Solvants eutectiques profonds : un milieu prometteur pour la dissolution sélective de métaux nobles utilisés dans les modules électroniques avancés

Deep eutectic solvents: a promising medium for the selective dissolution of noble metals used in advanced electronic modules

• Auteur / Autrice : Julien André
• Direction : Eric Chainet, Lenka Svecova
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.

Mots clés

Mots clés libres

Électronique

Solvants eutectiques profonds

Dissolution

Métaux noble

Dissolution

Noble metal

Deep eutectic solvents

Electronic

Résumé

La fabrication des puces électroniques se complexifie car le champ de la microélectronique évolue rapidement avec comme objectifs l'amélioration des performances, la réduction de la consommation électrique et la baisse des prix des circuits intégrés (transistors, mémoires, filtres passifs etc.). En parallèle, de nouveaux nano-objets émergents, tels que les capteurs dont les microsystèmes électromécaniques (MEMS), qui sont dédiés à des applications comme l'automobile ou l'internet des objets (IoT). Le développement de nouvelles structures pour ces nanotechnologies nécessite l'utilisation d'un nombre croissant de matériaux (semi-conducteurs, métaux, diélectriques) qu'il faut, entre autres, déposer, doper, graver au cours de leur processus de fabrication. C'est de là que vient cette nécessité d'adapter les caractéristiques des solutions de gravure en voie humide. Une haute sélectivité est particulièrement requise, ce qui est complexe à réaliser pour les métaux nobles, fortement résistant à l'oxydation. Par ailleurs, d'autres caractéristiques telles que la vitesse de gravure, la capacité de dissolution, la toxicité et la recyclabilité doivent être contrôlées et ajustées pour répondre aux enjeux actuels et futurs de l'industrie de la microélectronique. Cet objectif motive l'exploration des solvants eutectiques profonds (DES) et liquides ioniques (IL), comme matrices innovantes pour la gravure sélective de métaux tels que l'or et le platine. En effet, les IL et les DES possèdent des propriétés très intéressantes (fenêtre électrochimique, solvatation, volatilité) pour servir de matrice passive ou active pour la dissolution des métaux, en remplacement des solvants conventionnels. Les DES ont aussi l'avantage d'être généralement biodégradable, recyclable, simple à préparer et constitués de produits peu coûteux. Cette thèse se concentrera donc, sur l'étude de solutions de gravure par voie humide des métaux nobles, composées de DES/LI. Les performances de gravure et les propriétés physico-chimique seront finement analysées, pour des formulations « simples » ou additivées d'espèces chimiques, telles que des oxydants, complexants, solvants, inhibiteurs de corrosion ou surfactant. Les mécanismes réactionnels de dissolution des métaux et les interactions moléculaires au sein de ces matrices innovantes seront aussi investigués, notamment par des techniques électrochimiques. Pour finir, la possibilité de recycler ces solutions sera explorée.

The manufacture of electronic chips is becoming more complex because the field of microelectronics is evolving rapidly with the objectives of improving performance, reducing power consumption, and lowering the prices of integrated circuits (transistors, memories, passive filters, etc.). At the same time, new emerging nano-objects, such as sensors including microelectromechanical systems (MEMS), which are dedicated to applications such as the automobile or the Internet of Things (IoT). The development of new structures for these nanotechnologies requires the use of an increasing number of materials (semiconductors, metals, dielectrics) that must, among other things, be deposited, doped, etched during their manufacturing process. This is where the need to adapt the characteristics of wet etching solutions comes from. High selectivity is particularly required, which is complex to achieve for noble metals, which are highly resistant to oxidation. In addition, other characteristics such as etch rate, dissolution capacity, toxicity and recyclability must be controlled and adjusted to meet the current and future challenges of the microelectronics industry. This goal motivates the exploration of deep eutectic solvents (DES) and ionic liquids (IL), as innovative matrices for the selective etching of metals such as gold and platinum. Indeed, IL and DES have very interesting properties (electrochemical window, solvation, volatility) to serve as a passive or active matrix for the dissolution of metals, replacing conventional solvents. DES also have the advantage of being generally biodegradable, recyclable, simple to prepare and made up of inexpensive products. This thesis will therefore focus on the study of solutions for wet etching of noble metals, composed of DES / LI. The etching performance and physicochemical properties will be finely analyzed, for 'simple' formulations or additives with chemical species, such as oxidants, complexing agents, solvents, corrosion inhibitors or surfactants. The reaction mechanisms of metal dissolution and molecular interactions within these innovative matrices will also be investigated, in particular by electrochemical techniques. Finally, the possibility of recycling these solutions will be explored.