)
Les ions H+migrent alors dans le verre et participe à l’électrolyse :
N a2O + H+−→ 2N a++ OH−. (A.3)
Ensuite, les ions O2−migrent vers l’anode et réagissent avec le silicium pour donner du SiO2et SiOH. Le sodium est alors neutralisé en réagissant avec l’oxygène de l’air. Dans le même temps, les surfaces oxydées sont déshydratées et maintenues en contact par la forte pression électrostatique.
Si − OH + OH − Si −→ Si − O − Si + H2O . (A.4)
Un second modèle est basé sur le fait que le défaut d’ion sodium est compensé par les ions H+. La première étape consiste en la décomposition de l’eau absorbée en surface :
H2O −→ H++ OH−. (A.5)
Les groupes hydroxydes participent à la réaction :
Si + 4OH−←− Si (OH)4+ 4e−. (A.6)
Les groupes silanol sont ensuite déshydratés :
Si (OH )4−→ SiO2+ 2H2O . (A.7)
L’eau relâchée participe à nouveau au cycle de décomposition. Les ions hydrogène remplacent les ions sodium dans les groupements bore et aluminium.
Remarque : la couche d’eau adsorbée joue un rôle très important ce qui confirme que la déshydratation ne serait pas nécessaire.
Pour résumer, la soudure anodique est composée de trois grandes étapes (un schéma synthétique est présenté figure A.3) :
– La première étape consiste en la formation de liaisons faibles, liées au nettoyage et l’activation des surfaces. Ce collage est spontané et provient des ponts hydrogène et/ou des forces de Vander Walls. – La seconde étape débute avec la mise en tension du système, une couche de déplétion apparait. La
dissociation de l’eau permet de former des liaisons silanol puis la déshydratation de ces groupes les remplacent par des liaisons siloxanes. La distance entre deux wafers devient de l’ordre de 0,3-0,5 nm. Le courant augmente d’abord fortement puis décroit progressivement. Cette décroissance correspond à la consommation des molécules d’eau à la surface du wafer.
– La dernière étape correspond au moment où toute l’eau a été consommée et le courant stabilisé à sa valeur minimale. L’énergie de surface obtenue peut ainsi atteindreγ = 3,5 J/m2et la force de cohésion entre le verre et le silicium devient plus forte que celle à l’intérieur du silicium.
A.5.4 Charges et courant
Lors du collage, l’intensité du courant dépend à la fois de la température, la tension appliquée, le type et l’épaisseur du verre, du type d’atmosphère, et enfin légèrement de la méthode de préparation des échantillons. Le type d’électrode et la pression appliquée ont aussi leur importance. De manière générale, le courant maximal est plus fort à haute température et à haute tension. Il est également plus fort dans