FR2972078A1 - Appareil et procédé de collage par adhésion moléculaire - Google Patents

Abstract

L'appareil de collage par adhésion moléculaire (200) entre deux plaques (20, 30) comprend au moins un dispositif porte-plaque (210) comportant un plateau support (211) constitué d'un élément de support (2110) destinés à recevoir une (20) des deux plaques, et des éléments d'alignement (220, 230, 240) placés autour dudit plateau support. L'élément de support (2110) du plateau support (211) présente une surface de contact globale inférieure à la surface de la plaque (20) destinée à être supportée par l'élément de support (2110).

Description

Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne le collage par adhésion moléculaire réalisé entre deux plaques ou "wafers" utilisé par exemple pour la réalisation des plaques ou substrats semi-conducteurs multicouches (également dénommées "multilayer semiconductor wafers") dans le cas, par exemple, de la technologie d'intégration tridimensionnelle de composants (3D-integration) qui nécessite le transfert d'une ou plusieurs couches de microcomposants sur un substrat support final mais aussi dans le cas de transfert de circuits ou encore dans la fabrication d'imageurs éclairés en face arrière. La ou les couches transférées comprennent des microcomposants (électroniques, optoélectroniques, etc.) réalisés au moins en partie sur un substrat initial, ces couches étant ensuite empilées sur un substrat final qui peut éventuellement comporter lui-même des composants. En raison notamment de la taille très réduite et du nombre important de microcomposants présents sur une même couche, chaque couche transférée doit être positionnée sur le substrat final avec une grande précision afin de respecter un alignement très strict avec la couche sous-jacente. En outre, il peut être nécessaire de réaliser des traitements sur la couche après son transfert, par exemple pour former d'autres microcomposants, pour découvrir en surface des microcomposants, pour réaliser des interconnections, etc. Cependant, la déposante a constaté, qu'après transfert, il existe des cas où il est très difficile, voire impossible, de former des microcomposants supplémentaires en alignement avec les microcomposants formés avant le transfert en raison de l'apparition de déformations inhomogènes dans les plaques après collage. La déposante a observé que l'apparition d'au moins une partie de ces déformations inhomogènes était liée à l'application de contraintes non uniformes sur les plaques lors de leur manipulation avant collage. Dans le cas particulier de l'intégration 3D, les déformations 35 inhomogènes résultant du collage par adhésion moléculaire à basse pression conduisent ensuite à un phénomène de désalignement des microcomposants des différentes couches. Ce phénomène de désalignement, encore appelé « overlay », décrit en relation avec la figure 1, se présente sous la forme de défauts de l'ordre de 50 nm, nettement inférieure à la précision d'alignement des substrats au moment du collage moléculaire. La figure 1 illustre une structure tridimensionnelle 500 obtenue par collage par adhésion moléculaire à basse pression entre une première plaque ou substrat initial 510, sur lequel est formée une première série de microcomposants 511 à 519 par photolithographie au moyen d'un masque permettant de définir les zones de formation de motifs correspondant aux microcomposants à réaliser, et une deuxième plaque ou substrat final 520. Le substrat initial 510 a été aminci après collage afin de retirer une portion de matière présente au-dessus de la couche de microcomposants 511 à 519 et une deuxième couche de microcomposants 521 à 529 a été formée au niveau de la surface exposée du substrat initial 510. Cependant, même en utilisant des outils de positionnement, des décalages se produisent entre certains des microcomposants 511 à 519, d'une part et 521 à 529, d'autre part, tels que les décalages Am, A22, A33, A44r indiqués sur la figure 1 (correspondant respectivement aux décalages observés entre les couples de microcomposants 511/521, 512/522, 513/523 et 514/524). Ces décalages ne résultent pas de transformations élémentaires (translation, rotation ou leurs combinaisons) qui pourraient avoir pour origine un assemblage imprécis des substrats. Ces décalages résultent de déformations inhomogènes qui entraînent des déplacements locaux et non uniformes au niveau de certains microcomposants 511 à 519. Aussi, certains des microcomposants 521 à 529 formés sur la surface exposée du substrat après transfert présentent des variations de position avec ces microcomposants 511 à 519 qui peuvent être de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres, voire du micron. Ce phénomène de désalignement (encore appelé "overlay") entre les deux couches de microcomposants peut être source de courts-circuits, de distorsions dans l'empilement ou de défauts de connexion entre les microcomposants des deux couches. Ainsi, dans le cas où les microcomposants transférés sont des imageurs formés de pixels et que les étapes de traitement post transfert visent à former sur chacun de ces pixels des filtres de couleur, on a observé une perte de la fonction de colorisation pour certains de ces pixels.

