Métallurgie d'alliages d'interconnexion pour composants optoélectroniques

Alloy interconnection metallurgy for optoelectronic components

• Auteur / Autrice : Arnaud Le Priol
• Direction : Éric Le Bourhis, Pierre-Olivier Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 06/11/2013
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Philippe Goudeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Le Bourhis, Pierre-Olivier Renault, Philippe Muller, Hervé Sik, Patrick Abraham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Aubert, Pierre-Yves Tessier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Matériaux réfractaires

Microstructure (physique)

Couches minces métalliques

Dépôts physiques

Mots clés libres

Élaboration

Pulvérisation

Évaporation

Film mince

Microstructure

Composant microélectronique

Métal réfractaire

Indium

Elaboration

Sputtering

Evaporation

Thin film

Microstructure

Microelectronic component

Refractory metal

Indium

Résumé

Les détecteurs infrarouges InSb sont composés d'un circuit intégré Si et d'une matrice InSb qui sont connectés électriquement et mécaniquement par des billes de soudure en indium, préalablement déposées sur une métallisation. La jonction établie entre ces deux substrats est sollicitée thermomécaniquement à chaque utilisation à la température de l'azote liquide. Cette sollicitation thermomécanique est propice à la fatigue limitant la durée de vie du détecteur. Ce travail de thèse a pour objet l'amélioration des métallurgies de la métallisation et de la soudure au vu de la tenue en cyclage thermique de composants assemblés. L'effet des conditions de dépôt sur la microstructure, les propriétés électrique et de diffusion de la barrière de diffusion est évalué pour les métaux réfractaires suivants : alliage tungstène-titane (WTi) et tantale (Ta). L'élaboration par voie physique conduit à l'apparition inopinée d'une phase métastable néfaste, qui peut cependant être contrôlée par l'intermédiaire d'une sous couche. Un alliage indium-argent (eutectique) est déposé par évaporation qui permet de diminuer la température de fusion, et par conséquent les contraintes résiduelles du composant. L'effet de l'élément d'alliage Ag est évalué au vu de la résistance de contact et de la tenue mécanique de l'assemblage. Les résultats ont montré que la métallurgie est affectée par la méthode de fabrication, qui conditionne la tenue thermomécanique du composant optoélectronique.

InSb based infra-red (IR) detectors are constituted by a Si integrated circuit and an InSb matrix which are electrically and mechanically connected thanks to solder balls in pure indium deposited on underbump metallic layers (UBM). IR detectors are cooled down to liquid nitrogen for each use. This thermomechanical solicitation affects the device reliability. The thesis purpose is to improve the UBM and solder metallurgies taking into account thermal cycling behavior of industrial components. The effect of deposition conditions on the diffusion barrier microstructure, electrical properties and diffusion efficiency is estimated for several refractory metals : tungsten-titanium alloy (WTi) and tantalum (Ta). The physical vapor deposition yield unexpected and harmful metastable phase formation, which can be controlled using a sub-layer. An indium-silver eutectic alloy is deposited by evaporation which allows to reduce the melting temperature and hence residual stresses within the component. The effect of Ag alloying is estimated by both the contact resistance and mechanical shear resistance. Results emphasize that the metallurgy is affected by the deposition technique, which impinges on IR detectors thermomechanical behavior.