Utilisation de multicouches polymère/semi-conducteur pour l’élaboration de substrats innovants

Le collage direct consiste en la mise en contact spontanée de deux surfaces solides sans intermédiaire liquide. On entend par liquide, un liquide suffisamment épais pour avoir des caractéristiques propres aux fluides. Le collage direct est un procédé très utilisé dans l’industrie du silicium pour la réalisation de substrats SOI (« silicon-on-insulator ») qui permettent la fabrication de transistors performants. Le collage spontané de deux matériaux solides nécessite des états de surface de très bonne qualité comme la planéité, l’absence de particules ainsi qu’une rugosité de surface faible. La rugosité doit être inférieure à 0,5 nm RMS pour une plaque de silicium hydrophile. En microélectronique, le collage direct de substrats à base de silicium est maintenant en production à fort volume.Nos travaux de thèse concernent le collage direct avec des surfaces de polymère. Cette étude revêt un caractère innovant car les polymères sont des matériaux aux propriétés bien différentes du silicium, à savoir un caractère peu ou pas cristallin, une rigidité beaucoup plus faible et une surface généralement plus hydrophobe et plus rugueuse. Différents polymères habituellement utilisés comme résine de masquage en photolithographie ont été étudiés. Dans un premier temps, des caractérisations physico-chimiques ont été réalisées sur ces macromolécules afin de nous renseigner sur leur composition chimique, leurs propriétés thermomécaniques et morphologiques. Ces études révèlent que ces matériaux sont bien hydrophobes : les angles de contact à l’eau varient de 58 à 77°. Ils sont de bons candidats pour le collage direct spontané car ils présentent des rugosités faibles liées à des épaisseurs de couches très minces et homogènes. Par ailleurs, ils sont caractérisés par des températures de dégradation supérieures à 250 °C et des modules d’Young inférieurs à 10 GPa. Des collages directs de surface de silicium sur des films fins de polymère de 32 nm à 6 µm ont été réalisés et leurs propriétés adhésives ont pu être évaluées. Les résultats montrent que le collage avec un film de polymère est particulièrement adhésif et que son adhérence se renforce avec la température. Dans certains cas, on peut atteindre des adhérences de 9 J/m² lorsque l’empilement est recuit à 200 °C. Il n’a pas été possible de relier les propriétés adhésives des polymères à leur structure chimique. En revanche il a été possible de rendre les films de polymère plus hydrophiles grâce à un traitement par UV/O3. Cette nouvelle surface se révèle plus adhésive que la surface non traitée. Cette meilleure adhésion permet notamment d’étendre la limite de faisabilité du collage direct en matière de rugosité avec une couche de polymère hydrophile.Une des principales applications du collage direct en microélectronique est la réalisation de substrats SOI par le procédé Smart Cut. Un SOI est composé d’un film mince de silicium monocristallin dont l’épaisseur est inférieure à 2 µm, isolé du substrat de silicium par une couche isolante de dioxyde de silicium d’une épaisseur de 2 µm ou moins. Le dernier objectif de la thèse est de substituer la couche isolante en dioxyde de silicium par un film de polymère qui possède une résistivité électrique du même ordre de grandeur que le dioxyde de silicium. En choisissant, un polymère très fin (épaisseur inférieure à 100 nm) et résistant à la température (jusqu’à 280 °C), nous avons élaboré des substrats SOI de bonne qualité. Le film de silicium monocristallin d’une épaisseur de 150 nm est continu et sans défaut.