Analyses thermomécaniques multi-échelles expérimentale et numérique pour des empilements de couches minces en microélectronique

Multi-scale experimental and numerical thermomechanical analysis of stacked thin films in microelectronics

• Auteur / Autrice : Wei-Zhen Yao
• Direction : Abdellah Tougui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et productique
• Date : Soutenance le 20/06/2018
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École polytechnique universitaire (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Marc Lethiecq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Soufyane Belhenini, Fabrice Roqueta, Zhi-Qiang Feng, Jean-Charles Craveur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Le Bourhis, Olivier Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plaquettes à gravure en semiconducteurs

Nanoindentation

Éléments finis, Méthode des

Contraintes (mécanique)

Condensateurs électriques

Déformations (mécanique)

Silicium -- Substrats

Silicium -- Couches minces

Empilements lamellaires

Mots clés libres

Microélectronique

Gauchissement

Empilement de films minces

Caractérisation mécaniques

Contraintes résiduelle et intrinsèque

Modélisation par éléments finis

Homogénéisation

Microelectronics

Warpage

Multi-layered stack

Mechanical characterization

Residual and intrinsic stresses

Finite element modeling

Homogenization

Résumé

Ce travail a pour objectifs de comprendre et de prédire les gauchissements de plaquettes en silicium durant le procédé de fabrication des composants électroniques de type PTIC. Ces gauchissements sont en partie responsables de plusieurs problèmes de productivité. Cette étude repose sur un couplage entre les calculs analytiques, la modélisation par élément finis et l’expérimentation. La caractérisation mécanique des films minces constituant l’empilement a été effectuée par des techniques spécifiques comme la nanoindentation complétée par des modélisations numériques. Les contraintes intrinsèques dans les films minces ont été déterminées en couplant des mesures de gauchissements des plaquettes et des calculs par éléments finis. Les valeurs du module d’Young et des contraintes intrinsèques obtenues constituent des variables d’entrée pour calculer les gauchissements de la plaquette par des approches analytiques et numériques. La complexité des structures (plaquettes avec des milliers de puces) a nécessité l’utilisation des modèles d’homogénéisation pour estimer numériquement les gauchissements. Les résultats obtenus ont permis de prédire les gauchissements à l’échelle des plaquettes dans le but d’optimiser les conditions de fabrication afin de minimiser les risques d’apparition des problèmes mécaniques.

The aim of this work is to understand and predict the warpage of silicon wafers during the fabrication process of PTIC microelectronic components. The warpages are partially responsible for several productivity problems. This study is done by coupling analytical calculation, finite element modeling and experimentation. The mechanical characterization of thin films constituting the multi-layered stack has been carried out by an experimental method nanoindentation with the help of a finite element model. The intrinsic stress in the thin films has been determined by coupling measurements of the wafer warpage and a finite element model. The obtained Young’s modulus and intrinsic stress are used to feed the database for calculating the wafer warpage by analytical and numerical approaches. The complexity of the structures (thousands of components in the wafer) required the use of homogenized models to calculate the wafer warpage. These results obtained allow the prediction of the wafer-level warpage in order to optimize the fabrication process flow and therefore reduce the risk of the mechanical problem.