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WO2014114876A1 - Procédé de fabrication d'une structure par collage direct - Google Patents

Procédé de fabrication d'une structure par collage direct Download PDF

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Publication number
WO2014114876A1
WO2014114876A1 PCT/FR2014/050116 FR2014050116W WO2014114876A1 WO 2014114876 A1 WO2014114876 A1 WO 2014114876A1 FR 2014050116 W FR2014050116 W FR 2014050116W WO 2014114876 A1 WO2014114876 A1 WO 2014114876A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layers
direct bonding
bonding interface
bonding
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2014/050116
Other languages
English (en)
Inventor
Frank Fournel
Chloé MARTIN COCHET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to EP14704610.6A priority Critical patent/EP2948976A1/fr
Priority to US14/758,740 priority patent/US10103052B2/en
Priority to JP2015553150A priority patent/JP2016509372A/ja
Publication of WO2014114876A1 publication Critical patent/WO2014114876A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H10P90/1914—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10W10/181—

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a structure by direct bonding of two layers of material having a high bonding energy. According to another aspect, the present invention relates to a structure comprising two layers of materials brought into contact and adapted for direct bonding with a high bonding energy.
  • Direct bonding is a bonding technique used industrially for many years, particularly for the development of SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • This technique consists in causing the adhesion of two materials without the addition of adhesive material such as glue, for example.
  • adhesive material such as glue
  • bonding at room temperature just after contacting the two surfaces, leads to a relatively low bonding energy, often less than about 500 mJ / m 2 .
  • the bonding energy then obtained can then reach 4J / m 2 as is the case for example in the bonding of a silicon surface with a silicon oxide surface.
  • the invention relates to a method of manufacturing a structure by direct bonding between a first layer of material and a second layer of material, the method comprising the steps of:
  • first and second layers each comprising a bonding surface, at least one of the first and second layers comprising recesses opening to the bonding surface of said at least one layer, and the bonding surface of one of the at least one of the first and second layers being formed at least in part by a silicon oxide film,
  • the presence of a silicon oxide film at the direct bonding interface and water molecules in the vicinity of the direct bonding interface makes it possible to bond directly between two layers of material with a single bond.
  • high bonding energy without necessarily treating the surfaces to be bonded by plasma and by limiting the temperature of the thermal budget for bonding annealing at low temperatures.
  • the presence of water molecules in the vicinity of a direct bonding interface comprising silicon oxide improves the bonding energy of the interface, even at a low annealing temperature.
  • thermal budget is meant in this document, the application of a predetermined temperature for a specified period.
  • 'low temperature' is meant in the present document a temperature ranging from ambient temperature, around 20 ° C, to 400 ° C, preferably a temperature of less than or equal to 350 ° C and more preferably temperature below about 250 ° C, for example between 20 ° C and 250 ° C or between 50 ° C and 200 ° C.
  • step c) can in particular be carried out before step b) of the method. This is particularly the case when the fluid is air is loaded with moisture.
  • the silicon oxide film may be a SiO2 silicon dioxide film or a non-stoichiometric oxide film such as SiOx.
  • the silicon oxide film may be a thermal oxide film formed by oxidation of a layer of silicon material.
  • the silicon oxide film may be an oxide film deposited by one of commonly used deposition techniques, such as CVD (acronym for Chemical Vapor Deposition).
  • the first and second layers of material each comprise recesses opening at their respective bonding surface.
  • At least one recess of at least one of the first and second layers may at least partly form a recess with at least one recess of the other of the first and second layers when they overlap at the time of contacting. according to step b) of the method.
  • the first and second layers each comprise a silicon oxide film on the surface.
  • step a) of the method comprises a step of forming and arranging the recesses in at least one of the first and second layers so that any point of the direct bonding interface is located at a distance less than or equal to a threshold distance of an edge of the direct bonding interface, the edges of the direct bonding interface being delimited on the one hand by the recesses and on the other hand by the periphery of the structure.
  • the size, the positioning and the number of recesses are determined so that the edges of the direct bonding interface, delimited by the recesses and the periphery of the structure, are spaced apart by a distance less than or equal to one defined threshold distance.
  • This has the effect that any point of the direct bonding interface comprises silicon oxide and is close to an edge of the direct bonding interface and optionally a source of water molecules. Consequently, any point of the direct bonding interface has a high bonding energy even in the case of a bonding annealing carried out at low temperature so that the complete interface where the direct bonding is implemented has a high energy lift-off.
  • the formation of the recesses is carried out by photolithography or by a machining technique, such as a kerf, so as to form recesses having dimensions of between 0.1 micrometer and 1 cm and preferably between 1 micrometer and 100 micrometers. These dimensions make it possible to store large quantities of water and necessary to reinforce the bonding.
  • the method comprises a step i) carried out after step b) comprising placing the structure in a chamber comprising a fluid comprising water molecules.
  • the edge of the direct bonding interface formed by the periphery of the structure is in the vicinity of a humid atmosphere.
  • the recesses close to the periphery of the structure may be further from the periphery of the structure than in the previous embodiment while allowing each of the points of the direct bonding interface to be located at a distance less than or equal to the same threshold distance of water molecules.
  • At least one recess opens out on an outer face of the structure, which makes it possible to provide the direct water bonding interface according to the required quantity.
  • At least one recess extends substantially in a plane of the direct bonding interface so as to lead to a lateral edge of the structure adjacent to the plane of the direct bonding interface.
  • said at least one recess communicates where appropriate with said middle of the enclosure.
