Caractérisation des dépôts Cu/SnAg : topologie et défauts

Les assemblages de type Flip Chip nécessitent des étapes de préparation des puces et du substrat pour que les métallisations soient compatibles avec la technique d’assemblage choisie. Avant de déposer les plots de Cu/SnAg, une sous-couche de Ti/Cu (50/100nm) est déposée pour plusieurs raisons (accroche mécanique, conduction électrique lors du dépôt ECD, …). Enfin les dépôts électrolytiques du Cu et de l’alliage SnAg sont réalisés.

79 De manière générale, les dépôts électrolytiques du Cu (20µm) sont caractérisés par MEB et profilométrie comme présenté sur la figure 3.6.

Figure 3.6 : Caractérisation des dépôts de Cu (épaisseur e = 20µm) de taille 1mm. (a) Images MEB vue de dessus des plots. (b) Image MEB d’une section transversale d’un plot de Cu. (c) Image et mesure de profil des plots de Cu par profilométrie

optique.

Les images MEB des échantillons (figures 3.6-a et 3.6-b) montrent que le dépôt du Cu est uniforme sur l’ensemble des plots 1mm avec une microstructure sans porosités ou défauts de remplissage. Les mesures en profilométrie optique, présentées sur la figure 3.6-c, révèlent un effet de bords qui s’étale sur une longueur représentant environ 5% de la taille du plot. Cela est cohérent avec la coupe mécanique présentée sur la figure 3.6-b.

Pour les dépôts Cu/SnAg, des observations MEB sont données sur la figure 3.7 pour 5µm (a), 10µm (b) et 15µm (c) de SnAg. Le dépôt SnAg est uniforme sur la totalité de la surface des plots et exempt de porosités. En plus, aucun défaut n’a été remarqué à l’interface Cu/SnAg.

Figure 3.7 : Caractérisation MEB des dépôts Cu/SnAg, plots 1mm. Epaisseurs de Sn déposé : 5µm (a), 10µm (b) et 15µm (c).

Les observations MEB montrent de façon qualitative que la rugosité des surfaces SnAg augmente avec l’épaisseur des dépôts. Cela est confirmé de façon quantitative sur la figure 3.8 à l’aide des mesures par profilométrie optique des bumps de 5µm (a), 10µm (b) et 15µm (c) de SnAg. Les épaisseurs mesurées pour les trois dépôts de SnAg sont relativement proches des épaisseurs consignes avec une erreur maximale de 2µm pour les dépôts de 5 et 15µm de SnAg et une erreur de 1µm pour le dépôt de 10µm de SnAg. Ces mesures par profilométrie optique montrent également que le dépôt de SnAg occasionne une atténuation de l’effet de bords remarqué lors des dépôts de Cu. De plus, cette atténuation est d’autant plus importante que l’épaisseur des dépôts SnAg est élevée.

80

Figure 3.8 : Topologies et épaisseurs des dépôts Cu/SnAg (plots 1mm) caractérisés par profilométrie optique. L’épaisseur totale correspond à l’ensemble dépôt de Cu (épaisseur consigne 20µm) + dépôt de SnAg d’épaisseur consigne 5µm (a),

10µm (b) et 15µm (c).

Indépendamment de l’étape d’élaboration des dépôts du Cu et SnAg, un autre type de défaut appelé sur-gravure est situé à la périphérie des plots et à l’interface avec le silicium. Des observations de ce type de défaut pour un plot Cu/SnAg sont données sur la figure 3.9.

Figure 3.9 : Observation des défauts de sur-gravure des dépôts Cu/SnAg, plots 1mm.

Pour rappel, les dépôts Cu/SnAg sont faits à l’échelle de la plaque. Le principe du dépôt électrolytique exige que les plots soient connectés électriquement pendant le processus. Ce rôle est joué par la sous-couche Ti/Cu (50/100nm). Cependant, la fonction du composant exige l’isolation électrique entre les différents plots. Cela est garanti par une gravure chimique (solution liquide) isotrope de la sous-couche Ti/Cu. La gravure étant isotrope, elle dissout la sous-couche Ti/Cu au-dessus du silicium non occupé par les plots et également sous les plots. Ce dernier endroit est le défaut en question qu’on note «sur-gravure».

Ce défaut représente une zone de concentration de contraintes et pourrait induire une diminution de la résistance à la rupture des assemblages. Etant donné que la tenue mécanique de ces assemblages ne fait pas partie du programme de cette étude, l’impact de ce défaut d’un point de vue mécanique n’a pas été évalué. Notons cependant que pour notre étude physico-chimique ce défaut n’a pas d’impact sur les résultats obtenus.

b) Analyse statistique des dépôts Cu/SnAg

Ci-dessous une analyse statistique des défauts sera présentée à partir des mesures par profilométrie mécanique à l’échelle des plaques et à l’échelle de la puce.

b-1) Mesures par profilométrie mécanique à l’échelle des plaques de Cu et SnAg

Les observations et analyses précédentes concernent des plots caractéristiques. Cependant pour évaluer de manière quantitative les épaisseurs des dépôts Cu et SnAg des mesures doivent être faites

81 sur l’ensemble de la plaque. Pour répondre à cela, une cartographie de mesures a été mise en place comme le montre la figure 3.10-a.

