FR3083467A1 - METHOD FOR SEALING PARTS BETWEEN THEM WITH AN EUTECTIC ALLOY BASED ON ALUMINUM - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine des procédés de scellement de pièces entre elles avec un alliage eutectique à base d'aluminium et en particulier un tel procédé comprenant : - Fournir 110 deux pièces à sceller entre elles, - Déposer 120 une première couche à base d'aluminium sur la première pièce, - Oxyder 125 une surface libre de la première couche, puis - Déposer 130 une deuxième couche à base de germanium sur la première couche, et - Déposer 140 une couche complémentaire à base de germanium sur la deuxième pièce, puis - Mettre en contact et sous pression 150 les pièces entre elles, la deuxième couche étant directement au contact de la couche complémentaire, et - Appliquer un recuit 160 jusqu'à atteindre, voire dépasser, une température de fusion dudit alliage eutectique, pour former une brasure à base dudit alliage eutectique entre les pièces.The invention relates to the field of methods for sealing parts together with an aluminum-based eutectic alloy and in particular such a method comprising: - providing 110 two parts to be sealed together, - depositing 120 a first layer based on aluminum on the first part, - Oxyder 125 a free surface of the first layer, then - deposit 130 a second layer based on germanium on the first layer, and - deposit 140 a complementary layer based on germanium on the second part, then - contact and pressurize 150 the parts together, the second layer being directly in contact with the complementary layer, and - apply annealing 160 until reaching, or even exceeding, a melting temperature of said eutectic alloy, to form a solder based on said eutectic alloy between the parts.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne le domaine des procédés de collage par brasure de pièces entre elles avec un alliage eutectique. De tels procédés peuvent encore être qualifiés de procédés de scellement eutectique. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de scellement de pièces entre elles avec un alliage eutectique à base d’aluminium. De tels procédés trouvent pour application l’élaboration de microsystèmes électromécaniques.The invention relates to the field of bonding processes by brazing parts together with a eutectic alloy. Such methods can also be qualified as eutectic sealing methods. The invention relates more particularly to a method of sealing parts together with an aluminum-based eutectic alloy. Such methods find for application the development of electromechanical microsystems.
ÉTAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
Un collage par brasure avec un alliage eutectique est un type particulier de collage métallique. La couche intermédiaire de collage présente entre des surfaces de pièces collées entre elles est composée d’un alliage d’éléments pouvant donner lieu, sous conditions de température et de composition, à une microstructure eutectique. Dans ce type particulier de collage métallique, les constituants sont déposés sur au moins une de deux surfaces des pièces à coller entre elles en respectant la composition de l’eutectique. Lorsque les surfaces sont maintenues en contact et qu’on élève la température au-dessus du point de fusion de l’alliage eutectique, on forme un liquide à la composition de l’eutectique. En refroidissant, le liquide forme une structure particulière constituée d’une alternance des phases de chacun des constituants et dont on espère qu’elle ferme mécaniquement l’interface pour former un assemblage par scellement des pièces entre elles.Solder bonding with a eutectic alloy is a special type of metallic bonding. The intermediate bonding layer present between surfaces of parts bonded together is composed of an alloy of elements which can give rise, under conditions of temperature and composition, to an eutectic microstructure. In this particular type of metallic bonding, the constituents are deposited on at least one of two surfaces of the parts to be bonded together, respecting the composition of the eutectic. When the surfaces are kept in contact and the temperature is raised above the melting point of the eutectic alloy, a liquid with the composition of the eutectic is formed. Upon cooling, the liquid forms a particular structure consisting of alternating phases of each of the constituents and which it is hoped will mechanically close the interface to form an assembly by sealing the parts together.
Dans la littérature, il existe de nombreux exemples de collage par brasure de pièces entre elles avec un alliage eutectique. Ainsi, l’on sait comment obtenir une interface de collage :In the literature, there are many examples of bonding by brazing parts together with a eutectic alloy. So, we know how to get a paste interface:
- Cu-Sn [Cf. Y.-H. Ko, M.-S. Kim, J. Bang, T.-S. Kim, C.-W. Lee, Journal of ELECTRONIC MATERIALS (2015) ],- Cu-Sn [Cf. Y.-H. Ko, M.-S. Kim, J. Bang, T.-S. Kim, C.-W. Lee, Journal of ELECTRONIC MATERIALS (2015)],
- Au-Si [Cf. R.F. Wolffenbuttel, K.D. Wise, Sensors and Actuators A, 43 (1994) 223-229],- Au-Si [Cf. R.F. Wolffenbuttel, K.D. Wise, Sensors and Actuators A, 43 (1994) 223-229],
- Au-Sn [Cf. A. Garnier, X. Baillin, F. Hodaj, J Mater Sci : Mater Electron (2013) 24 :5000-5013], et- Au-Sn [Cf. A. Garnier, X. Baillin, F. Hodaj, J Mater Sci: Mater Electron (2013) 24: 5000-5013], and
- Al-Ge [Cf. S. Sood, R. Hergert, O. Treichel, Advancing Microelectronics 41(5), pp. 30-37 (2014)].- Al-Ge [Cf. S. Sood, R. Hergert, O. Treichel, Advancing Microelectronics 41 (5), pp. 30-37 (2014)].
Plus particulièrement, il existe des procédés de scellement eutectique de pièces entre elles avec un alliage eutectique à base d’aluminium. Chacun de ces procédés met en œuvre des configurations de couches des composants de l’alliage eutectique différentes entre elles.More particularly, there are methods for eutectically sealing parts with each other using an aluminum-based eutectic alloy. Each of these methods implements layer configurations of the components of the eutectic alloy that are different from each other.
Selon une première configuration, dite symétrique, illustrée sur la figure 1A, une bicouche 4, 5 des deux éléments de l’alliage est déposée sur chacune des surfaces 1a, 2a des pièces 1,2 à assembler. Après solidification, on obtient un scellement entre les deux pièces 1, 2 par une microstructure à base d’un alliage eutectique 3 comprenant de l’aluminium 3a et du germanium 3b ; on observe une fissure 10 continue à l’interface de scellement entre les deux bicouches, comme illustré sur la figure 1B. L’on suppose que les deux bicouches ont fondu séparément, en s’oxydant à leur surface. Des pellicules d’oxydes ont été piégées à l’interface et ont donné lieu à la formation de cette fissure 10. Cette structure est donc insatisfaisante puisque ce défaut est critique vis-à-vis de l’herméticité des structures.According to a first configuration, called symmetrical, illustrated in FIG. 1A, a bilayer 4, 5 of the two elements of the alloy is deposited on each of the surfaces 1a, 2a of the parts 1,2 to be assembled. After solidification, a seal is obtained between the two parts 1, 2 by a microstructure based on a eutectic alloy 3 comprising aluminum 3a and germanium 3b; there is a continuous crack 10 at the sealing interface between the two bilayers, as illustrated in FIG. 1B. It is assumed that the two bilayers melted separately, oxidizing on their surface. Oxide films were trapped at the interface and gave rise to the formation of this crack 10. This structure is therefore unsatisfactory since this defect is critical with regard to the hermeticity of the structures.
Selon une deuxième configuration, asymétrique, illustrée sur la figure 2A, une bicouche 4, 5 des deux éléments de l’alliage est déposée uniquement sur une 1a des deux surfaces 1a, 2a des pièces 1, 2 à assembler. Après assemblage, et comme illustré sur la figure 2B, on obtient un scellement entre les deux pièces 1, 2 par une microstructure à base d’un alliage eutectique 3 comprenant de l’aluminium 3a et du germanium 3b ; on note une faible adhésion de l’alliage eutectique 3 sur la pièce 2 supérieure du fait de l’apparition de nombreuses cavités 11. Bien que l’adhérence de l’alliage eutectique soit meilleure sur la pièce 1 inférieure que sur la plaque 2 supérieure, cette architecture n’est pas non plus satisfaisante.According to a second, asymmetrical configuration, illustrated in FIG. 2A, a bilayer 4, 5 of the two elements of the alloy is deposited only on a 1a of the two surfaces 1a, 2a of the parts 1, 2 to be assembled. After assembly, and as illustrated in FIG. 2B, a seal is obtained between the two parts 1, 2 by a microstructure based on a eutectic alloy 3 comprising aluminum 3a and germanium 3b; there is a low adhesion of the eutectic alloy 3 on the upper part 2 due to the appearance of numerous cavities 11. Although the adhesion of the eutectic alloy is better on the lower part 1 than on the upper plate 2 , this architecture is also not satisfactory.
Selon une troisième architecture, illustrée sur la figure 3, les deux éléments de l’alliage eutectique sont déposés séparément, chacun sur une des surfaces 1a, 2a des pièces 1,2 à assembler. Plus particulièrement, une couche 4 à base du premier élément est déposée sur la surface 1a de la première pièce 1 et une couche 5 à base du deuxième élément est déposée sur la surface 2a de la deuxième pièce 2. On assure ainsi l’adhésion de la brasure sur les surfaces 1a, 2a et la fusion complète des deux éléments. De plus, l’élévation de la température, jusqu’à la température de l’eutectique, n’ayant lieu que lorsque les surfaces à coller sont mises en contact via les deux éléments de l’alliage, une seule phase liquide est présente, ce qui permet de réduire le risque de formation d’une fissure. Cependant, cette configuration implique la présence des oxydes natifs des éléments constitutifs de l’alliage eutectique au niveau de l’interface entre ces éléments, ce qui peut bloquer la fusion de l’alliage. Dans le cas des scellements Al-Ge, la présence d’oxyde natif d’aluminium bloque le scellement. Dans la littérature, il est alors recommandé de presser très fort (on exerce une pression supérieure à 10MPa par exemple) [Cf. X.-H. Huang et al., ECS Transactions, vol. 50, n° 7 (2013)]. Cette pression peut être trop importante pour certains dispositifs qui se trouvent éventuellement sur les pièces que l’on souhaite coller. Il est alors impossible d’utiliser un scellement eutectique Al-Ge pour coller ces surfaces. Il existe, dans la littérature, des alternatives pour faire ce collage à basse pression. On peut par exemple utiliser un bombardement d’atomes d’argon sur les surfaces de pièces à assembler [Cf. G. L. Chua, B. Chen, N. Singh, 17th Electronics Packaging and Technology Conference (EPTC), IEEE (2015)]. Toutefois, cette alternative n’est pas forcément compatible non plus avec la conservation de l’intégrité de certains dispositifs éventuellement présents sur les pièces à assembler.According to a third architecture, illustrated in FIG. 3, the two elements of the eutectic alloy are deposited separately, each on one of the surfaces 1a, 2a of the parts 1,2 to be assembled. More particularly, a layer 4 based on the first element is deposited on the surface 1a of the first part 1 and a layer 5 based on the second element is deposited on the surface 2a of the second part 2. This thus ensures the adhesion of the soldering on the surfaces 1a, 2a and the complete fusion of the two elements. In addition, the rise in temperature, up to the eutectic temperature, taking place only when the surfaces to be bonded are brought into contact via the two elements of the alloy, a single liquid phase is present, which reduces the risk of crack formation. However, this configuration implies the presence of native oxides of the constituent elements of the eutectic alloy at the interface between these elements, which can block the fusion of the alloy. In the case of Al-Ge seals, the presence of native aluminum oxide blocks the seal. In the literature, it is then recommended to press very hard (one exerts a pressure higher than 10MPa for example) [Cf. X.-H. Huang et al., ECS Transactions, vol. 50, no.7 (2013)]. This pressure may be too great for certain devices which may be on the parts that one wishes to glue. It is therefore impossible to use an Al-Ge eutectic sealant to bond these surfaces. There are, in the literature, alternatives for making this bonding at low pressure. One can for example use a bombardment of atoms of argon on the surfaces of parts to be assembled [Cf. G. L. Chua, B. Chen, N. Singh, 17th Electronics Packaging and Technology Conference (EPTC), IEEE (2015)]. However, this alternative is not necessarily compatible either with the preservation of the integrity of certain devices possibly present on the parts to be assembled.
Par ailleurs, il est connu, dans la littérature, un type d’empilement particulier permettant de réaliser un scellement Au-Sn par interdiffusion solideliquide (SLID) [T. A. Tollefsen, A. Larsson, O. M. Lovvik, K. Aasmundtveit, Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 43B, pp. 397-405 (2012)]. Ce type d’empilement particulier comprend une fine couche d’or déposée sur l’étain sans que ce dernier soit remis à l’air, et donc sans que l’étain ne puisse s’oxyder. La couche d’or a effectivement pour rôle d’empêcher l’oxydation de l’étain.Furthermore, it is known, in the literature, a particular type of stack making it possible to perform an Au-Sn sealing by solideliquid interdiffusion (SLID) [T. A. Tollefsen, A. Larsson, O. M. Lovvik, K. Aasmundtveit, Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 43B, pp. 397-405 (2012)]. This particular type of stack includes a thin layer of gold deposited on the tin without the latter being returned to the air, and therefore without the tin being able to oxidize. The role of the gold layer is to prevent the oxidation of tin.
Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de scellement de pièces entre elles avec un alliage eutectique à base d’aluminium qui permette de pallier au moins en partie les inconvénients des procédés existants.An object of the present invention is to provide a method of sealing parts with each other with an aluminum-based eutectic alloy which at least partially overcomes the drawbacks of existing methods.
