Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article traite de la méthode de collage direct encore nommée adhésion moléculaire en dévoilant les phénomènes et les mécanismes qui permettent d’adhérer sans colle. Il s’intéresse aux cas de la silice et du silicium, car ce sont les matériaux les plus étudiés et physiquement les mieux compris à ce jour. Les points fondamentaux qui autorisent l’adhésion spontanée en termes de qualité (rugosités, planéités), de recouvrement et de propreté des surfaces sont détaillés dans une première partie. Puis les méthodes de caractérisation des forces d’adhésion lors du collage, et de l’adhérence, lors du désassemblage sont explorées. Enfin, les mécanismes physico-chimiques de l’adhérence et les traitements permettant de renforcer la tenue des assemblages sont décrites.
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This article deals with the direct bonding method, also known as molecular adhesion, by revealing the phenomena and mechanisms that enable adhesion without glue. It focuses on the cases of silica and silicon, as these are the materials that have been most extensively studied and physically best understood to date. The fundamental issues that allow spontaneous adhesion in terms of surface quality (roughness), coverage and cleanliness are detailed in the first part. Methods for characterising adhesion forces during assembly and adhesion during disassembly are then reviewed. Finally, the physico-chemical mechanisms of adhesion and the treatments that can be used to improve the durability of assemblies are described.
Auteur(s)
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Aurélien MAUREL-PANTEL : Maître de Conférence - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France
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Frank FOURNEL : Directeur de recherche - CEA LETI, CEA, Grenoble, France
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Thierry BILLETON : Ingénieur - Laboratoire de physique des lasers (LPL UMR7538), CNRS, Villetaneuse, France
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Jérôme DEBRAY : Ingénieur - Institut Néel (UPR2940), Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Grenoble, France
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Christophe HECQUET : Ingénieur - Laboratoire Charles Fabry (LCF UMR8501), CNRS, Palaiseau, France
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Anne TALNEAU : Directrice de recherche - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N UMR9001), CNRS, Palaiseau, France
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Frédéric LEBON : Professeur - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France
INTRODUCTION
La technologie du collage direct, aussi appelée adhésion moléculaire, est un type très particulier d’assemblage. Sa définition la plus concise semble être : « un collage spontané sans l’ajout de liquide épais ». Le fait de ne pas ajouter de liquide implique surtout l’absence d’utilisation de colle liquide polymère. C’est un assemblage sans colle ! Le fait qu’il soit « spontané » implique que l’assemblage des deux surfaces permet de gagner de l’énergie, afin de propager le collage direct.
L’énergie que le système possède à sa disposition pour coller est « l’énergie d’adhésion ». Elle est à opposer à l’énergie d’adhérence (autrement appelée « énergie de collage ») qui représente l’énergie nécessaire pour séparer les surfaces assemblées. L’énergie d’adhésion est, quant à elle, l’énergie qui aide à les rapprocher.
Dans le cadre du collage direct, pour permettre un collage spontané, il est nécessaire que l’énergie d’adhésion soit plus importante que le coût énergétique nécessaire au rapprochement des surfaces, c’est-à-dire plus grande que l’énergie élastique de déformation induite par le fait que les surfaces à assembler vont se toucher et se rapprocher le plus possible, en se déformant au besoin. Il est donc nécessaire d’avoir des surfaces très proches, généralement à une distance de l’ordre du nanomètre. À cette échelle, les forces intermoléculaires entre les deux surfaces peuvent entrer en action. C’est pour cela que la technique est aussi nommée « adhésion moléculaire ». Le collage direct peut être réalisé grâce aux forces de van der Waals, aux liaisons hydrogènes et, dans certains cas, aux forces capillaires : ces forces sont le moteur du collage direct. L’énergie mécanique de déformation, dépensée pour rapprocher les surfaces, en est le frein.
L’article se focalise, pour des raisons de simplicité, sur le collage direct de la silice fondue. Ce moteur et ce frein sont largement détaillés, ce qui permet de présenter les mécanismes de l’adhésion, et les critères à respecter en termes de spécifications de surface, ou d’environnement, pour réaliser l’adhésion. L’énergie d’adhérence conditionne, quant à elle, la tenue mécanique de l’interface. Dans la dernière partie, elle est décrite en détaillant les techniques qui permettent de la maximiser.
