La gravure DRIE, le procédé Bosch

Après l’étude par texturation mécanique, d’autres motifs d’ancrage, réalisés par une technique plus traditionnelle de microélectronique, ont été évalués. Comme l’illustre la Figure II-17, le procédé de gravure Bosch, couramment utilisé en microélectronique, permet d’obtenir des flancs de gravures verticaux et rectilignes. De plus, le temps de gravure (contrôlé par l’utilisateur) permet de maitriser la profondeur des motifs suivant leurs dimensions (taille d’ouverture et densité). La gravure peut également être stoppée à l’aide d’un matériau de nature chimique différente.

-81- Pour graver le silicium, une couche de résine est déposée puis insolée à travers un masque reproduisant les motifs voulus (photolithographie). Elle est ensuite conservée sur les surfaces que nous ne voulons pas graver. La suite du procédé de gravure suit une répétition de deux étapes clés représentées sur la Figure II-18 :

- La première étape consiste à exposer le substrat à un plasma d’hexafluorure de soufre SF6 dont la réaction chimique grave le silicium (85)(86).

- Une fois la gravure terminée, celle-ci est protégée par un dépôt de téflon obtenu par la décomposition du C4F8 (passivation). Son rôle est de protéger les flancs qui viennent d’être gravés afin d’éviter la gravure latérale (87).

La répétition des deux premières étapes permet de graver de plus en plus profondément sans déformer les motifs et en conservant les flancs d’ouverture verticaux.

Figure II-18 : Schéma représentant les différentes étapes du procédé de gravure Bosch (adapté de (85))

Pour cette thèse, nous avons choisi de tester plusieurs schémas de gravure afin d’étudier l’impact de différents motifs sur l’adhérence. Pour obtenir un panel significatif, nous avons choisi de faire varier la géométrie des motifs (angles droits,

-82- aigus, nombre d’arêtes, …). Avec ces critères, les motifs choisis sont de section : circulaire, carrée et triangulaire. Chaque motif a trois déclinaisons dimensionnelles : taille du motif 25, 50 ou 100 µm avec un pas entre les motifs de 50, 100 ou 200 µm. Ainsi comme l’illustre la Figure II-19, neuf combinaisons ont été créées permettant une variation significative du nombre et de la géométrie des ancrages mécaniques. Pour répondre à notre besoin, un masque regroupant l’ensemble des motifs a été conçu.

Figure II-19 : Masque de gravure regroupant les motifs circulaires, carrés et triangulaires ; et les différentes dimensions testées pour favoriser l’adhérence

Les dispositifs ont été gravés en salle blanche, puis vérifiés : - au microscope pour les dimensions des motifs (Figure II-20) - à l’interféromètre optique pour la profondeur de gravure.

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Figure II-20 : Photographie microscopique (x200) des différents motifs testés en gravure : a. motifs circulaires de diamètre 25 µm avec un pas de 50 µm ; b. motifs circulaires 50 µm avec un pas de 100 µm ; c. motifs circulaires 100 µm avec un pas de 200

µm ; d. motifs carrés 25 µm avec un pas de 50 µm ; e. motifs carrés 50 µm avec un pas de 100 µm ; f. motifs carrés 100 µm avec un pas de 200 µm ; g. motifs triangulaires 25 µm

avec un pas de 50 µm ; h. motifs triangulaires 50 µm avec un pas de 100 µm ; i. motifs triangulaires 100 µm avec un pas de 200 µm.

II.2.3.Démonstrateur

Parallèlement à l’étude d’adhérence entre le silicium et le polymère, nous avons réalisé une étude de faisabilité sur démonstrateur. En effet, pour tester concrètement un packaging réalisé par fabrication additive, nous avons conçu un véhicule test à packager. Pour cela, nous avons choisi de réaliser un démonstrateur en silicium, constitué de pistes conductrices et de plots métalliques, autorisant le report de composants et leur interconnexion. Cela permet d’étudier l’impact du packaging réalisé par stéréolithographie, sur le fonctionnement électrique des composants ainsi fabriqués. L’objectif principal est de vérifier que le packaging réalisé, protège le composant ainsi que son câblage de l’environnement extérieur (poussières, humidité, chocs, température, …) sans en détériorer les performances et fonctionnalités.