Plus particulièrement, un objet de la présente invention est de proposer un tel procédé de scellement qui permette de préserver l’intégrité de dispositifs ou éléments microélectroniques formés sur l’une et/ou l’autre des pièces préalablement à leur assemblage.More particularly, an object of the present invention is to propose such a sealing method which makes it possible to preserve the integrity of microelectronic devices or elements formed on one and / or the other of the parts prior to their assembly.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.The other objects, characteristics and advantages of the present invention will appear on examining the following description and the accompanying drawings. It is understood that other advantages can be incorporated.
RÉSUMÉ DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect, la présente invention prévoit un procédé de scellement de pièces entre elles avec un alliage eutectique à base d’aluminium. Le procédé comprend les étapes suivantes :To achieve this objective, according to a first aspect, the present invention provides a method of sealing parts with each other with an aluminum-based eutectic alloy. The process includes the following steps:
- Fournir au moins deux pièces, chaque pièce présentant une surface d’assemblage par scellement à au moins une autre pièce parmi lesdites au moins deux pièces,- Provide at least two parts, each part having an assembly surface by sealing to at least one other part among said at least two parts,
- Déposer au moins une première couche à base d’aluminium au moins sur la surface d’assemblage d’une première pièce parmi lesdites au moins deux pièces,- Deposit at least a first layer based on aluminum at least on the assembly surface of a first part among said at least two parts,
- Oxyder au moins une surface libre de la première couche, puis- Oxidize at least one free surface of the first layer, then
- Déposer une deuxième couche à base d’un élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique, au moins sur la première couche, et- Deposit a second layer based on an element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy, at least on the first layer, and
- Déposer une couche complémentaire à base dudit élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique au moins sur la surface d’assemblage d’une deuxième pièce parmi lesdites au moins deux pièces, puis- Deposit an additional layer based on said element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy at least on the assembly surface of a second part among said at least two parts, then
- Mettre en contact et sous pression les surfaces d’assemblage de la première pièce et de la deuxième pièce entre elles, la deuxième couche étant directement au contact de la couche complémentaire, et- Contact and pressurize the assembly surfaces of the first part and the second part together, the second layer being directly in contact with the complementary layer, and
- Appliquer un recuit jusqu’à atteindre, voire dépasser, une température de fusion Tf propre audit alliage eutectique, de sorte à former, à partir des première et deuxième couches et de la couche complémentaire, une brasure à base dudit alliage eutectique entre les première et deuxième pièces.- Apply annealing until reaching, or even exceeding, a melting temperature Tf specific to said eutectic alloy, so as to form, from the first and second layers and the additional layer, a solder based on said eutectic alloy between the first and second pieces.
De préférence, la première couche est déposée directement sur la surface d’assemblage de la première pièce, ou directement sur une sous-couche préalablement déposée, potentiellement directement, sur la surface d’assemblage de la première pièce, cette sous-couche n’étant pas à base d’aluminium, voire étant exempte d’aluminium.Preferably, the first layer is deposited directly on the assembly surface of the first part, or directly on a previously deposited undercoat, potentially directly, on the assembly surface of the first part, this undercoat does not not being based on aluminum, or even being free of aluminum.
Lorsque la température est, selon le procédé introduit ci-dessus, supérieure ou égale à la température de fusion de l’alliage eutectique, l’élément constitutif de la couche déposée sur la surface d’aluminium oxydée migre à travers l’oxyde d’aluminium et forme, avec l’aluminium, un film liquide de composition eutectique.When the temperature is, according to the process introduced above, greater than or equal to the melting temperature of the eutectic alloy, the constituent element of the layer deposited on the oxidized aluminum surface migrates through the oxide of aluminum and forms, with aluminum, a liquid film of eutectic composition.
Dans un domaine différent, qui concerne la recristallisation du germanium à des températures inférieures à la température de fusion de l’eutectique, l'antériorité « K. Nakazawa, K. Toko, N. Usami, T. Suemasu, Japanese Journal of Applied Physics 53, 04EH01 (2014) » mentionne la possibilité pour le germanium de migrer par diffusion atomique à travers l’oxyde natif d’aluminium sous l’effet de la température.In a different field, which relates to the recrystallization of germanium at temperatures below the melting point of the eutectic, the prior art "K. Nakazawa, K. Toko, N. Usami, T. Suemasu, Japanese Journal of Applied Physics 53, 04EH01 (2014) ”mentions the possibility for germanium to migrate by atomic diffusion through native aluminum oxide under the effect of temperature.
Dans le cadre du développement de la présente invention, il a été constaté qu’une telle diffusion atomique à travers l’oxyde natif d’aluminium sous l’effet de la température en phase solide pouvait enclencher la formation d’un liquide et entrainer l’ensemble des éléments de l’alliage eutectique des première et deuxième couches et de la couche complémentaire dans la formation d’un liquide de composition eutectique. C’est ce phénomène qui est mis ici à profit pour obtenir une interface de scellement entre les première et deuxième pièces, l’interface prenant la forme d’une brasure à base des éléments constitutifs de l’alliage eutectique. La brasure obtenue est plus particulièrement exempte de fissuration et de cavité.In the context of the development of the present invention, it has been observed that such an atomic diffusion through the native aluminum oxide under the effect of the temperature in the solid phase could trigger the formation of a liquid and cause l 'set of elements of the eutectic alloy of the first and second layers and of the complementary layer in the formation of a liquid of eutectic composition. It is this phenomenon which is used here to obtain a sealing interface between the first and second parts, the interface taking the form of a solder based on the constituent elements of the eutectic alloy. The solder obtained is more particularly free from cracking and cavity.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de surmonter l’obstacle, que présentent les procédés selon l’art antérieur, cet obstacle étant lié à la formation d’alumine à la surface de la couche à base d’aluminium. En effet, grâce au procédé selon l’invention, il n’est plus nécessaire d’éviter cette formation d’alumine ; les contraintes associées à cette nécessité peuvent donc être relâchées, voire supprimées. En particulier, les conditions de température et de pression applicables menant à la formation de la brasure selon l’invention peuvent être telles qu’elles permettent de préserver l’intégrité d’éventuels dispositifs ou éléments de dispositifs microélectroniques formés sur les pièces préalablement à leur assemblage. En outre, notons que la brasure ainsi obtenue peut permettre d’assurer une conduction électrique entre les deux substrats au travers de l’interface.The method according to the invention thus makes it possible to overcome the obstacle presented by the methods according to the prior art, this obstacle being linked to the formation of alumina on the surface of the aluminum-based layer. Indeed, thanks to the method according to the invention, it is no longer necessary to avoid this formation of alumina; the constraints associated with this need can therefore be relaxed, or even eliminated. In particular, the applicable temperature and pressure conditions leading to the formation of the solder according to the invention can be such that they make it possible to preserve the integrity of any devices or elements of microelectronic devices formed on the parts before their assembly. In addition, it should be noted that the solder thus obtained can make it possible to provide electrical conduction between the two substrates through the interface.
Par exemple, lorsque l’élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique est à base de germanium, l’étape de recuit peut être réalisée à une température strictement inférieure à 450°C, tout en étant supérieure à la température de l’eutectique de l’aluminium et du germanium, cette dernière étant égale à 424°C.For example, when the element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy is based on germanium, the annealing step can be carried out at a temperature strictly below 450 ° C., while being higher than the temperature of the eutectic of aluminum and germanium, the latter being equal to 424 ° C.
De manière facultative, le procédé selon l’invention peut comprendre au moins l’une quelconque des caractéristiques optionnelles ci-dessous prises séparément ou en combinaison.Optionally, the method according to the invention may comprise at least any of the optional features below taken separately or in combination.
L’étape de mise en contact et sous pression est au moins en partie concomitante à l’étape d’application d’un recuit. Les étapes de mise sous pression et de recuit s’appliquent au moins sur chacune parmi les première et deuxième couches et la couche complémentaire. Elles permettent de transformer, en les chauffant, ces trois couches en un liquide à la composition eutectique, puis elles permettent de transformer, en le refroidissant, ce liquide à la composition eutectique en une microstructure eutectique.The contacting and pressurizing step is at least partly concomitant with the annealing application step. The pressurization and annealing steps apply at least to each of the first and second layers and the additional layer. They make it possible to transform, by heating them, these three layers into a liquid with the eutectic composition, then they make it possible to transform, by cooling, this liquid with the eutectic composition into an eutectic microstructure.
L’étape d’oxydation de la surface libre de la première couche comprend au moins l’une des étapes suivantes : permettre l’oxydation et réaliser l’oxydation. L’étape d’oxydation peut résulter en la formation d’une couche superficielle d’oxyde d’aluminium par oxydation de la première couche. La couche superficielle peut présenter par exemple une épaisseur comprise entre 1 et 10 nm. De préférence, la couche d’oxyde d’aluminium n’est pas réalisée volontairement, par une action positive, mais il n’est pas nécessaire de s’opposer à la formation spontanée de cette couche d’oxyde. En effet, l’oxydation de l’aluminium est spontanée au contact de l’air ; il se forme instantanément une couche d’oxyde de quelques nanomètres qui est très stable et dont l’épaisseur n’évolue plus par la suite si les conditions ne changent pas.The step of oxidizing the free surface of the first layer comprises at least one of the following steps: enabling the oxidation and carrying out the oxidation. The oxidation step can result in the formation of a surface layer of aluminum oxide by oxidation of the first layer. The surface layer may for example have a thickness of between 1 and 10 nm. Preferably, the aluminum oxide layer is not produced voluntarily, by a positive action, but it is not necessary to oppose the spontaneous formation of this oxide layer. Indeed, the oxidation of aluminum is spontaneous in contact with air; an oxide layer of a few nanometers is instantly formed which is very stable and the thickness of which does not change further if the conditions do not change.
De préférence, la deuxième couche est déposée directement sur la première couche, et plus particulièrement directement sur la couche superficielle d’oxyde d’aluminium.Preferably, the second layer is deposited directly on the first layer, and more particularly directly on the surface layer of aluminum oxide.
De préférence, la couche complémentaire est déposée directement sur la surface d’assemblage de la deuxième pièce, ou directement sur une souscouche préalablement déposée, potentiellement directement, sur la surface d’assemblage de la deuxième pièce. Cette sous-couche n’est de préférence pas à base dudit élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique ; potentiellement, cette sous-couche est exempte dudit élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique.Preferably, the additional layer is deposited directly on the assembly surface of the second part, or directly on a previously deposited sublayer, potentially directly, on the assembly surface of the second part. This sub-layer is preferably not based on said element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy; potentially, this sublayer is free of said element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un système microélectronique comprenant au moins des première et deuxième pièces et une brasure à base d’un alliage eutectique comprenant de l’aluminium entre les première et deuxième pièces, la brasure étant exempte de fissuration et de cavité. En outre, au moins l’une des pièces dudit système peut comprendre au moins un dispositif ou élément microélectronique, par exemple un cordon de soudure, dont la fonctionnalité serait impactée négativement s’il était exposé à une température supérieure à 500°C, voire supérieure à 450°C.According to a second aspect, the present invention relates to a microelectronic system comprising at least first and second parts and a solder based on an eutectic alloy comprising aluminum between the first and second parts, the solder being free from cracking and cavity. In addition, at least one of the parts of said system may comprise at least one microelectronic device or element, for example a weld bead, the functionality of which would be negatively impacted if it were exposed to a temperature above 500 ° C., or even higher than 450 ° C.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :The aims, objects, as well as the characteristics and advantages of the invention will emerge better from the detailed description of an embodiment of the latter which is illustrated by the following accompanying drawings in which:
- la figure 1A représente schématiquement une première configuration de scellement de deux pièces entre elles selon l’art antérieur, avant la mise en contact et sous pression d’une pièce contre l’autre ;- Figure 1A schematically shows a first configuration of sealing two parts together according to the prior art, before contacting and under pressure of one part against the other;
- la figure 1B représente une vue en section obtenue par FIB-SEM (pour « microscope électronique et à balayage à faisceau d'ions focalisé ») d’un scellement obtenu via la première configuration illustrée sur la figure 1A ;- Figure 1B shows a sectional view obtained by FIB-SEM (for "electron microscope and focused ion beam scanning") of a seal obtained via the first configuration illustrated in Figure 1A;
- la figure 2A représente schématiquement une deuxième configuration de scellement de deux pièces entre elles selon l’art antérieur, avant la mise en contact et sous pression d’une pièce contre l’autre ;- Figure 2A schematically shows a second configuration of sealing two parts together according to the prior art, before contacting and under pressure of one part against the other;
- la figure 2B à droite représente une vue en section obtenue par FIBSEM d’un scellement obtenu via la deuxième configuration illustrée sur la figure 2A à gauche ;- Figure 2B on the right represents a sectional view obtained by FIBSEM of a seal obtained via the second configuration illustrated in Figure 2A on the left;
- la figure 3 représente schématiquement une troisième configuration de scellement de deux pièces entre elles selon l’art antérieur, avant la mise en contact et sous pression d’une pièce contre l’autre ;- Figure 3 schematically shows a third sealing configuration of two parts together according to the prior art, before contacting and under pressure of one part against the other;
- la figure 4 représente des graphiques d’évolution temporelle de la température et de la pression durant la mise en œuvre du procédé selon un mode de réalisation de l’invention ;- Figure 4 shows graphs of time evolution of temperature and pressure during the implementation of the method according to an embodiment of the invention;
- la figure 5 représente un ordinogramme d’étapes du procédé selon un mode de réalisation de l’invention ;- Figure 5 shows a flow chart of process steps according to an embodiment of the invention;
- la figure 6A représente schématiquement une configuration de scellement de deux pièces entre elles selon un mode de réalisation de l’invention, avant la mise en contact et sous pression d’une pièce contre l’autre ; et- Figure 6A schematically shows a sealing configuration of two parts together according to an embodiment of the invention, before contacting and under pressure of one part against the other; and
- la figure 6B représente une vue en section obtenue par FIB-SEM d’un scellement obtenu via la configuration illustrée sur la figure 6A.- Figure 6B shows a sectional view obtained by FIB-SEM of a seal obtained via the configuration illustrated in Figure 6A.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs relatives des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité.The drawings are given as examples and are not limitative of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate the understanding of the invention and are not necessarily at the scale of practical applications. In particular, the relative thicknesses of the different layers are not representative of reality.
