Etude des collages directs hydrophiles mettant en jeu des couches diélectriques

par Elodie Bêche

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de François Rieutord, Frank Fournel et de Vincent Larrey.

Soutenue le 06-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Thomas Pardoen.

Le jury était composé de Emilie Deloffre.

Les rapporteurs étaient Etienne Barthel, Gilles Patriarche.


  • Résumé

    Le collage direct consiste à l’adhésion spontanée dès température ambiante de deux surfaces sans ajout de matière polymère à l’interface de collage. Réalisable sous vide ou à pression atmosphérique, il possède l’avantage de permettre l’empilement de matériaux monocristallins sur des matériaux amorphes, parfaitement illustrée, par exemple, avec la fabrication de substrats SOI (silicium sur isolant) couramment utilisé de nos jours en microélectronique et/ou en microtechnologie. La course à la performance et/ou pluridisciplinarité des circuits électroniques nécessite la maîtrise de ce procédé pour un plus large panel de matériaux. La compréhension des mécanismes physico-chimique à l’interface de collage devient alors primordiale. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes mis en jeu dans le collage direct hydrophile de couches diélectriques autres que l’oxyde de silicium : l’oxyde d’aluminium, le nitrure de silicium et un ultra-low k.Dans cette étude, des procédés de collage direct hydrophile de films diélectriques déposés sont développés avec différentes préparations de surface. L’évolution mécanique et chimique de l’interface de collage, après différents traitements thermiques, est analysé via différentes techniques de caractérisation comme la mesure anhydre d’énergie de collage, la microscopie acoustique, la réflectivité des rayons X et la spectroscopie infrarouge. Chaque matériau démontre un comportement particulier une fois confiné à l’interface de collage par rapport à son comportement en surface libre. Tout au long de cette thèse, le lien entre collage et surface libre a permis d’établir les mécanismes de collages des différents matériaux étudiés et d’énoncer des recommandations pour obtenir des collages de qualité.

  • Titre traduit

    Direct bonding study with dielectric bonding layers


  • Résumé

    Direct wafer bonding refers to the spontaneous establishment of attractive forces between two surfaces at ambient temperature without any additional polymer material. Available at ambient pressure or under vacuum, this technology is attractive for monocrystal-amorphous stacks, perfectly illustrated by SOI (Silicon On Insulator) substrate elaboration widely used nowadays in microelectronics or microtechnologies. Electronic device performance and multidisciplinarity needs require this technology on many different materials. In this context, a precis understanding of bonding mechanism is paramount. The aim of this work is to study the hydrophilic bonding mechanisms for alumina, nitride silicon and ultra-low k thin films.In this study, hydrophilic bonding of deposited dielectric films prepared by chemical treatment were analyzed as function of post-bonding annealing temperature. Chemical and mechanical bonding interface closure has been analyzed from mechanical and chemical point of view via several characterization techniques: anhydrous bonding energy measurement, acoustic microscopy, X-Ray reflectivity and infrared spectroscopy. Each material demonstrates interesting behaviors embedded at the bonding interface compared to the deposited film free surfaces. Throughout the studies, correlations between bonding and free surface evolution have led to their bonding mecanisms and some recommendations for efficient and high quality bonding elaboration.


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