SUBSTRATS

La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR16/62258 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.

Domaine

La présente demande concerne un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats. Exposé de 1 ' art antérieur

Il existe de nombreuses applications, notamment dans les domaines de la microélectronique et de l'optoélectronique, dans lesquelles deux substrats sont accolés via des faces principales respectives, de façon à obtenir un assemblage comportant un empilement des deux substrats . Les substrats peuvent être de même nature, c'est-à-dire en des matériaux identiques, ou de natures différentes, c'est-à-dire en des matériaux distincts.

Pour contrôler la qualité du collage entre les deux substrats, on a proposé des méthodes consistant à appliquer à l'assemblage une contrainte mécanique suffisamment forte pour provoquer un décollement des deux substrats. En mesurant l'énergie nécessaire pour réaliser la séparation, on peut alors estimer l'énergie d'adhérence entre les deux substrats. Un inconvénient majeur des méthodes de ce type est qu'elles sont destructives pour l'assemblage contrôlé. En particulier, dans le cadre d'une production industrielle, ces méthodes ne peuvent pas être utilisées pour contrôler tous les assemblages réalisés, mais seulement pour effectuer un contrôle statistique portant sur un nombre limité d'échantillons.

L'article intitulé "Ultrasonic spectroscopy of imperfect contact interfaces between a layer and two solids", de Anton I. Lavrentyev et al., l'article intitulé "On the relationship between ultrasonic and micro-structural properties of imperfect interfaces in layered solids", de A. Baltazar et al., et l'article intitulé "On the relationship between ultrasonic and micromechanical properties of contacting rough surfaces", de A. Baltazar et al., décrivent des méthodes pour caractériser, dans un assemblage comportant deux surfaces en contact, des propriétés de l'interface entre les deux surfaces, par analyse de la réponse de l'assemblage à un signal d'excitation ultrasonore. Plus particulièrement, ces méthodes sont basées sur l'analyse spectrale d'un écho du signal d'excitation ultrasonore, réfléchi sur l'interface à caractériser.

L'article intitulé "Évaluation de l'adhérence par ultrasons haute-fréquence", de M. Ouaftouh et al., décrit une méthode similaire appliquée à l'évaluation de l'adhérence entre deux substrats collés l'un à l'autre.

Les méthodes décrites dans les articles susmentionnés présentent l'avantage d'être non destructives. Toutefois, une limitation de ces méthodes est qu'elles nécessitent de pouvoir mesurer un écho du signal d'excitation, réfléchi sur l'interface à évaluer. Or, dans certains types d'assemblages, notamment lorsque les deux substrats sont en des matériaux identiques et que les rugosités de surface à l'interface entre les deux substrats sont de très petites dimensions, par exemple inférieures à 1 nm en moyenne quadratique, cet écho peut être difficile voire impossible à mesurer.

Il existe un besoin pour un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats, ce procédé et ce dispositif palliant tout ou partie des inconvénients des procédés et dispositifs connus.

Résumé

Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de contrôle d'un assemblage comprenant des premier et deuxième substrats ayant chacun une face avant et une face arrière, la face arrière du premier substrat étant collée à la face avant du deuxième substrat, ce procédé comportant les étapes suivantes :

a) émettre un signal ultrasonore d'excitation en direction de l'assemblage au moyen d'un transducteur ultrasonore placé du côté de la face avant du premier substrat ;

b) mesurer, au moyen dudit transducteur, un signal ultrasonore retour comportant au moins un écho du signal d'excitation sur la face arrière du deuxième substrat ;

c) calculer, au moyen d'un circuit de traitement, un signal spectral représentatif de l'évolution en fréquence d'un coefficient de réflexion global de l'assemblage, défini comme étant le rapport du signal retour mesuré à l'étape b) sur le signal d'excitation ; et

d) déduire dudit signal spectral, au moyen du circuit de traitement, une information quant à la qualité du collage entre les premier et deuxième substrats .

Selon un mode de réalisation, l'étape d) comprend les étapes suivantes :

détecter une suite de pics successifs du signal spectral, correspondant à des résonances de l'assemblage comprenant les premier et deuxième substrats ; et

déterminer l'écart fréquentiel moyen Af entre deux pics consécutifs de rangs respectivement impair et pair ou de rangs respectivement pair et impair de la suite.

Selon un mode de réalisation, l'étape d) comprend la détermination, à partir de l'écart fréquentiel moyen Af déterminé, d'une valeur représentative de l'énergie d'adhérence entre les premier et deuxième substrats . Selon un mode de réalisation, la suite de pics comprend au moins 4 pics.

Selon un mode de réalisation, le signal retour comporte au moins deux échos successifs du signal d'excitation sur la face arrière du deuxième substrat.

Selon un mode de réalisation, le signal retour comporte trois échos successifs du signal d'excitation sur la face arrière du deuxième substrat .

Selon un mode de réalisation, à l'étape b) , le signal retour est mesuré pendant deux plages temporelles consécutives Tl et T2, la plage Tl comprenant uniquement un écho de surface du signal d'excitation renvoyé directement par la face avant du premier substrat, et la plage T2 comprenant ledit au moins un écho du signal d'excitation sur la face arrière du deuxième substrat ; et à l'étape c) , le signal spectral calculé correspond au rapport d'une transposée fréquentielle du signal retour mesuré pendant la plage T1+T2 sur une transposée fréquentielle du signal retour mesuré pendant la plage Tl.

Selon un mode de réalisation, le signal ultrasonore d'excitation a une fréquence comprise entre 100 MHz et 1 GHz.