Ce phénomène de désalignement conduit ainsi à une réduction de la qualité et de la valeur des plaques de semi-conducteurs multicouches fabriquées. L'impact de ce phénomène devient de plus en plus critique en raison des exigences sans cesse croissantes vis-à-vis de la miniaturisation des microcomposants et de leur densité d'intégration par couche. Pour le collage par adhésion moléculaire, on utilise un appareil de collage comprenant un dispositif porte-substrat ou porte-plaque ayant un plateau support (encore appelé « chuck ») sur lequel repose une première des deux plaques à coller, la deuxième plaque étant placée sur la première plaque. Avant l'initiation de la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques, on procède à une ou plusieurs opérations d'alignement des plaques qui consistent à pousser au moyen d'un poussoir les deux plaques contre des éléments de butée. Les contacts entre les plaques et ces éléments d'alignement entraînent directement ou indirectement des contraintes mécaniques dans les plaques qui peuvent, si elles ne sont pas relaxées, conduire à des déformations inhomogènes dans les plaques par rapport à de mêmes plaques n'ayant pas été soumises à des contacts et forces mécaniques externes. Il est, par conséquent, important de permettre la relaxation de ces contraintes dans les plaques avant de procéder à leur collage par adhésion moléculaire afin d'éviter l'apparition des déformations inhomogènes décrites ci-avant.

Résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une solution qui permet de relaxer les contraintes engendrées dans des plaques lors de leur alignement et de réaliser ensuite un collage par adhésion moléculaire avec des plaques ayant peu de déformations inhomogènes et de minimiser ainsi le phénomène de désalignement ("overlay") dans la structure résultante.

A cet effet, la présente invention propose un appareil de collage par adhésion moléculaire entre au moins deux plaques comprenant au moins un dispositif porte-plaque constitué d'un ou plusieurs éléments de support destinés à recevoir une des deux plaques, et des éléments d'alignement placés autour dudit plateau support, caractérisé en ce que le ou les éléments de support du plateau support présentent une surface de contact globale inférieure à la surface de la plaque destinée à être supportée par ledit ou lesdits éléments de support.

Comme expliqué ci-après en détails, la déposante a observé que les déformations inhomogènes résultant du collage par adhésion moléculaire et qui conduisent aux désalignements les plus importants se situaient dans une région voisine du bord des plaques. La déposante a en outre déterminé que la plaque en contact avec le plateau support du dispositif porte-plaque ne pouvait pas toujours se déplacer librement vis-à-vis dudit plateau en particulier au voisinage des éléments d'alignement en raison d'une force d'attraction entre la plaque et le plateau support. L'appareil selon l'invention comprend un plateau support qui, au contraire des plateaux de l'art antérieur, présente une surface de contact globale avec la plaque destinée à être supportée par ce dernier qui est inférieure à la surface totale de la plaque, ce qui permet de ménager des zones sans contact entre la plaque et le plateau permettant à la plaque de se déplacer librement dans ces zones et de relâcher les contraintes. Dans une variante de réalisation possible, le ou les éléments de support du plateau sont situés à une distance déterminée des éléments d'alignement, ce qui permet à la plaque en contact avec le plateau de se déplacer librement dans la direction verticale au moins au voisinage de ces éléments d'alignement et de relaxer les contraintes engendrées au niveau de ces éléments lors des opérations d'alignement ou de ne pas subir d'interactions mécaniques et/ou électrostatiques d'adhésion liée au contact de surface de la plaque inférieure avec le plateau. On évite ainsi les risques d'apparition de déformations inhomogènes dans les plaques après collage. La distance entre les éléments de support du plateau et les éléments d'alignement est de préférence d'au moins 5 mm.

Dans le cas particulier d'une intégration 3D, on réduit ainsi fortement les risques de désalignement ou "overlay" lors de la formation ultérieure de couches supplémentaires de microcomposants ou lors du collage de deux plaques comportant chacune des microcomposants destinés à être alignés entre eux. Selon un mode de réalisation de l'appareil de collage de l'invention, le plateau support comprend un élément de support en forme de disque cranté comportant sur sa périphérie des portions évidées respectivement placées en regard des éléments d'alignement.

Selon un autre mode de réalisation de l'appareil de collage de l'invention, le plateau support comprend un élément de support circulaire ayant un diamètre inférieur au diamètre de la zone circulaire correspondant au diamètre de la plaque destinée à être posée sur le plateau support. Le dispositif porte-plaque peut comporter en outre une portion annulaire au niveau de la zone circulaire, ladite portion annulaire se projetant à une hauteur différente de la hauteur de projection du plateau support. Selon un aspect particulier de l'invention, les éléments d'alignement sont constitués par un poussoir et deux éléments de butée.

