Encapsulation hermétique de microbolomètres pour caméras infrarouges : optimisation et études in situ de l'instabilité des interfaces

Dans cette thèse, l'optimisation de l'encapsulation hermétique au niveau de la gaufre (WLP) de microbolomètres est faite par thermocompression de Au, AuSn TLP et AuSn eutectique. L'objectif principal de ce travail est d'obtenir une pression interne des puces sous 100 mTorr pendant 10 ans, correspondant à 50 mTorr après collage avec taux de fuite inférieur à 1.4* 10−16 Pa*m3/s. Le collage doit être fait sur des tranches de 200 mm, à une température inférieure à 400C et doit résister à des recuits à 450C. Le taux de fuite visé étant inférieur à ceux publiés dans la littérature, cette optimisation doit passer par une compréhension poussée du comportement en fonction de la température des matériaux utilisés. Pour ce faire, de nombreuses techniques in situ (PEEM, AES, XPS) et ex situ (SEM, EDX, XRD, ERD, TEM) sont utilisées pour caractériser les couches avant, pendant et après recuits. La qualité du collage est évaluée par SAM, microscopie à rayon X, inspection de tranches décollées et mesures d'herméticité. La première technique de collage tentée est la thermocompression de Au. Lors des essais effectués sur des piliers fabriqués par DRIE et ayant donc des parois à 90 degrés de la surface, des craques se sont formées partout sur la surface, craques ayant mené à l'étude de la stabilité de la barrière anti-diffusion. Cette étude a démontré que l'exposition du TiN à l'atmosphère, appelée stuffing, augmente sa stabilité de 200C. Les essais subséquents de collage sont faits sur une disposition non-uniforme des puces afin de réduire la surface de contact. Ces tests démontrent que l'ajout d'une couche d'adhésion de Ti entre TiN et Au améliore grandement la qualité du collage. Pour la dernière série de collages, effectuée sur une disposition uniforme des puces, aucun défaut n'a été observé par SAM ou FIB/SEM. Toutefois, l'herméticité mesurée par déflexion de membrane n'est pas suffisante pour l'application visée. De plus, le dépôt de la couche de Au étant difficile à intégrer dans la fabrication des dispositifs, la thermocompression de Au est rejetée. L'optimisation du collage AuSn TLP débute par l'identification des épaisseurs et compositions de la couche de AuSn idéales, soient entre 3 et 3.5 μm et entre 70 et 75 wt% de Au. Les défauts obtenus lors de ces collages sont des cavités près du centre du seal ring et une craque correspondant au plan de Kirkendall à 4/3 de l'épaisseur initiale de Au. Les mesures d'herméticité effectuées sur des puces collées avec ces paramètres ont montré que le taux de fuite est inférieur à la limite de détection de l'appareil (< 10−16 Pa*m3/s).

Abstract

In this thesis work, the hermetic wafer-level packaging of microbolometers is optimized using Au thermocompression, AuSn transient liquid phase and AuSn eutectic bonding. The main objective is to obtain a pressure within the dies under 100 mTorr over 10 years, corresponding to 50 mTorr after bonding with a leak rate under 1.4* 10−16 Pa*m3/s. To fulfill the device requirements, the bonding process has to be done on 200 mm wafers, at temperatures lower than 400C and must sustain 450C annealing. Since the targeted leak rate was set to be lower than those reported in the literature, the bonding has to be optimized through an in depth understanding of the thermal behavior of the materials utilized. Towards this end, the stacks are characterized with numerous techniques in situ (PEEM, AES, XPS) and ex situ (SEM, EDX, XRD, ERD, TEM) before, during and after annealing. Bonding quality is thoroughly investigated using with SAM, X-ray microscopy, inspection of separated wafers and hermeticity tests. The first bonding attempts are done using Au thermocompression. Preliminary tests using DRIE fabricated pillars with sidewalls perpendicular to the surface showed crack formation throughout the wafers thus raising concerns regarding the diffusion barrier's thermal stability. Our investigation of the latter showed that TiN stuffing (exposition of the TiN to atmosphere) increase its stability by 200C. Subsequent bonding tests are done with a non-uniform die disposition in order to decrease the contact area. These tests show that a Ti adhesion layer between TiN and Au greatly increase the bonding quality. Although no defects are found using SAM and SEM/FIB on the last bonding tests using a uniform die distribution, the hermeticity evaluated with membrane deflection remains insufficient for the targeted technology. Moreover, the difficulty in integrating patterning of the Au layer on the LID wafer leads to Au thermocompression to be rejected. Optimizing the AuSn TLP bonding process begins with the identification of the ideal AuSn thickness and composition, which are between 3 and 3.5 μm and between 70 and 75 wt% of Au, respectively. Two types of defects are observed on these bondings: cavities near the seal ring's center and a crack at 4/3 of the initial Au thickness corresponding to the Kirkendall plane. Hermiticity tests done on dies bonded using these parameters gave leak rates lower than the detection limit of the setup (< 10−16 Pa*m3/s), but high partial pressure of noble gases. Since the latter cannot be trapped using getter layers, a pre-bonding annealing is added to the recipe in order to degas the layers.