Utilisation des technologies d'impression pour le remplissage industriel des trous d'interconnexion

Ce mémoire porte sur l'étude de faisabilité technique du remplissage des trous d'interconnexion par impression jet d'encre appliquée aux procédés de microfabrication MEMS "via last". Le but du projet est de développer un procédé complet viable basé sur l'utilisation de dispersions d'alliages de nanoparticules d'or/étain (Au80Sn20) en suspension. Nos travaux ont porté principalement sur la mise en suspension stable des nanoparticules ainsi que le remplissage à haute précision des trous d'interconnexion. Nous avons d'abord développé un procédé de mise en suspension stable des nanoparticules dans un fluide porteur basé sur l'utilisation d'un surfactant, le polyvinylpyrrolidone (PVP). De nombreux essais de mise en suspension effectués sur différents solvants ont permis de déterminer que l'isopropanol constituait le meilleur fluide porteur en permettant d'atteindre des fractions volumiques en nanoparticules de l'ordre de 11%. Les conditions de génération stable des monogouttes par impression jet d'encre ont ensuite été analysées. En effet, la génération de microgouttes monodispersées par jet d'encre est un procédé complexe, partiellement décrit par la théorie de Fromm et la théorie des guides d'ondes, nécessitant le respect de conditions d'opérations précises que nous avons dû définir afin d'être en mesure de maitriser précisément leur volume et leur vitesse d'éjection. Nous avons défini un modèle de zone d'éjectabilité utilisable universellement pour la génération des microgouttes en caractérisant les paramètres de sorties des microgouttes en fonction de l'amplitude, la largeur et la fréquence de l'impulsion envoyée à l'actionneur piézoélectrique dans la tête d'impression de 50 μm de diamètre d'ouverture utilisée au cours de notre étude. Nous avons également développé un modèle théorique de la cinématique de chute des microgouttes lors de l'impression afin de comprendre et d'analyser l'influence du volume et de la vitesse des gouttes ainsi éjectées sur la précision, la reproductibilité et l'homogénéité des dépôts en présence de fluctuations dans l'air. Ce modèle a été transposé numériquement sous MATLAB afin permettre une validation expérimentale dans des conditions d'opérations réelles. Nos résultats ont permis d'évaluer qu'en utilisant une tête d'impression de 50 μm d'ouverture pour générer des microgouttes d'un diamètre situé entre 30 et 60 μm on s'attendra à obtenir une erreur de placement maximale sur le substrat de l'ordre de ± 20 μm. Il sera alors envisageable remplir des TSVs d'une ouverture minimale de 70 μm avec notre procédé.

Abstract

This master project concerns a feasibility study about the use of inkjet drop-on-demand to fill through silicon vias in MEMS "via last" microfabrication process. The aim of our research was to develop a comprehensive process based on the use of a dispersion of a gold/tin alloy (Au80Sn20) of nanoparticles in suspension in a carrier fluid. Our work mainly focused on the preparation of stable suspensions of nanoparticles and on the high precision filling of the vias. We first developed a method to form a stable suspension of nanoparticles in a carrier fluid using a surfactant, polyvinylpyrrolidone (PVP). Tests performed on various solvents allowed us to determine that isopropanol was the best carrier fluid to achieve high volume fractions of suspended nanoparticles. The volume fraction of the stable dispersion with the highest content reached 11%. The conditions to generate stable individual microdroplets from a piezoelectric printing actuator were then analyzed. The generation of monodisperse microdroplets beiing a complex process, partly described by Fromm's theory and the theory of waveguides, we investigated the operating conditions permitting to precisely set the drop volume and ejection velocity. We therefore characterized an "ejectability zone" model universally usable to generate microdrops with desired output parameters based on the amplitude, width, and frequency of the electric pulse applied to the piezoelectric actuator of a print head having a 50 μm diameter aperture. We also developed a theoretical kinematical model describing the trajectories of microdrops during printing in order to understand the influence of their volume and initial velocity on the accuracy, reproducibility and homogeneity of the deposits in the presence of air fluctuations. This model was implemented in MATLAB and validated in real operating conditions. The results showed that a print head with a 50 μm diameter aperture will generate microdroplets with diameters between 30 and 60 microns with a maximum placement error on the substrate of the order of ± 20 microns. We estimated that filling TSVs with an opening of 70 microns and higher is possible with our inkjet DOD (non defined) process. Finally, we experimentally addressed the vias filling by studying the behavior of nanoparticles in the vias during the evaporation of the carrier fluid and the annealing of the gold/tin alloy nanoparticles of eutectic composition. This last step revealed the incompatibility of non-