Selon un mode de réalisation, la durée du signal ultrasonore d'excitation est inférieure à 1 ys.

Selon un mode de réalisation, les étapes a) à d) sont réitérées une pluralité de fois en déplaçant le transducteur ultrasonore parallèlement au plan moyen de l'assemblage entre deux itérations successives, de façon à obtenir une image ou cartographie de la qualité du collage entre les deux substrats.

Selon un mode de réalisation, à l'étape a), le signal ultrasonore d'excitation est émis sous incidence normale par rapport à la face avant du premier substrat.

Un autre mode de réalisation prévoit un dispositif de contrôle d'un assemblage comprenant des premier et deuxième substrats ayant chacun une face avant et une face arrière, la face arrière du premier substrat étant collée à la face avant du deuxième substrat, ce dispositif comportant un transducteur ultrasonore et un dispositif de traitement configurés pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle tel que défini ci-dessus .

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple d'un dispositif de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats ;

la figure 2 est un chronogramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1 ;

la figure 3 est une représentation schématique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats ;

la figure 4 est un chronogramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 3 ;

la figure 5 est un spectrogramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 3 ;

la figure 6 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 3 ;

la figure 7 est un spectrogramme similaire à celui de la figure 5, illustrant plus en détail le comportement du dispositif de la figure 3 ; et

la figure 8 est un schéma bloc d'un exemple d'un circuit de traitement du dispositif de la figure 3.

Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les transducteurs ultrasonores des dispositifs de contrôle décrits n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les transducteurs ultrasonores habituellement utilisés dans les systèmes de contrôle non destructif par ultrasons. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Les figures 1 et 2 illustrent plus en détail le problème évoqué ci-dessus, qui se pose lorsque l'on cherche à appliquer les méthodes de caractérisation d'interface décrites dans les articles susmentionnés, pour contrôler la qualité d'un collage entre deux substrats de même nature, dans le cas où les rugosités d'interface entre les deux substrats sont de très petites dimensions, par exemple inférieures à 1 nm en moyenne quadratique. On s'intéresse ici tout particulièrement aux assemblages dans lesquels les deux substrats sont collés par collage dit direct, c'est-à-dire sans apport d'un matériau polymère adhésif à l'interface entre les deux substrats, par exemple un collage moléculaire, un collage par thermocompression, un collage eutectique, ou un collage anodique. Le problème évoqué ci-dessus se pose en effet tout particulièrement pour ce type de collage. Un collage direct peut par exemple être effectué par application des substrats l'un contre l'autre à température et pression ambiante. Un recuit thermique peut ensuite être réalisé pour augmenter l'énergie d'adhérence ou énergie de collage. A titre de variante, le collage peut être réalisé sous vide. A titre de variante, le collage peut être réalisé à chaud et sous pression (thermocompression), avec ou sans application d'une tension électrique .

La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple d'un dispositif 100 de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats Wl et W2.

Le substrat Wl présente des faces principales avant Al et arrière Bl sensiblement planes et parallèles, et le substrat W2 présente des faces principales avant A2 et arrière B2 sensiblement planes et parallèles. La face arrière du substrat Wl est collée par collage direct à la face avant du substrat W2. Dans cet exemple, les substrats Wl et W2 sont de même nature, par exemple en silicium ou en verre. De plus, les rugosités de surface à l'interface entre les deux substrats, c'est à dire les rugosités des surfaces Bl et A2 avant collage, sont de très petites dimensions, par exemple inférieures à 1 nm en moyenne quadratique.

Le dispositif 100 comprend un transducteur ultrasonore

101, par exemple un transducteur planaire, placé en vis-à-vis de la face avant Al du substrat Wl . Le dispositif 100 comprend en outre un circuit de contrôle et de traitement 103 relié au transducteur ultrasonore 101, adapté à commander l'émission de signaux ultrasonores par le transducteur 101, et à lire et analyser des signaux ultrasonores reçus par le transducteur 101. Dans l'exemple représenté, le transducteur ultrasonore 101 est placé à distance de la face avant Al du substrat Wl, et non en contact avec la face avant du substrat Wl . Un avantage est que ceci permet de ne pas risquer de détériorer le substrat Wl lors de la pose ou du retrait du transducteur. Dans ce cas, un liquide de couplage acoustique, par exemple de l'eau ou de l'alcool anhydre, et de préférence disposé entre le transducteur et l'assemblage des substrats. A titre de variante, le transducteur 101 peut être placé en contact avec la face avant Al du substrat Wl.

Un exemple de procédé de contrôle de la qualité du collage entre les substrats Wl et W2 au moyen du dispositif de contrôle 100 de la figure 1, basé sur les méthodes décrites dans les articles susmentionnés, va maintenant être décrit.

Le circuit de contrôle et de traitement 103 commande d'abord le transducteur 101 pour émettre un signal d'excitation ultrasonore en direction de la face avant Al du substrat Wl, par exemple sous incidence normale par rapport à la face avant Al du substrat Wl .

Une fois le signal d'excitation émis, le transducteur 101 est commandé par le circuit de contrôle et de traitement 103 pour mesurer un signal retour réfléchi par l'assemblage comprenant les substrats Wl et W2. Ce signal retour réfléchi comprend un ensemble de contributions, chaque contribution correspondant à un écho du signal d'excitation généré lorsque le signal d'excitation rencontre un changement de milieu.