Sur la figure 5, certaines étapes ne sont que optionnelles et ne sont pas indispensables. Tel est par exemple le cas des étapes du procédé encadrées par des traits discontinus.In FIG. 5, certain steps are only optional and are not essential. This is for example the case of the process steps framed by broken lines.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles du premier aspect de l’invention qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :Before starting a detailed review of embodiments of the invention, there are set out below optional features of the first aspect of the invention which may possibly be used in combination or alternatively:
- les étapes de dépôt de la première couche, de la deuxième couche et de la couche complémentaire peuvent être paramétrées de sorte que le ratio entre :- the steps for depositing the first layer, the second layer and the additional layer can be configured so that the ratio between:
o une épaisseur de la première couche et o une épaisseur cumulée de la deuxième couche et de la couche complémentaire, respecte une composition eutectique de l’alliage eutectique, à plus ou moins 10% près, de préférence à plus ou moins 5% près. Ainsi, l’on s’assure de former une brasure de qualité en contrôlant les paramètres de dépôt des différentes couches ;o a thickness of the first layer and o a cumulative thickness of the second layer and of the complementary layer, respects a eutectic composition of the eutectic alloy, to within +/- 10%, preferably to within +/- 5%. Thus, we make sure to form a quality solder by controlling the deposition parameters of the different layers;
- de préférence, la température atteinte lors du recuit ne dépasse pas une valeur seuil prédéterminée au-dessus de laquelle l’une quelconque parmi les première et deuxième pièces, voire parmi lesdites au moins deux pièces, serait fonctionnellement et négativement impactée. Ainsi, le procédé permet de conserver l’intégrité fonctionnelle, voire structurelle, des pièces à assembler entre elles.- Preferably, the temperature reached during annealing does not exceed a predetermined threshold value above which any one of the first and second parts, or even among said at least two parts, would be functionally and negatively impacted. Thus, the method makes it possible to preserve the functional, even structural, integrity of the parts to be assembled together.
- lors de l’étape de fourniture, au moins une pièce parmi lesdites au moins deux pièces peut comprendre au moins un dispositif ou élément microélectronique, par exemple un cordon de soudure, et la température atteinte lors du recuit ne dépasse pas une valeur seuil prédéterminée au-dessus de laquelle ledit au moins un dispositif ou élément microélectronique serait fonctionnellement et négativement impacté. Ainsi, le procédé permet de conserver l’intégrité fonctionnelle, voire structurelle, des éventuels dispositifs ou éléments microélectroniques portés par les pièces à sceller entre elles ;- during the supplying step, at least one part among said at least two parts can comprise at least one microelectronic device or element, for example a weld bead, and the temperature reached during annealing does not exceed a predetermined threshold value above which said at least one microelectronic device or element would be functionally and negatively impacted. Thus, the method makes it possible to preserve the functional, even structural, integrity of any microelectronic devices or elements carried by the parts to be sealed together;
- selon l’une quelconque des deux caractéristiques qui précèdent, ladite valeur seuil prédéterminée de température est égale à 500°C, et de préférence égale à 450°C ;- according to any one of the two preceding characteristics, said predetermined temperature threshold value is equal to 500 ° C, and preferably equal to 450 ° C;
- l’étape de dépôt de la deuxième couche et l’étape de dépôt de la couche complémentaire peuvent être paramétrées de sorte qu’une épaisseur cumulée de la deuxième couche et de la couche complémentaire soit supérieure à 10 nm. Ainsi, l’on s’assure notamment d’un brassage satisfaisant des éléments constitutifs de l’alliage eutectique ;- the step for depositing the second layer and the step for depositing the additional layer can be configured so that a cumulative thickness of the second layer and of the additional layer is greater than 10 nm. Thus, it is ensured in particular of a satisfactory mixing of the constituent elements of the eutectic alloy;
- l’étape de dépôt de la deuxième couche et l’étape de dépôt de la couche complémentaire peuvent en outre être paramétrées de sorte qu’une épaisseur de la couche complémentaire soit supérieure à une épaisseur de la deuxième couche, de préférence au moins trois fois supérieure ;the step for depositing the second layer and the step for depositing the additional layer can also be configured so that a thickness of the additional layer is greater than a thickness of the second layer, preferably at least three times superior;
- l’étape d’oxydation peut résulter en la formation d’une couche superficielle d’oxyde d’aluminium par oxydation de la première couche, et l’étape de dépôt de la deuxième couche peut être paramétrée de sorte qu’une épaisseur de la deuxième couche soit supérieure à une épaisseur de la couche superficielle, de préférence supérieure au double de l’épaisseur de la couche superficielle. Ainsi, l’on s’assure de la formation d’un liquide aux proportions de l’eutectique, du seul fait de l’élévation de la température jusqu’à atteindre, voire dépasser, la température de fusion Tf, et potentiellement avant même que les pièces soient mises en contact et sous pression l’une contre l’autre. Plus particulièrement, l’élément propre à former, avec de l’aluminium, l’alliage eutectique, va migrer à travers (ou dans) la couche d’oxyde d’aluminium, former un liquide avec l’aluminium non oxydé de la première couche et la couche d’oxyde natif d’aluminium est morcelée et dispersée dans le liquide ;- the oxidation step can result in the formation of a surface layer of aluminum oxide by oxidation of the first layer, and the deposition step of the second layer can be configured so that a thickness of the second layer is greater than a thickness of the surface layer, preferably greater than twice the thickness of the surface layer. Thus, one ensures the formation of a liquid in the proportions of the eutectic, by the sole fact of the rise in temperature until reaching, or even exceeding, the melting temperature Tf, and potentially even before the parts are brought into contact and under pressure against each other. More particularly, the element capable of forming, with aluminum, the eutectic alloy, will migrate through (or in) the layer of aluminum oxide, forming a liquid with the non-oxidized aluminum of the first layer and the native aluminum oxide layer is broken up and dispersed in the liquid;
- au moins l’une parmi les première et deuxième pièces, voire parmi lesdites au moins deux pièces, est à base de l’un au moins parmi les matériaux suivants : le silicium, la silice, le verre, le saphir, l’alumine, le germanium, le phosphure d’indium, le nitrure de gallium, le sulfure de gallium, l’arséniure de gallium, le nitrure de gallium et le carbure de silicium. Le procédé permet de sceller entre elles des pièces de toute nature. En effet, la nature des pièces à sceller entre elles n’influe pas sur les caractéristiques de la brasure obtenue par mise en œuvre du procédé ;- at least one of the first and second parts, or even of said at least two parts, is based on at least one of the following materials: silicon, silica, glass, sapphire, alumina , germanium, indium phosphide, gallium nitride, gallium sulfide, gallium arsenide, gallium nitride and silicon carbide. The process makes it possible to seal pieces of all kinds between them. Indeed, the nature of the parts to be sealed together does not influence the characteristics of the solder obtained by implementing the method;
- le procédé peut comprendre en outre au moins l’une des étapes suivantes :- the method can also comprise at least one of the following steps:
o Avant l’étape de dépôt de la première couche, former une souscouche, de préférence chimiquement inerte, au moins sur la surface d’assemblage de la première pièce et o Avant l’étape de dépôt de la couche complémentaire, former une sous-couche, de préférence chimiquement inerte, au moins sur la surface d’assemblage de la deuxième pièce.o Before the step of depositing the first layer, form a sublayer, preferably chemically inert, at least on the assembly surface of the first part and o Before the step of depositing the additional layer, form a sub- layer, preferably chemically inert, at least on the assembly surface of the second part.
Ainsi, le procédé permet le cas échéant de s’assurer de ce que la nature des pièces à sceller entre elles n’influe pas sur les caractéristiques de la brasure obtenue par mise en œuvre du procédé en prévoyant une sous-couche permettant d’isoler physiquement et chimiquement la brasure et les surfaces d’assemblage des pièces. En outre, lorsque l’élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique et la nature de la pièce sur laquelle la couche complémentaire est destinée à être déposée sont identiques, la souscouche permet ainsi de ne pas créer une source quasi-infinie dudit l’élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique, de sorte à pouvoir respecter la composition de l’eutectique ;Thus, the process makes it possible, if necessary, to ensure that the nature of the parts to be sealed together does not influence the characteristics of the solder obtained by implementing the process by providing an undercoat making it possible to isolate physically and chemically the solder and the assembly surfaces of the parts. In addition, when the element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy and the nature of the part on which the complementary layer is intended to be deposited are identical, the sub-layer thus makes it possible not to create a quasi-source. infinity of said element suitable for forming, with aluminum, said eutectic alloy, so as to be able to respect the composition of the eutectic;
- l’étape de dépôt de la première couche peut être paramétrée de sorte que la première couche présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 10 pm, de préférence comprise entre 500 nm et 5 pm. L’on s’assure ainsi d’obtenir un scellement eutectique constitué d’une quantité de matière permettant d’une part de s’affranchir des défauts, notamment de type topographique, que présentent les pièces à sceller entre elles, d’autre part de minimiser la taille de l’assemblage. En outre, les particules d’oxyde d’aluminium, chacune de taille nanométrique, présentent ainsi une taille inférieure, de préférence inférieure d’un ordre de grandeur, par rapport à l’épaisseur du scellement eutectique, qui est de préférence supérieure à 100 nm ;the deposition step of the first layer can be configured so that the first layer has a thickness of between 50 nm and 10 μm, preferably between 500 nm and 5 μm. This ensures that an eutectic seal is made up of a quantity of material allowing, on the one hand, to overcome defects, in particular of topographic type, that the parts to be sealed with one another, on the other hand to minimize the size of the assembly. In addition, the aluminum oxide particles, each of nanometric size, thus have a smaller size, preferably less than an order of magnitude, compared to the thickness of the eutectic seal, which is preferably greater than 100. nm;
- chacune parmi les première et deuxième pièces, voire parmi les dites au moins deux pièces, comprend une tranche à base d’un matériau semi-conducteur, chaque tranche présentant deux faces circulaires opposées, par exemple d’un diamètre égal à 200 mm, et les surfaces d’assemblages des première et deuxième pièces peuvent être chacune formée par une desdites faces circulaires, et l’étape de mise en contact et sous pression des surfaces d’assemblage peut comprendre l’une au moins parmi :each of the first and second parts, or even of the said at least two parts, comprises a wafer based on a semiconductor material, each wafer having two opposite circular faces, for example with a diameter equal to 200 mm, and the assembly surfaces of the first and second parts may each be formed by one of said circular faces, and the step of bringing the assembly surfaces into contact and under pressure may comprise at least one of:
o l’application d’au moins un niveau de pression d’une des deux pièces sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs surfaces d’assemblage, ledit niveau de pression étant compris entre 0,05 Mpa et 3 Mpa, de préférence compris entre 0,1 Mpa et 0,5 Mpa, et o l’application d’au moins un niveau de force de compression d’une des deux pièces sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs surfaces d’assemblage, ledit niveau de force étant compris entre 2 kN et 90 kN, de préférence compris entre 2 kN et 90 kN.o the application of at least one pressure level from one of the two parts to the other in a direction perpendicular to their assembly surfaces, said pressure level being between 0.05 Mpa and 3 Mpa, preferably between 0.1 Mpa and 0.5 Mpa, and o the application of at least one level of compression force from one of the two parts to the other in a direction perpendicular to their assembly surfaces, said level force between 2 kN and 90 kN, preferably between 2 kN and 90 kN.
