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Le miracle microscopique sans interposeur : comment le collage direct peut-il permettre une fusion parfaite des plaquettes ?
Avec les progrès continus de la science et de la technologie, l'application de la technologie de liaison directe au silicium a progressivement attiré l'attention dans le domaine de la fabrication de semi-conducteurs. La liaison directe, également connue sous le nom de liaison par fusion, décrit un processus de liaison de tranches qui ne nécessite aucun interposeur. Le processus est basé sur des liaisons chimiques entre les surfaces des matériaux, ce qui permet d'obtenir une liaison très efficace. La clé de ce processus est la propreté, la planéité et la douceur de la surface de la plaquette, car tout ce qui ne répond pas aux exigences peut former des défauts pendant le processus de collage, affectant ainsi la qualité du produit.
"Ce n'est qu'après un nettoyage suffisant que la surface de la plaquette peut obtenir des résultats de liaison idéaux."
Les étapes du collage direct des plaquettes peuvent être divisées en prétraitement des plaquettes, pré-liaison à température ambiante et recuit à haute température. Bien que la technologie de collage direct couvre presque tous les matériaux, le silicium reste à ce jour le matériau d'application le plus abouti. Par conséquent, ce processus est souvent appelé liaison directe au silicium ou liaison par fusion de silicium. De nombreuses applications, notamment la fabrication de plaquettes de silicium sur isolant (SOI), de capteurs et d'actionneurs, s'appuient sur cette technologie.
Contexte technique
La liaison directe du silicium est basée sur des interactions intermoléculaires, notamment les forces de Van der Waals, les liaisons hydrogène et les liaisons covalentes fortes. Les premiers procédés de collage direct nécessitaient des opérations à haute température, mais avec la diversification des matériaux d'application, il existe un besoin croissant de traitement à basse température. Les chercheurs travaillent ensemble pour obtenir une liaison directe stable en dessous de 450 °C, ce qui non seulement répondra aux besoins du processus de fabrication, mais évitera également les problèmes causés par les différences de coefficients de dilatation thermique entre les différents matériaux.
« La réduction des températures requises pendant le processus peut améliorer considérablement la compatibilité des matériaux et faciliter le développement d'un plus grand nombre d'applications. »
Revue historique
Dès 1734, Desaguliers découvrait l'effet d'adhésion des surfaces lisses et soulignait l'influence de la douceur de la surface sur le frottement. Avec l'avancement continu de la technologie, un rapport préliminaire sur la liaison directe du silicium est apparu en 1986, et cette technologie a commencé à émerger dans l'industrie.
Collage direct traditionnel
Les processus de liaison directe se concentrent principalement sur le traitement des matériaux en silicium, qui peuvent être divisés en liaisons hydrophiles et hydrophobes en fonction de la structure chimique de la surface. L'angle de contact des surfaces hydrophiles est inférieur à 5°, tandis que celui des surfaces hydrophobes est supérieur à 90°. Cette caractéristique rend les matériaux en silicium plus flexibles et adaptables à différentes applications.
Collage de plaquettes de silicium hydrophiles
Prétraitement des plaquettes
Avant le collage, la surface de la plaquette doit être maintenue propre pour éviter que les impuretés n'affectent l'effet de collage. Les principales méthodes de nettoyage comprennent le nettoyage à sec (tel que le traitement au plasma ou le nettoyage UV/ozone) et les procédures de nettoyage chimique humide. Une procédure de nettoyage standard largement utilisée est la méthode de nettoyage SC de RCA.
Pré-collage à température normale
Une fois le traitement de surface des plaquettes terminé et conforme aux normes, les plaquettes sont alignées et le collage peut commencer. Les molécules d'eau en phase gazeuse déclenchent une réaction chimique au contact, formant du Silanol (Si-OH) et polymérisant, formant ensuite une structure avec une force de liaison suffisante.
Recuit à haute température
Au fur et à mesure du processus de recuit, la force de liaison augmentera à mesure que la température augmente. En fournissant suffisamment de chaleur, davantage de silanol peut réagir, formant des liaisons Si-O-Si stables.
Collage de plaquettes de silicium hydrophobes
Prétraitement des plaquettes
La génération d'une surface hydrophobe nécessite le retrait de la couche de film, ce qui est obtenu par traitement au plasma ou par des solutions de gravure contenant du fluor. Il est important d’éviter la réhydrophilisation afin de maintenir l’hydrophobie.
Recuit à haute température
Dans un environnement à haute température, à mesure que l'hydrogène et le fluor se désorbent, des liaisons covalentes Si-Si commencent à apparaître à l'intérieur du cristal de silicium. Ce processus peut être réalisé à 700 °C, obtenant finalement la même force de liaison que le corps en silicium.
Direction de recherche sur le collage direct à basse température
Alors que la demande de traitement à basse température continue d'augmenter, les chercheurs explorent diverses méthodes pour réduire la température de recuit requise. La difficulté de ce processus réside principalement dans l'élimination de l'eau et son impact sur les liaisons silicium-oxygène formées. Les chercheurs travaillent sur diverses technologies de traitement de surface, notamment l’activation par plasma et le polissage chimico-mécanique, en s’efforçant d’obtenir des effets de liaison idéaux dans des conditions de basse température.
"Cette technologie a montré son large potentiel d'application dans la fabrication de microstructures multi-wafers telles que des micropompes, des microvalves et des accélérateurs."
À l'avenir, le développement ultérieur de la technologie de liaison directe pourrait changer le paysage de la fabrication de semi-conducteurs. Avec la compréhension approfondie de la science des matériaux et l’introduction de nouvelles technologies, quelles surprises cette technologie nous apportera-t-elle ?