  • step c) of the method of filling with a medium comprising water molecules of the recesses can be carried out by step i) of the process.
  • the structure comprises a first series of recesses extending substantially in a plane of the direct bonding interface so as to lead to a lateral edge of the structure adjacent to the plane of the direct bonding interface.
  • At least one recess is hermetic in the structure.
  • the at least one hermetic recess is isolated and buried at the direct bonding interface without communication with the exterior of the structure.
  • the at least one hermetic recess can be used to receive electronic devices such as MEMS (acronym for Micro-Electro-Mechanical Systems).
  • the structure comprises a second series of hermetic recesses.
  • the method comprises a step of providing at least one orifice through the thickness of said at least one of the first and second layers so as to connect at least one recess of said at least one layer to the opposite surface of the bonding surface of said at least one layer.
  • the process comprises, before step d) a step j) of placing the structure at a temperature between 20 ° C and 99 ° C for a period of between 1 hour and 30 days.
  • This heat treatment makes it possible to accelerate the process making it possible to obtain a high bonding energy at the direct bonding interface after applying the thermal budget of step d) for bonding annealing. Indeed, this time allows the water molecules to penetrate sufficiently to the direct bonding interface and then be consumed during bonding annealing in an oxidation reaction reinforcing the bonding energy.
  • step c) comprises step j).
  • the thermal budgeting of step d) is carried out at a temperature of less than or equal to 350 ° C. and more preferably at a temperature below 200 ° C., for example between 20 ° C. and 200 ° C. still between 50 ° C and 150 ° C.
  • the thermal budget is applied for a period of between a few minutes and several tens of hours and preferably between a few tens of minutes and a few hours.
  • the low temperature of the applied thermal budget makes it possible to reduce manufacturing costs. Furthermore, the fact of using a low temperature makes it possible to bond layers of materials having a significant difference in coefficient of thermal expansion. In addition, when the material layers have devices, they are not damaged by the temperatures used.
  • the method comprises, before step b) of contacting the bonding surfaces, a step of applying a plasma treatment to the bonding surfaces of the first and second layers. It is thus possible to substantially reduce the temperature of the thermal budget while maintaining a high bonding energy. It is particularly possible to apply a thermal budget at room temperature (about 20 ° C) for a period of time between about two hours and a few days.
  • said fluid comprising water molecules comprises air comprising a relative humidity greater than 10% or water in liquid form.
  • the threshold distance is between 1.5 and 2.5 cm and more preferably, the threshold distance is about 2 cm.
  • the points of the direct bonding interface are about 2 cm from an edge of the interface in contact with said wet fluid, the bonding energy is significantly improved.
  • the materials of the first layer and / or the second layer are chosen from silicon oxides, semiconductor materials, silicon nitrides, alumina, SiOC and diamond.
  • the invention relates to a structure comprising a direct bonding interface between two bonding surfaces respectively of a first layer and a second layer of material, the bonding surface of at least one of the first and second layer being formed at least in part by a silicon oxide film, and the direct bonding interface comprises recesses, at least one of the recesses being filled at least in part with a fluid comprising water molecules .
  • the recesses are arranged so that any point of the direct bonding interface is located at a distance less than or equal to a threshold distance between 1, 5 and 2.5 cm from an edge of the interface of direct bonding, the edges of the direct bonding interface being delimited on the one hand by the recesses and on the other hand by the periphery of the structure.
  • the bonding energy is improved at any point of the direct bonding interface located at a distance less than or equal to a threshold distance of a recess filled with a fluid comprising water molecules.
  • At least one recess opens onto an outer face of the structure, which makes it possible to supply the direct bonding interface with water in the required quantity.
  • At least one recess extends substantially along a plane of the direct bonding interface so as to open onto a lateral edge of the structure adjacent to the plane of the direct bonding interface.
  • the filling of the recess with a fluid comprising water molecules is facilitated by placing the structure in a chamber comprising a medium comprising water molecules.
  • the emerging recesses thus provided can communicate with the external atmosphere of the structure.
  • At least one of the first or second layers comprises at least one orifice formed through the thickness of said at least one of the first and second layers so as to connect at least one recess of said at least one layer to the opposite surface of the bonding surface of said at least one layer.
  • the recess communicates with the external atmosphere of the structure which may comprise said having water molecules.
  • the recesses have dimensions of between 0.1 micrometer and 1 cm and preferably between 1 micrometer and 100 micrometer so as to store significant amounts of water.
  • the material of the first layer and the second layer is comprised of silicon oxides, semiconductor materials, silicon nitrides, alumina, SiOC and diamond.
  • Figures 1 to 4 show a cross-sectional view of the material layers glued by direct bonding according to an embodiment of the method according to the invention.
  • FIGS 5 to 7 show an alternative embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 8 illustrates a horizontal sectional view of a structure obtained according to an embodiment of the method of the invention.
  • FIG. 9 illustrates a cross-sectional view of a structure obtained according to another variant embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 10 illustrates a view in horizontal section of a structure obtained according to yet another alternative embodiment of the method of the invention.
  • Figure 1 illustrates a sectional view of a first layer 1 and a second layer 2 of material to be glued by direct bonding according to the invention.
  • the first and second layers 1, 2 have face-to-face bonding surfaces 3,4 for preparing step b) of contacting.
  • the materials of the first and second layers 1, 2 may consist of oxidized materials, nitrided materials or semiconductors.
  • a silicon oxide film 5 is present at the bonding surface 3 of a first planar layer 1 and the second layer 2 has recesses 6 opening out at its bonding surface 4.