Les deux éléments de butée peuvent correspondre respectivement à un doigt de retenue et un doigt de positionnement destiné à coopérer avec des encoches d'alignement ménagées dans les plaques. Dans un mode de réalisation particulier possible de l'invention, l'appareil de collage comprend en outre des éléments d'espacement mobiles placés autour du plateau support de manière à maintenir provisoirement les plaques à coller en regard l'une de l'autre sans contact. L'invention concerne également un procédé de collage par adhésion moléculaire entre au moins une première plaque et une deuxième plaque, ledit procédé étant réalisé avec un appareil de collage selon l'invention et comprenant au moins : - une étape de placement de la première plaque sur le plateau support du dispositif porte-plaque dudit appareil de collage, - une étape de placement de la deuxième plaque sur la première plaque, - une ou plusieurs étapes d'alignement des deux plaques réalisées par contact entre les plaques et les éléments d'alignement, - une étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage.

Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le procédé est réalisé avec un appareil de collage selon l'invention comprenant un poussoir, deux éléments de butée et au moins trois éléments d'espacement placés autour du plateau support, le procédé étant caractérisé en outre en ce que, lors de l'étape de placement des deux plaques sur le plateau support du dispositif porte-plaque de l'appareil de collage, la première plaque est placée en contact avec le plateau support du dispositif porte plaque tandis que la deuxième plaque est placée en regard de la première plaque en interposant entre les deux plaques les éléments d'espacement de manière à maintenir un espace entre les deux plaques, le procédé comprenant en outre, avant l'étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage: le retrait d'un des éléments d'espacement, - l'application d'une première force latérale par le poussoir dudit appareil de collage sur les plaques de manière à aligner les deux plaques l'une par rapport à l'autre, les plaques étant retenues par les éléments de butée dudit appareil de collage, le retrait des autres éléments d'espacement, le retrait du poussoir, l'application d'une deuxième force latérale par le poussoir sur les deux plaques, et - le retrait du poussoir. Selon un aspect de l'invention, l'étape d'initiation d'une onde de collage comprend l'application d'un point de pression mécanique sur une des deux plaques.

L'utilisation du procédé de collage par adhésion moléculaire de la présente invention permet, lors du transfert d'une couche de microcomposants, d'éliminer ou de limiter le phénomène de désalignement ("overlay") et de réaliser des plaques de semi-conducteurs multicouches de très grande qualité. La couche de microcomposants peut notamment comporter des capteurs d'images.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique montrant une structure tridimensionnelle après collage par adhésion moléculaire selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un appareil de collage selon l'art antérieur, la figure 3 est vue schématique en perspective d'un appareil de collage conformément à un mode de réalisation de l'invention, les figures 4A et 4B sont respectivement des vues schématiques en perspective et en coupe d'un appareil de collage selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est vue schématique en perspective d'un appareil de collage conformément à encore un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 6 est un organigramme des étapes d'un procédé de collage par adhésion moléculaire de l'invention illustré dans les figures 7A à 7J, - les figures 7A à 73 sont des vues schématiques d'un procédé de collage par adhésion moléculaire conformément à un mode de réalisation de l'invention

Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La présente invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de structures composites comprenant au moins le collage par adhésion moléculaire d'un premier substrat ou plaque sur un deuxième substrat ou plaque. Le collage par adhésion moléculaire est une technique bien connue en soi. Pour rappel, le principe du collage par adhésion 7 moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans l'utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, brasure, etc.). Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour permettre d'initier un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller). L'adhésion moléculaire est réalisée par initiation d'au moins un point de contact sur une plaque en contact intime avec une autre plaque afin de déclencher la propagation d'une onde de collage à partir de ce point de contact. On appelle ici "onde de collage" le front de liaison ou d'adhésion moléculaire qui se propage à partir du point d'initiation et qui correspond à la diffusion des forces attractives (forces de Van Der Waals) depuis le point de contact sur toute la surface de contact intime entre les deux plaques (interface de collage). Le point de contact peut être initié typiquement par application d'une pression mécanique sur la surface exposée d'une des deux plaques. Comme indiqué précédemment, avant d'initier la propagation d'une onde de collage une plusieurs opérations d'alignement des plaques sont réalisées. La figure 2, montre un appareil de collage 100 selon l'art antérieur qui comprend un dispositif porte-plaque 110 muni d'un plateau support 111 destiné à recevoir une des deux plaques à coller. Un poussoir 120 et deux éléments de butée constitués respectivement par un doigt de retenue 130 et un doigt de positionnement 140 sont disposés autour du plateau support 111. Le plateau support 111 présente un diamètre quasi similaire à celui des plaques destinées à y être déposées de sorte que le poussoir, le doigt de retenue 130 et le doigt de positionnement 140 se trouvent au plus près du bord du plateau support 111. Trois éléments d'écartement 150 à 152 destinés à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques à coller sont également présents autour du plateau support 111. Comme expliqué ci-après en détail, une première plaque est placée sur le plateau support 111 tandis qu'une deuxième plaque est placée initialement en regard de la première plaque sur les trois éléments d'écartement 150 à 152. La deuxième plaque est progressivement mise en contact avec la première plaque par retrait progressif des éléments d'écartement. Après chaque opération de retrait d'un ou plusieurs éléments d'écartement, une opération d'alignement est en général réalisée en actionnant le poussoir 120 contre l'une ou les deux plaques qui sont retenues du côté opposé par le doigt de retenue 130 et le doigt de positionnement 140. Lors des opérations d'alignement, des contraintes mécaniques sont exercées dans les plaques au niveau des parties des plaques en contact avec le poussoir 120 et les doigts de retenue et de positionnement 130 et 140. La déposante a réalisé des essais d'alignement d'une plaque avec un appareil de collage similaire à l'appareil de collage 100 de la figure 2 afin de déterminer la ou les sources de contraintes non relaxées qui conduisent à des déformations inhomogènes dans la plaque. La déposante a constaté qu'après une ou plusieurs opérations d'alignement consistant à placer la plaque contre les doigts de retenue et de positionnement par actionnement du poussoir, des contraintes et, par conséquent des déformations, subsistaient au niveau du bord de la plaque et que ces déformations étaient plus importantes dans une zone déterminée au voisinage des éléments d'alignement. Cette localisation des déformations au voisinage des éléments d'alignement est essentiellement due au fait que, d'une part, l'intensité des forces de contact extérieures appliquées contre la plaque est maximale au niveau des éléments d'alignement (poussoir et éléments de butée) et que, d'autre part, la plaque ne peut se déplacer librement sur le support au voisinage de ces éléments. En effet, lorsqu'une force de contact est exercée sur la plaque par un des éléments d'alignement (poussoir et/ou les doigts de retenue et de positionnement), des frottements interviennent entre les surfaces en contact de la plaque et du plateau support créant ainsi un effet tribologique. Des charges électrostatiques sont alors créées et maintenues sur le plateau support au niveau des zones de frottements les plus importantes, c'est-à-dire au voisinage des éléments d'alignement. Ces charges créent localement des champs électriques et des forces d'attraction qui retiennent la plaque sur le plateau, ce qui entraîne l'apparition de contraintes locales dans la plaque et constitue une première source de déformations inhomogènes.

En outre, les contraintes mécaniques ainsi engendrées dans la plaque ne peuvent pas se relaxer car cette dernière ne peut pas se déplacer librement sur le support au voisinage des éléments d'alignement. A cet effet, la présente invention propose un appareil de collage qui comporte un plateau support qui présente une surface de contact globale inférieure à la surface de la plaque destinée à être supportée. La réduction ou l'absence de surface de contact avec la plaque se situe de préférence au voisinage des éléments d'alignement. La figure 3 représente un appareil de collage 200 conformément à un mode de réalisation de l'invention. L'appareil de collage 200 comprend un dispositif porte-plaque 210 muni d'un plateau support 211 constitué d'un élément de support 2110 en forme de disque crantée et destiné à recevoir une des deux plaques à coller. Un poussoir 220 et deux éléments de butée constitués respectivement par un doigt de retenue 230 et un doigt de positionnement 240 sont disposés autour du plateau support 211 au niveau d'une zone circulaire Zcz correspondant au diamètre de la plaque destinée à être supportée par le plateau support. Trois éléments d'écartement 250 à 252 destinés à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques à coller sont également présents autour du plateau support 111.

L'élément de support 2110 comporte trois portions évidées 2111, 2112 et 2113 disposées respectivement au voisinage du poussoir 220, du doigt de retenue 230 et du doigt de positionnement 240. Grâce à la présence des portions évidées au voisinage de ces trois éléments d'alignement, le plateau support 211 ne présente pas de surface de contact sur une distance déterminée autour de ces éléments. Ainsi, lors des opérations d'alignement entraînant l'application de forces de contact entre la plaque et les éléments d'alignement, il n'y pas de frottements entre la plaque et le plateau support 211 sur les zones correspondant à l'emplacement des portions évidées 2111, 2112 et 2113. On empêche ainsi la création de charges électrostatiques entre la plaque et l'élément de support au niveau de ces zones de non contact, ce qui permet à la plaque en contact avec l'élément de support 2110 de se déplacer librement au voisinage des éléments d'alignement et de relaxer les contraintes engendrées dans celle-ci par les éléments d'alignement.

