Le transfert de films : vers une intégration hétérogène des micro et nanosystèmes

Film transfer technology : towards the heterogeneous integration of micro and nanosystems

• Auteur / Autrice : Guillaume Schelcher
• Direction : Fabien Parrain, Michaël Tatoulian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Dufour-Gergam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Parrain, Michaël Tatoulian, Elisabeth Dufour-Gergam, Patrick Pons, Didier Léonard, Hubert Moriceau, Muriel Braccini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Pons, Didier Léonard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Assemblages collés

Soudures

Polymérisation sous plasma

Adhésion (physique)

Mots clés libres

Intégration hétérogène

Adhésion/Adhérence

Traitement plasma

Assemblage

Microsystèmes

Heterogeneous integration

Adhesion

Plasma surface processing

Wafer bonding

Microsystems

Résumé

Une technologie d’élaboration de micro et nanosystèmes idéale devrait permettre l’intégration de différents matériaux (magnétiques, piézoélectriques, polymères, etc.) ou structures (composants optiques, mécaniques, optoélectroniques, etc.) de nature fortement hétérogène dans le but d’obtenir des systèmes multifonctionnels complexes éventuellement encapsulés. Un moyen de contourner les différents problèmes d’incompatibilité, liés aux mélanges des technologies de fabrication, est de transférer les différents films de matériaux ou composants d’un substrat donneur, sur lequel ils ont été préalablement élaborés, vers le substrat comportant le système visé Dans cette optique, un procédé de transfert de film à basse température a été développé. Ce procédé repose sur le contrôle de l’adhésion d’un film mince de nickel préformé, à partir d’un substrat dit « donneur », sur une couche à adhésion contrôlée de nature carbonée ou fluorocarbonée. La libération mécanique du film, sur un substrat dit « cible », est assurée par une soudure adhésive via des cordons de scellement en BCB. Grâce à sa facilité de mise en œuvre et aux faibles températures requises pour le scellement des substrats, ce procédé a permis de transférer des microstructures en nickel sur des substrats de silicium, de verre ainsi que sur des substrats Kapton souples. L’emploi d’une soudure BCB assure l’isolation thermique et électrique des microstructures sur le substrat cible. La versatilité du procédé a été prouvée par l’empilement de microstructures suspendues et par le transfert de divers matériaux. Ce procédé est très prometteur pour de nombreuses applications et apporte de nouvelles perspectives quant à l’intégration hétérogène 3D de micro et nanosystèmes.

Nowadays, micro and nano systems fabrication technologies should allow the integration of any passive or active materials (magnetic, piezoelectric, polymers, etc.) in various forms (films, micro/nanostructures, etc.) to build and/or package highly integrated multi-functional systems. A generic technology able to solve incompatibility issues related to the mixing of different technologies is pattern or device transfer by wafer bonding from a donor wafer to the target substrate. Ideally, such a process should be versatile, low cost, selective and over all should involve minimum interaction and processing steps on the target wafer. From this perspective, a low cost and low temperature MEMS transfer process has been developed. The process is based on adhesion control of molded electroplated Ni microstructures on the donor wafer by using plasma deposited fluorocarbon films and sputtered carbon films (for high temperature materials). Adhesive bonding of the microstructures on the target wafer using BCB sealing enables mechanical tearing off from the donor wafer. This proposed process has allowed us to realize various Ni patterns on Si, Pyrex glass wafers and Kapton foils. Furthermore, BCB sealing leads to freestanding microstructures which are thermally and electrically isolated from the target substrate. Thanks to multiple transfers, Ni stacked microstructures have been achieved. The transfer of various materials has been demonstrated for simple and complex structures. This transfer process is very promising for numerous applications and brings new perspectives towards 3D microfabrication and heterogeneous integration of MEMS/NEMS.