  • the silicon oxide film 5 can be formed on a previously-recessed bonding surface 3,4 such as the surface 4 of the second layer 2 illustrated in FIG.
  • the silicon oxide film 5 may have been formed at a bonding surface 4 of the second layer 2 prior to the creation of the recesses 6, so that after the recess, the film 5 does not cover the side walls of the layer 2, nor the bottom of the recesses 6 but just covers the bonding surface 4.
  • the silicon oxide film 5 can also cover the surfaces 3.4 bonding of the first and second layers 1, 2 of material.
  • FIG. 2 illustrates the two bonding surfaces 3,4 placed in contact so as to form the direct bonding interface 7 and the structure 8 desired according to step b) of the method.
  • the recesses 6 then delimit at least part of the recesses 6 leading to the direct bonding interface 7.
  • These recesses 6 are positioned such that any point of the bonding interface 7 is at a distance less than or equal to a threshold distance between 1.5 and 2.5 cm from an edge 9 of the bonding interface 7.
  • FIG. 3 illustrates a step i) of the method which consists in arranging the structure 8 thus formed in an enclosure 1 1 comprising a fluid comprising water molecules which covers the level of the bonding interface 7.
  • the recesses 6 When the recesses 6 are extend substantially in a plane of the bonding interface 7 as illustrated in Figure 8, the recesses 6 open on a lateral edge 12 of the structure 8 adjacent to the plane of the bonding interface 7.
  • the recesses 6 communicate with the moist medium contained in the chamber 1 1 so that the recesses 6 are filled with a water fluid according to step c) of the method.
  • the edges 9 of the bonding interface 7 are thus in contact with water molecules at the periphery of the structure 8 and recesses 6 delimiting internal edges 9 of the bonding interface 7.
  • the structure is placed at about 45 ° C for 15 days before applying a low temperature thermal budget, about 200 ° C, serving bonding annealing according to step d) of the process.
  • a low temperature thermal budget about 200 ° C, serving bonding annealing according to step d) of the process.
  • This thermal budget is made directly in the enclosure 1 1 but according to a non-illustrated embodiment variant, the thermal budget can be applied in a separate oven enclosure 1 1.
  • the two bonding surfaces 3,4 are plasma treated before contacting according to step b) of the method and the thermal budget according to step d) is applied at a temperature of between about 20 and 250 ° C, for example at 50 ° C, for a few hours to several days. Moreover, this thermal budget can be applied to the open air when the temperature thereof is greater than or equal to 20 ° C.
  • FIGS 5 to 7 illustrate a variant of the method according to the invention.
  • Recesses 6 are provided at the two bonding surfaces 3,4 of the first and second layers 1, 2.
  • a silicon oxide film 5 is deposited on each of the surfaces 3.4 thus structured so as to reproduce the topology of the recesses 6.
  • the distance between the recesses 6 ensures at any point of the bonding interface 7, formed in the subsequent step, to be located at a distance less than or equal to 2 cm from the edges 9 of the bonding interface 7.
  • the recesses 6 of one of the layers of material is filled with the fluid containing the water molecules according to step c) of the method so that once the surfaces 3,4 are brought into contact, at ambient pressure for example, the recesses 6 formed comprise a fluid comprising water molecules.
  • the structure 8 thus formed is then placed in an enclosure 1 1 comprising a fluid covering the level of the bonding interface 7 according to a step i) of the method.
  • a heat treatment is applied to the entire bonding interface 7 of water in the chamber 1 1 and in the recesses 6 so as to have a temperature of about 90 ° C for 1 h.
  • a gluing annealing according to step d) is carried out at 250 ° C. for a few hours, so as to reinforce the bonding energy of the structure 8 at any point of the interface of collage 7.
  • FIG. 9 illustrates first and second layers 1, 2 of material whose bonding surfaces 3,4 each covered with a film of silicon oxide 5 have been brought into contact.
  • Hermetic recesses 6 have been formed beforehand at the bonding interface 7 and the communication with the outside of the structure 8 has been made possible by the provision of an orifice 14 in the thickness of at least one of the layers 1, 2 of materials.
  • the recesses 6 can thus be filled with a fluid comprising water molecules, such as air having a relative humidity greater than 10% to improve the bonding energy after a bonding annealing carried out at 300 ° C. a few minutes.
  • the recesses 6 have been arranged so that any point of the bonding interface 7 is at a distance less than or equal to a threshold distance from an edge 9 of the bonding interface 7 that can communicate with a fluid comprising water molecules present in a recess 6 or in an enclosure 1 1 in which the structure 8 is disposed.
  • the present invention proposes a method of manufacturing a structure 8 comprising a direct bonding between two layers 1, 2 having a high bonding energy which avoids the use of bonding annealing at high temperature and avoids an activation step surfaces of 3,4 collage by plasma treatment.
  • the process is inexpensive, has a reduced cycle time and is applicable to many materials.

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Abstract

Ce procédé comprenant les étapes de: -a) Fournir les première et deuxième couches (1,2) comprenant chacune une surface de collage (3, 4), une au moins des deux couches (1, 2) comprenant des évidements (6), et la surface de collage (3, 4) de l'une de deux couches (1, 2) étant formée au moins en partie d'un film d'oxyde de silicium (5), -b) Mettre en contact les surfaces de collage (3,4) de sorte à créer une interface de collage direct (7), -c) Remplir au moins un évidement (6) d'un fluide comprenant des molécules d'eau, et - d) Appliquer un budget thermique de sorte à procurer un recuit de collage. L'invention concerne également une structure (8) comprenant une interface de collage direct (7) entre deux surfaces de collage (3,4) de deux couches (1, 2), la surface de collage (3, 4) de l'une au moins des couches (1, 2) étant formée au moins en partie d'un film d'oxyde de silicium (5), et l'interface de collage direct (7) comprend des évidements (6) remplis d'un fluide comprenant des molécules d'eau.