Le procédé est ainsi parfaitement adapté au scellement de tranches entre elles, notamment en vue de la réalisation de dispositifs microélectroniques comprenant plusieurs tranches ou parties de tranches superposées entre elles ;The method is thus perfectly suited to sealing wafers together, in particular for the production of microelectronic devices comprising several wafers or parts of wafers superimposed between them;
- chacune des deux pièces peut comprendre une tranche à base d’un matériau semi-conducteur, et les surfaces d’assemblage des première et deuxième pièces sont chacune formée par une desdites faces circulaires, et les étapes de mise en contact et sous pression et d’application d’un recuit peuvent comprendre au moins l’un parmi :each of the two parts may comprise a wafer based on a semiconductor material, and the assembly surfaces of the first and second parts are each formed by one of said circular faces, and the steps of bringing into contact and under pressure, and application of annealing may comprise at least one of:
- Pendant une première durée ti, de préférence comprise entre 10 et 30 min, et par exemple égale à 20 min :- For a first duration ti, preferably between 10 and 30 min, and for example equal to 20 min:
o l’application d’un premier niveau de pression Pi, par exemple égal à 0,1 MPa, d’une des deux pièces sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs surfaces d’assemblage et o une montée en température depuis l’ambiante jusqu’à une première température seuil Ti inférieure à la température de fusion Tf dudit alliage eutectique, par exemple la première température seuil Ti étant inférieure à la température de fusion Tf d’une valeur au plus égale à 10%, de préférence au plus égale à 5%, de la valeur de ladite température de fusion Tf, puiso the application of a first pressure level Pi, for example equal to 0.1 MPa, of one of the two parts on the other in a direction perpendicular to their assembly surfaces and o a rise in temperature from l 'ambient to a first threshold temperature Ti lower than the melting temperature Tf of said eutectic alloy, for example the first threshold temperature Ti being less than the melting temperature Tf by a value at most equal to 10%, preferably at more equal to 5%, of the value of said melting temperature Tf, then
- Pendant une deuxième durée t2-ti, de préférence comprise entre 5 min et 10 h, par exemple égale à 1 h :- For a second duration t 2 -ti, preferably between 5 min and 10 h, for example equal to 1 h:
o l’application d’un deuxième niveau de pression P2 supérieur au premier niveau de pression P-ι, par exemple un deuxième niveau de pression P2 égal à 0,5 MPa, d’une des deux pièces sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs surfaces d’assemblage et o un maintien de la première température seuil Ti, puisthe application of a second pressure level P 2 greater than the first pressure level P-ι, for example a second pressure level P 2 equal to 0.5 MPa, from one of the two parts to the other according to a direction perpendicular to their assembly surfaces and o maintaining the first threshold temperature Ti, then
- Pendant une troisième durée t3-t2, de préférence comprise entre 2 et 10 min, o un maintien du deuxième niveau de pression P2, o une montée en température depuis la première température seuil Ti jusqu’à une deuxième température seuil T2 supérieure ou égale à la température de fusion Tf dudit alliage eutectique, par exemple la deuxième température seuil T2 étant supérieure à la température de fusion Tf d’une valeur au plus égale à 10%, de préférence au plus égale à 5%, de la valeur de ladite température de fusion,- During a third duration t 3 -t 2 , preferably between 2 and 10 min, o maintenance of the second pressure level P 2 , o a rise in temperature from the first threshold temperature Ti to a second threshold temperature T 2 greater than or equal to the melting temperature Tf of said eutectic alloy, for example the second threshold temperature T 2 being greater than the melting temperature Tf by a value at most equal to 10%, preferably at most equal to 5%, the value of said melting temperature,
- Pendant une quatrième durée t4-t3, de préférence comprise entre 1 min et 1 h, le maintien du deuxième niveau de pression P2 et de la température T2, puis- For a fourth duration t 4 -t 3 , preferably between 1 min and 1 h, maintaining the second pressure level P 2 and the temperature T 2 , then
- Pendant une cinquième durée t5-t4, de préférence comprise entre 10 et 30 min :- During a fifth duration t 5 -t 4 , preferably between 10 and 30 min:
o au moins l’un parmi le maintien du deuxième niveau de pression P2 et l’application d’un niveau de pression inférieur au niveau de pression P2, le cas échéant l’application du niveau de pression inférieur au niveau de pression P2 succédant au maintien du deuxième niveau de pression P2, par exemple le niveau de pression inférieur étant égal au premier niveau de pression Pi, et o un refroidissement jusqu’à l’ambiante ;o at least one of maintaining the second pressure level P 2 and applying a pressure level lower than the pressure level P 2 , if applicable applying the pressure level lower than the pressure level P 2 succeeding the maintenance of the second pressure level P 2 , for example the lower pressure level being equal to the first pressure level Pi, and o cooling to ambient;
- le procédé peut comprendre en outre, avant les étapes de mise en contact et sous pression et d’application d’un recuit, une étape de rinçage à l’eau déionisée, puis une étape de séchage, d’au moins l’une parmi au moins une surface libre de la deuxième couche et au moins une surface libre de la couche complémentaire, ces étapes étant paramétrées de sorte à éliminer au moins une partie d’un oxyde natif de l’élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique, les étapes de mise en contact et sous pression et d’application d’un recuit étant ensuite réalisées en évitant de préférence toute exposition prolongée des pièces à de l’oxygène ;- The process can also comprise, before the steps of bringing into contact and under pressure and of applying an annealing, a step of rinsing with deionized water, then a drying step, of at least one among at least one free surface of the second layer and at least one free surface of the complementary layer, these steps being parameterized so as to remove at least part of a native oxide from the element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy, the steps of bringing into contact and under pressure and of applying an annealing then being carried out preferably avoiding any prolonged exposure of the parts to oxygen;
- au moins l’une des pièces est fournie de sorte à comprendre au moins un dispositif ou élément microélectronique, par exemple un cordon de soudure ;- at least one of the parts is supplied so as to comprise at least one microelectronic device or element, for example a weld bead;
- les étapes de mise en contact et sous pression et l’étape d’application d’un recuit sont réalisées sous vide, à une pression comprise entre 10’3 et W7 mbar, par exemple égale à 5.10'5 mbar ;the steps of bringing into contact and under pressure and the step of applying an annealing are carried out under vacuum, at a pressure between 10 ′ 3 and W 7 mbar, for example equal to 5.10 ′ 5 mbar;
- l’élément propre à former, avec de l’aluminium, ledit alliage eutectique peut être choisi parmi : le germanium, le silicium, l’or, le cuivre ; et- the element capable of forming, with aluminum, said eutectic alloy can be chosen from: germanium, silicon, gold, copper; and
- au moins l’une parmi les première et deuxième pièces peut comprendre au moins des premier et deuxième morceaux de pièce et une brasure à base d’un alliage eutectique comprenant de l’aluminium entre les deux morceaux, ladite brasure scellant entre eux les deux morceaux et ayant été obtenue par mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes avec les premier et deuxième morceaux en lieu et place des première et deuxième pièces.- At least one of the first and second pieces may comprise at least first and second pieces of piece and a solder based on an eutectic alloy comprising aluminum between the two pieces, said solder sealing between them the two pieces and having been obtained by implementing the method according to any one of the preceding claims with the first and second pieces in place of the first and second pieces.
On entend par une couche à base d’un matériau A, une couche comprenant ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux, ces autres matériaux étant par exemple dans une proportion équivalente à celle du matériau A ou en moindre proportion.By a layer based on a material A is meant a layer comprising this material A and possibly other materials, these other materials being for example in a proportion equivalent to that of material A or in a lesser proportion.
On entend faire référence par « composition » ou « proportions » (par exemple eutectique(s)) d’un alliage à la composition ou aux proportions de cet alliage telle(s) que représentée(s) par la fraction molaire des éléments qui le composent. Les éléments considérés étant ici des atomes, on parle équivalemment de fraction atomique et de pourcentage atomique (noté % at). Une variation allant de -10% à +10% autour d’une composition donnée signifie que la fraction atomique de chacun des éléments de l’alliage varie autour de ladite valeur donnée dans une gamme de valeurs s’étendant :The term “composition” or “proportions” (for example eutectic (s)) of an alloy is intended to refer to the composition or to the proportions of this alloy as represented by the molar fraction of the elements which up. The elements considered here being atoms, we speak equivalently of atomic fraction and atomic percentage (noted% at). A variation going from -10% to + 10% around a given composition means that the atomic fraction of each of the elements of the alloy varies around said given value in a range of values ranging:
- i) depuis ladite valeur donnée moins 10% de cette valeur, ii) jusqu’à ladite valeur donnée plus 10% de cette valeur.- i) from said given value minus 10% of this value, ii) to said given value plus 10% of this value.
Une variation de la fraction atomique d’un élément de l’alliage implique une variation opposée dans les mêmes proportions des autres éléments de l’alliage.A variation of the atomic fraction of an element of the alloy implies an opposite variation in the same proportions of the other elements of the alloy.
On entend généralement par alliage « eutectique » un alliage dont la composition est telle que sa température de fusion est inférieure à la température de fusion des éléments purs constituant l’alliage. L’alliage de composition eutectique (binaire, ternaire, quaternaire, quinaire) fond et se solidifie à une température déterminée et constante. Cette température dite de fusion est plus basse que la température de fusion de l'un quelconque des éléments qui le composent, voire d’un autre alliage eutectique que l'on pourrait obtenir en mélangeant les mêmes éléments dans des proportions différentes.The term “eutectic” alloy generally means an alloy whose composition is such that its melting point is lower than the melting point of the pure elements constituting the alloy. The alloy of eutectic composition (binary, ternary, quaternary, quinary) melts and solidifies at a determined and constant temperature. This so-called melting temperature is lower than the melting temperature of any of the elements that compose it, or even of another eutectic alloy that could be obtained by mixing the same elements in different proportions.
Ici, on entend plus particulièrement par alliage « eutectique » un alliage dont la composition est telle que sa température de fusion Tf est strictement inférieure à une température seuil que l’on souhaite ne pas dépasser. Ainsi, s’il est préconisé de faire en sorte de respecter au mieux les proportions de l’eutectique, afin de bénéficier au mieux du phénomène physico-chimique exploité par la présente invention (et décrit plus bas) et afin de pouvoir abaisser au maximum la valeur de la température seuil à ne pas dépasser, il doit être noté qu’un alliage eutectique selon l’invention ne s’entend pas uniquement d’un alliage dont la composition est telle que sa température de fusion est minimale, mais s’étend à tout alliage présentant une composition proche de la stricte composition eutectique. On peut ainsi estimer qu’une composition égale à la stricte composition eutectique à plus ou moins 10% près, de préférence à plus ou moins 5% près, caractérise un alliage eutectique selon la présente invention. Ainsi, lorsque par la suite, il est fait mention d’une « composition eutectique » ou de « proportions eutectiques », ces mentions bénéficient de la même largesse d’interprétation que celle associée à toute mention d’un alliage eutectique tel que défini dans le cadre de la présente invention.Here, the term “eutectic” alloy is more particularly understood to mean an alloy whose composition is such that its melting temperature Tf is strictly lower than a threshold temperature which it is desired not to exceed. Thus, if it is recommended to ensure that the proportions of the eutectic are best respected, in order to benefit as much as possible from the physicochemical phenomenon exploited by the present invention (and described below) and in order to be able to lower as much as possible the value of the threshold temperature not to be exceeded, it should be noted that an eutectic alloy according to the invention does not only mean an alloy whose composition is such that its melting temperature is minimum, but s' extends to any alloy having a composition close to the strict eutectic composition. It can thus be estimated that a composition equal to the strict eutectic composition to within +/- 10%, preferably to within +/- 5%, characterizes an eutectic alloy according to the present invention. Thus, when reference is subsequently made to an "eutectic composition" or to "eutectic proportions", these terms benefit from the same broad interpretation as that associated with any mention of an eutectic alloy as defined in the scope of the present invention.
On entend par « bicouche » un multicouche comportant deux (mono)couches différentes entre elles, par exemple par le(s) matériau(x) à base desquelles sont constituées ces (mono)couches, et superposées, de préférence directement, l’une à l’autre.The term “bilayer” is understood to mean a multilayer comprising two (mono) layers which are different from each other, for example by the material (s) from which these (mono) layers are made, and superimposed, preferably directly, one to the other.
On entend par « recuit » un cycle de chauffage comprenant en une étape de montée graduelle en température suivie d'un refroidissement contrôlé.“Annealing” is understood to mean a heating cycle comprising in a step of gradual rise in temperature followed by controlled cooling.
On fait référence, en parlant de « microstructure », à un ensemble de caractéristiques géométriques des éléments qui composent la structure d'un matériau, à une échelle où ils ne sont observables qu'à l'aide de microscopes ou de techniques spécialisées. Lorsqu'il est utilisé dans le mot « microstructure », le préfixe « micro- » ne fait pas référence à des mesures précises. Ainsi, la microstructure d'un matériau peut comporter des éléments de taille nanométrique. Toutefois, les dimensions d'une microstructure sont généralement calculées en micromètres.Reference is made, when speaking of “microstructure”, to a set of geometric characteristics of the elements that make up the structure of a material, on a scale where they can only be observed using microscopes or specialized techniques. When used in the word "microstructure", the prefix "micro-" does not refer to specific measurements. Thus, the microstructure of a material can include elements of nanometric size. However, the dimensions of a microstructure are generally calculated in micrometers.
On entend par « couche inerte chimiquement » une couche à base d’un matériau défini en ce qu’il ne réagit pas chimiquement avec au moins un autre matériau destiné à être au contact, notamment direct, de la couche inerte chimiquement. L’aspect « inerte chimiquement » de la couche est à évaluer au regard de la fonction de ladite couche inerte chimiquement. Par exemple, la couche est inerte chimiquement au moins dans des conditions de dépôt dudit au moins un autre matériau sur ladite couche inerte chimiquement. Par exemple, la couche est inerte chimiquement dans des conditions d’utilisation d’un dispositif microélectronique comprenant le matériau de la couche inerte chimiquement et ledit au moins un autre matériau.The term “chemically inert layer” means a layer based on a material defined in that it does not react chemically with at least one other material intended to be in contact, in particular direct, with the chemically inert layer. The “chemically inert” aspect of the layer is to be evaluated with regard to the function of said chemically inert layer. For example, the layer is chemically inert at least under conditions of deposition of said at least one other material on said chemically inert layer. For example, the layer is chemically inert under conditions of use of a microelectronic device comprising the material of the chemically inert layer and said at least one other material.
On entend par « inférieur » et « supérieur », respectivement « inférieur ou égal » et « supérieur ou égal ». L’égalité est exclue par l’usage des termes « strictement inférieur » et « strictement supérieur ».The terms "lower" and "upper" mean respectively "lower or equal" and "higher or equal". Equality is excluded by the use of the terms "strictly inferior" and "strictly superior".
On entend par « au moins un ordre de grandeur supérieur (ou inférieur) », au moins 10 fois supérieur (ou inférieur).By "at least an order of magnitude higher (or lower)" is meant at least 10 times higher (or lower).
