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RÉSUMÉ
Cet article traite de la méthode de collage direct encore nommée adhésion moléculaire en dévoilant les phénomènes et les mécanismes qui permettent d’adhérer sans colle. Il s’intéresse aux cas de la silice et du silicium, car ce sont les matériaux les plus étudiés et physiquement les mieux compris à ce jour. Les points fondamentaux qui autorisent l’adhésion spontanée en termes de qualité (rugosités, planéités), de recouvrement et de propreté des surfaces sont détaillés dans une première partie. Puis les méthodes de caractérisation des forces d’adhésion lors du collage, et de l’adhérence, lors du désassemblage sont explorées. Enfin, les mécanismes physico-chimiques de l’adhérence et les traitements permettant de renforcer la tenue des assemblages sont décrites.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Aurélien MAUREL-PANTEL : Maître de Conférence - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France
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Frank FOURNEL : Directeur de recherche - CEA LETI, CEA, Grenoble, France
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Thierry BILLETON : Ingénieur - Laboratoire de physique des lasers (LPL UMR7538), CNRS, Villetaneuse, France
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Jérôme DEBRAY : Ingénieur - Institut Néel (UPR2940), Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Grenoble, France
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Christophe HECQUET : Ingénieur - Laboratoire Charles Fabry (LCF UMR8501), CNRS, Palaiseau, France
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Anne TALNEAU : Directrice de recherche - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N UMR9001), CNRS, Palaiseau, France
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Frédéric LEBON : Professeur - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France
INTRODUCTION
La technologie du collage direct, aussi appelée adhésion moléculaire, est un type très particulier d’assemblage. Sa définition la plus concise semble être : « un collage spontané sans l’ajout de liquide épais ». Le fait de ne pas ajouter de liquide implique surtout l’absence d’utilisation de colle liquide polymère. C’est un assemblage sans colle ! Le fait qu’il soit « spontané » implique que l’assemblage des deux surfaces permet de gagner de l’énergie, afin de propager le collage direct.
L’énergie que le système possède à sa disposition pour coller est « l’énergie d’adhésion ». Elle est à opposer à l’énergie d’adhérence (autrement appelée « énergie de collage ») qui représente l’énergie nécessaire pour séparer les surfaces assemblées. L’énergie d’adhésion est, quant à elle, l’énergie qui aide à les rapprocher.
Dans le cadre du collage direct, pour permettre un collage spontané, il est nécessaire que l’énergie d’adhésion soit plus importante que le coût énergétique nécessaire au rapprochement des surfaces, c’est-à-dire plus grande que l’énergie élastique de déformation induite par le fait que les surfaces à assembler vont se toucher et se rapprocher le plus possible, en se déformant au besoin. Il est donc nécessaire d’avoir des surfaces très proches, généralement à une distance de l’ordre du nanomètre. À cette échelle, les forces intermoléculaires entre les deux surfaces peuvent entrer en action. C’est pour cela que la technique est aussi nommée « adhésion moléculaire ». Le collage direct peut être réalisé grâce aux forces de van der Waals, aux liaisons hydrogènes et, dans certains cas, aux forces capillaires : ces forces sont le moteur du collage direct. L’énergie mécanique de déformation, dépensée pour rapprocher les surfaces, en est le frein.
L’article se focalise, pour des raisons de simplicité, sur le collage direct de la silice fondue. Ce moteur et ce frein sont largement détaillés, ce qui permet de présenter les mécanismes de l’adhésion, et les critères à respecter en termes de spécifications de surface, ou d’environnement, pour réaliser l’adhésion. L’énergie d’adhérence conditionne, quant à elle, la tenue mécanique de l’interface. Dans la dernière partie, elle est décrite en détaillant les techniques qui permettent de la maximiser.