Description

Procédé de fabrication d'une structure par collage direct
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure par collage direct de deux couches de matériau présentant une forte énergie de collage. Selon un autre aspect, la présente invention concerne une structure comprenant deux couches de matériaux mises en contact et adaptées pour un collage direct avec une forte énergie de collage.
Le collage direct est une technique de collage utilisée de façon industrielle depuis de nombreuses années notamment pour l'élaboration de substrat SOI (acronyme anglais de Silicon On Insulator). Cette technique consiste à provoquer l'adhérence de deux matériaux sans l'ajout de matière adhésive telle que de la colle par exemple. En préparant suffisamment bien les deux surfaces en terme de planéité, de contamination particulaire, de contamination d'hydrocarbure, il est possible de coller deux surfaces à température et pression ambiante directement.
Mais le collage à température ambiante, juste après mise en contact des deux surfaces, conduit à une énergie de collage relativement faible, souvent inférieure à environ 500mJ/m2. Pour augmenter l'énergie de collage, il est souvent nécessaire d'effectuer un recuit thermique des deux surfaces mises en contact à des températures supérieures à 200°C pendant une à plusieurs heures. L'énergie de collage alors obtenue peut alors atteindre 4J/m2 comme c'est le cas par exemple dans le collage d'une surface de silicium avec une surface d'oxyde de silicium. Il est aussi possible de traiter les surfaces à coller par un plasma, par exemple un plasma d'azote dans le cas de surface d'oxyde de silicium, qui permet d'atteindre plus rapidement des énergies de collage améliorées pour un même budget thermique appliqué.
Sans l'application d'un budget thermique à haute température et surtout s'il n'est pas possible d'effectuer des traitements plasma, il peut être en revanche difficile d'obtenir de fortes énergies de collage. C'est le cas par exemple lors du collage de deux surfaces d'oxyde thermique dont le recuit thermique après mise en contact est effectué à 200°C, l'énergie de collage reste aux alentours de 1 ,5J/m2.
Un des buts de la présente invention est de pallier un ou plusieurs de ces inconvénients. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure par collage direct entre une première couche de matériau et une deuxième couche de matériau, le procédé comprenant les étapes consistant à :
- a) Fournir les première et deuxième couches comprenant chacune une surface de collage, une au moins des première et deuxième couches comprenant des évidements débouchant à la surface de collage de ladite au moins une couche, et la surface de collage de l'une au moins des première et deuxième couches étant formée au moins en partie par un film d'oxyde de silicium,
- b) Mettre en contact les surfaces de collage des première et deuxième couches de sorte à fournir la structure et à créer une interface de collage direct entre les première et deuxième couches,
- c) Remplir au moins en partie au moins un évidement par un fluide comprenant des molécules d'eau, et
- d) Appliquer un budget thermique à une température comprise entre 20°C et 400°C permettant de réaliser un recuit de collage.
Dans ce procédé, la présence d'un film d'oxyde de silicium à l'interface de collage direct et de molécules d'eau à proximité de l'interface de collage direct permet de réaliser un collage direct entre deux couches de matériau avec une forte énergie de collage, sans obligatoirement traiter au préalable les surfaces à coller par plasma et en limitant la température du budget thermique pour le recuit de collage à des basses températures. En effet, la présence de molécules d'eau à proximité d'une interface de collage direct comprenant de l'oxyde de silicium améliore l'énergie de collage de l'interface, et ce même à basse température de recuit. Par l'expression 'budget thermique' on entend dans le présent document, l'application d'une température déterminée pendant une durée déterminée. Par l'expression 'basse température', on entend dans le présent document une température allant de la température ambiante, autour de 20°C, à 400°C, de préférence une température inférieure ou égale à 350°C et de préférence encore une température inférieure à environ 250°C, par exemple entre 20°C et 250°C ou entre 50°C et 200°C.
Il est entendu dans le présent document que les étapes a), b), c) et d) ne sont pas systématiquement réalisées successivement dans l'ordre énoncé. Selon les variantes de réalisation du procédé, l'étape c) peut notamment être réalisée avant l'étape b) du procédé. C'est notamment le cas lorsque le fluide est de l'air est chargé d'humidité. Le film d'oxyde de silicium peut être un film de dioxyde de silicium SiO2 ou un film d'oxyde non stœchiométrique tel que du SiOx.
Le film d'oxyde de silicium peut être un film d'oxyde thermique formé par oxydation d'une couche de matériau de silicium.
Le film d'oxyde de silicium peut être un film d'oxyde déposé par une des techniques de dépôt couramment utilisées, telle que la CVD (acronyme anglais de Chemical Vapor Déposition).
Selon une possibilité, les première et deuxième couches de matériau comprennent chacune des évidements débouchant à leur surface de collage respective.
Au moins un évidement de l'une au moins des première et deuxième couches peut former au moins en partie un évidement avec au moins un évidement de l'autre des première et deuxième couches lorsque ceux-ci se superposent au moment de la mise en contact selon l'étape b) du procédé.