On entend par « température ambiante », la température de l'air à l'emplacement où le procédé est destiné à être mis en œuvre.The term “ambient temperature” means the temperature of the air at the location where the process is intended to be carried out.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « sur », « surmonte », « recouvre » ou « sous-jacent » ou leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l’une de l’autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d’elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.It is specified that in the context of the present invention, the term "on", "overcomes", "covers" or "underlying" or their equivalents does not necessarily mean "in contact with". Thus for example, the deposition of a first layer on a second layer, does not necessarily mean that the two layers are directly in contact with each other but it means that the first layer at least partially covers the second layer in being either directly in contact with it, or being separated from it by at least one other layer or at least one other element.
Par dispositif ou élément de dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif ou d’élément réalisé avec des moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, tel qu’un cordon de soudure, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).By microelectronic device or element means any type of device or element made with microelectronic means. These devices include in particular in addition to devices with a purely electronic purpose, such as a weld bead, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS ...) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS ...).
Par système microélectronique, on entend tout type de systèmes fonctionnels comprenant au moins un dispositif microélectronique. Ces systèmes englobent notamment en plus des systèmes à finalité purement électronique, des systèmes micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des systèmes optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).By microelectronic system is meant any type of functional system comprising at least one microelectronic device. These systems include, in addition to purely electronic systems, micromechanical or electromechanical systems (MEMS, NEMS ...) as well as optical or optoelectronic systems (MOEMS ...).
Dans la présente demande de brevet, l’épaisseur est prise selon une direction perpendiculaire aux surfaces d’assemblage des pièces à assembler. Sur les figures 1A, 1B, 2A, 2B, 3, 6A et 6B, l’épaisseur est prise selon la verticale.In this patent application, the thickness is taken in a direction perpendicular to the assembly surfaces of the parts to be assembled. In FIGS. 1A, 1B, 2A, 2B, 3, 6A and 6B, the thickness is taken vertically.
Les valeurs données ci-dessous sont données à une marge de tolérance près. Cette marge de tolérance peut être définie comme s'étendant de -10 % à +10 % de la valeur donnée, de préférence de -5 % à +5 % de la valeur donnée.The values given below are given to within a tolerance margin. This tolerance margin can be defined as ranging from -10% to +10% of the given value, preferably from -5% to +5% of the given value.
L’invention vise notamment à réaliser un scellement eutectique entre deux pièces à une température strictement inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-dessus de laquelle l'une des pièces à assembler serait fonctionnellement et négativement impactée. Par exemple, ladite valeur seuil prédéterminée est égale à 500°C, de préférence à 450°C. En ne dépassant pas cette température seuil, les dispositifs ou éléments de dispositifs microélectroniques que comprendrait éventuellement une des pièces peuvent avantageusement être préservés dans leur intégrité.The invention aims in particular to achieve eutectic sealing between two parts at a temperature strictly below a predetermined threshold value above which one of the parts to be assembled would be functionally and negatively impacted. For example, said predetermined threshold value is equal to 500 ° C., preferably to 450 ° C. By not exceeding this threshold temperature, the devices or elements of microelectronic devices that one of the parts could possibly include can advantageously be preserved in their integrity.
En référence aux figures 4, 5, 6A et 6B, le procédé de scellement 100 selon un mode de réalisation de l’invention est décrit ci-dessous.With reference to FIGS. 4, 5, 6A and 6B, the sealing method 100 according to an embodiment of the invention is described below.
Le procédé comprend tout d’abord une étape consistant à fournir 110 au moins deux pièces 1,2. Chaque pièce fournie 110 présente une surface d’assemblage 1a, 2a par scellement à au moins une autre pièce. Les surfaces d'assemblage 1a et 2a des pièces 1,2 sont destinées à permettre l'assemblage des pièces entre elles. Elles sont de préférence sensiblement complémentaires l'une de l'autre.The method first comprises a step consisting in supplying 110 at least two pieces 1,2. Each supplied part 110 has an assembly surface 1a, 2a by sealing to at least one other part. The assembly surfaces 1a and 2a of the parts 1, 2 are intended to allow the parts to be assembled together. They are preferably substantially complementary to each other.
Chaque pièce peut être à base de n’importe quels matériaux. Elle est par exemple à base de l’un au moins parmi les matériaux suivants : le silicium, la silice, le verre, le saphir, l’alumine, le germanium, le phosphure d’indium, le nitrure de gallium, le sulfure de gallium, l’arséniure de gallium, le nitrure de gallium et le carbure de silicium. Cependant, il peut également s’agir d’une pièce métallique, par exemple en acier, en fer, ou en cuivre.Each piece can be made from any material. It is for example based on at least one of the following materials: silicon, silica, glass, sapphire, alumina, germanium, indium phosphide, gallium nitride, gallium, gallium arsenide, gallium nitride and silicon carbide. However, it can also be a metal part, for example steel, iron, or copper.
Chaque pièce peut plus particulièrement comprendre une tranche à base d’un matériau semi-conducteur (ou « wafer » selon la terminologie anglosaxonne). Généralement, chaque tranche présente deux faces circulaires opposées l’une à l’autre. Une face circulaire de chaque pièce est susceptible de jouer le rôle de surface d’assemblage à la face circulaire d’une autre pièce. Les tranches ont généralement un diamètre égal à 200 mm ou à 300 mm. Si la configuration illustrée sur la figure 6A schématise deux tranches 1 et 2 de même diamètre, il est envisageable d’implémenter le procédé de scellement selon l’invention pour sceller entre elles deux tranches de diamètre différent.Each piece can more particularly comprise a wafer based on a semiconductor material (or "wafer" according to English terminology). Generally, each slice has two circular faces opposite one another. A circular face of each part is capable of playing the role of assembly surface to the circular face of another part. The slices generally have a diameter equal to 200 mm or 300 mm. If the configuration illustrated in FIG. 6A shows diagrammatically two sections 1 and 2 of the same diameter, it is conceivable to implement the sealing method according to the invention to seal between them two sections of different diameter.
Par ailleurs, au moins une des pièces fournies 110 peut comprendre au moins un dispositif ou élément microélectronique, par exemple un cordon de soudure.Furthermore, at least one of the parts supplied 110 may comprise at least one microelectronic device or element, for example a weld bead.
Il est envisagé de former 115, 116 une sous-couche 6, de préférence chimiquement inerte, au moins sur la surface assemblage de l’une parmi une première pièce 1 et une deuxième pièce 2. Dans cette éventualité, le procédé tel qu’illustré sur la figure 5 peut plus particulièrement comprendre, avant l’étape de dépôt 120 de la première couche 4 à base d’aluminium, une étape de formation 115 d’une couche inerte chimiquement 6 au moins sur la surface d’assemblage 1a de la première pièce 1 (surface 1a sur laquelle la première couche 4 à base d’aluminium est destinée à être déposée 120). De même, le procédé peut comprendre, avant l’étape de dépôt 140 de la couche complémentaire 5a, une étape de formation 116 d’une couche inerte chimiquement 6 au moins sur la surface d’assemblage 2a de la deuxième pièce 2 (surface 2a sur laquelle la couche complémentaire 5a est destinée à être déposée).It is envisaged to form 115, 116 a sublayer 6, preferably chemically inert, at least on the assembly surface of one of a first part 1 and a second part 2. In this event, the process as illustrated in FIG. 5 can more particularly comprise, before the step of depositing 120 of the first aluminum-based layer 4, a step of forming 115 of a chemically inert layer 6 at least on the assembly surface 1a of the first part 1 (surface 1a on which the first layer 4 based on aluminum is intended to be deposited 120). Likewise, the method may comprise, before the step of depositing 140 of the complementary layer 5a, a step 116 of forming a chemically inert layer 6 at least on the assembly surface 2a of the second part 2 (surface 2a on which the additional layer 5a is intended to be deposited).
Lorsqu’au moins l’une des première et deuxième pièces 1, 2 est à base de silicium, la couche inerte chimiquement 6 peut être formée 115, 116 à base d’oxyde de silicium, par oxydation de surface de la pièce ou à base de nitrure de titane (TiN) par exemple par dépôt physique en phase vapeur.When at least one of the first and second parts 1, 2 is based on silicon, the chemically inert layer 6 can be formed 115, 116 based on silicon oxide, by surface oxidation of the part or based titanium nitride (TiN) for example by physical vapor deposition.
Chaque couche inerte chimiquement peut avoir au moins l’une ou l’autre des deux fonctions suivantes : i) éviter que le matériau de la pièce ne réagisse, notamment chimiquement, avec le matériau de la couche destinée à être déposée sur la pièce et ii) préparer l’état de surface de la pièce afin de pouvoir y déposer le matériau de la couche destinée à être déposée sur la pièce.Each chemically inert layer can have at least one or the other of the following two functions: i) prevent the material of the part from reacting, in particular chemically, with the material of the layer intended to be deposited on the part and ii ) prepare the surface condition of the part so that the layer material intended to be deposited on the part can be deposited there.
Dans le cas particulier où le matériau de la couche destinée à être déposée sur la pièce est identique au matériau à base duquel la pièce est constituée, il est encore possible que la sous-couche couche 6 vise à isoler la pièce de la couche destinée à être déposée sur la pièce, de sorte que le phénomène physico-chimique exploité par le procédé selon l’invention ne soit pas influencé. Plus particulièrement, du fait que le phénomène physicochimique exploité repose en partie sur le respect de proportions des différents matériaux en jeu au niveau de l’interface de scellement, une pièce constituée en un matériau identique à celui de la couche destinée à être déposée sur la pièce pourrait apparaître comme une source quasi-infinie et par là influencer le phénomène physico-chimique que l’on souhaite exploiter. Isoler la pièce de la couche via une couche inerte chimiquement 6 permet d’éviter ce type d’influence. Une telle influence n’est pas nécessairement à éviter, mais peut résulter en un contrôle moins fin du phénomène physico-chimique exploité.In the particular case where the material of the layer intended to be deposited on the part is identical to the material on the basis of which the part is made, it is still possible that the sub-layer layer 6 aims to isolate the part from the layer intended to be deposited on the part, so that the physico-chemical phenomenon exploited by the process according to the invention is not influenced. More particularly, the fact that the physicochemical phenomenon exploited is partly based on the respect of proportions of the different materials involved at the level of the sealing interface, a part made of a material identical to that of the layer intended to be deposited on the piece could appear as an almost infinite source and thereby influence the physico-chemical phenomenon that one wishes to exploit. Isolating the part from the layer via a chemically inert layer 6 makes it possible to avoid this type of influence. Such an influence is not necessarily to be avoided, but can result in less fine control of the physico-chemical phenomenon exploited.
Suite à l’étape de fourniture 110 des deux pièces 1,2, et éventuellement à l’étape de formation 115 d’une couche inerte chimiquement 6, le procédé comprend une étape consistant à déposer 120 au moins une première couche 4 à base d’aluminium au moins sur la surface d’assemblage 1a de la première pièce 1. Cette étape de dépôt 120 est de préférence paramétrée de sorte que la première couche 4 présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 10 pm, plus particulièrement comprise entre 60 nm et 10 pm, de préférence comprise entre 500 nm et 5 pm. L’un des avantages du scellement eutectique est de s’affranchir des défauts topographiques des surfaces à assembler. Pour que le liquide à la composition eutectique « recouvre » ces défauts, il est préférable d’avoir suffisamment de liquide. Les gammes d’épaisseur indiquées ci-dessus permettent de s’en assurer. Cependant, outre le fait de minimiser la taille de l’assemblage, il n’y a pas d’avantage à respecter la borne supérieure de ces gammes. Par ailleurs, l’épaisseur de la couche d’oxyde d’aluminium étant de quelques nanomètres, les particules nanométriques générées par le morcellement et la dispersion de la couche d’oxyde d’aluminium doivent de préférence représenter une fraction faible, voire très faible, du joint de brasure. En conséquence, une épaisseur totale du joint de brasure supérieure à 100 nm parait raisonnable. Dès lors, l’épaisseur de la première couche 4 à base d’aluminium ne devrait pas de préférence être inférieure à 50 ou 60 nm.Following the step of supplying 110 of the two parts 1,2, and optionally the step of forming 115 of a chemically inert layer 6, the method comprises a step consisting in depositing 120 at least a first layer 4 based on d aluminum at least on the assembly surface 1a of the first part 1. This deposition step 120 is preferably configured so that the first layer 4 has a thickness of between 50 nm and 10 μm, more particularly between 60 nm and 10 pm, preferably between 500 nm and 5 pm. One of the advantages of eutectic sealing is to be free from topographical defects of the surfaces to be assembled. In order for the liquid with the eutectic composition to "cover" these defects, it is preferable to have enough liquid. The thickness ranges indicated above allow to be sure. However, in addition to minimizing the size of the assembly, there is no advantage in respecting the upper limit of these ranges. Furthermore, since the thickness of the aluminum oxide layer is a few nanometers, the nanometric particles generated by the breaking up and dispersion of the aluminum oxide layer should preferably represent a small fraction, or even very small. , of the solder joint. Consequently, a total thickness of the solder joint greater than 100 nm seems reasonable. Therefore, the thickness of the first aluminum-based layer 4 should preferably not be less than 50 or 60 nm.