Dans le mode de réalisation présenté ici, le plateau support 211 comporte en outre trois portions évidées 2114, 2115 et 2116 permettant d'avoir des actions/réactions diamétralement opposées, c'est-à-dire symétriques. Toutefois, l'élément de support 2110 du plateau 211 de l'appareil de collage selon l'invention peut comporter des portions évidées uniquement autour des éléments d'alignement comme les portions 2110 à 2112. La figure 4A représente un appareil de collage 300 selon un autre mode de réalisation de l'invention qui comprend un dispositif porte-plaque 310 muni d'un plateau support 311 formé d'un élément de support circulaire 3110 destiné à recevoir une des deux plaques à coller. Un poussoir 320 et deux éléments de butée constitués respectivement par un doigt de retenue 330 et un doigt de positionnement 340 sont disposés autour du plateau support 311 au niveau d'une zone circulaire Zc3. Trois éléments d'écartement 350 à 352 destinés à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques à coller sont également présents autour du plateau support 311. Dans ce mode de réalisation, l'élément de support plateau 3110 présente un diamètre D311 plusieurs fois inférieur au diamètre Dzc3 de la zone circulaire Zc3 correspondant au diamètre de la plaque destinée à être supportée par le plateau support. Le plateau support 311 comprend en outre un deuxième élément de support constitué par une portion annulaire 3111 qui s'étend sensiblement au niveau de la zone circulaire Zc3. Comme illustrée sur la figure 4B, la portion annulaire 360 présente une largeur 1360, par exemple de quelques millimètres afin de minimiser la surface de contact avec la plaque dans cette zone, et une hauteur h3m différente de la hauteur hm du plateau support 311 afin de s'adapter à la courbure (« bow ») de la plaque. Si cette dernière présente une courbure concave, la hauteur h3in sera inférieure à la hauteur hm comme illustrée sur la figure 4B. En revanche, si la plaque destinée à reposer sur le plateau support 311 présente une courbure convexe, la hauteur h3iii sera supérieure à la hauteur h3n. L'élément de support 311 et/ou la portion annulaire 3111 peuvent être montés sur un piston de manière à ajuster la hauteur entre ces deux éléments en fonction de la forme de la plaque.

Dans ce mode de réalisation d'appareil de collage selon l'invention, la portion annulaire présente une largeur de seulement quelques millimètres afin de présenter une surface de contact réduite avec la plaque au voisinage des éléments d'alignement et permettre à cette dernière de se déplacer librement au voisinage des éléments d'alignement et de relaxer les contraintes engendrées par les éléments d'alignement. La figure 5 représente un appareil de collage 400 selon un autre mode de réalisation de l'invention qui comprend un dispositif porte-plaque 410 muni d'un plateau support 411 constitué d'un élément de support circulaire 4110 destiné à recevoir une des deux plaques à coller. Un poussoir 420 et deux éléments de butée constitués respectivement par un doigt de retenue 430 et un doigt de positionnement 440 sont disposés autour du plateau support 411 au niveau d'une zone circulaire Zc4. Trois éléments d'écartement 450 à 452 destinés à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques à coller sont également présents autour du plateau support 311. Dans ce mode de réalisation, l'élément de support 4110 présente un diamètre D311 inférieur au diamètre Dzc4 de la zone circulaire Zc4 correspondant au diamètre de la plaque destinée à être supportée par le plateau support. Le diamètre Dm' peut être par exemple inférieur de 8 cm par rapport au diamètre Dzc4 de la zone circulaire Zc4 de sorte que l'élément de support 4110 se trouve éloigné du poussoir 420 et des éléments de butée 430 et 440 d'une distance de 4 cm. Dans ce mode de réalisation d'appareil de collage selon l'invention, le plateau support est suffisamment éloigné des éléments d'alignement pour permettre à la plaque maintenue sur ce dernier de se déplacer librement localement au voisinage des éléments d'alignement et de relaxer les contraintes engendrées par les éléments d'alignement. L'homme du métier envisagera sans difficultés d'autres formes et/ou dimensions de plateau support pour un appareil de collage selon l'invention permettant d'empêcher un contact entre la plaque et les élément d'alignement sur une distance déterminée autour desdits éléments d'alignement. Les dimensions de l'appareil de collage selon l'invention, et en particulier celle de la zone circulaire au niveau de laquelle sont disposés les éléments d'alignement, sont adaptées en fonction du diamètre des plaques à coller qui peuvent avoir notamment des diamètres de 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm et 450 mm. On décrit maintenant en relation avec les figures 6 et 7A à 73 un exemple de collage par adhésion moléculaire entre deux plaques réalisé avec l'appareil de collage de la figure 2 conformément à un mode de mise en oeuvre d'un procédé de collage selon l'invention. L'appareil de collage 200, et plus précisément, le dispositif porte-plaque 210 comprenant le plateau support 211 constitué de l'élément de support 4110, le poussoir 220, le doigt de retenue 230 et le doigt de positionnement 240 et les éléments d'écartement 250 à 252 sont placés dans une chambre étanche (non représentée sur les figures 7A à 73) dans laquelle la pression et la température peuvent être contrôlées. Sur les figures 7A et 7B, une première plaque ou substrat 20 est posée sur l'élément de support 2110 du plateau 211 du dispositif porte- plaque 210 de l'appareil de collage 200 (étape S1). L'élément de support 2110 présente des défauts de planéité de préférence inférieurs à 15 microns. L'élément de support 2110 maintient la première plaque 20, par exemple au moyen d'un système électrostatique ou de succion associé au plateau support ou par simple gravité, en vue de son assemblage par adhésion moléculaire avec une deuxième plaque ou substrat 30. Les systèmes associés de maintien de la plaque (électrostatique ou par succion) sont utilisés dans la mesure où il a été vérifié qu'ils ne déforment pas la plaque afin de ne pas entrainer une augmentation des problèmes de désalignement ("overlay").