Selon une disposition complémentaire, les première et deuxième couches comprennent chacune un film d'oxyde de silicium en surface.
Avantageusement, l'étape a) du procédé comprend une étape de formation et d'agencement des évidements dans l'une au moins des première et deuxième couches de sorte que tout point de l'interface de collage direct est situé à une distance inférieure ou égale à une distance seuil d'un bord de l'interface de collage direct, les bords de l'interface de collage direct étant délimités d'une part par les évidements et d'autre part par la périphérie de la structure.
Ainsi, la taille, le positionnement et le nombre d'évidements sont déterminés de sorte que les bords de l'interface de collage direct, délimités par les évidements et la périphérie de la structure, sont espacés d'une distance inférieure ou égale à une distance seuil déterminée. Ceci a pour effet que tout point de l'interface de collage direct comprend de l'oxyde de silicium et est à proximité d'un bord de l'interface de collage direct et le cas échéant d'une source de molécules d'eau. En conséquence, tout point de l'interface de collage direct présente une forte énergie de collage même dans le cas d'un recuit de collage effectué à basse température de sorte que la interface complète où le collage direct est mis en œuvre présente une forte énergie de collage. De préférence, la formation des évidements est réalisée par photolithographie ou par une technique d'usinage, tel qu'un trait de scie, de sorte à former des évidements présentant des dimensions comprises entre 0.1 micromètre et 1 cm et de préférence entre 1 micromètre et 100 micromètres. Ces dimensions permettent de stocker des quantités d'eau importantes et nécessaires au renforcement du collage.
Avantageusement, le procédé comprend une étape i) réalisée après l'étape b) comportant la mise en place de la structure dans une enceinte comprenant un fluide comportant des molécules d'eau. Ainsi le bord de l'interface de collage direct formé par la périphérie de la structure est au voisinage d'une atmosphère humide. Dans cette variante de réalisation, les évidements à proximités de la périphérie de la structure peuvent être plus éloignés de la périphérie de la structure que dans le mode de réalisation précédent tout en permettant à chacun des points de l'interface de collage direct d'être situé à une distance inférieure ou égale à la même distance seuil de molécules d'eau.
Selon une disposition, au moins un évidement débouche sur une face extérieure de la structure, ce qui permet de pourvoir l'interface de collage direct en eau selon la quantité requise.
Selon une possibilité, au moins un évidement s'étend sensiblement dans un plan de l'interface de collage direct de sorte à déboucher sur un bord latéral de la structure jouxtant le plan de l'interface de collage direct. Ainsi, ledit au moins un évidement communique le cas échéant avec ledit milieu de l'enceinte. Dans cette variante de réalisation, l'étape c) du procédé de remplissage par un milieu comportant des molécules d'eau des évidements peut être réalisée par l'étape i) du procédé.
Selon une possibilité, la structure comprend une première série d'évidements s'étendant sensiblement dans un plan de l'interface de collage direct de sorte à déboucher sur un bord latéral de la structure jouxtant le plan de l'interface de collage direct.
Selon une disposition de l'invention au moins un évidement est hermétique dans la structure. Ledit au moins un évidement hermétique est isolé et enterré au niveau de l'interface de collage direct sans communication avec l'extérieur de la structure. Ledit au moins un évidement hermétique peut être utilisé pour recevoir des dispositifs électroniques tel que des MEMS (acronyme anglais de Micro-Electro-Mechanical Systems). Selon une possibilité, la structure comprend une deuxième série d'évidements hermétiques.
Selon une autre variante, le procédé comprend une étape consistant à ménager au moins un orifice à travers l'épaisseur de ladite au moins une des première et deuxième couches de sorte à relier au moins un évidement de ladite au moins une couche à la surface opposée de la surface de collage de ladite au moins une couche.
Avantageusement, le procédé comprend avant l'étape d) une étape j) consistant à placer la structure à une température comprise entre 20°C et 99°C pendant une durée comprise entre 1 heure et 30 jours. Ce traitement thermique permet d'accélérer le processus permettant d'obtenir une forte énergie de collage à l'interface de collage direct après application du budget thermique de l'étape d) pour le recuit de collage. En effet, cette durée permet aux molécules d'eau de sufisamment pénétrer à l'interface de collage direct pour être ensuite consommée durant le recuit de collage dans une réaction d'oxydation renforçant l'énergie de collage.
Selon une disposition particulière, l'étape c) comprend l'étape j). De préférence, l'application du budget thermique de l'étape d) est réalisée à une température inférieure ou égale à 350°C et de préférence encore à une température inférieure à 200°C, par exemple entre 20°C et 200° ou encore entre 50°C et 150°C.
L'application du budget thermique est effectuée pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs dizaines d'heures et de préférence entre quelques dizaines de minutes et quelques heures.
La basse température du budget thermique appliqué permet de réduire les coûts de fabrication. Par ailleurs, le fait d'utiliser une température basse permet de coller des couches de matériaux ayant une différence significative de coefficient de dilatation thermique. De plus, lorsque les couches de matériaux comportent des dispositifs, ceux-ci ne sont pas endommagés par les températures utilisées.
De façon avantageuse, le procédé comprend avant l'étape b) de mise en contact des surfaces de collage, une étape consistant à appliquer un traitement plasma sur les surfaces de collage des première et deuxième couches. Il est ainsi possible de sensiblement diminuer la température du budget thermique tout en conservant une forte énergie de collage. Il est notamment possible d'appliquer un budget thermique à température ambiante (environ 20°C) pendant une durée comprise environ entre deux heures et quelques jours.