De nombreuses techniques de dépôt de la première couche 4 sont envisageables parmi lesquelles : des techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD pour « Physical Vapor Deposition ») telles que, par exemple, l’évaporation par faisceau d’électrons ou la pulvérisation cathodique, des techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour « Chemical Vapor Deposition ») telles que, par exemple, la CVD à pression sous-atmosphérique (SACVD pour « Sub-Atmospheric CVD »), la CVD assistée par plasma (PECVD pour « Plasma Enhanced CVD »), etc. Dans son acception la plus large, le procédé selon l’invention n’est pas limité à l’utilisation d’une technique de dépôt spécifique.Many deposition techniques for the first layer 4 can be envisaged, including: physical vapor deposition techniques (PVD for “Physical Vapor Deposition”) such as, for example, electron beam evaporation or sputtering , chemical vapor deposition techniques (CVD for “Chemical Vapor Deposition”) such as, for example, CVD at sub-atmospheric pressure (SACVD for “Sub-Atmospheric CVD”), CVD assisted by plasma (PECVD for "Plasma Enhanced CVD"), etc. In its broadest sense, the method according to the invention is not limited to the use of a specific deposition technique.
Le procédé selon le mode de réalisation illustrée sur la figure 5 comprend ensuite une étape consistant à déposer 130 une deuxième couche 5 à base de germanium au moins sur la première couche 4. L’étape de dépôt 130 de la deuxième couche 5 peut alors être paramétrée de sorte que la deuxième couche présente une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm.The method according to the embodiment illustrated in FIG. 5 then comprises a step consisting in depositing 130 a second layer 5 based on germanium at least on the first layer 4. The step 130 of depositing the second layer 5 can then be configured so that the second layer has a thickness between 10 nm and 100 nm.
Le mode de réalisation présentement décrit prévoit effectivement que la deuxième couche 5 soit à base de germanium en tant qu’élément propre à former, avec de l’aluminium, un alliage eutectique. Toutefois, d’autres éléments propres à former, avec de l’aluminium, un autre alliage eutectique sont également envisagées parmi lesquels : le silicium, l’or, et le cuivre. Le zinc, le magnésium et le calcium sont également des éléments propres à former avec l’aluminium un alliage eutectique, mais ce sont des éléments extrêmement oxydables et très volatils, ce qui peut les rendre impropres à une utilisation dans le procédé selon l’invention. L’on peut donc requérir de tout élément propre à former un alliage eutectique avec de l’aluminium qu’il soit en outre moins oxydable et/ou moins volatil, au moins dans les conditions de scellement eutectique, que chacun des éléments parmi le zinc, le magnésium et le calcium. Il en existe d’autres éléments propres à former avec l’aluminium un alliage eutectique, mais les températures de fusion des eutectiques associées excèdent celle de l’eutectique Al-Si, à savoir 577 °C.The presently described embodiment effectively provides that the second layer 5 is based on germanium as an element capable of forming, with aluminum, a eutectic alloy. However, other elements suitable for forming, with aluminum, another eutectic alloy are also envisaged, among which: silicon, gold, and copper. Zinc, magnesium and calcium are also elements capable of forming a eutectic alloy with aluminum, but they are extremely oxidizable and very volatile elements, which can make them unsuitable for use in the process according to the invention. . Any element capable of forming an eutectic alloy with aluminum may therefore be required to be more oxidizable and / or less volatile, at least under the eutectic sealing conditions, than each of the elements among the zinc. , magnesium and calcium. There are other elements suitable for forming an eutectic alloy with aluminum, but the melting temperatures of the associated eutectics exceed that of the Al-Si eutectic, namely 577 ° C.
Notons ici que la température de fusion d'un alliage Al-Ge à la composition eutectique est égale à 424°C. En outre, les proportions strictes de l’eutectique Al-Ge sont de 29,5 % at de Ge et 70,5 % at d’AI. Ainsi, en vue de respecter les proportions de l’eutectique Al-Ge, la première couche 4 à base d’aluminium est nécessairement plus épaisse que la deuxième couche 5 à base de germanium.Note here that the melting temperature of an Al-Ge alloy with the eutectic composition is equal to 424 ° C. In addition, the strict proportions of Al-Ge eutectics are 29.5% at Ge and 70.5% at AI. Thus, in order to respect the proportions of the Al-Ge eutectic, the first layer 4 based on aluminum is necessarily thicker than the second layer 5 based on germanium.
Chacune des techniques de dépôt énoncées ci-dessus relativement au dépôt de la première couche 4 est susceptible d’être implémentée pour déposer la deuxième couche 5.Each of the deposition techniques set out above with respect to the deposition of the first layer 4 can be implemented to deposit the second layer 5.
Le dépôt d’une bicouche comprenant une couche d’aluminium et une couche de germanium sur la couche d’aluminium peuvent être réalisées de sorte que l’aluminium ne soit pas remis en contact avec du dioxygène. Toutefois, ceci nécessite des équipements spéciaux. Et généralement, les étapes de dépôt de la couche à base d’aluminium et de la couche à base de germanium ne sont pas réalisées dans une même enceinte hermétique, ce qui se traduit par la mise en contact de l’aluminium de la première couche 4 avec l’oxygène de l’atmosphère, et donc par une oxydation en surface de la première couche 4 à base d’aluminium, avant le dépôt de la deuxième couche à base de germanium. C’est ainsi que la couche de germanium est généralement déposée sur une couche d’aluminium ayant été remise en contact avec du dioxygène et présentant par conséquent une couche superficielle d’oxyde d’aluminium. C’est notamment cette couche superficielle d’oxyde d’aluminium qui explique que les configurations envisagées dans l’art antérieur sont insatisfaisantes. En effet, comme vu en introduction, l’oxydation de l’aluminium, même limitée à la surface d’une couche à base d’aluminium, ne favorise pas la formation d’une interface de collage hermétique entre deux pièces à assembler.The deposition of a bilayer comprising an aluminum layer and a germanium layer on the aluminum layer can be carried out so that the aluminum is not brought back into contact with oxygen. However, this requires special equipment. And generally, the steps of depositing the aluminum-based layer and the germanium-based layer are not carried out in the same hermetic enclosure, which results in the contacting of the aluminum of the first layer. 4 with atmospheric oxygen, and therefore by surface oxidation of the first layer 4 based on aluminum, before the deposition of the second layer based on germanium. This is how the germanium layer is generally deposited on an aluminum layer which has been brought back into contact with dioxygen and therefore has a surface layer of aluminum oxide. It is notably this surface layer of aluminum oxide which explains that the configurations envisaged in the prior art are unsatisfactory. Indeed, as seen in the introduction, the oxidation of aluminum, even limited to the surface of an aluminum-based layer, does not promote the formation of a hermetic bonding interface between two parts to be assembled.
Dans l’absolu, le procédé selon l’invention ne nécessite pas pour pouvoir être implémenté, et permettre l’obtention d’une interface de collage hermétique, qu’une couche superficielle d’oxyde d’aluminium 5a soit formée. Cependant, c’est dans ce contexte que le procédé selon l’invention présente toute l’étendue de son intérêt.In absolute terms, the process according to the invention does not require, in order to be able to be implemented, and to allow the obtaining of a hermetic bonding interface, that a surface layer of aluminum oxide 5a be formed. However, it is in this context that the method according to the invention has the full extent of its interest.
Ainsi, comme illustré sur la figure 5, le procédé de scellement 100 selon l’invention peut avantageusement comprendre une étape consistant à oxyder au moins une surface libre de la première couche 4.Thus, as illustrated in FIG. 5, the sealing method 100 according to the invention can advantageously comprise a step consisting in oxidizing at least one free surface of the first layer 4.
L’étape d’oxydation de la surface libre de la première couche 4 peut être spontanée ou pilotée. Plus particulièrement, elle peut consister soit à permettre l’oxydation, soit à la réaliser par un acte positif. Permettre l’oxydation consiste simplement à laisser la première couche 4 exposée à l’oxygène de l’atmosphère, tandis que réaliser l’oxydation peut consister à exposer la première couche 4 à de l’oxygène, par exemple en l’insérant dans une enceinte à atmosphère contrôlé comprenant de l’oxygène. Qu’elle soit spontanée ou pilotée, l’étape d’oxydation résulte en la formation d’une couche superficielle d’oxyde d’aluminium 4a par oxydation en surface de la première couche 4. La couche superficielle 4a présente généralement une épaisseur comprise entre 1 et 10 nm.The oxidation step of the free surface of the first layer 4 can be spontaneous or controlled. More particularly, it can consist either of allowing oxidation, or of carrying it out by a positive act. Allowing oxidation simply consists in leaving the first layer 4 exposed to oxygen from the atmosphere, while carrying out the oxidation can consist in exposing the first layer 4 to oxygen, for example by inserting it into a enclosure with controlled atmosphere comprising oxygen. Whether spontaneous or controlled, the oxidation step results in the formation of a surface layer of aluminum oxide 4a by oxidation on the surface of the first layer 4. The surface layer 4a generally has a thickness of between 1 and 10 nm.
La deuxième couche 5 est ainsi déposée directement sur la première couche 4, et plus particulièrement directement sur la couche superficielle 4a d’oxyde d’aluminium.The second layer 5 is thus deposited directly on the first layer 4, and more particularly directly on the surface layer 4a of aluminum oxide.
De préférence, l’étape de dépôt 130 de la deuxième couche 5 et l’étape de dépôt 140 de la couche complémentaire 5a sont paramétrées de sorte qu’une épaisseur cumulée de la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a soit supérieure à 10 nm. Ainsi, le matériau à base duquel la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a sont constituées va migrer à travers (ou dans) la couche d’oxyde natif, former un liquide avec l’aluminium et l’oxyde natif d’aluminium est morcelé et dispersé dans ce liquide. Notons que la dissolution de l’oxyde natif d’aluminium dans le liquide est pratiquement nulle. En complément ou en alternative, il est envisagé que l’étape de dépôt 130 de la deuxième couche 5 soit paramétrée de sorte que l’épaisseur de la deuxième couche 5 soit au moins égale, de préférence supérieure, à l’épaisseur de la couche superficielle 4a d’oxyde d’aluminium. Par exemple l’épaisseur de la deuxième couche 5 est égale ou supérieure au double de l’épaisseur de la couche superficielle 4a. Toutefois, la répartition de l’épaisseur cumulée de la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a entre les couches 5 et 5a n’est pas limitante du moment qu’il y en a des deux côtés, avec une épaisseur minimale de 10 nm pour la plus fine des 2.Preferably, the deposition step 130 of the second layer 5 and the deposition step 140 of the complementary layer 5a are configured so that a cumulative thickness of the second layer 5 and of the complementary layer 5a is greater than 10 nm. Thus, the material on the basis of which the second layer 5 and of the complementary layer 5a are made will migrate through (or in) the layer of native oxide, form a liquid with aluminum and the native aluminum oxide is fragmented and dispersed in this liquid. Note that the dissolution of the native aluminum oxide in the liquid is practically zero. In addition or as an alternative, it is envisaged that the deposition step 130 of the second layer 5 is configured so that the thickness of the second layer 5 is at least equal, preferably greater, than the thickness of the layer surface 4a of aluminum oxide. For example, the thickness of the second layer 5 is equal to or greater than twice the thickness of the surface layer 4a. However, the distribution of the cumulative thickness of the second layer 5 and of the complementary layer 5a between layers 5 and 5a is not limiting as long as there are two on both sides, with a minimum thickness of 10 nm for the finer of 2.
En référence aux figures 5 et 6A, l’étape de dépôt 140 d’une couche complémentaire 5a à base de germanium au moins sur la surface d’assemblage 2a de la deuxième pièce 2 est décrite ci-dessous en référence aux figures 5 et 6A.With reference to FIGS. 5 and 6A, the step 140 of depositing an additional layer 5a based on germanium at least on the assembly surface 2a of the second part 2 is described below with reference to FIGS. 5 and 6A .
Cette étape de dépôt 140 n’implique aucunement la première pièce 1. Dès lors les étapes de dépôt 120 et 130 d’une part et l’étape de dépôt 140 d’autre part peuvent être implémentées de façon décorrélée en temps et/ou en espace.This deposition step 140 does not in any way involve the first part 1. Consequently, the deposition steps 120 and 130 on the one hand and the deposition step 140 on the other hand can be implemented decorrelated in time and / or in space.
Les mêmes techniques de dépôt que celles énoncées ci-dessus relativement au dépôt de la première couche 4 sont envisageables pour réaliser le dépôt 140 de la couche complémentaire 5a.The same deposition techniques as those set out above with respect to the deposition of the first layer 4 can be envisaged for carrying out the deposition 140 of the complementary layer 5a.
L’étape de dépôt 140 de la couche complémentaire 5a est paramétrée, relativement à l’étape de dépôt 130 de la deuxième couche 5, de sorte qu’une épaisseur de la couche complémentaire 5a soit supérieure, de préférence au moins trois fois supérieure, à une épaisseur de la deuxième couche 5.The deposition step 140 of the complementary layer 5a is configured, relative to the deposition step 130 of the second layer 5, so that a thickness of the complementary layer 5a is greater, preferably at least three times greater, at a thickness of the second layer 5.
En complément ou en alternative, les étapes de dépôt 130 et 140 de la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a sont paramétrées, relativement à l’étape de dépôt 120 de la première couche 4, de sorte que le ratio entre :In addition or as an alternative, the deposition steps 130 and 140 of the second layer 5 and of the complementary layer 5a are configured, relative to the deposition step 120 of the first layer 4, so that the ratio between:
- une épaisseur de la première couche 4 et- a thickness of the first layer 4 and
- une épaisseur cumulée de la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a, respecte une composition eutectique de l’alliage Al-Ge.- a cumulative thickness of the second layer 5 and of the complementary layer 5a, respects a eutectic composition of the Al-Ge alloy.