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MOTS-CLÉS
adhésion Adhérence Silice Silicium assemblage collage direct
KEYWORDS
adhesion | adherence | silica | silicon | assembly | direct bonding
DOI (Digital Object Identifier)
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Sigles, notations et symboles5. Glossaire
Collage par diffusion atomique ; Atomic diffusion bonding (ADB)
Processus prometteur pour réaliser le collage des wafers à température ambiante : des films minces sont déposés par pulvérisation cathodique sur deux surfaces de wafers planes, puis les deux films sont collés sur les wafers dans le vide. Outre les films métalliques minces, les films minces d’oxyde et de nitrure sont utiles pour le collage.
Énergie d’adhésion ; Adhesion energy
Énergie qui sert à rapprocher les surfaces.
Énergie d’adhérence ; Adherence energy
Énergie nécessaire pour séparer les surfaces assemblées (aussi nommée énergie de collage).
Essai DCB ; Double Cantilever Beam test
Essai consistant à propager une fissure en tirant sur les deux bras d’une double poutre afin de mesurer la ténacité en mode I.
Interferomètre de Fizeau ; Fizeau interferometer
Outil optique de précision inventé en 1862 par Hippolyte Fizeau, encore très utilisé pour le contrôle des surfaces en cours de fabrication. Il consiste à observer la figure d’interférence produite par une lumière cohérente réfléchie à la fois sur une surface de référence (plan étalon par exemple) et sur la pièce à contrôler. La figure produite par les deux faisceaux recombinés s’apparente à des franges d’égale épaisseur (coin d’air) et son traitement numérique permet un contrôle fin des différences locales entre les deux surfaces.
Nettoyage RCA ; RCA clean
Ensemble normalisé d’étapes de nettoyage des surfaces des plaquettes de silicium qui doivent être effectuées avant les étapes de traitement à haute température (oxydation, diffusion, CVD).
Plasma à couplage capacitif ; Capacitively Coupled Plasma (CCP)
L’un des types les plus courants de sources de plasma industrielles, il se compose essentiellement de deux électrodes métalliques séparées par une petite distance, placées dans un réacteur. La pression du gaz dans le réacteur peut être inférieure à l’atmosphère ou être atmosphérique.
Plasma à couplage inductif ; Inductively Coupled Plasma (ICP)
Type de source de plasma dans laquelle l’énergie est fournie par des courants électriques produits par induction électromagnétique,...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WALLIS (G.), POMERANTZ (D.I.) - Field Assisted Glass-Metal Sealing. - In Journal of Applied Physics, 40(10), p. 3946‑3949 (1969). – 10.1063/1.1657121
-
(2) - NESE (M.), HANNEBORG (A.) - Anodic bonding of silicon to silicon wafers coated with aluminium, silicon oxide, polysilicon or silicon nitride. - In Sensors and Actuators A: Physical, 37, p. 61‑67 (1993). – 10.1016/0924-4247(93)80013-7
-
(3) - RIEUTORD (F.), MORICEAU (H.), BENEYTON (R.), CAPELLO (L.), MORALES (C.), -CHARVET (A.-M.) - Rough Surface Adhesion Mechanisms for Wafer Bonding. - In ECS Transactions, 3(6), p. 205‑215 (2006). – 10.1149/1.2357071
-
(4) - BEURTHE (C.) - La fabrication des composants en verre optique. - In Photoniques, 69, p. 40‑43 (2014). – 10.1051/photon/20146940
-
(5) - WOLF (S.), TAUBER (R.N.) - Silicon processing for the VLSI era. Vol. 4: Deep-Submicron process technology. - Lattice Pr (2002).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Théorie du contact de Hertz – Contacts ponctuels ou linéiques.
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Collage direct – Propriétés mécaniques et applications de l’assemblage par collage direct.
ANNEXES
Construction of a Fabry Perot interferometer (etalon) GB312534A
Improvements in or relating to lasers GB1017248A
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
P0.DE.O Polishing and Design for Optics, 13510 Eguilles, France http://www.podeo-optiques.fr/
BERTIN WINLIGHT, 84120 Pertuis, France https://www.bertin-winlight.fr/
FICHOU HEF Photonics, 94260 Fresnes, France https://optique-fichou.com/
CEA-Leti, 38054 Grenoble, France https://www.leti-cea.fr/cea-tech/letithal
SESO large precision optics and systems by Thales, 13290 Aix en Provence, France http://www.seso.com/
SOITEC, 38190 Bernin, France https://www.soitec.com/fr/
ST-Microelectonics https://www.st.com/content/st_com/en.html
X-Fab,...
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