Chapitre 2 : Protocoles expérimentaux et mise en œuvre
1) Réalisations des plots Cu/SnAg : technologies et designs
Au LETI, les composants électroniques sont réalisés sur des plaques de silicium de diamètre 200mm. Ces substrats sont utilisés pour le dépôt des plots de Cu et Cu/Sn par voie électrolytique. Cette méthode présente l’avantage d’un bon rapport entre la qualité du dépôt (consistance et précision) et son coût élargissant ainsi sa compatibilité avec un large panel d’applications. Les dépôts des plots de Cu/Sn sont obtenus par un ensemble d’étapes technologiques réalisées sur des wafers de silicium. Ces étapes sont présentées dans la figure 2.2-a.
Figure 2.2 : Les étapes technologiques des dépôts Cu/SnAg (a) résultats (photo optique) de croissance de Sn et SnAg (b).
La première étape consiste à former 500nm d’oxyde de silicium par voie thermique. Ensuite, une sous-couche de Ti/Cu (50/100nm) est déposée par PVD et sert de couche d’accroche ou de mouillage pendant le dépôt électrolytique (ECD) de Cu.
L’étape de photolithographie est réalisée et permet de définir les zones de croissance des plots Cu/Sn. Tout d’abord, une résine photosensible est déposée sur le substrat et insolée à travers un masque en verre comportant les motifs souhaités. Ensuite, la résine est enlevée des zones insolées à la suite d’une attaque chimique, permettant ainsi l’ouverture de la résine dans les zones souhaitées. Ainsi, le dépôt électrolytique du Cu et Sn est réalisé dans les ouvertures de la résine. La résine est alors enlevée dans une solution chimique (étape appelée « délaquage »). Enfin, et afin de séparer électriquement les motifs Cu/Sn, la sous-couche de Ti/Cu est enlevée en dehors des zones de plots par une gravure chimique.
Des essais de dépôt électrolytique de Sn pur ont été effectués. Ils ont montré un problème de croissance de Sn sur le Cu malgré différents essais pour optimiser le dépôt (voir figure 2.2-b). Étant donné que le bain d’électrolyse d’étain pur (Sn) est peu utilisé au LETI et ne pouvant être mis en œuvre que par campagne, il a été décidé de poursuivre l’étude avec des dépôts de SnAg étant bien maitrisés au LETI (voir figure 2.2-b).
Afin d’identifier les caractéristiques des dépôts électrolytiques, le principe de la technique est expliqué dans la section suivante.
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1.1 Technologie : principe de la méthode de dépôt par électrolyse (ECD)
Dans un premier temps, le principe du dépôt ECD sera présenté et ensuite les caractéristiques des dépôts seront détaillées dans la prochaine section. Pour simplifier, le principe du dépôt ECD sera expliqué pour le dépôt de cuivre. À noter que le principe d’ECD pour le dépôt de SnAg est similaire, il y’a uniquement la composition chimique qui change afin de fournir les ions de Sn et Ag.
La figure 2.3 présente un schéma du principe de dépôt dans les bains d’électrolyse de cuivre. La sous-couche Ti/Cu, déposée le long de la plaque, assure la conductivité électrique (orange) requise pour le dépôt.
Figure 2.3 : Principe et additifs dans le bain électrolytique pour dépôt de Cu.
Le bain électrolytique est une solution chimique qui contient différents types de composés appelés additifs. Ces composés jouent plusieurs rôles et peuvent être classés en deux catégories : additifs fonctionnels et additifs d’optimisation [DUPONT].
