Development of an innovative method for thermomechanical properties measurement of thin films. Application to an imaging device
Développement d'une méthode innovante de mesures des propriétés thermomécaniques de films minces. Application à un dispositif imageur
Résumé
Polymers are very widespread in microelectronics. In addition to their relevant electrical and optical properties for integration, their thermomechanical properties generally exhibit a high contrast with semiconductor substrates, but also with other materials also integrated into microchips, like oxides or metals. This mismatch between materials generally leads to a sharp increase of stresses in the various layers under consideration, which in returns results of a sharp increase in the wafer curvature. Excessive stresses can lead to cracking or delamination, threatening the mechanical integrity of the structure. Knowing the properties of each layer, especially polymer films, enables designers to verify the compatibility of integrated materials and guarantee component reliability. However, to achieve this goal, it is mandatory to develop characterization techniques, especially for thin films deposited on substrates.Thus, the aim of this work is to develop an experimental method to determine the thermomechanical properties of integrated layers, and then to verify the mechanical integrity of microelectronic devices using analytical or numerical simulation tools. This method is based on measuring the variation of curvature during thermal cycles. Then the completion of the polymer cross-linking process can be checked and its temperature of glass transition can be determined. By measuring the thermally induced curvature of two distinct substrates with the same deposited polymer material, the biaxial modulus and the coefficient of thermal expansion of the film are determined. By characterizing a large number of polymers using this technique, we can build up a materials database that can be supplemented with other integrated materials. These data are used in modeling to predict the strain and stress levels of several devices used in microelectronics.In particular, we will study the case of image sensors by performing a predictive calculation of strain and stress distributions of stacks in order to examine the compatibility of different materials. We will also work on the mechanical integrity of these devices, to guarantee their manufacture and reliability over time. We will show that the material selection is eased by structural modeling and a method to study crack initiation and propagation using numerical models.
Les polymères sont des matériaux de plus en plus utilisés dans le domaine de la microélectronique. Outre les propriétés électriques ou optiques intéressantes pour les intégrations, ils présentent généralement de forts contrastes de propriétés thermomécaniques avec les substrats semi-conducteurs mais aussi avec les autres matériaux également intégrés dans les dispositifs, tels que les oxydes ou les métaux. Cette inadéquation entre les matériaux provoque généralement une forte augmentation des contraintes dans les différentes couches considérées, ce qui entraine en retour une forte augmentation de la courbure de la plaque. Des contraintes trop intenses peuvent provoquer l'apparition de fissure ou un délaminage, menaçant l'intégrité mécanique de la structure. Connaître les propriétés de chaque couche, en particulier des films polymères, permet aux concepteurs de vérifier la compatibilité des matériaux intégrés et de garantir la fiabilité du composant. Toutefois pour atteindre cet objectif, il est essentiel de développer des techniques de caractérisation de ces propriétés thermomécaniques spécifiquement adaptées pour les films minces déposés sur substrat.Ainsi, l'objectif de ce travail est de mettre au point une méthode expérimentale de détermination précise et réaliste des propriétés thermomécaniques des couches d'intégration, et ensuite de vérifier à l'aide d'outils de simulation analytiques ou numériques, l'intégrité mécanique des dispositifs microélectroniques. Cette méthode est basée sur la mesure de l'évolution de la courbure des plaques au cours de cycles en température. Elle permet non seulement de vérifier l'achèvement du processus de réticulation des polymères, mais aussi d'estimer leurs températures de transition vitreuse. En mesurant la courbure en température de deux substrats distincts sur lesquels sont déposés un même matériau polymère, la méthode développée permet de déterminer le module biaxial et le coefficient de dilatation thermique du film. La caractérisation d'un grand nombre de polymères par cette technique permet de constituer une base de données matériaux que l'on peut compléter avec les propriétés des autres matériaux intégrés. Ces données alimentent des modélisations dans le but de prédire le niveau de déformation de plusieurs dispositifs utilisés en microélectronique.Nous étudierons en particulier le cas des capteurs d'images en réalisant un calcul prédictif des déformations et des contraintes dans les empilements afin d'examiner la compatibilité des différents matériaux. Nous travaillerons également sur l'intégrité mécanique de ces dispositifs, afin de garantir leur fabrication et leur fiabilité dans le temps. Nous montrerons que le choix des matériaux est facilité par la modélisation des structures et qu'il est également possible d'étudier l'initiation et la propagation de fissures à l'aide de modèles numériques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|