Comme représenté par des flèches sur la figure 1, un premier écho Eg du signal d'excitation, ou écho de surface, est réfléchi directement vers le transducteur par la face avant Al du substrat Wl . Une partie du signal d'excitation non réfléchie par la face avant Al du substrat Wl, pénètre dans le substrat Wl, puis se réfléchit sur 1 ' interface entre substrats Wl et W2. Un deuxième écho E _j du signal d'excitation, ou écho d'interface, est ainsi renvoyé vers le transducteur par l'interface entre les substrats Wl et W2. Enfin, une partie du signal d'excitation non réfléchie par la face avant Al du substrat Wl et non réfléchie par l'interface entre les substrats Wl et W2, pénètre dans le substrat W2 et se réfléchit sur la face arrière B2 du substrat W2. Un troisième écho Ep du signal d'excitation, ou écho de fond, est ainsi renvoyé vers le transducteur par la face arrière B2 du substrat W2.

La fréquence ultrasonore d'excitation et la durée du signal d'excitation sont choisies, en tenant compte de la distance entre le transducteur et le substrat Wl et de l'épaisseur de chacun des substrats Wl et W2, de façon que les trois échos Eg, E _j et Ep puissent être séparés dans le temps. A titre d'exemple, le signal d'excitation est une impulsion ou un train d'ondes ultrasonores d'une durée de l'ordre de 0,1 ys, et la fréquence du signal d'excitation est d'environ 50 MHz. Ainsi, la durée du signal d'excitation est faible devant le temps de vol dans chacune des couches, et la séparation temporelle des trois échos.

La figure 2 est un chronogramme illustrant l'évolution, en fonction du temps t (en ys en abscisse), de l'amplitude A (en ordonnée) du signal ultrasonore retour mesuré par le transducteur

101 de la figure 1, suite à l'émission d'un signal ultrasonore d'excitation en direction de la face avant Al du substrat Wl .

Trois plages temporelles successives Tg, T _j et Tp ont été représentées sur la figure 1, correspondant respectivement aux plages de réception des échos Eg, E _j et Ep par le transducteur. Le procédé de contrôle basé sur les méthodes décrites dans les articles d' art antérieur susmentionné comprend la sélection du seul écho d'interface E _j , par filtrage temporel du signal retour mesuré par le transducteur 101. Autrement dit, le circuit de contrôle et de traitement 103 réalise un filtrage temporel du signal retour mesuré de façon à conserver uniquement le signal reçu pendant la plage T _j . Une transposée, dans le domaine fréquentiel, du signal sélectionné, est ensuite calculée par le circuit 103. A titre d'exemple, le circuit 103 calcule une transformée de Fourier du signal mesuré par le transducteur pendant la plage T _j . A partir de la transposée fréquentielle du signal d'écho E _j , le circuit 103 génère un signal spectral représentatif de l'évolution en fréquence du coefficient de réflexion de 1 ' interface entre les deux substrats . Une analyse de ce signal spectral est ensuite réalisée par le circuit 103 pour déterminer des informations quant aux propriétés de 1 ' interface entre les substrats Wl et W2.

Un problème posé par cette méthode est que, comme cela apparaît sur la figure 2, dans le cas considéré ci-dessus où les substrats Wl et W2 sont de même nature, sont collés par collage direct, et présentent des rugosités de surface de très petites dimensions à l'interface entre les deux substrats, l'écho E _j reçu par le transducteur dans la fenêtre T _j est généralement trop faible pour pouvoir être distingué du bruit de mesure. Autrement dit, le coefficient de réflexion de l'interface est proche de zéro, ce qui empêche toute exploitation directe de ce coefficient pour évaluer la qualité du collage. Les essais réalisés par les inventeurs ont en particulier montré que l'écho E _j reste pratiquement indétectable même lorsque la qualité du collage est mauvaise. A titre d'exemple illustratif, la courbe de la figure 2 correspond à un signal mesuré dans le cas d'un collage direct (ou collage moléculaire) silicium/silicium réalisé volontairement pour présenter une faible énergie d'adhérence, de l'ordre de 0,05 J.m-^, alors qu'un collage direct silicium/silicium est généralement considéré comme satisfaisant lorsque l'énergie d'adhérence entre les deux substrats est d'au moins 0,2 J.m ^~ 2 _e t de préférence d'au moins 0,4 J.m ^~ 2.

Ainsi, les méthodes des articles d'art antérieur susmentionnés sont inadaptées pour contrôler des collages du type décrit ci-dessus.

La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif 300 de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats Wl et W2.

L'assemblage comprenant les substrats Wl et W2 est identique ou similaire à ce qui a été décrit ci-dessus. Chacun des substrats Wl et W2 a par exemple une épaisseur comprise entre 100 ym et 1 mm. Dans l'exemple représenté, les substrats Wl et W2 ont sensiblement la même épaisseur. A titre de variante, les substrats Wl et W2 peuvent avoir des épaisseurs différentes. L'épaisseur du plus fin des deux substrats Wl et W2 est de préférence au moins égale au dixième de l'épaisseur de l'autre substrat .

Le dispositif 300 comprend un transducteur ultrasonore 301, par exemple identique ou similaire au transducteur 101 de la figure 1, placé en vis-à-vis de la face avant Al du substrat Wl . Le dispositif 300 comprend en outre un circuit de contrôle et de traitement 303 relié au transducteur ultrasonore 301, adapté à commander l'émission de signaux ultrasonores par le transducteur 301, et à lire et analyser des signaux ultrasonores reçus par le transducteur 301. Comme dans l'exemple de la figure 1, le transducteur 301 de la figure 3 est placé à distance de la face avant Al du substrat Wl, et non en contact avec la face avant du substrat Wl . Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. L'ensemble comprenant le transducteur 301 et les substrats Wl et W2 peut être plongé dans un liquide de couplage acoustique, par exemple de l'eau ou de l'alcool anhydre. Selon le type de collage réalisé entre les substrats Wl et W2, les bords périphériques de l'assemblage comprenant les substrats Wl et W2 peuvent être protégés, par exemple par une isolation étanche en paraffine ou en tout autre matériau adapté, de façon à éviter une pénétration du liquide de couplage acoustique entre les deux substrats, ce qui pourrait dégrader ou modifier le collage.