Les additifs fonctionnels jouent un rôle indispensable pour le dépôt électrolytique. D’un côté, le bain contient du sulfate de cuivre (CuSO4). Cet additif permet de fournir des ions de cuivre (𝐶𝑢2+) par la décomposition de CuSO4selon l’équation suivante :
𝐶𝑢𝑆𝑂4→ 𝑆𝑂42−+ 𝐶𝑢2+
De ce fait, le bain électrolytique devient riche en 𝐶𝑢2+. Les atomes de cuivre étant de charge positive et le substrat (Cu) de charge négative (application d’une tension extérieure), une différence de potentiel est formée entre les deux. Cependant, pour que les ions 𝐶𝑢2+ soient attirés et ainsi déposés sur le substrat (Cu), une propriété de conductivité électrique est attribuée au bain grâce à l’additif H2SO4. Cet additif joue également un autre rôle important. En effet, selon le pH de la solution (supérieur à 5,4), les ions de cuivre peuvent réagir avec 𝑂𝐻− pour former des précipités de 𝐶𝑢(𝑂𝐻)2 selon l’équation :
𝐶𝑢2++ 2𝑂𝐻−→ 𝐶𝑢(𝑂𝐻)2
Cette réaction réduit le nombre d’ions de cuivre disponibles et ainsi ralentit la cinétique du dépôt. De ce fait, le pH de la solution est modifié par l’ajout de l’acide sulfurique (H2SO4) de façon à maintenir le pH de la solution inférieur à 5,4 et ainsi empêcher la précipitation de Cu(OH)2.
La deuxième catégorie d’additifs permet d’optimiser les dépôts. Tout d’abord, il y’a les ions de chlorure qui se combinent avec des espèces organiques pour former un complexe ralentissant la cinétique de dépôt sur des zones sélectives. De plus, le suppresseur est un additif qui, en réagissant avec les ions de chlorure, permet de réduire davantage la cinétique de dépôt sur des zones sélectives. Ensuite, il y’a
49 l’accélérateur formé d’espèces électro-actives permettant d’améliorer la cinétique du dépôt. Enfin, des niveleurs polarisent les zones avec des densités de courant élevées pour contrôler la morphologie de surface des dépôts.
La composition chimique des additifs suppresseurs, accélérateurs et niveleurs sont des données confidentielles non divulguées par les fournisseurs des bains électrolytiques.
1.2 Influence du design sur les résultats du dépôt électrolytique
Trois designs de puces ont été sélectionnés pour l’étude. Le premier correspond à une puce de grande taille (3mmx10mm), correspondant à un composant de fort calibre en courant (90A). Ses plots d’interconnexion ont une dimension de 1mm par 0,8mm. Le deuxième correspond à une puce de plus petite taille (3mmx3,5mm) avec des plots de même dimension que la première. Enfin, la troisième puce présente des plots de plus petite taille (90µmx90µm). La figure 2.4 indique les caractéristiques géométriques relatives aux trois designs :
Figure 2.4 : Paramètres du véhicule test : design et dimensions.
Des mesures d’épaisseur sont établies et permettent d’étudier trois paramètres principaux : - La topologie de surface des dépôts de Cu et SnAg.
- L’impact de la taille des plots sur l’épaisseur et la topologie des dépôts, en comparant les plots de taille 1mm avec les plots de taille 90µm.
- L’impact du nombre des plots (pour la taille 1mm) d’une puce sur les caractéristiques du dépôt sera évalué.
Afin d’estimer l’épaisseur et la topologie des dépôts, deux techniques de mesures ont été mises en œuvre : la profilométrie mécanique et la profilométrie optique. Le choix entre ses deux techniques dépend de la nature des substrats, leur taille et de l’information recherchée.
Profilométrie mécanique :
La profilométrie mécanique est une technique qui permet de tracer le profil d’une surface (zdépôt=f(x)) grâce à une mesure de marche (ou scan). Elle est utilisée dans cette étude pour mesurer l’épaisseur et la topologie des dépôts de Cu et SnAg.
50 Son principe consiste à suivre la topologie de la surface de l’échantillon sur une ligne par une pointe solidaire d’un stylet. De l’autre côté du stylet, il se trouve un contrepoids coulissant qui contrôle la force d’appui de la pointe par un moteur électrique. Un capteur capacitif permet de mesurer la position verticale de la pointe via l’extrémité du stylet. Les positions mesurées sont continuellement envoyées vers l’ordinateur pour tracer le profil de la surface scannée. La figure 2.5-a présente un schéma de principe de l’équipement de profilométrie mécanique [Dettoni, 2013].
La figure 2.5-b présente la cartographie des mesures mise en place pour étudier les caractéristiques des dépôts de Cu et SnAg sur les plaques de silicium.
Figure 2.5 : Principe de profilométrie mécanique [Dettoni, 2013] et cartographie de mesure.