Une fois la plaque 20 maintenue sur l'élément de support 2110 (figure 7B), on vient positionner les trois éléments d'écartement 250 à 252 destinées à empêcher provisoirement un contact entre les deux plaques (étape S2). Le poussoir 220 de l'appareil de collage 221 comprend une tête 441. Le poussoir 220 se déplace entre une position de retrait dans laquelle la tête 221 est à distance du bord des plaques et n'exerce pas de force sur les plaques (comme illustrée sur la figure 7A), et une position d'alignement mécanique dans laquelle la tête 221 est en butée contre le bord des plaques 20 et 30 et exerce une force d'alignement, principalement dans le sens radial, sur les deux plaques qui sont retenues du côté opposé par les deux doigts de butée 230 et 240, le doigt de positionnement 240 étant destiné à coopérer avec des encoches 21 et 31 ("notch") respectivement dans les plaques 20 et 30 (comme illustrées sur la figure 7D). Dans sa position d'alignement, la tête 221 du poussoir 220 exerce une poussée contre les plaques qui permet de mettre en butée ces dernières contre les doigts de butée 230 et 240 et d'assurer leur alignement. La plaque 30 est alors déposée sur les éléments d'écartement 250 à 252 de manière à disposer la surface ou face inférieure 32 de la plaque 30 en regard de la surface supérieure 22 de la plaque 20 (figure 7C, étape S3). Une fois la plaque 30 déposée, le poussoir 220 est placé dans sa position d'alignement mécanique et exerce une force de maintien sur les plaques contre les doigts 230 et 240 de manière à aligner une première fois les deux plaques 20 et 30 (figure 7D, étape S4).

De façon bien connue, les surfaces 22 et 32 respectivement des plaques 20 et 30 destinées à être collées ont été préparées (polissage, nettoyage, traitement hydrophobe/hydrophile, etc.) pour permettre une adhésion moléculaire. Lors de l'opération suivante, l'élément d'écartement 252 est retiré puis le poussoir 220 est placé dans sa position de retrait (figure 7E, étape S5), ce qui fait descendre la portion de plaque 30 présente à l'emplacement de l'élément d'écartement 252 et du doigt de maintien 240 sur la plaque 20. Le poussoir 220 est placé de nouveau dans sa position d'alignement afin de maintenir les plaques alignées (figure 7F, étape S6) tandis que les éléments d'écartement encore présents entre les deux plaques, à savoir ici les éléments d'écartement 250 et 251, sont retirés, les plaques 20 et 30 subissant à ce moment des contraintes en compression (figure 7F, étape S7).

Le poussoir 220 est alors placé dans sa position de retrait afin de libérer la plaque 30 de son maintien contre les doigts 230 et 240 et de laisser la face inférieure 32 de celle-ci reposer entièrement sur la face supérieure 22 de la plaque 20 (figure 7G, étape S8).

Le poussoir 220 est placé une nouvelle fois dans sa position d'alignement mécanique afin de s'assurer que les plaques 20 et 30 sont bien alignées avant l'initiation de la propagation d'une onde de collage (figure 7H, étape S9). Le poussoir est ensuite placé dans sa position de retrait (figure 7I, étape S10).

Conformément à l'invention, les étapes d'alignement S4, S6 et S9 décrites ci-dessus sont réalisées avec le plateau support 211 qui comprend l'élément de support 2110 comportant les portions évidées 2111, 2112 et 2113 et qui permet le relâchement des contraintes exercées par les éléments d'alignement lors de ces opérations.