Un exemple d'un mode de réalisation d'un procédé de contrôle de la qualité du collage entre les substrats Wl et W2, au moyen du dispositif de contrôle 300 de la figure 3, va maintenant être décrit.

Comme dans l'exemple précédent, le circuit de contrôle et de traitement 303 commande d'abord le transducteur 301 pour émettre un signal d'excitation ultrasonore en direction de la face avant Al du substrat Wl, par exemple sous incidence normale par rapport à la face avant Al du substrat Wl .

Une fois le signal d'excitation émis, le transducteur 301 est commandé par le circuit de contrôle et de traitement 303 pour mesurer un signal retour réfléchi par l'assemblage comprenant les substrats Wl et W2.

Comme dans l'exemple des figures 1 et 2, un premier écho Eg du signal d'excitation, ou écho de surface, est directement renvoyé vers le transducteur par la face avant Al du substrat Wl . Une partie du signal d'excitation non réfléchie par la face avant Al du substrat Wl, pénètre dans le substrat Wl .

Dans cet exemple, les échos éventuels renvoyés par l'interface entre les substrats Wl et W2 sont négligés.

La partie du signal d'excitation pénétrant dans le substrat Wl par sa face avant Al traverse le substrat Wl puis le substrat W2, et se réfléchit une première fois sur la face arrière B2 du substrat W2. Un deuxième écho Ep _] _, ou premier écho de fond, est ainsi renvoyé vers le transducteur après réflexion sur la face arrière B2 du substrat W2.

L'écho de fond Ep _] _ reçu par le transducteur 301 ne comprend qu'une partie du signal issu de la première réflexion du signal d'excitation sur la face arrière B2 du substrat W2. En effet, une partie du signal réfléchi par la face arrière B2 du substrat W2 est réfléchie à nouveau par la face avant Al du substrat Wl, et n'est donc pas directement transmise au transducteur 301.

Le signal réfléchi sur la face avant Al du substrat Wl traverse une nouvelle fois les deux substrats Wl et W2 et se réfléchit à nouveau sur la face arrière B2 du substrat W2. Un troisième écho Ερ2 _> ou deuxième écho de fond, est ainsi renvoyé vers le transducteur par la face arrière B2 du substrat W2.

Là encore, l'écho de fond Ep2 reçu par le transducteur 301 ne comprend qu'une partie du signal issu de la deuxième réflexion du signal d'excitation sur la face arrière B2 du substrat W2. En effet, une partie du signal réfléchi par la face arrière B2 du substrat W2 se réfléchit à nouveau sur la face avant Al du substrat Wl, et n'est donc pas directement transmise au transducteur 301.

Le signal réfléchi sur la face avant Al du substrat Wl traverse encore une fois les deux substrats Wl et W2 et se réfléchit à nouveau sur la face arrière B2 du substrat W2. Un quatrième écho Ep3, ou troisième écho de fond, est ainsi renvoyé vers le transducteur par la face arrière B2 du substrat W2, et ainsi de suite jusqu'à évanouissement complet du signal d'excitation.

La fréquence ultrasonore d'excitation et la durée du signal d'excitation sont de préférence choisies, en tenant compte de la distance entre le transducteur et le substrat Wl et de l'épaisseur de chacun des substrats Wl et W2, de façon que l'écho de surface Eg d'une part, et les échos de fond Ep]_, Εγ2 _> ^E F3' etc. d'autre part, puissent être séparés dans le temps. On notera que, comme cela ressortira plus clairement de la suite de la description, un avantage de la méthode proposée est que les échos de fond Ep]_, Ep2^ ^E F3' etc. n'ont pas besoin d'être séparables temporellement les uns des autres.

A titre d'exemple, le signal d'excitation est une impulsion ou un train d'ondes ultrasonores de durée inférieure à 1 ys, et de préférence inférieure à 0,5 ys, et la fréquence du signal d'excitation est comprise entre 1 MHz et 10 GHz, et de préférence entre 100 MHz et 1 GHz.

La figure 4 est un chronogramme illustrant l'évolution, en fonction du temps t (en ys en abscisse), de l'amplitude A (en ordonnée) du signal ultrasonore retour mesuré par le transducteur 301 dans le système de la figure 3, suite à l'émission d'un signal ultrasonore d'excitation en direction de la face avant Al du substrat Wl . Dans l'exemple de la figure 4, la durée du signal d'excitation est d'environ 0,1 ys, et la fréquence du signal d'excitation est de l'ordre de 200 MHz.

Deux plages temporelles consécutives Tl et T2 ont été représentées sur la figure 4. La plage Tl comprend uniquement l'écho de surface Eg renvoyé directement par la face avant Al de l'assemblage, et la plage T2 comprend des échos ultérieurs renvoyés par l'assemblage et en particulier les trois échos de fond successifs Ep _] _, Ep2 et Ερ3·

Dans une première variante, le procédé de contrôle mis en oeuvre par le dispositif 300 comprend la sélection, par le circuit de contrôle et de traitement 303, par filtrage temporel du signal retour mesuré par le transducteur 301, du signal retour reçu pendant la seule plage temporelle T2. Le procédé peut en outre comprendre la sélection, par le circuit de contrôle et de traitement 303, par filtrage temporel du signal retour mesuré par le transducteur 301, du signal retour reçu pendant la seule plage temporelle Tl.

