Gestion de l'eau à l'interface de collage Silicium/Silicium

par Marwan Tedjini

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de François Rieutord et de Frank Fournel.

Le président du jury était Elisabeth Charlaix.

Le jury était composé de Didier Landru.

Les rapporteurs étaient Geneviève Grenet, Patrick Guenoun.


  • Résumé

    Le collage direct est une technique qui permet de coller deux matériaux de façon spontanée à température ambiante sans apports de matière supplémentaires (polymères...). Cette technique est particulièrement utilisée pour la création de SOI par la technique Smart Cut®. La chimie de surface, la rugosité, la topologie et la propreté des matériaux sont les paramètres essentiels à maitriser pour réussir ce collage si particulier. Parmi les collages directs les plus étudiés, le collage Silicium sur Silicium hydrophile fait cas d’école. Lors des recuits de consolidations, d’importants défauts apparaissent qui sont due à la réaction chimique entre le silicium et l’eau présente à l’interface de collage. Plusieurs études ont montré que l’eau était capable de traverser les couches d’oxydes natifs en surfaces et de venir oxyder le matériau brut avant 300°C. Cette eau est donc responsable de la qualité des collages et l’étude de sa gestion est fondamentale dans ce cas particulier.En utilisant plusieurs chimies et atmosphères de collage, nous avons pu créer des échantillons présentant différents degrés de défectivité. Avec différentes techniques de caractérisation comme l’imagerie acoustique, la mesure d’énergie de collage par l’insertion de lame, la spectroscopie infrarouge et de masse et la réflectivités des rayons X et des neutrons, nous avons pu mettre en évidence que l’eau pouvait entrer et sortir de l’interface de collage en diffusant le long de cette dernière depuis les bords des échantillons. Des collaborations avec l’ILL (Institut Laue Langevin) et l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) ont été nécessaires pour accéder à certains équipements de caractérisations clés prouvant indubitablement ce phénomène. L’étude de sa cinétique a montré qu’il suivait une loi quadratique d’avancé et de recul du front conformément aux prévisions des lois de Lucas-Wahsburn ou suivant un modèle alternatif basé sur une loi de diffusion qui décrit plus précisément la forme d’évolution du front d’eau. Finalement, en contrôlant précisément la quantité d’eau à l’interface de collage que ce soit avant et après le collage direct, nous avons réussis à obtenir des collages silicium presque exempts de toute défectivité quelle que soit la température de recuit. Il semble que le contrôle de la nature de l’oxyde natif soit un facteur déterminant pour obtenir ce résultat. Nous avons aussi clairement montré qu’il est nécessaire d’avoir une bonne énergie de collage au moment de la production d’hydrogène pour empêcher la croissance d’éventuels défauts de collage préexistant. L’eau interfaciale est donc nécessaire mais la nature de l’interface et le contrôle de la quantité d’hydrogène généré le sont tout autant.

  • Titre traduit

    Water management at the Silicon/Silicon bonding interface


  • Résumé

    The direct bonding is microelectronic technic which allow to bond two materials without adding adhesive materials. This technic is well known and used to create SOI substrate with the Smart Cut® technic. The chemical affinity, the roughness and the cleanness of the materials are the mains controlled parameters to achieve the bonding. Among the most studied bonding, the Silicon to Silicon hydrophilic direct bonding is the most classical. Studies have shown that the water is able to go through the native oxide layers and to oxide the raw material before 300°C. So this water is accountable of the quality of the bonding and his management study is fundamental in this particular case.By using many chemistry and bonding atmosphere we were able to create samples with multiples defects density spectrum. With different characterization technics like acoustic scanning microscopy, blade introduction bonding energy measurement, IR and mass spectroscopy and X rays and neutrons reflectivity, we have shown that water is able to penetrate and go out of the bonding by diffusion along the interface. Collaborations with the Laue-Langevin Institute and the European Synchrotron Radiation Facility were necessary to access to some key characterization equipment proving this phenomena. The study of the kinetical movement have shown that it follow a quadratic laws as predicted by the Lucas-Wahsburn equations or an alternative model based on a diffusion law which describe more precisely the evolution of water front shape. Finally, by precisely controlling the water quantity at the bonding interface, before and after the bonding, we manage to obtain silicon to silicon direct bonding with almost no defects regardless of the annealing temperature. It seems that the control of the native silicon oxide nature is determinant factor to obtain this result. We have clearly shown that it is necessary to have a good bonding energy at the moment of the dihydrogen production to prevent the growing of potential existing defects. Therefore the interfacial waters is necessary but so are the nature of the bonding and the control of the generated dihydrogen quantity.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes. Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.