Selon une disposition, ledit fluide comprenant des molécules d'eau comporte de l'air comprenant une humidité relative supérieure à 10% ou de l'eau sous forme liquide. Ces conditions permettent de mettre en contact en permanence suffisamment de molécules d'eau avec la couche d'oxyde de silicium à l'interface de collage direct dans des proportions permettant un renforcement de l'énergie de collage. Un autre fluide gazeux différent de l'air pourrait être utilisé, tel que de l'azote par exemple, dans la mesure où le fluide comprend le même rapport de molécules d'eau. Il est en effet nécessaire que les molécules d'eau puissent venir au contact de l'interface de collage direct, qu'elles puissent être consommées par l'oxyde de silicium et que le fluide soit suffisamment riche en molécules d'eau pour renouveler la présence de molécules d'eau en contact avec l'interface.
De préférence, la distance seuil est comprise entre 1 ,5 et 2,5 cm et de préférence encore, la distance seuil est d'environ 2 cm. Ainsi lorsque les points de l'interface de collage direct sont à environ 2 cm d'un bord de l'interface en contact avec ledit fluide humide, l'énergie de collage est nettement améliorée.
De manière concrète, les matériaux de la première couche et/ou de la deuxième couche sont choisis parmi les oxydes de silicium, les matériaux semi-conducteurs, les nitrures de silicium, l'alumine, le SiOC et le diamant.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une structure comprenant une interface de collage direct entre deux surfaces de collage respectivement d'une première couche et d'une deuxième de couche de matériau, la surface de collage de l'une au moins des première et deuxième couches étant formée au moins en partie par un film d'oxyde de silicium, et l'interface de collage direct comprend des évidements, au moins un des évidements étant rempli au moins en partie d'un fluide comprenant des molécules d'eau.
Cette structure permet, après recuit de collage, l'obtention d'une forte énergie de collage au niveau des points de l'interface de collage direct situés à proximité des bords de l'interface de collage direct de part la présence de molécules d'eau dans les évidements délimitant les bords de l'interface de collage direct. De préférence, les évidements sont agencés de sorte que tout point de l'interface de collage direct est situé à une distance inférieure ou égale à une distance seuil comprise entre 1 ,5 et 2,5 cm d'un bord de l'interface de collage direct, les bords de l'interface de collage direct étant délimités d'une part par les évidements et d'autre part par la périphérie de la structure.
Ainsi, l'énergie de collage est améliorée en tout point de l'interface de collage direct située à une distance inférieure ou égale à une distance seuil d'un évidement remplie d'un fluide comportant des molécules d'eau.
Selon une disposition, au moins un évidement débouche sur une face extérieure de la structure ce qui permet de pourvoir en eau l'interface de collage direct selon la quantité requise.
Avantageusement, au moins un évidement s'étend sensiblement selon un plan de l'interface de collage direct de sorte à déboucher sur un bord latéral de la structure jouxtant le plan de l'interface de collage direct. Ainsi, le remplissage de l'évidement avec un fluide comportant des molécules d'eau est facilité en plaçant la structure dans une enceinte comprenant un milieu comportant des molécules d'eau. En effet, les évidements débouchantes ainsi prévus peuvent communiquer avec l'atmosphère extérieure de la structure.
Selon une autre disposition, au moins une des première ou deuxième couches comprend au moins un orifice ménagé à travers l'épaisseur de ladite au moins une des première et deuxième couches de sorte à relier au moins un évidement de ladite au moins une couche à la surface opposée de la surface de collage de ladite au moins une couche. Ainsi l'évidement communique avec l'atmosphère extérieure de la structure qui peut comporter ledit comportant des molécules d'eau.
De préférence, les évidements présentent des dimensions comprises entre 0.1 micromètre et 1 cm et de préférence entre 1 micromètre et 100 micromètres de sorte à stocker des quantités importantes d'eau.
Concrètement, le matériau de la première couche et de la deuxième couche est compris parmi les oxydes de silicium, les matériaux semiconducteurs, les nitrures de silicium, l'alumine, le SiOC et le diamant.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante des différentes variantes de réalisation de celle-ci, données à titre d'exemple non limitatif et fait en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques.
Les figures 1 à 4 représentent une vue en coupe transversale des couches de matériau collées par collage direct selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention.
Les figures 5 à 7 représentent une variante de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 8 illustre une vue en coupe horizontale d'une structure obtenue selon un mode de réalisation du procédé de l'invention.
La figure 9 illustre une vue en coupe transversale d'une structure obtenue selon une autre variante de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 10 illustre une vue en coupe horizontale une structure obtenue selon encore une autre variante de réalisation du procédé de l'invention.
La figure 1 illustre une vue en coupe d'une première couche 1 et d'une deuxième couche 2 de matériau destinées à être collées par collage direct selon l'invention. Les première et deuxième couches 1 ,2 présentent des surfaces de collages 3,4 disposées face à face pour préparer l'étape b) de mise en contact. Les matériaux des première et deuxième couches 1 ,2 peuvent être constitués de matériaux oxydés, de matériaux nitrurés ou de semiconducteurs. Un film d'oxyde de silicium 5 est présent à la surface de collage 3 d'une première couche 1 plane et la deuxième couche 2 présente des évidements 6 débouchant à sa surface de collage 4.
