Gestion de l'eau dans le collage direct

Water movements in direct bonding

• Auteur / Autrice : Aziliz Calvez
• Direction : François Rieutord, Frank Fournel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Charlaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Gond-Charton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Diane Rebiscoul, Anne Talneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage (matériaux)

Eau -- Qualité -- Gestion

Mots clés libres

Collage direct

Silicium

Eau

Direct bonding

Silicon

Water

Résumé

Le collage direct consiste en l’adhésion spontanée de deux surfaces par simple contact, sans ajout de liquide « épais » à l’interface (notamment sans l’ajout de matière adhésive à l’interface). Cette technique est particulièrement utilisée pour la réalisation de substrats SOI (Silicon On Insulator) ou encore pour la réalisation de nouvelles architectures de microélectronique. Aujourd’hui encore, la grande majorité des substrats utilisés dans l’industrie de la microélectronique sont des substrats en silicium, ce qui en fait un matériau particulièrement étudié. Ce travail de thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de collages directs hydrophiles des plaques de silicium et d’oxyde de silicium. Au sein de ces collages, l’eau joue un rôle déterminant sur les mécanismes de renforcement de l’interface de collage. De plus, des études ont montré que l’eau, qu’elle soit issue d’eau liquide et l’humidité ambiante, est capable de pénétrer à l’interface de collage ainsi que d’en sortir. La maîtrise de la quantité d’eau présente à l’interface de collage est donc un enjeu essentiel pour la compréhension fine des mécanismes de collage. C’est pourquoi, une première étude de cette thèse a porté sur la mise en place de méthode d’isolation de l’interface de collage. Une deuxième étude a consisté en l’étude des cinétiques de pénétration d’eau à l’interface de collage, pour différents collages de silicium et d’oxydes de silicium, et ce y compris après des recuits de consolidation de l’interface à différentes températures. Pour ce faire, diverses méthodes de visualisation de cette pénétration d’eau ont été mises en place. Enfin, une dernière partie de cette thèse se focalise sur la catalyse des réactions chimiques entre l’eau et la silice qui renforcent l’adhérence des collages. Dans cette optique, l’impact de différentes molécules acides et basiques sur l’adhérence des collages a été étudié. Finalement, plusieurs mécanismes pouvant expliquer les résultats observés lors de l’ajout de ces molécules ont pu être proposés.

Direct bonding consists in the spontaneous adhesion of two surfaces by simple contact, without adding any ''thick'' liquid at the bonding interface (in particular without adding any adhesive material at the interface). This technique is particularly used to make SOI (Silicon On Insulator) substrates or to make new microelectronic architectures. Even today, the vast majority of substrates used in the microelectronic industry are silicon substrates, which makes it a particularly studied material. The aim of this thesis is to gain a deeper understanding of the mechanisms of hydrophilic direct bonding of silicon and silicon oxide wafers. Within these bondings, water plays a key role in the strengthening mechanisms of the bonding interface. Furthermore, studies have shown that water, both from liquid water and ambient moisture is able to enter and exit the bonding interface. Controlling the amount of water present at the bonding interface is therefore an essential issue for a detailed understanding of the bonding mechanisms. This is why the first study of this thesis focused on the implementation of a method for isolating the bonding interface. A second study consisted in the study of the kinetics of water penetration at the bonding interface, for different silicon and silicon oxide bondings, including after annealing, which consolidate the interface at different temperatures. To this end, various methods of visualizing this water penetration were set up. Finally, the last part of this thesis focuses on the catalysis of chemical reactions between water and silica that reinforce the adherence of the bondings. In this respect, the impact of different acidic and basic molecules on the adherence of the bondings was studied. Finally, several mechanisms that could explain the results observed when these molecules were added were proposed.