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MOTS-CLÉS
adhésion Adhérence Silice Silicium assemblage collage direct
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Énergie d’adhésion : le moteur du collage directArticle inclus dans l'offre
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1. Domaines et secteurs d’application
Le collage direct est un collage fondé sur la mise en contact de deux surfaces sans l'utilisation de colle ou de matériau additionnel. Les deux surfaces, parfaitement polies et propres, établissent entre elles des liaisons intermoléculaires (Van der Waals, liaison hydrogène ou covalente, etc.) : ces liaisons sont responsables du collage des surfaces.
Dans le domaine de l’optique terrestre, le premier brevet concernant le collage direct date de 1928. Il a été déposé par W.E. Williams, sur deux interféromètres comprenant des assemblages de lames réalisés par collage direct. Plus récemment, en 1963, cette technologie apparaît dans un brevet de la société Philips, à propos d’un laser gaz He-Ne, dont les miroirs, positionnés à chaque extrémité de la cavité, sont fixés à cette dernière par le procédé de collage direct.
Ce procédé a ensuite été très peu utilisé jusqu’au milieu des années 1980, où les premières applications du collage direct à grandes échelles sont apparues dans les domaines de la micro-électronique et des micro-technologies. L’une des plus spectaculaires est la réalisation de structures silicium sur isolant, SOI (Silicon On Insulator). Ce procédé de collage est utilisé dans l’élaboration de structures SOI pour la réalisation de circuits imprimés, mais aussi pour la fabrication de capteurs, de MEMS (MicroElectroMechanical Systems), ou encore pour la réalisation de composants hybrides (figure 1).
En 2024, cette technique est employée pour la fabrication de systèmes optiques complexes, intégrés dans des structures complètes, pour différents champs d’application (spatial, astronomie, militaire, etc.), ou pour créer des assemblages optiques complets (interféromètres, découpeurs d’image, etc.) (figure 2).
L’instrument d’observation astronomique MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) est fondé sur le concept de spectrographe intégral de champs et utilise 24 spectrographes 3D. Les performances de cet instrument lui permettent de détecter des galaxies 100 millions de fois moins lumineuses que les étoiles les plus faibles observables à l’œil nu. Pour gagner en efficacité, le découpage de champs est réalisé...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - NESE (M.), HANNEBORG (A.) - Anodic bonding of silicon to silicon wafers coated with aluminium, silicon oxide, polysilicon or silicon nitride. - In Sensors and Actuators A: Physical, 37, p. 61‑67 (1993). – 10.1016/0924-4247(93)80013-7
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(3) - RIEUTORD (F.), MORICEAU (H.), BENEYTON (R.), CAPELLO (L.), MORALES (C.), -CHARVET (A.-M.) - Rough Surface Adhesion Mechanisms for Wafer Bonding. - In ECS Transactions, 3(6), p. 205‑215 (2006). – 10.1149/1.2357071
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(5) - WOLF (S.), TAUBER (R.N.) - Silicon processing for the VLSI era. Vol. 4: Deep-Submicron process technology. - Lattice Pr (2002).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Théorie du contact de Hertz – Contacts ponctuels ou linéiques.
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Collage direct – Propriétés mécaniques et applications de l’assemblage par collage direct.
ANNEXES
Construction of a Fabry Perot interferometer (etalon) GB312534A
Improvements in or relating to lasers GB1017248A
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
P0.DE.O Polishing and Design for Optics, 13510 Eguilles, France http://www.podeo-optiques.fr/
BERTIN WINLIGHT, 84120 Pertuis, France https://www.bertin-winlight.fr/
FICHOU HEF Photonics, 94260 Fresnes, France https://optique-fichou.com/
CEA-Leti, 38054 Grenoble, France https://www.leti-cea.fr/cea-tech/letithal
SESO large precision optics and systems by Thales, 13290 Aix en Provence, France http://www.seso.com/
SOITEC, 38190 Bernin, France https://www.soitec.com/fr/
ST-Microelectonics https://www.st.com/content/st_com/en.html
X-Fab,...
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