Selon une disposition non illustrée, le film d'oxyde de silicium 5 peut être formé sur une surface de collage 3,4 évidée au préalable telle que la surface 4 de la deuxième couche 2 illustrée à la figure 1 . Selon encore une autre disposition non illustrée, le film d'oxyde de silicium 5 peut avoir été formé au niveau d'une surface de collage 4 de la deuxième couche 2 avant la création des évidements 6 de sorte qu'après évidement, le film 5 ne recouvre pas les parois latérales de la couche 2, ni le fond des évidements 6 mais recouvre juste la surface de collage 4. Comme on le verra plus loin à la figure 5, le film d'oxyde de silicium 5 peut également recouvrir les surfaces de collage 3,4 des première et deuxième couches 1 ,2 de matériau.
La figure 2 illustre les deux surfaces de collages 3,4 mises en contact de sorte à former l'interface de collage direct 7 et la structure 8 souhaitée selon l'étape b) du procédé. Les évidements 6 délimitent alors au moins en partie des évidements 6 débouchant sur l'interface de collage direct 7. Ces évidements 6 sont positionnés de sorte que tout point de l'interface de collage 7 soit à une distance inférieure ou égale à une distance seuil comprise entre 1 .5 et 2,5 cm d'un bord 9 de l'interface de collage 7.
La figure 3 illustre une étape i) du procédé qui consiste à disposer la structure 8 ainsi formée dans une enceinte 1 1 comprenant un fluide comportant des molécules d'eau qui recouvre le niveau de l'interface de collage 7. Lorsque les évidements 6 s'étendent sensiblement dans un plan de l'interface de collage 7 tel qu'illustré à la figure 8, les évidements 6 débouchent sur un bord latéral 12 de la structure 8 jouxtant le plan de l'interface de collage 7. Ainsi les évidements 6 communiquent avec le milieu humide contenu dans l'enceinte 1 1 de sorte que les évidements 6 se remplissent d'un fluide d'eau selon l'étape c) du procédé. Les bords 9 de l'interface de collage 7 sont ainsi en contact avec des molécules d'eau en périphérie de la structure 8 et des évidements 6 délimitant des bords 9 internes de l'interface de collage 7.
Puis, la structure est placée à environ 45°C pendant 15 jours avant d'appliquer un budget thermique à basse température, environ 200°C, servant de recuit de collage selon l'étape d) du procédé. Ce budget thermique est réalisé directement dans l'enceinte 1 1 mais selon une variante de réalisation non illustrée, le budget thermique peut être appliqué dans un four distinct de l'enceinte 1 1 . Ces opérations permettent d'obtenir une énergie de collage renforcée, par exemple de l'ordre de 4J/m2 en tout point de l'interface de collage 7.
Selon une autre possibilité non illustrée, les deux surfaces de collages 3,4 sont traitées par plasma avant la mise en contact selon l'étape b) du procédé et le budget thermique selon l'étape d) est appliqué à une température comprise entre environ 20 et 250°C, par exemple à 50°C, pendant quelques heures à plusieurs jours. Par ailleurs, ce budget thermique peut être appliqué à l'air libre lorsque la température de celui-ci est supérieure ou égale à 20°C.
Les figures 5 à 7 illustrent une variante du procédé selon l'invention. Des évidements 6 sont ménagés au niveau des deux surfaces de collage 3,4 des première et deuxième couches 1 ,2. Un film d'oxyde de silicium 5 est déposé sur chacune des surfaces 3,4 ainsi structurées de sorte à reproduire la topologie des évidements 6. La distance entre les évidements 6 permet d'assurer à tout point de l'interface de collage 7, formée à l'étape ultérieure, d'être situé à une distance inférieure ou égale à 2 cm des bords 9 de l'interface de collage 7. Les évidements 6 d'une des couches de matériau sont remplis du fluide contenant les molécules d'eau selon l'étape c) du procédé de sorte qu'une fois les surfaces 3,4 mises en contact, à pression ambiante par exemple, les évidements 6 formés comprennent un fluide comportant des molécules d'eau.
La structure 8 ainsi formée est ensuite placée dans une enceinte 1 1 comprenant un fluide recouvrant le niveau de l'interface de collage 7 selon une étape i) du procédé. Un traitement thermique est appliqué à l'ensemble de l'interface de collage 7 de l'eau dans l'enceinte 1 1 et dans les évidements 6 de sorte à présenter une température d'environ 90°C pendant 1 h.
Puis, comme illustré à la figure 7, un recuit de collage selon l'étape d) est effectué à 250°C pendant quelques heures, de sorte à renforcer l'énergie de collage de la structure 8 en tout point de l'interface de collage 7.
La figure 9 illustre des première et deuxième couches 1 ,2 de matériau dont les surfaces de collage 3,4 recouverte chacune d'un film d'oxyde de silicium 5 ont été mises en contact. Des évidements 6 hermétiques ont été formées au préalable à l'interface de collage 7 et la communication avec l'extérieur de la structure 8 a été rendue possible par le ménagement d'un orifice 14 dans l'épaisseur d'au moins une des couches 1 ,2 de matériaux. Les évidements 6 peuvent ainsi être remplis d'un fluide comportant des molécules d'eau, tel que de l'air comportant une humidité relative supérieure à 10% pour améliorer l'énergie de collage après un recuit de collage effectué à 300°C pendant quelques minutes.
Comme illustré à la figure 10 par une coupe horizontale de la structure 8 au niveau de son interface de collage 7, les évidements 6 ont été agencés de sorte que tout point de l'interface de collage 7 se situe à une distance inférieure ou égale d'une distance seuil d'un bord 9 de l'interface de collage 7 pouvant communiquer avec un fluide comportant des molécules d'eau présent dans un évidement 6 ou dans une enceinte 1 1 dans laquelle la structure 8 est disposée.