Généralement, les dépôts électrolytiques présentent, entres autres, des défauts de non-uniformité. Pour cela, des mesures de profilométrie mécanique sont établies pour évaluer ces défauts. Ces derniers sont représentés par deux paramètres : l’épaisseur de Cu et SnAg déposés et la topologie de leur surface (planéité et rugosité).
Les mesures seront établies selon la cartographie proposée dans la figure 2.5-b afin d’évaluer les deux paramètres dans différentes positions de la plaque. Les plots sélectionnés pour ces positions sont également présentés dans la figure. Deux tailles de plots, 1mm et 90µm, sont mesurées afin d’évaluer également les caractéristiques des dépôts pour chacune des deux tailles.
Les résultats des mesures par profilométrie mécanique, des profils des plots de cuivre, sont donnés dans la figure 2.6 pour les deux tailles de plot (a) 1mm et (b) 90µm. Les résultats des mesures réalisées sur différents types de plaques Cu(20µm)/SnAg(0, 5, 10 et 15µm) sont donnés en annexe 2.1.
Il est constaté que pour les deux tailles de plots, l’épaisseur du dépôt est plus élevée aux bords des plots qu’à leurs centres. Cependant, cet effet de bords occupe une longueur de 50µm pour les deux plots 1mm et 90µm.
De ce fait, pour les plots 90µm moins de points sont considérés pour mesurer l’épaisseur à leurs centres. Cela permet d’estimer l’épaisseur des dépôts au bord et au centre des plots indépendamment de leur taille.
51 Les mesures d’épaisseur par profilométrie mécanique sont combinées avec des mesures moyennant une autre technique de mesure complémentaire à savoir la profilométrie optique.
Figure 2.6 : Quelques résultats et caractéristiques topologiques des plots Cu de taille 1mm et 90µm.
Profilométrie optique :
Cette technique permet d’assurer la même fonction que la profilométrie mécanique : « mesure de l’épaisseur et de la topologie de surface ». Son principe, schématisé dans la figure 2.7, repose sur l’utilisation d’un faisceau optique pour mesurer la hauteur des différents points de la surface.
Figure 2.7 : Principe profilométrie optique [Lakhdari, 2017].
Le faisceau optique est envoyé à un séparateur qui partage le faisceau en deux parties. La première partie est envoyée directement vers un détecteur pour servir de plan de référence. La deuxième partie du faisceau est envoyée vers la surface de l’échantillon pour y être réfléchie en chaque point. Ces deux faisceaux (plan de référence et réfléchi de l’échantillon) se retrouvent dans le détecteur avec un décalage z qui conduit à la formation de franges d’interférence. Une fois que ces franges d’interférence apparaissent, le détecteur et la surface de l’échantillon (ligne moyenne) peuvent être considérés placés à distance égale du séparateur du faisceau ce qui permet d’optimiser le focus sur la surface.
52 La représentation des valeurs mesurées des épaisseurs est établie selon une échelle en couleurs. La figure 2.8 présente une mesure en profilométrie optique d’un plot Cu/SnAg (épaisseur nominale de 30µm) dont la couleur bleue correspond à la valeur minimale et la couleur rouge correspond à la valeur maximale.
Figure 2.8 : Quelques résultats de profilométrie optique d’un plot Cu/SnAg.
Pour cette technique, les résultats des mesures sont sous forme d’une série de points 𝑃𝑖 de cordonnées x, y, z et dont l’ordonnée z correspond à l’épaisseur du plot en ce point. De ce fait, les mesures sont exploitables pour extraire plusieurs paramètres : 𝑃𝑚𝑎𝑥, 𝑃𝑚𝑖𝑛 et 𝑃𝑚𝑜𝑦.
Une fois que les dépôts Cu et SnAg sont réalisés sur les wafers et mesurés par les deux techniques de profilométrie mécanique et optique, la préparation des échantillons pour les assemblages est ensuite entamée. La préparation se déroule en trois étapes :
a- Séparation des puces par découpe avec le design sélectionné pour les assemblages. b- Placement des puces sur les substrats avec alignement des motifs.
c- Application d’un reflow (profil thermique) pour réaliser l’assemblage par brasage entre les puces et le substrat.