Après les étapes d'alignement mécanique et de mise en contact des plaques, on procède au collage par adhésion moléculaire (figure 73, étape S10). Comme illustré sur la figure 73, l'initiation de la propagation d'une onde de collage peut être réalisée au moyen d'un outil 50 équipé d'un stylet 51 permettant d'appliquer un point de contact mécanique sur la plaque 30. De manière avantageuse mais non obligatoire, la pression mécanique exercée par le stylet 51 sur la plaque 30 peut être contrôlée afin de limiter les déformations au niveau du point de contact. Comme illustré très schématiquement sur la figure 73, l'outil 50 peut comprendre un dynamomètre 53. Le stylet 51 est relié au dynamomètre 53 et comporte une extrémité libre 52 avec laquelle on exerce une pression mécanique sur la plaque 30 afin d'initier un point de contact entre les deux plaques 20 et 30. En connaissant la valeur de la surface de contact 52a de l'outil 50 avec la plaque 30, il est possible d'appliquer une pression mécanique comprise entre 1 MPa et 33,3 MPa en contrôlant la force d'appui F exercée par l'outil sur la plaque (force d'appui=pression mécanique x surface d'appui). En limitant ainsi la pression appliquée sur un des deux substrats lors de l'initiation d'un point de contact, on réduit les déformations inhomogènes engendrées dans la plaque tout en réalisant un collage par adhésion moléculaire sur l'ensemble des surfaces 16 des deux plaques en contact. La force d'appui exercée par l'extrémité 52 sur la plaque 30 est contrôlée au moyen du dynamomètre 53. L'élément d'appui et plus particulièrement son extrémité destinée à venir en contact avec la plaque peut être réalisée ou recouverte d'un matériau tel que le Téflon®, la silicone ou un polymère. D'une manière générale, l'extrémité de l'élément d'appui est réalisée ou recouverte avec un matériau suffisamment rigide afin de pouvoir appliquer la pression de manière contrôlée. En effet, un matériau trop souple pourrait se déformer et conduire à une surface de contact imprécise et, par conséquent, à un manque de précision de la pression appliquée. En outre, un matériau trop rigide pourrait conduire à la formation de défauts (empreinte) à la surface de la plaque. L'initiation de la propagation de l'onde de collage peut être également initiée spontanément entre les plaques 20 et 30 en abaissant la pression dans la chambre à une valeur très faible, typiquement inférieure à environ 10 mbar. Le procédé de collage de l'invention est applicable à l'assemblage de tout type de matériau compatible avec le collage moléculaire et en particulier les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le germanium, le verre, le quartz, le saphir etc. Les plaques à assembler peuvent notamment être d'un diamètre de 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, ou 450 mm. Les plaques peuvent en outre comprendre des microcomposants sur la majorité de leur surface ou seulement sur une zone limitée.

Un domaine particulier mais non exclusif du procédé de collage de la présente invention est celui de la réalisation de structures tridimensionnelles comprenant la formation d'une première série de microcomposants à la surface d'une plaque ou substrat initial, les microcomposants pouvant être des composants entiers et/ou seulement une partie de ceux-ci et le substrat initial pouvant être une structure monocouche, par exemple une couche de silicium, ou structure multicouche telle qu'une structure de type SOI. Les microcomposants sont formés par photolithographie au moyen d'un masque permettant de définir les zones de formation de motifs correspondant aux microcomposants à réaliser.

La face du substrat initial comprenant les microcomposants est ensuite positionnée en regard et en contact d'une face d'une plaque ou substrat final en vue d'un collage par adhésion moléculaire. Conformément à l'invention, les étapes d'alignement entre le substrat initial 100 et le substrat final, tels que les étapes S4, S6 et S9 décrites ci-avant, sont réalisées avec un appareil de collage conforme à l'invention afin de permettre un libre déplacement des plaques vis-à-vis du plateau support au voisinage des éléments d'alignement. Après le collage, c'est-à-dire après la propagation d'une onde de collage entre les deux plaques, une deuxième couche de microcomposants est formée au niveau de la surface exposée du substrat initial qui a été éventuellement aminci. Les microcomposants de la deuxième couche peuvent correspondre à des parties complémentaires de microcomposants de la première couche pour former un composant fini et/ou à des composants distincts destinés à fonctionner avec des microcomposants de la première couche. Afin de former les microcomposants de la deuxième en alignement avec les microcomposants enterrés de la première couche, on utilise un masque de photolithographie similaire à celui utilisé pour former les microcomposants.

Dans une variante, la structure tridimensionnelle est formée par un empilement de couche, chaque couche ayant été reportée par le procédé d'assemblage de la présente invention, et chaque couche étant en alignement avec les couches directement adjacentes. Dans une autre variante encore, le substrat final comporte lui aussi des microcomposants.