Ainsi, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une structure 8 comportant un collage direct entre deux couches 1 ,2 présentant une forte énergie de collage qui évite l'utilisation de recuit de collage à forte température et évite une étape d'activation des surfaces de collage 3,4 par traitement plasma. Ainsi, le procédé est peu coûteux, présente un temps de cycle réduit et est applicable à de nombreux matériaux.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux variantes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemple mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une structure (8) par collage direct entre une première couche (1 ) de matériau et une deuxième couche (2) de matériau, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à :
- a) Fournir les première et deuxième couches (1 ,2) comprenant chacune une surface de collage (3,4), une au moins des première et deuxième couches (1 ,2) comprenant des évidements (6) débouchant à la surface de collage (3,4) de ladite au moins une couche, et la surface de collage (3,4) de l'une au moins des première et deuxième couches (1 ,2) étant formée au moins en partie par un film d'oxyde de silicium (5),
- b) Mettre en contact les surfaces de collage (3,4) des première et deuxième couches (1 ,2) de sorte à fournir la structure (8) et à créer une interface de collage direct (7) entre les première et deuxième couches (1 ,2),
- c) Remplir au moins en partie au moins un évidement (6) par un fluide comprenant des molécules d'eau, et
- d) Appliquer un budget thermique à une température comprise entre 20°C et 400°C permettant de réaliser un recuit de collage.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape a) comprend une étape de formation et d'agencement des évidements (6) dans l'une au moins des première et deuxième couches (1 ,2) de sorte que tout point de l'interface de collage direct (7) est situé à une distance inférieure ou égale à une distance seuil d'un bord (9) de l'interface de collage direct (7), les bords (9) de l'interface de collage direct (7) étant délimités d'une part par les évidements (6) et d'autre part par la périphérie de la structure (8).
3. Procédé l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape i) réalisée après l'étape b) comportant la mise en place de la structure (8) dans une enceinte (1 1 ) comprenant un fluide comportant des molécules d'eau.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un évidement (6) s'étend sensiblement dans un plan de l'interface de collage direct (7) de sorte à déboucher sur un bord latéral (12) de la structure (8) jouxtant le plan de l'interface de collage direct (7).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un évidement (6) est hermétique dans la structure (8).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape consistant à ménager au moins un orifice
(14) à travers l'épaisseur de ladite au moins une des première et deuxième couches (1 ,2) de sorte à relier au moins un évidement (6) de ladite au moins une couche (1 ,2) à la surface opposée de la surface de collage (3,4) de ladite au moins une couche (1 ,2).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé comprend avant l'étape d) une étape j) consistant à placer la structure (8) à une température comprise entre 20°C et 99°C pendant une durée comprise entre 1 heure et 30 jours.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'application du budget thermique de l'étape d) est réalisée pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs dizaines d'heures et de préférence entre quelques dizaines de minutes et quelques heures.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit fluide comportant des molécules d'eau est formé au moins en partie par de l'air comportant une humidité relative supérieure à 10% ou par de l'eau sous forme liquide.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la distance seuil est comprise entre 1 ,5 et 2,5 cm et de préférence la distance seuil est d'environ 2 cm.
1 1 . Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les matériaux de la première couche (1 ) et/ou de la deuxième couche (2) sont choisis parmi les oxydes de silicium, les matériaux semi-conducteurs, les nitrures de silicium, l'alumine, le SiOC et le diamant.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que le procédé comprend avant l'étape b) de mise en contact des surfaces de collage (3,4) des première et deuxième couches (1 ,2), une étape consistant à appliquer un traitement plasma sur les surfaces de collage (2,3) des première et deuxième couches (1 ,2).
13. Structure (8) caractérisée en ce que la structure (8) comprend une interface de collage direct (7) entre deux surfaces de collage (3,4) respectivement d'une première couche (1 ) et d'une deuxième de couche (2) de matériau, la surface de collage (3,4) de l'une au moins des première et deuxième couches (1 ,2) étant formée au moins en partie par un film d'oxyde de silicium (5), et l'interface de collage direct (7) comprend des évidements (6), au moins un des évidements (6) étant rempli au moins en partie d'un fluide comprenant des molécules d'eau.
14. Structure (8) selon la revendication 13, caractérisée en ce que les évidements (6) sont agencés de sorte que tout point de l'interface de collage direct (7) est situé à une distance inférieure ou égale à une distance seuil comprise entre 1 ,5 et 2,5 cm d'un bord (9) de l'interface de collage direct (7), les bords (9) de l'interface de collage direct (7) étant délimités d'une part par les évidements (6) et d'autre part par la périphérie de la structure (8).
15. Structure (8) selon l'une des revendications 13 à 14, caractérisée en ce qu'au moins un évidement (6) s'étend sensiblement selon un plan de l'interface de collage direct (7) de sorte à déboucher sur un bord latéral (12) de la structure (8) jouxtant le plan de l'interface de collage direct (7).
16. Structure (8) selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'au moins une des première ou deuxième couches (1 ,2) comprend au moins un orifice (14) ménagé à travers l'épaisseur de ladite au moins une des première et deuxième couches (1 ,2) de sorte à relier au moins un évidement (6) de ladite au moins une couche à la surface opposée de la surface de collage (3,4) de ladite au moins une couche (1 ,2).
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