Les résultats des mesures d’épaisseur totale de dépôt (Cu ou Cu/SnAg) réalisées par profilométrie mécanique sont présentés sur la figure 3.10-b. Les mesures sont faites sur les 4 types de plaques (1 plaque avec Cu seul et 3 plaques Cu/SnAg avec 5, 10 et 15µmSnAg) en différentes zones de chaque plaque qu’on note Zone 1 à Zone 4 en se référant à la cartographie de mesures. Pour chaque cas, la valeur de l’épaisseur donnée sur la figure 3.10-b présente la moyenne de 5 mesures effectuées pour la même plaque.

Figure 3.10 : Mesure (macroscopique) et homogénéité des dépôts ECD sur la plaque. (a) Cartographie de mesures d’épaisseur de dépôt. (b) Résultats des mesures effectuées par profilométrie mécanique.

Les mesures d’épaisseur de Cu et d’épaisseur totale (Cu + SnAg) montrent que l’épaisseur de SnAg est plus importante au centre de la plaque qu’à son bord pour les épaisseurs nominales de SnAg de 10 et 15µm alors que c’est l’inverse pour l’épaisseur nominal de 5µm. Ainsi, pour les épaisseurs de dépôt nominales de 10 et 15µm de SnAg, les épaisseurs totales (Cu + SnAg) sont respectivement de 33,5 et 37µm au bord de la plaque contre 34,3 et 40,3µm au centre de la plaque. D’autre part, les épaisseurs mesurées de Cu et de SnAg, au bord et au centre des plaques, présentent une variabilité inférieure au micromètre.

Pour conclure, l’épaisseur des dépôts dépend de la position des plots sur la plaque et l’écart d’épaisseur entre le centre et le bord de la plaque dépend de l’épaisseur des dépôts.

Sachant que le dépôt de SnAg passe à l’état liquide lors de l’assemblage, la suite des mesures est focalisée sur les dépôts de cuivre. Les précédentes mesures à l’échelle de la plaque permettent d’étudier la reproductibilité des dépôts électrolytiques en fonction des conditions expérimentales (taille de plots, épaisseurs de Cu et SnAg). Cependant, puisque les assemblages sont réalisés à l’échelle des puces, les mesures sur les dépôts de Cu présentées dans le paragraphe suivant sont réalisées à l’échelle des puces.

82 b-2) Mesures par profilométrie mécanique à l’échelle des puces

Les résultats des mesures topologiques des dépôts de Cu (épaisseur visée 20µm) à l’échelle de la puce, réalisées par profilométrie mécanique, sont donnés sur la figure 3.11-a. Les mesures sont effectuées sur 5 plots de la puce (notés 1, 3, 5, 7 et 9 sur la figure 3.11-a) et pour chaque plot 4 mesures ont été faites (notées Mesure 1 à Mesure 4). On constate que les plots 3, 5, 7 et 9 présentent des épaisseurs de cuivre similaires (19,3 à 20,3µm) alors que le plot 1 présente une épaisseur plus élevée (20,4 à 21,7µm). Cette épaisseur plus élevée pour le plot 1 est due au fait qu’il est situé au bord de la matrice des plots (voir répartition des motifs sur la plaque, figure 3.10-a). Cela est conforme au principe du dépôt électrolytique et aux résultats du fournisseur [Wei, 2016] qui observe très clairement des effets de bords de la matrice des plots malgré les additifs du bain électrolytique.

Figure 3.11 : (a) Mesure par profilomètre mécanique de l’épaisseur moyenne des dépôts de Cu à l’échelle de la puce. (b) Topologie des dépôts de Cu à l’échelle de la puce réalisée par profilométrie mécanique montrant un effet de bord appelé

flèche.

Une autre caractéristique des dépôts de Cu est l’effet de bords des plots noté ici par «flèche» = . Il a été observé que pour le dépôt SnAg cet effet est atténué, et par conséquent une attention particulière sera apportée au dépôt de Cu uniquement. Les résultats des mesures par profilométrie mécanique sont donnés sur la figure 3.11-b. Les mesures effectuées sur 4 endroits de la plaque, comme indiqué dans la cartographie de mesures sur la figure 3.10-a, montrent que cette flèche ne dépend pas de la position des plots sur la plaque et elle est de l’ordre de 3µm sur une longueur X d’environ 50µm des deux côtés (5% de la taille des plots).

2.1.2 Expériences d’assemblage préliminaires avec épaisseur de SnAg (eSnAg) faible : influence de