-84- Afin de réaliser une étude complète, plusieurs types de démonstrateurs ont été créés. Comme le schématise la Figure II-21, trois combinaisons ont été étudiées :

- La première (Type 1) est composée d’un substrat de silicium. Les pistes de ce substrat sont connectées entre elles par câblage filaire (wire bonding en anglais) qui consiste à connecter des puces entres elles à l’aide de fils d’or de 25 µm de diamètre. Il permet de relier les plots électriques.

- La seconde (Type 2) est composée d’un substrat de silicium et d’une puce. Un « substrat » sur lequel est reportée par collage (résine époxy) une puce plus petite appelée « top ». L’interconnexion est aussi réalisée par câblage filaire.

- La troisième (Type 3) est composée d’un « substrat » et de deux puces « top » afin d’étendre le volume à packager. Les différentes puces sont connectées entre elles par câblage filaire.

Figure II-21 : Schémas des différents types de démonstrateurs réalisés au cours de l’étude

II.2.3.1.Réalisation

Afin d’obtenir les trois types de démonstrateur ci-dessus, il faut dans un premier temps réaliser les substrats de silicium et les puces «tops» les constituant.

Le substrat de silicium, illustré Figure II-22, sert d’embase au démonstrateur. La réalisation du packaging par fabrication additive débute sur ce substrat. Ses dimensions sont de 28 mm de long par 21 mm de large. Elle comprend un réseau de pistes électriques larges de 100 µm ainsi que des plots électriques de 150x150µm² pour la prise de mesure.

Afin de délimiter la zone de construction du packaging sur la puce, un repère visuel a été ajouté. Il est représenté sur la Figure II-22 par une zone bleue. A terme cette zone pourrait devenir fonctionnelle en étant équipée de texturations ou dépôts chimiques favorisant l’adhérence du polymère sur le substrat silicium.

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a. b.

Figure II-22 : a. Vue de dessus du substrat silicium ; b. Vue isométrique du substrat silicium. (1) Les carrés représentent les plots électriques, (2) les lignes représentent les pistes électriques et (3) la zone pleine bleue délimite la zone de

construction du packaging.

La puce « top » illustrée Figure II-23, est utilisée afin de créer du volume. En effet, la puce « top » est reportée puis connectée au substrat, ajoutant ainsi du volume et de la topographie au composant à packager. Elle comprend des pistes électriques de 100 µm de large à connecter au substrat. Ces dimensions sont de 5.08 mm de long par 5.48 mm de large.

a. b.

Figure II-23 : a. Vue de dessus de la puce « top » ; b. Vue isométrique de la puce « top »

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v Le câblage des composants

Les pistes électriques présentes sur les puces ont été conçues de sorte à obtenir différentes configurations de câblages. Le câblage vertical, horizontal, à grande boucle (passage du substrat à la puce « top ») et à petite boucle (liaison de pistes sur un même plan) sont représentés sur la Figure II-24. Les différents cas permettent ainsi l’identification du câblage critique dans le cas d’un endommagement du démonstrateur pendant l’étape de packaging.

Les réseaux de pistes électriques sur les puces, ont été choisis afin de tester trois modèles de chaînes différents. Le premier modèle est constitué de deux chaînes courtes, présentes seulement sur le substrat. La première chaine sans câblage, permet de vérifier l’intégrité des pistes. La deuxième chaine présente un câblage à petites boucles. Sa fonction est de vérifier l’endommagement des fils sur le substrat. Le second modèle est composé de chaînes de longueurs moyennes et le troisième de chaînes longues. Ils permettent d’étudier le câblage reliant les deux puces ainsi que celui vertical.

Comme illustré à gauche de la Figure II-24, des plots de test permettent de tester électriquement et de façon indépendante les différentes pistes et chaînes d’interconnexion. De plus, chaque piste est équipée de deux plots de mesure afin de pouvoir réaliser une mesure 4 fils dont le procédé est décrit en partie II.3.4 (p.103).

Figure II-24 : Schéma en vue de dessus du câblage pour un démonstrateur, les fils d’or sont représentés en jaunes

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