Une transposée, dans le domaine fréquentiel, du signal mesuré par le transducteur pendant la plage T2, est ensuite calculée par le circuit 303. A titre d'exemple, le circuit 303 calcule une transformée de Fourier du signal mesuré pendant la plage T2.

A partir de la transposée fréquentielle du signal mesuré pendant la plage T2, le circuit 303 génère un signal spectral Rg représentatif de l'évolution fréquentielle d'un coefficient de réflexion global de la structure, défini comme étant le rapport du signal retour mesuré par le transducteur, sur le signal d'excitation émis par le transducteur.

A titre d'exemple, le signal d'écho de surface Eg mesuré par le transducteur pendant la phase Tl est considéré comme étant sensiblement identique au signal d'excitation initialement émis par le transducteur, et le coefficient de réflexion global Rg est défini comme suit :

R _g = FFT (T2) /FFT (Tl) ,

où FFT(T2) et FFT(Tl) désignent respectivement la transposée dans le domaine fréquentiel du signal retour mesuré par le transducteur pendant la phase T2, et la transposée dans le domaine fréquentiel du signal retour mesuré par le transducteur pendant la phase Tl.

Dans une deuxième variante, préférentielle, le procédé de contrôle mis en oeuvre par le dispositif 300 comprend la sélection, par le circuit de contrôle et de traitement 303, par filtrage temporel du signal retour mesuré par le transducteur 301, du signal retour reçu pendant l'ensemble des plages temporelle Tl et T2, appelé plage T1+T2. Le procédé peut en outre comprendre la sélection, par le circuit de contrôle et de traitement 303, par filtrage temporel du signal retour mesuré par le transducteur 301, du signal retour reçu pendant la seule plage temporelle Tl.

Une transposée, dans le domaine fréquentiel, du signal mesuré par le transducteur pendant la plage T1+T2, est ensuite calculée par le circuit 303. A titre d'exemple, le circuit 303 calcule une transformée de Fourier du signal mesuré pendant la plage T1+T2.

A partir de la transposée fréquentielle du signal mesuré pendant la plage T1+T2, le circuit 303 génère un signal spectral Rg représentatif de l'évolution fréquentielle d'un coefficient de réflexion global de la structure, défini comme étant le rapport du signal reçu par le transducteur, sur le signal d'excitation émis par le transducteur.

A titre d'exemple, le signal d'écho de surface Eg mesuré par le transducteur pendant la phase Tl est considéré comme étant sensiblement identique au signal d'excitation initialement émis par le transducteur, et le coefficient de réflexion global Rg est défini comme suit :

R _g = FF (T1+T2) /FF (Tl) ,

où FF (T1+T2 ) et FF (Tl ) désignent respectivement la transposée, dans le domaine fréquentiel, du signal retour mesuré par le transducteur pendant la phase T1+T2, et la transposée, dans le domaine fréquentiel, du signal retour mesuré par le transducteur pendant la phase Tl.

On notera que dans les première et deuxième variantes décrites ci-dessus, le terme FFT(Tl) de la définition du coefficient Rg peut être remplacé par toute autre représentation fréquentielle du signal d'excitation émis par le transducteur, par exemple une transposée fréquentielle d'un signal de référence prélevé directement sur le transducteur lors de la phase d'émission du signal d'excitation par le transducteur. Dans ce cas, la méthode de contrôle proposée peut avantageusement être mise en oeuvre, dans sa deuxième variante, même lorsque l'écho de surface Eg ne peut pas être séparé temporellement des échos de fond Ep]_, Ep2/ ^E F3' etc.

La figure 5 est un spectrogramme représentant l'évolution, en fonction de la fréquence f (en abscisse en MHz), du coefficient de réflexion global Rg (en ordonnée) tel que défini ci-dessus, calculé par le circuit de traitement 303 à partir du signal retour mesuré par le transducteur 301.

Comme cela apparaît sur la figure 5, le coefficient de réflexion global Rg présente une succession de minimas locaux ou pics de résonance PI, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10, régulièrement répartis sur la plage fréquentielle de mesure (allant de 190 à 220 MHz dans l'exemple représenté et correspondant à la bande passante en réception du transducteur ultrasonore 301) .

Des études conduites par les inventeurs ont montré que ces pics de résonance correspondent à des résonances en modes de Lamb de l'assemblage formé par les substrats Wl et W2. Plus particulièrement, un pic sur deux de la suite de pics (les pics de rang pair dans cet exemple) correspond à une résonance en mode de Lamb symétrique (c'est à dire correspondant à un mode de vibration symétrique par rapport au plan d' interface entre les substrats Wl et W2) , les autres pics (les pics de rang impair dans cet exemple) correspondant à des résonances en modes de Lamb antisymétriques (c'est à dire correspondant à des modes de vibrations antisymétriques par rapport au plan d' interface entre les substrats Wl et W2) .

Les inventeurs ont constaté que la position fréquentielle des pics de résonance symétrique (les pics de rangs pairs dans cet exemple) varie significativement en fonction de la qualité du collage entre les substrats Wl et W2, et plus particulièrement en fonction de l'énergie d'adhérence entre les substrats Wl et W2. La position des pics de résonance antisymétrique (les pics de rangs impairs dans cet exemple) est en revanche indépendante de la qualité du collage entre les substrats .