Grâce au procédé de collage par adhésion moléculaire de l'invention, le substrat initial a pu être collé sur le substrat final sans déformation inhomogènes ou tout du moins avec une réduction des déformations telle qu'il n'est plus observé de décalages significatifs des microcomposants avant et après transfert du substrat initial sur le substrat final. On peut ainsi limiter les décalages résiduels à des valeurs inférieures à 50 nm sur toute la surface de la plaque. Les microcomposants d'une deuxième couche, même de tailles très réduites (par exemple < 1 pm), peuvent alors être formés facilement en alignement avec les microcomposants d'une première couche, et ce même après transfert du substrat initial. Cela permet, par exemple, d'interconnecter entre eux les microcomposants présents dans deux couches, ou sur deux faces distinctes d'une même couche, par l'intermédiaire de connections métalliques, en minimisant les risques de mauvaise interconnexion. Le procédé de collage de la présente invention permet, par conséquent, de limiter les phénomènes de déformations inhomogènes des plaques au cours de leur collage moléculaire. Dans le cas particulier où les deux plaques comportent des microcomposants, le procédé permet finalement de limiter le phénomène de désalignement ("overlay") lors du transfert d'une couche de circuit sur une autre couche ou sur un substrat support et de réaliser des plaques de semi-conducteurs multicouches de très grande qualité.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Appareil de collage par adhésion moléculaire (200) entre au moins deux plaques (20, 30) comprenant au moins un dispositif porte- plaque (210) comportant un plateau support (211) constitué d'un ou plusieurs éléments de support (2110) destinés à recevoir une des deux plaques, et des éléments d'alignement (220, 230, 240) placés autour dudit plateau support, caractérisé en ce que le ou les éléments de support (2110) du plateau support (211) présentent une surface de contact globale inférieure à la surface de la plaque (20) destinée à être supportée par ledit ou lesdits éléments de support.
2. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'alignement (220, 230, 240) sont placés autour dudit plateau support sur ou au voisinage d'une zone circulaire (Zcz) correspondant au diamètre de la plaque (20) destinée à être supportée par le plateau support (211), et en ce que le ou les éléments de support (2110) du plateau support (211) sont placés à une distance déterminée desdits éléments d'alignement (220, 230, 240).
3. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre le ou les éléments de support (2110) du plateau support (211) et les éléments d'alignement (220, 230, 240) est d'au moins 5 mm.
4. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plateau support comprend un élément de support en forme de disque cranté (211) ayant sur sa périphérie des portions évidées (2111, 2112, 2113) respectivement placées en regard des éléments d'alignement (220, 230, 240).
5. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plateau support (311 ; 411) comprend un élément de support de forme circulaire (3110 ; 4110) ayant un diamètre inférieur au diamètre de ladite zone circulaire (Zc3; Zc4).
6. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le plateau support comprend en outre une portion annulaire (3111) au niveau de la zone circulaire (Zc3), ladite portion annulaire se projetant à une hauteur (h360) différente de la hauteur de projection (hm') du plateau support (311).
7. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un poussoir (220) et deux éléments de butée (230, 240).
8. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des éléments d'espacement (250, 251, 252) placés autour du plateau support (211).
9. 9. Procédé de collage par adhésion moléculaire entre au moins une première plaque (20) et une deuxième plaque (30), ledit procédé étant réalisé avec un appareil de collage (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et comprenant au moins : une étape de placement de la première plaque (20) sur le plateau support (211) du dispositif porte-plaque (210) dudit appareil de collage (200), une étape de placement de la deuxième plaque (30) sur la première plaque (20), une ou plusieurs étapes d'alignement des deux plaques (20, 30) réalisées par contact entre les plaques et les éléments d'alignement (220, 230, 240), une étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage. 30
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'appareil de collage comprend un poussoir (220), deux éléments de butée (230, 240) et au moins trois éléments d'espacement (250, 251, 252) placés autour du plateau support et en ce que, lors de l'étape de 35 placement des deux plaques (20, 30) sur le plateau support (211) du 20 25dispositif porte-plaque (210) de l'appareil de collage (200), la première plaque (20) est placée en contact avec le plateau support (211) du dispositif porte-plaque (210) tandis que la deuxième plaque (30) est placée en regard de la première plaque (20) en interposant entre les deux plaques lesdits au moins trois éléments d'espacement (250, 251, 252) de manière à maintenir un espace entre les deux plaques et en ce que le procédé comprend en outre, avant l'étape d'initiation de la propagation d'une onde de collage: le retrait d'un (252) des éléments d'espacement, - l'application d'une première force latérale par le poussoir (220) dudit appareil de collage (200) sur les plaques (20, 30) de manière à aligner les deux plaques l'une par rapport à l'autre, les plaques étant retenues par les éléments de butée (230, 240) dudit appareil de collage, le retrait des autres éléments d'espacement (250, 251), le retrait du poussoir (220), l'application d'une deuxième force latérale par le poussoir (220) sur les deux plaques (20, 30), et - le retrait du poussoir (220).
11. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'étape d'initiation d'une onde de collage comprend l'application d'un point de pression mécanique sur l'une des deux plaques.
12. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pression mécanique appliquée par le point de pression mécanique sur une des deux plaques est comprise entre 1 MPa et 33,3 MPa.