Etude de la réponse acoustique des collages directs et temporaires

Acoustic response study of direct bonding

• Auteur / Autrice : Ali Dekious
• Direction : Emmanuel Le Clézio, Gilles Despaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Eric Tournié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Le Clézio, Gilles Despaux, Eric Tournié, Marc Duquennoy, Mounsif Ech-Cherif El Kettani, Emilie Deloffre, Frank Fournel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Duquennoy, Mounsif Ech-Cherif El Kettani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage (matériaux)

Contrôle non destructif

Microscopie acoustique

Mots clés libres

Microscopie acoustique

Collage direct

Interface

Adhésion

Contrôle non destructif

Energie de collage

Acoustic microscopy

Direct bonding

Interface

Adhesion

Non destructif test

Bonding Strength

Résumé

Le collage direct est maintenant utilisé par un nombre croissant d'applications en microélectronique (Elaboration de SOI, technologie imager Back Side Illumination, technologies 3D...). C'est une technique d'assemblage permettant de coller deux surfaces sans apport de matière adhésive. Principalement utilisée pour le collage de wafers, elle vient en complément de techniques telles que l'épitaxie ou le dépôt de couches minces. Ce collage s'effectue sous certaines conditions : il faut que les surfaces soient suffisamment propres, planes et lisses pour qu'il y ait une adhésion spontanée à température et pression ambiante. Enfin, un traitement thermique est appliqué pour augmenter l'énergie d'adhérence. Pendant le processus de fabrication, il peut apparaître des défauts de collage qui sont essentiellement dus à un piégeage de particules. Ces défauts se présentent sous la forme de bulles d'air. Finalement, les défauts de collage et l'énergie de collage sont les deux caractéristiques à partir desquelles est déduite une qualité de collage.Aujourd'hui, la technique utilisée pour la mesure d'énergie de collage est le clivage au coin. C'est une technique qui consiste dans un premier temps à séparer partiellement deux wafers par une lame, et dans un second temps, à calculer l'énergie de collage à partir d'une équation comportementale qui intègre la longueur de décollement. Mis à part le fait qu'elle permette la mesure d'énergie seulement sur quelques points, il se trouve que c'est une technique destructive. Un contrôle non destructif serait très intéressant pour l'industrie microélectronique et spécialement pour les lignes d'inspection. De plus, les procédés de fabrication microélectronique n'étant pas uniforme, avoir la possibilité d'obtenir une cartographie d'énergie de collage serait un atout majeur. A ce jour, aucune technique respectant ces deux exigences n'est connue. L'objectif de cette étude est d'utiliser la microscopie acoustique pour mesurer l'énergie de collage.Dans cette étude, un modèle inspiré de la "méthode des matrices hybrides" a été développé afin de modéliser des collages de différentes qualités. Le résultat de la modélisation montrera que le coefficient de réflexion acoustique de la structure collée est influencé par la qualité d'interface. En se plaçant dans des conditions précises, une méthode expérimentale est alors réalisée pour la mesure de la qualité d'interface. En parallèle, des wafers de Silicium réalisés par collage direct ont été spécialement conçus pour valider la méthode. Sur ce principe, des cartographies bidimensionnelles d'énergie de collage sont réalisées.Dans un second temps, la technique est améliorée afin d'augmenter la résolution latérale. Pour cela, un transducteur ayant une lentille est utilisé pour focalisé les ondes ultrasonores en points du collage. Une étude théorique est tout d'abord menée en utilisant le modèle du "spectre angulaire" afin de simuler la diffraction par la lentille. Enfin, des cartographies expérimentales confirmeront la faisabilité de mesures d'énergie de collage hautes résolutions.

Direct bonding is used for many applications in microelectronics (SOI Silicon-On-Insulator technology, imager back side illumination technology, 3D technology...). It is a processes that consists in an assembly of two surfaces without any adhesive material. It is primarily used to bond silicon wafers and it is complementary with other microelectronics technique such as epitaxy, thin film deposition... Bonding requires special wafer surface conditions and preparations. The surfaces have to be clean, flat and smooth to obtain a spontaneous adhesion at ambient temperature and atmospheric pressure. A heat treatment is applied to increase the adherence energy. During the manufacturing process, bonding defects may appear which are due to trapping of particles. These bonding defects are essentially formed of air. Finally, bonding defects and bonding energy are the two main characteristics from which is deduced the bonding quality.Nowadays, the main technique that is used to measure the direct bonding energy is the double cantilever beam (DCB). The method consists in firstly partially separating the two wafers by a blade, and secondly calculating the bonding energy from an equation that integrates the debonding lenght. The major disadvantage of this technique is its destructiveness. Furthermore it is only possible to make measurements on few points.Thus a non-destructive characterisation could be very interesting especially for an industrial in-line inspection. Moreover, having the possibility to obtain a mapping of the bonding energy could lead to interesting development. Up to know, no technique can reach the both requirements. The aim of this work is to use the acoustic microscopy to measure the direct bonding energy.In this study, a model based on "hybrid matrix method" has been developed to model bonding with different qualities. The results of the modelling show that the acoustic reflection coefficient of the bonded structure is influenced by the quality of the interface. From these results, an experimental method is proposed to perform quality of the interface measurements from the reflection coefficients acquired under normal incidence. In parallel, silicon wafers have been bonded to validate the method. Finally, once the method validated, two-dimensional mappings of the interface quality are realised.Secondly, the technique is improved to increase the lateral resolution. For this, a transducer having a lens is used to focus the ultrasonic waves on the bonded structure. A theoretical study is conducted using the model of the "angular spectrum" to simulate the diffraction lens. Finally, experimental mapping confirm the feasibility of measuring bonding energy of high resolutions.