Les inventeurs expliquent ce comportement par le fait que les résonances en modes de Lamb symétriques n'induisent pas de déplacement significatif du milieu de l'assemblage entre les deux substrats, mais génèrent, au niveau du milieu de l'assemblage (à l'interface entre les deux substrats dans l'exemple représenté) , des contraintes en contraction/dilatation selon une direction orthogonale au plan de l'interface. L'interface est donc relativement fortement sollicitée par les résonances en modes de Lamb symétriques, d'où il résulte que la qualité du collage influe sur la fréquence des résonances en modes de Lamb symétriques. Au contraire, les résonances en modes de Lamb antisymétriques provoquent un déplacement de l'ensemble de la structure, mais ne génèrent pas de contrainte de compression/dilatation significatives au niveau de l'interface. La qualité du collage n'influe donc pas ou peu sur la fréquence des résonances en modes de Lamb antisymétriques . Ainsi, l'écart fréquentiel entre deux pics consécutifs du signal Rg est représentatif de la qualité du collage entre les substrats Wl et W2.

Le procédé de contrôle mis en oeuvre par le dispositif 300 comprend la détection, par le circuit de traitement 303, d'au moins deux minimas locaux consécutifs du signal Rg, correspondant à deux résonances consécutives symétrique et antisymétrique ou antisymétrique et symétrique du signal Rg, par exemple des résonances en modes de Lamb, et la mesure de l'écart fréquentiel entre ces deux pics.

Les inventeurs ont plus particulièrement constaté que la fréquence des pics de résonance symétrique (les pics de rang pair dans l'exemple représenté) diminue lorsque la qualité du collage se dégrade. Ainsi, l'écart fréquentiel Af entre un pic de résonance antisymétrique et le pic de résonance symétrique de rang immédiatement supérieur est d' autant plus faible que la qualité du collage est faible, et inversement. L'évaluation de la qualité de l'interface entre les substrats Wl et W2 peut donc être basée sur la mesure de l'écart fréquentiel entre les pics de résonance antisymétrique et les pics de résonance symétrique.

En théorie, l'écart fréquentiel entre chaque pic de résonance antisymétrique et le pic de résonance symétrique de rang immédiatement supérieur est sensiblement constant sur toute la plage de fréquence mesurée. Une seule mesure d'écart fréquentiel Af entre un pic de résonance antisymétrique et le pic de résonance symétrique de rang immédiatement supérieur permet donc d' obtenir une information quant à la qualité du collage entre les substrats.

Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, pour augmenter le rapport signal sur bruit de la mesure et améliorer la précision du contrôle, on prévoit de mesurer, pour chacun des pics de résonance antisymétrique (les pics de rang impair dans cet exemple) de la plage fréquentielle de mesure, l'écart fréquentiel entre le pic de résonance antisymétrique et le pic de résonance symétrique de rang immédiatement supérieur, puis de calculer la moyenne des écarts fréquentiels mesurés. Dans l'exemple de la figure 5, cinq écarts fréquentiels Af]_ , Af ₂ , Δΐ^, Afq, Af^ sont mesurés à partir des positions des dix pics PI, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10 du signal, avec Af ₁₌ f (P2) -f (PI) , Af ₂ =f (P4) -f (P3) , Af ₃ =f (P6) -f (P5) , Af ₄ =f (P8) -f (P7) , et Af ₅ =f (P10) - f(P9). L'écart fréquentiel Af utilisé pour évaluer la qualité de l'interface entre les substrats Wl et W2 correspond à la moyenne des valeurs Af]_ , Af ₂ , Af3 , Afq, Af 5 .

Bien entendu, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple représenté dans lequel la plage fréquentielle de mesure du signal Rg inclut dix pics de résonance. Les modes de réalisation décrits s'appliquent plus généralement quelle que soit l'étendue de la plage fréquentielle de mesure du signal Rg, pour autant que celle-ci comprenne au moins deux et de préférence au moins quatre pics correspondant à des résonances, par exemple en modes de Lamb, de l'assemblage formé par les substrats Wl et W2.

La détection des pics de résonance par le circuit de contrôle et de traitement 303 peut être mise en oeuvre par toute méthode de détection de minimas locaux connue. De telles méthodes sont à la portée de l'homme du métier et ne seront pas détaillées ici . La détection des pics de résonance peut notamment comporter un seuillage pour filtrer d'éventuels pics parasites.

En pratique, pour déterminer si les pics de résonance antisymétrique sont les pics de rang impair ou les pics de rang pair, on peut considérer trois pics consécutifs Pi, Pi+1, Pi+2 de la suite de pics détectés, par exemple les trois premiers pics de la suite, et calculer les écarts fréquentiels entre les pics Pi et Pi+1 d'une part, et entre les pics Pi+1 et Pi+2 d'autre part. Si l'écart entre les pics Pi et Pi+1 est inférieur à l'écart entre les pics Pi+1 et Pi+2, cela signifie que les pics Pi, Pi+2, etc., sont des pics de résonance antisymétrique et que les pics Pi+1, Pi+3, etc., sont des pics de résonance symétrique. Dans le cas contraire, les pics Pi, Pi+2, etc., sont des pics de résonance symétrique et les pics Pi+1, Pi+3, etc., sont des pics de résonance antisymétrique. La figure 6 est un diagramme représentant l'évolution constatée par les inventeurs de l'écart fréquentiel Af (en MHz, en ordonnée) mesuré entre les pics de résonance antisymétrique et symétrique du signal spectral Rg(f), en fonction de l'énergie d'adhérence E (en J.m-^ _e n abscisse) entre les deux substrats.