Un tel ratio de l’épaisseur cumulée de la deuxième couche 5 et de la couche complémentaire 5a à base de germanium sur l’épaisseur de la première couche 4 à base d’aluminium permet de respecter relativement précisément la composition eutectique de l’alliage Al-Ge lorsqu’il est égal à 0,59. Cependant, cette contrainte peut être relâchée notamment en dépassant, lors des étapes de mise en contact et sous pression 150 et d’application d’un recuit 160 (qui seront décrites plus bas), la température de fusion Tf minimale de l’alliage eutectique Al-Ge. En effet, de part et d’autre de la composition eutectique stricte, des compositions d’alliage existent dont les températures de fusion Tf associées restent inférieures à la température seuil que l’on souhaite ne pas dépasser. Ainsi, il est tout à fait envisageable, y compris lorsqu’une des pièces 1, 2 à assembler comprend au moins un dispositif ou élément de dispositif microélectronique susceptible d’être endommagé à une température supérieure à ladite température seuil, que la composition eutectique stricte de l’alliage ne soit respectée qu’à plus ou moins 10% près. De préférence, la composition eutectique stricte sera respectée à plus ou moins 5% près.Such a ratio of the cumulative thickness of the second layer 5 and of the additional layer 5a based on germanium on the thickness of the first layer 4 based on aluminum makes it possible to respect relatively precisely the eutectic composition of the alloy Al -Ge when it is equal to 0.59. However, this constraint can be relaxed in particular by exceeding, during the steps of bringing into contact and under pressure 150 and applying an annealing 160 (which will be described below), the minimum melting temperature Tf of the eutectic alloy al-Ge. Indeed, on both sides of the strict eutectic composition, alloy compositions exist whose associated melting temperatures Tf remain below the threshold temperature which it is desired not to exceed. Thus, it is entirely conceivable, even when one of the parts 1, 2 to be assembled comprises at least one device or element of microelectronic device liable to be damaged at a temperature above said threshold temperature, that the strict eutectic composition of the alloy is only respected more or less 10%. Preferably, the strict eutectic composition will be respected to within ± 5%.
En référence à la figure 5, le procédé de scellement 100 selon le mode de réalisation illustré peut en outre comprendre, avant de mettre en contact et sous pression 150 les pièces 1, 2 l’une avec l’autre et d’appliquer un recuit 160, une étape de rinçage 145 à l’eau déionisée, puis une étape de séchage 146, de l’une au moins parmi la surface libre de la deuxième couche 5 est la surface libre de la couche complémentaire 5a. Ces étapes sont paramétrées pour éliminer au moins une partie d’oxyde natif de germanium. Un tel oxyde natif est en effet susceptible de se former entre d’une part le dépôt 130, 140 de chaque couche de germanium 5, 5a et d’autre part les étapes de mise en contact et sous pression140 et d’application d’un recuit 160. Ces dernières sont réalisées de préférence au plus tôt après les étapes de rinçage et de séchage, afin d’éviter tout contact prolongé des substrats 1,2 avec de l’oxygène.Referring to Figure 5, the sealing method 100 according to the illustrated embodiment may further comprise, before bringing the parts 1, 2 into contact and under pressure 150 with one another and applying annealing 160, a rinsing step 145 with deionized water, then a drying step 146, of at least one of the free surface of the second layer 5 is the free surface of the complementary layer 5a. These steps are configured to remove at least part of native germanium oxide. Such a native oxide is in fact capable of forming between on the one hand the deposit 130, 140 of each layer of germanium 5, 5a and on the other hand the stages of bringing into contact and under pressure140 and of applying a annealing 160. The latter are preferably carried out as soon as possible after the rinsing and drying steps, in order to avoid any prolonged contact of the substrates 1, 2 with oxygen.
En référence aux figures 5 et 6B, le procédé de scellement 100 de pièces 1, 2 entre elles via un alliage eutectique 3 à base d’aluminium 3a comprend ensuite les étapes suivantes :With reference to FIGS. 5 and 6B, the method of sealing 100 of parts 1, 2 to each other via an eutectic alloy 3 based on aluminum 3a then comprises the following steps:
- Mettre en contact et sous pression 150 les surfaces d’assemblage 1a, 2a de la première pièce 1 et de la deuxième pièce 2 entre elles par l’intermédiaire des première et deuxième couches 4, 5 et de la couche complémentaire 5a, la deuxième couche 5 étant au contact, voire directement au contact, de la couche complémentaire 5a, et- Put in contact and under pressure 150 the assembly surfaces 1a, 2a of the first part 1 and of the second part 2 between them by means of the first and second layers 4, 5 and of the complementary layer 5a, the second layer 5 being in contact, or even directly in contact, with the complementary layer 5a, and
- Appliquer un recuit 160 jusqu’à atteindre, voire dépasser, une température de fusion Tf propre audit alliage eutectique 3,- Apply an annealing 160 until reaching, or even exceeding, a melting temperature Tf specific to said eutectic alloy 3,
L’on forme ainsi, à partir des première et deuxième couches 4, 5 et de la couche complémentaire 5a, une brasure 3ab, telle qu’illustrée sur la figure 6B, à base dudit alliage eutectique 3 entre les première et deuxième pièces 1,2. L’étape de mise en contact et sous pression 150 est au moins en partie concomitante à l’étape d’application d’un recuit 160. Ceci a été illustré sur la figure 5 par la disposition des cadres référencés 150 et 160 dans un cadre plus grand les incluant et par l’absence de flèche entre les cadres 150 et 160. Par ailleurs, les étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 s’appliquent au moins sur chacune parmi les première et deuxième couches 4, 5 et la couche complémentaire 5a. Elles permettent de transformer, en les chauffant, ces trois couches 4, 5 et 5a en un liquide à la composition eutectique, puis elles permettent de transformer, en le refroidissant, ce liquide à la composition eutectique en une microstructure eutectique.Thus, from the first and second layers 4, 5 and the complementary layer 5a, a brazing 3ab, as illustrated in FIG. 6B, is formed, based on said eutectic alloy 3 between the first and second parts 1, 2. The contacting and pressurizing step 150 is at least partly concomitant with the step of applying an annealing 160. This has been illustrated in FIG. 5 by the arrangement of the frames referenced 150 and 160 in a frame. larger including them and by the absence of arrow between the frames 150 and 160. Furthermore, the steps of pressurizing 150 and annealing 160 apply at least on each of the first and second layers 4, 5 and the complementary layer 5a. They make it possible to transform, by heating them, these three layers 4, 5 and 5a into a liquid with the eutectic composition, then they make it possible to transform, by cooling, this liquid with the eutectic composition into a eutectic microstructure.
Lorsque chacune des deux pièces comprend des éléments de dispositifs microélectroniques, il peut être nécessaire de soigner l’alignement des pièces entre elles, lors de leur mise en contact et sous pression 140, de sorte à placer correctement les éléments de dispositifs microélectroniques les uns par rapport aux autres.When each of the two parts comprises elements of microelectronic devices, it may be necessary to take care of the alignment of the parts with one another, when they are brought into contact and under pressure 140, so as to correctly place the elements of microelectronic devices one by one. compared to others.
En particulier dans ce contexte, la mise en contact et sous pression 140 des deux pièces entre elles peut être réalisée, par une machine de manipulation d’au moins une des pièces 1, 2, cette machine étant équipée par exemple d’un système de repérage par laser pour contrôler l’alignement des pièces entre elles. De façon plus générale, la mise en contact 140 des deux pièces 1,2 peut être réalisée par un opérateur.In particular in this context, bringing the two parts into contact and under pressure 140 can be carried out, by a machine for handling at least one of the parts 1, 2, this machine being equipped for example with a laser marking to control the alignment of the parts with each other. More generally, the contacting 140 of the two parts 1, 2 can be carried out by an operator.
Lorsque chacune des deux pièces 1, 2 comprend une tranche présentant un diamètre égal à 200 mm, les étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 peuvent comprendre l’une au moins parmi :When each of the two parts 1, 2 comprises a wafer having a diameter equal to 200 mm, the pressurizing 150 and annealing 160 steps may include at least one of:
- l’application d’au moins un niveau de pression d’une des deux pièces 1,2 sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs faces circulaires 1a, 2a mises en contact 150, la pression étant comprise entre 0,05 Mpa et 3 Mpa, de préférence comprise entre 0,1 Mpa et 0,5 Mpa, etthe application of at least one pressure level from one of the two parts 1,2 to the other in a direction perpendicular to their circular faces 1a, 2a brought into contact 150, the pressure being between 0.05 Mpa and 3 Mpa, preferably between 0.1 Mpa and 0.5 Mpa, and
- l’application d’au moins un niveau de force de compression d’une des deux pièces 1,2 sur l’autre selon une direction perpendiculaire à leurs faces circulaires 1a, 2a mises en contact 150, la norme de la force étant comprise entre 2 kN et 90 kN.the application of at least one level of compressive force from one of the two parts 1,2 to the other in a direction perpendicular to their circular faces 1a, 2a brought into contact 150, the force standard being understood between 2 kN and 90 kN.
Lorsque chacune des deux pièces présente des couches à base de germanium 5 et 5a relativement planes, et présentant plus particulièrement une rugosité de surface inférieure à 100 nm PV (pour « peak-to-valley » selon la terminologie anglo-saxonne), l’application d’un niveau de pression telle qu’énoncée ci-dessus peut être équivalente à l’application du niveau de force telle qu’énoncée ci-dessus. Au contraire, lorsque l’une au moins des deux pièces présente des couches à base de germanium 5 et 5a ayant une rugosité de surface plus importante, par exemple due à la présence d’éléments de dispositifs microélectroniques, tels que des cordons de soudure, la pression qu’exerce une force de compression donnée d’une pièce sur l’autre n’est pas répartie de manière homogène à l’interface de contact entre les pièces 1, 2. Dans ce cas, il peut être préférable de considérer le critère de niveau de force de compression, plutôt que le critère de niveau de pression. Il est à noter en outre que, si les gammes de valeurs de niveau de pression et/ou de niveau de force de compression données ci-dessus sont adaptées à des substrats se présentant sous la forme de plaques de diamètre égal à 200 mm, elles sont réputées pouvoir être adaptées à d’autres dimensions de plaques au prix d’un effort raisonnable de réflexion, par exemple en effectuant des essais de routine.When each of the two parts has relatively flat germanium-based layers 5 and 5a, and more particularly having a surface roughness of less than 100 nm PV (for “peak-to-valley” according to Anglo-Saxon terminology), the application of a pressure level as stated above may be equivalent to the application of the force level as stated above. On the contrary, when at least one of the two parts has germanium-based layers 5 and 5a having a greater surface roughness, for example due to the presence of elements of microelectronic devices, such as weld beads, the pressure exerted by a given compression force from one part to the other is not distributed homogeneously at the contact interface between the parts 1, 2. In this case, it may be preferable to consider the compression force level criterion, rather than the pressure level criterion. It should also be noted that, if the ranges of pressure level and / or level of compression force values given above are suitable for substrates in the form of plates with a diameter equal to 200 mm, they are deemed to be able to be adapted to other dimensions of plates at the cost of a reasonable effort of reflection, for example by carrying out routine tests.
La mise en contact et sous pression 150 comprend donc l’application d’une pression, et plus particulièrement d’une évolution de pression déterminée, d’une des pièces 1, 2 sur l’autre ; et l’application d’un recuit 160 comprend la soumission des pièces et des couches 4, 5 et 5a (et 6 le cas échéant) intercalées à une température déterminée, et plus particulièrement à une évolution de température déterminée. Plus particulièrement, la pression et la température appliquées peuvent varier lors des étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 dans les gammes de valeurs définies plus haut.The bringing into contact and under pressure 150 therefore comprises the application of pressure, and more particularly of a determined pressure change, from one of the parts 1, 2 to the other; and the application of an annealing 160 includes the submission of the parts and of the layers 4, 5 and 5a (and 6 if applicable) interposed at a determined temperature, and more particularly to a determined temperature evolution. More particularly, the pressure and the temperature applied can vary during the pressurization 150 and annealing 160 steps in the ranges of values defined above.
Les étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 sont en outre réalisées sous vide. De préférence, ce vide est un vide poussé, correspondant à une pression comprise entre 10'3 et 10'7 mbar, par exemple égale à 5.10'5 mbar.The pressurizing 150 and annealing 160 steps are also carried out under vacuum. Preferably, this vacuum is a high vacuum, corresponding to a pressure between 10 ' 3 and 10' 7 mbar, for example equal to 5.10 ' 5 mbar.