La figure 6 comprend plus particulièrement une courbe C2 correspondant au cas considéré ci-dessus d'une excitation ultrasonore réalisée à une fréquence de l'ordre de 200 MHz. La figure 6 comprend en outre une courbe Cl correspondant à une excitation ultrasonore à une fréquence de l'ordre de 40 MHz, et une courbe C3 correspondant à une excitation ultrasonore à une fréquence de l'ordre de 1 GHz.

Comme cela apparaît sur la figure 6, les courbes Cl, C2 et C3 sont des courbes croissantes monotones, c'est à dire que plus l'énergie d'adhérence E entre les deux substrats est élevée, plus l'écart fréquentiel Af mesuré entre un pic de résonance antisymétrique et le pic de résonance symétrique de rang immédiatement supérieur du signal spectral Rg est élevé, et inversement .

Pour une fréquence d'excitation ultrasonore donnée, la loi de variation h telle que E=h(Af) peut être déterminée lors d'une phase de calibration préalable (non détaillée) du dispositif de contrôle. Lors de cette phase de calibration, on peut par exemple prévoir de mesurer la valeur Af pour une série d'assemblages de référence présentant des énergies d'adhérence distinctes et connues. La loi h peut alors être mémorisée par le circuit de contrôle et de traitement 303, par exemple sous la forme d'une table de correspondance ou sous la forme d'une loi analytique .

Le procédé de contrôle mis en oeuvre par le dispositif

300 peut comporter une étape de détermination, par le circuit de traitement 303, à partir de la valeur Af mesurée sur le signal Rg et en appliquant la loi h, d'une valeur représentative de l'énergie d'adhérence entre les deux substrats Wl et W2. Comme cela apparaît sur la figure 6, les courbes Cl, C2, C3 convergent toutes vers une même valeur plateau lorsque l'énergie d'adhérence entre les substrats augmente. Ce plateau est toutefois atteint d' autant plus tardivement que la fréquence du signal ultrasonore d'excitation est élevée. Ainsi, la plage de sensibilité du procédé de contrôle décrit est d'autant plus grande que la fréquence d'excitation ultrasonore utilisée est élevée. Une fréquence d'excitation comprise entre 100 MHz et 1GHz représente un compromis intéressant pour la plupart des applications en microélectronique ou en optoélectronique.

Bien que l'on ait décrit un exemple de mise en oeuvre dans lequel l'évaluation de la qualité du collage est basée sur une mesure de l'écart fréquentiel Af entre chaque pic de résonance antisymétrique (de rang impair dans l'exemple représenté) et le pic de résonance symétrique (de rang pair dans cet exemple) de rang immédiatement supérieur du signal spectral Rg, une méthode similaire basée sur une mesure d'un écart fréquentiel Af entre chaque pic de résonance symétrique (de rang pair dans cet exemple) et le pic de résonance antisymétrique (de rang impair dans cet exemple) de rang immédiatement supérieur du signal spectral Rg, peut être mise en oeuvre. Dans ce cas, l'écart Af augmente lorsque la qualité du collage se dégrade, et inversement. La loi h telle que E=h(Af) sera adaptée en conséquence.

Dans l'exemple décrit ci-dessus en relation avec les figures 3, 4, 5 et 6, le signal retour mesuré par le transducteur pendant la plage temporelle T2, pris en compte pour calculer le coefficient de réflexion global Rg de l'assemblage, comprend trois échos de fond successifs Ep]_, Ep2 _/ ^E F3' renvoyés par la face arrière de l'assemblage. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. Plus généralement, les modes de réalisation décrits peuvent être mis en oeuvre dès lors que la plage temporelle T2 considérée pour le calcul du coefficient de réflexion Rg englobe au moins un écho de fond de l'assemblage, c'est à dire un écho renvoyé par la face arrière B2 du substrat W2. La figure 7 est un spectrogramme similaire à celui de la figure 5, illustrant la variation de la réponse du dispositif de la figure 3 en fonction du nombre d'échos de fonds successifs considérés pour le calcul du coefficient de réflexion global Rg. La figure 7 comprend une courbe C5 identique ou similaire à la courbe représentée en figure 5, correspondant au signal Rg obtenu lorsque la plage temporelle T2 considérée pour le calcul du signal Rg comprend les trois échos de fond successifs Ερ]_, Εγ2' ^E F3 réfléchis par la face arrière de l'assemblage. La figure 7 comprend en outre une courbe C6 représentant le signal Rg obtenu lorsque la plage temporelle T2 considérée comprend les échos de fond Ep]_, Ep2 mais ne comprend pas l'écho Ερ3· La figure 7 comprend de plus une courbe C7 représentant le signal Rg obtenu lorsque la plage temporelle T2 considérée comprend l'écho de fond Ep]_, mais ne comprend pas les échos de fond Ep2 et Ερ3·

Comme l'illustre la figure 7, la position fréquentielle des pics est indépendante du nombre d'échos de fond considérés pour le calcul du coefficient de réflexion global. Toutefois, les pics sont d'autant plus marqués, et donc détectables avec d'autant plus de précision, que le nombre d'échos de fond considéré est élevé. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, la plage temporelle T2 considérée pour le calcul du coefficient de réflexion global comprend au moins les deux premiers échos de fond du signal d'excitation, renvoyés par la face arrière de l'assemblage, et de préférence les trois premiers échos de fond du signal d'excitation. En pratique, au delà du troisième écho de fond, le gain en précision apporté par la prise en compte des échos de fond suivants est relativement faible car ces échos de fond suivants sont très atténués. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, la plage T2 ne comprend pas plus que les trois premiers échos de fond du signal d'excitation.

La figure 8 est un schéma bloc d'un exemple d' implémentation du circuit de traitement 303 du dispositif de contrôle 300 de la figure 3. Dans cet exemple, le circuit 303 comprend un étage de filtrage temporel 801. L'étage 801 comprend une entrée al recevant l'intégralité du signal retour S mesuré par le transducteur ultrasonore 301, notamment pendant les plages Tl et T2, suite à l'émission d'un signal d'excitation par le transducteur, et deux sorties a2 et a3 fournissant respectivement le signal retour S (Tl) mesuré par le transducteur pendant la plage temporelle Tl, et le signal retour S(T1+T2) mesuré par le transducteur pendant la plage temporelle T1+T2.

Le circuit 303 de la figure 8 comprend en outre deux étages FFT1 et FFT2 de calcul de transposées fréquentielles . L'étage FFT1 présente une entrée a4 reliée à la sortie a2 de l'étage 801, et l'étage FFT2 présente une entrée a5 reliée à la sortie a3 de l'étage 801. Chacun des étages FFT1 et FFT2 est adapté à calculer une transposée dans le domaine fréquentiel, par exemple une transformée de Fourier rapide, du signal temporel appliqué sur son entrée. L'étage FFT1 comprend une sortie a6 fournissant la transposée FFT(Tl) du signal S(T1), et une sortie a7 fournissant la transposée FFT (T1+T2) du signal S (T1+T2) .

Le circuit 303 de la figure 8 comprend en outre un étage

803 comprenant deux entrées a8 et a9 reliées respectivement à la sortie a6 de l'étage FFT1 et à la sortie a7 de l'étage FFT2. L'étage 803 est adapté à générer le signal spectral Rg représentatif de l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion global de l'assemblage. Pour générer le signal Rg, l'étage 803 peut par exemple diviser le signal de sortie FFT (T1+T2) de l'étage FFT2 par le signal de sortie FFT (Tl) de l'étage FFT1. L'étage 803 comprend une sortie alO de fourniture du signal Rg.

Le circuit 303 de la figure 8 comprend en outre un étage

805 de détection de pics de résonance dont une entrée ail est reliée à la sortie alO de l'étage 803. L'étage 805 est adapté à analyser le signal Rg fourni par l'étage 803 et à détecter les pics de résonance caractéristiques de ce signal (les pics PI, P2, P3, P4, P5, P6, P6, P8, P9, P10 dans l'exemple de la figure 5). L'étage 805 comprend une sortie al2 fournissant les coordonnées en fréquence des pics détectés.

Le circuit 303 de la figure 8 comprend de plus un étage 807 adapté à mesurer l'écart fréquentiel Af entre des pics de résonance consécutifs détectés par l'étage 805. L'étage 807 comprend une entrée al3 reliée à la sortie al2 de l'étage 805, et une sortie al4 fournissant la valeur Af mesurée et éventuellement moyennée .

Le circuit 303 de la figure 8 comprend de plus un étage 809 adapté à déterminer une valeur E représentative de l'énergie d'adhérence entre les deux substrats de l'assemblage contrôlés, à partir de la valeur d'écart fréquentiel Af fournie par l'étage 807. L'étage 809 comprend une entrée al5 reliée à la sortie al4 de l'étage 807, et une sortie al6 fournissant la valeur E.

Un avantage des modes de réalisation décrits en relation avec les figures 3 à 8 est qu' ils permettent de réaliser un contrôle non destructif de la qualité d'un collage entre deux substrats, et ce y compris dans le cas où les deux substrats sont de même nature et présentent des rugosités de surface de très petites dimensions à l'interface entre les deux substrats.

Les modes de réalisation décrits peuvent toutefois aussi être utilisés pour contrôler des assemblages dans lesquels les deux substrats sont en des matériaux différents, et/ou présentent des rugosités plus importantes à l'interface entre les deux substrats. En effet, le procédé décrit ci-dessus reste applicable dans le cas où le signal retour mesuré par le transducteur dans la plage T2 comprend, en plus des échos de fond représentés en figure 3, un ou plusieurs échos d'interface.

Par ailleurs, on a décrit ci-dessus un exemple de procédé de contrôle de la qualité d'un collage entre deux substrats, ce procédé comprenant une unique phase d'émission d'un signal d'excitation ultrasonore par le transducteur du dispositif de contrôle, suivie d'une phase de réception d'un signal ultrasonore retour par le transducteur, puis d'une phase d'analyse de ce signal retour. A titre de variante, les phases d'émission- réception susmentionnées peuvent être réitérées une pluralité de fois, par exemple 200 à 600 fois à une fréquence de tir (nombre d'émissions par seconde du signal d'excitation) de l'ordre de 1 kHz, de façon à augmenter le rapport signal sur bruit de la mesure. Dans ce cas, le signal analysé par le dispositif de traitement est par exemple une moyenne des signaux retour mesurés par le transducteur lors des phases d'émission-réception successives.

Par ailleurs, le procédé de contrôle décrit ci-dessus peut être réitéré une pluralité de fois, en déplaçant le transducteur ultrasonore parallèlement au plan moyen de l'assemblage des substrats entre deux itérations successives, de façon à obtenir une image ou cartographie de l'énergie d'adhérence locale entre les deux substrats. La résolution de cette image dépendra notamment de la surface de la portion d' assemblage excitée par le transducteur ultrasonore à chaque itération du procédé, et du déplacement du transducteur relativement à l'assemblage entre deux itérations successives du procédé.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux diverses valeurs numériques mentionnées à titre d'exemple illustratif dans la présente description.