Un exemple de réalisation des étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 en termes d’évolution de pression et de température appliquées est illustré sur la figure 4. Selon cet exemple, appliqué à des pièces prenant la forme de tranches et à un alliage eutectique Al-Ge, les étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 peuvent comprendre au moins l’une des phases suivantes :An exemplary embodiment of the pressurization 150 and annealing 160 steps in terms of pressure and temperature evolution applied is illustrated in FIG. 4. According to this example, applied to parts taking the form of wafers and to an alloy Al-Ge eutectic, the pressurizing 150 and annealing 160 steps can comprise at least one of the following phases:
- une première phase, de préférence d’une durée ti comprise entre 10 et 30 min, et par exemple égale à 20 min, durant laquelle :- a first phase, preferably of a duration ti between 10 and 30 min, and for example equal to 20 min, during which:
o un premier niveau de pression P-ι, par exemple égal à 0,1 MPa, d’une des deux pièces 1, 2 sur l’autre est appliqué selon une direction perpendiculaire à leurs faces circulaires 1a, 2a et o la température est accrue depuis l’ambiante jusqu’à une première température seuil Ti, par exemple égale à 415°C ;o a first pressure level P-ι, for example equal to 0.1 MPa, of one of the two parts 1, 2 on the other is applied in a direction perpendicular to their circular faces 1a, 2a and o the temperature is increased from ambient to a first threshold temperature Ti, for example equal to 415 ° C;
- une deuxième phase, de préférence d’une durée t2-ti comprise entre 5 min et 10 h, par exemple égale à 1 h, durant laquelle :a second phase, preferably with a duration t 2 -ti of between 5 min and 10 h, for example equal to 1 h, during which:
o un deuxième niveau de pression P2, par exemple égal à 0,5 MPa, d’une des deux pièces 1, 2 sur l’autre est appliqué toujours selon la direction perpendiculaire aux faces circulaires 1a, 2a, et o la première température seuil Ti est maintenue ;o a second pressure level P 2 , for example equal to 0.5 MPa, of one of the two parts 1, 2 on the other is always applied in the direction perpendicular to the circular faces 1a, 2a, and o the first temperature threshold Ti is maintained;
- une troisième phase, de préférence d’une durée t3-t2 comprise entre 10 et 30 min, durant laquelle :- a third phase, preferably with a duration t 3 -t 2 of between 10 and 30 min, during which:
o le deuxième niveau de pression P2 est maintenu et o la température est accrue depuis la première température seuil Ti jusqu’à une température T2 comprise entre 424°C et 450°C ;o the second pressure level P 2 is maintained and o the temperature is increased from the first threshold temperature Ti to a temperature T 2 between 424 ° C and 450 ° C;
- une quatrième phase, de préférence d’une durée t4-t3 comprise entre 1 min et 1h, par exemple égale à 10 min, durant laquelle le deuxième niveau de pression P2 et la température T2 sont maintenus ;a fourth phase, preferably with a duration t 4 -t 3 of between 1 min and 1 hour, for example equal to 10 min, during which the second pressure level P 2 and the temperature T 2 are maintained;
- une cinquième phase, de préférence d’une durée t5-t4 comprise entre 10 et 30 min, durant laquelle :- a fifth phase, preferably with a duration t 5 -t 4 of between 10 and 30 min, during which:
o le deuxième niveau de pression P2 est maintenue et o la température est abaissée depuis la dernière température T2 jusqu’à la température Ti, par exemple avec une rampe de 1°C par minute ;o the second pressure level P 2 is maintained and o the temperature is lowered from the last temperature T 2 to the temperature Ti, for example with a ramp of 1 ° C per minute;
- une sixième phase, de préférence d’une durée t6-ts comprise entre 10 et 30 min, durant laquelle :- a sixth phase, preferably with a duration t 6 -ts of between 10 and 30 min, during which:
o le premier niveau de pression Pi est appliquée et o la température est abaissée depuis la température Ti jusqu’à la température ambiante, par exemple avec une rampe de 20°C par minute.where the first pressure level Pi is applied and where the temperature is lowered from the temperature Ti to ambient temperature, for example with a ramp of 20 ° C. per minute.
Lorsque la température à laquelle les pièces 1, 2 et les couches intercalées entre ces pièces sont soumises à la température T2 comprise entre 424°C et 450°C, le germanium déposé sur la première couche 4 à base d’aluminium migre à travers la couche d’oxyde d’aluminium 4a et forme avec l’aluminium un film liquide de composition eutectique.When the temperature at which the parts 1, 2 and the layers interposed between these parts are subjected to the temperature T 2 of between 424 ° C and 450 ° C, the germanium deposited on the first layer 4 based on aluminum migrates through the layer of aluminum oxide 4a and forms with aluminum a liquid film of eutectic composition.
Plus particulièrement, lorsque chacune des deux pièces présente un diamètre égal à 200 mm, le premier niveau de pression Pi est de préférence égal à 0,1 MPa et le deuxième niveau de pression P2 est compris entre 0,5 MPa et 3 MPa. Le diamètre des pièces peut également être égal à 300 mm, auquel cas les valeurs des premier et deuxième niveaux de pression pourront être identiques à celles énoncées ci-dessus en augmentant la force (en kN) appliquée pour exercer chacun desdits niveaux de pression.More particularly, when each of the two parts has a diameter equal to 200 mm, the first pressure level Pi is preferably equal to 0.1 MPa and the second pressure level P 2 is between 0.5 MPa and 3 MPa. The diameter of the parts can also be equal to 300 mm, in which case the values of the first and second pressure levels may be identical to those set out above by increasing the force (in kN) applied to exert each of said pressure levels.
Une fois la température redevenue égale à l’ambiante, la pression exercée par l’une des deux pièces sur l’autre est relâchée et l’ensemble formé des deux pièces 1, 2 scellées entre elles par la microstructure eutectique 3ab à base d’aluminium et de germanium peut être récupéré. Cet ensemble peut alors subir éventuellement d’autres traitements et potentiellement conduire in fine à la fabrication d’un système microélectronique.Once the temperature has returned to ambient, the pressure exerted by one of the two parts on the other is released and the assembly formed by the two parts 1, 2 sealed together by the eutectic microstructure 3ab based on aluminum and germanium can be recovered. This assembly can then possibly undergo other treatments and potentially ultimately lead to the manufacture of a microelectronic system.
En observant la figure 6B et en la comparant aux figures 1B et 2B, il apparaît clairement que la brasure 3ab obtenue est exempte de fissuration et de cavité.By observing FIG. 6B and by comparing it with FIGS. 1B and 2B, it clearly appears that the solder 3ab obtained is free from cracking and from cavity.
L’exemple donné ci-dessus de réalisation des étapes de mise sous pression 150 et de recuit 160 illustré sur la figure 4 n’est pas limitatif de l’invention. Plus particulièrement, il est également possible d’appliquer une température T2 supérieure à la température de fusion de l’alliage tactique, avant même que les pièces soient mises en contact et sous pression 150 entre elles. Auquel cas un film liquide se forme à la surface de la première couche 4 à base d’aluminium à partir d’une partie de la première couche 4 à base d’aluminium et de la deuxième couche 5 à base de germanium. Ladite partie de la première couche 4 à base d’aluminium peut s'étendre sur toute la surface de la première couche 5 et sur une épaisseur déterminée de cette couche. Ladite épaisseur déterminée est proportionnelle à l’épaisseur de la deuxième couche 5 à base de germanium. Suite à la formation de ce film liquide, les pièces 1,2 sont mises en contact et sous pression 150, par exemple un niveau de pression égal à 0,16 Mpa (pour des substrats de 200mm de diamètre) pendant 10 min. Pendant ce temps, les phases solides de germanium et d’aluminium encore présentes de part et d’autres du film liquide diffusent dans le film liquide (en passant éventuellement à travers ce qui reste des couches d’oxyde natif), et ce jusqu’à la fusion complète de l’empilement Al/Ge. L’ensemble est ensuite refroidit et la solidification de l’alliage eutectique Al-Ge scelle l’interface entre les deux pièces 1,2.The example given above of carrying out the pressurization 150 and annealing 160 steps illustrated in FIG. 4 is not limitative of the invention. More particularly, it is also possible to apply a temperature T 2 higher than the melting temperature of the tactical alloy, even before the parts are brought into contact and under pressure 150 therebetween. In which case a liquid film is formed on the surface of the first layer 4 based on aluminum from a part of the first layer 4 based on aluminum and the second layer 5 based on germanium. Said part of the first layer 4 based on aluminum can extend over the entire surface of the first layer 5 and over a determined thickness of this layer. Said determined thickness is proportional to the thickness of the second germanium-based layer 5. Following the formation of this liquid film, the parts 1.2 are brought into contact and under pressure 150, for example a pressure level equal to 0.16 Mpa (for substrates of 200mm in diameter) for 10 min. During this time, the solid germanium and aluminum phases still present on both sides of the liquid film diffuse in the liquid film (possibly passing through what remains of the native oxide layers), and this until to the complete fusion of the Al / Ge stack. The assembly is then cooled and the solidification of the eutectic alloy Al-Ge seals the interface between the two parts 1,2.
EXEMPLE DE RÉALISATIONEXAMPLE OF IMPLEMENTATION
Selon un exemple de réalisation, un scellement eutectique Al-Ge a été réalisé en utilisant le procédé décrit ci-dessus en référence aux figures 4, 5 et 6A.According to an exemplary embodiment, an Al-Ge eutectic sealing was carried out using the method described above with reference to FIGS. 4, 5 and 6A.
Selon cet exemple, des tranches ou plaques 1, 2 de silicium de 200 mm de diamètre sont d’abord recouvertes de 50 nm de TiN déposé par PVD, en tant que sous-couche 6. Ensuite, une première couche 4, d’aluminium et d’une épaisseur de 1000 nm, est déposée par évaporation sur une première plaque 1. La surface de la première couche 4 d’aluminium est ensuite remise à l’air et un oxyde natif se forme sur l’aluminium. Une deuxième couche 4, de germanium et d’une épaisseur de 10 nm, est ensuite déposée par évaporation sur la première couche 4 d’aluminium oxydée en surface. Sur la deuxième plaque, une couche complémentaire 5a, de germanium et d’une épaisseur de 590 nm, est déposée sur le TiN par évaporation.According to this example, slices or plates 1, 2 of silicon 200 mm in diameter are first coated with 50 nm of TiN deposited by PVD, as an under-layer 6. Then, a first layer 4, of aluminum and with a thickness of 1000 nm, is deposited by evaporation on a first plate 1. The surface of the first layer 4 of aluminum is then returned to the air and a native oxide is formed on the aluminum. A second layer 4, of germanium and a thickness of 10 nm, is then deposited by evaporation on the first layer 4 of aluminum oxidized at the surface. On the second plate, an additional layer 5a, of germanium and a thickness of 590 nm, is deposited on the TiN by evaporation.
Juste avant le scellement, les plaques 1, 2 sont rincées 145 à l’eau déionisée puis séchées 146 pour éliminer l’oxyde natif de germanium.Just before sealing, the plates 1, 2 are rinsed 145 with deionized water and then dried 146 to remove the native germanium oxide.
Les deux plaques 1, 2 sont ensuite placées dans un équipement de scellement sous vide, à 5.10'5 mbar. L’équipement de scellement peut être celui développée et commercialisé par la société Süss® sous l’appellation commerciale CB8. La température est alors élevée jusqu’à 450 °C, par exemple avec une rampe de 20 °C/min. Ensuite, les plaques 1, 2 sont mises en contact et une pression de 0,2 MPa est appliquée sur les faces circulaires arrières des plaques. Cette pression est maintenue constante jusqu’à la fin du procédé. La température est maintenue constante pendant 10 min, puis le refroidissement s’effectue jusqu’à 400 °C, par exemple avec une rampe de 1 °C/min. Enfin, les plaques sont refroidies jusqu’à la température ambiante, par exemple avec une rampe de 20 °C/min.The two plates 1, 2 are then placed in a vacuum sealing equipment, at 5.10 ' 5 mbar. The sealing equipment can be that developed and marketed by the company Süss® under the trade name CB8. The temperature is then raised to 450 ° C, for example with a ramp of 20 ° C / min. Then, the plates 1, 2 are brought into contact and a pressure of 0.2 MPa is applied to the rear circular faces of the plates. This pressure is kept constant until the end of the process. The temperature is kept constant for 10 min, then the cooling takes place up to 400 ° C, for example with a ramp of 1 ° C / min. Finally, the plates are cooled to room temperature, for example with a ramp of 20 ° C / min.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.The invention is not limited to the embodiments previously described and extends to all the embodiments covered by the claims.
L’on peut citer, parmi les modes de réalisation couverts, celui selon lequel le procédé de scellement 100 comprend la fourniture 110 de trois plaques, voire plus, destinées à être mises en contact et sous pression 150 deux à deux en un même empilement. Les plaques destinées à avoir une position intermédiaire entre deux autres plaques peuvent être traités (ou « processés ») de sorte que :One can cite, among the embodiments covered, that according to which the sealing method 100 comprises the supply 110 of three or more plates intended to be brought into contact and under pressure 150 two by two in the same stack. The plates intended to have an intermediate position between two other plates can be treated (or "processed") so that:
- une première couche 4 à base d’aluminium soit déposée sur une de leurs faces circulaires et que chaque première couche 4 à base d’aluminium soit recouverte d’une deuxième couche 5 à base de germanium, eta first layer 4 based on aluminum is deposited on one of their circular faces and that each first layer 4 based on aluminum is covered with a second layer 5 based on germanium, and
- Une couche complémentaire 5a soit déposée sur l’autre de leurs faces circulaires.- An additional layer 5a is deposited on the other of their circular faces.
Un tel mode de réalisation aboutit donc à la formation d’une pluralité d’interface de scellement 3ab, chacune de ces interfaces de scellement 3 étant située entre deux substrats premiers voisins entre eux dans l’empilement.Such an embodiment therefore results in the formation of a plurality of sealing interfaces 3ab, each of these sealing interfaces 3 being located between two first substrates neighboring them in the stack.
Selon un autre exemple, une pièce 1, 2 fournie 110 peut comprendre deux morceaux et une brasure 3ab à base d’un alliage eutectique comprenant 10 de l’aluminium entre les deux morceaux. La brasure 3ab scelle entre eux les deux morceaux et a été obtenue par mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les deux morceaux jouent le rôle des première et deuxième pièces 1,2.According to another example, a part 1, 2 supplied 110 may comprise two pieces and a solder 3ab based on an eutectic alloy comprising aluminum between the two pieces. The solder 3ab seals the two pieces together and was obtained by implementing the method according to any one of the preceding claims in which the two pieces play the role of the first and second pieces 1,2.
Claims (15)
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