FR3007520A1 - Procede de determination d'un champ de contraintes tridimensionnelles d'un objet, en particulier une structure integree, et systeme correspondant - Google Patents

Abstract

Système comprenant : - un objet (OBJ) comprenant au moins quatre résistances planes (R1, R2, R3, R4) disposées sur une même surface plane de l'objet, l'une au moins des résistances (R4) ayant une géométrie différente des autres, - des moyens configurés pour mesurer une variation de résistance desdites résistances (MRES), - des moyens configurés pour déterminer un champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ledit champ de contraintes, des valeurs de variations de valeurs résistives mesurées et des paramètres de sensibilité des résistances (DCHP). L'invention concerne aussi un procédé de détermination d'un champ de contraintes.

Description

Procédé de determination d'un champ de contraintes tridimensionnelles d'un objet, en particulier une structure intégrée, et système correspondant L'invention concerne la détermination des champs de contraintes mécaniques (« mechanical stress » en langue anglaise), en particulier au sein de structures intégrées. Les structures intégrées peuvent comprendre des empilements de circuits intégrés ou encore des empilements de circuits intégrés avec des supports d'interconnexion (« interposer » en langue anglaise).

Ces supports d'interconnexion peuvent également supporter plusieurs circuits intégrés. Les contraintes mécaniques à l'intérieur des structures intégrées peuvent provoquer des fractures ou encore des délaminages séparant plusieurs circuits intégrés ou supports assemblés ensemble.

Ces contraintes mécaniques peuvent être induites par des étapes de procédé de fabrication de circuit intégré, et elles peuvent avoir un impact sur les performances des produits. Les contraintes ont donc un impact mécanique et un impact électrique au sein des structures intégrées.

Il est donc avantageux de connaître les valeurs de champ de contraintes à l'intérieur des structures. Il est notamment possible d'évaluer un champ de contraintes unidimensionnel en utilisant une résistance. En appliquant une contrainte mécanique sur cette résistance, on voit apparaître une variation de la valeur résistive associée à cette résistance et cette variation est liée à un paramètre appelé sensibilité. À titre indicatif, la variation de valeur résistive est égale au produit de cette valeur de sensibilité avec la valeur du champ de contrainte unidimensionnel.

Il est connu d'utiliser plusieurs résistances identiques pour obtenir des champs de contraintes bidimensionnelles. Cela étant, il n'est pas possible d'obtenir des valeurs de champ tridimensionnel (c'est-à-dire comprenant par exemple des composantes dans un plan et des composantes dans une direction orthogonale au plan) en utilisant des résistances identiques disposées sur un même plan. Il a été proposé, afin d'évaluer un champ de contraintes tridimensionnelle, d'utiliser un ensemble de plusieurs résistances formées dans du silicium, en utilisant pour l'une au moins des résistances niveau de dopage différent de celui des autres résistances. Cela étant, cette solution est compliquée à mettre en oeuvre, nécessite un nombre élevé d'étapes de fabrication. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un procédé de détermination d'un champ de contraintes tridimensionnelles, et un système permettant la détermination d'un champ de contraintes tridimensionnelles de manière plus simple. Les inventeurs ont observé qu'en utilisant un ensemble de résistances comprenant au moins quatre résistances planes dont l'une au moins diffère des trois autres par sa géométrie, on peut obtenir des champs de contraintes tridimensionnelles. Selon un aspect, il est proposé un procédé de détermination d'un champ de contraintes tridimensionnelles d'un objet, comprenant des déterminations de variations de valeurs résistives d'un groupe de résistances disposées sur l'objet, et une détermination du champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ledit champ de contraintes, lesdites variations de valeurs résistives et des paramètres de sensibilité des résistances. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le groupe de résistances comprend au moins quatre résistances planes, l'une au moins des résistances ayant une géométrie différente des autres, et on forme le groupe de résistances sur une même surface plane de l'objet. Ainsi, contrairement aux procédés selon l'art antérieur, on utilise des résistances ayant des géométries différentes. En effet, les inventeurs ont observé qu'en utilisant au moins une résistance ayant une géométrie différente, la résolution du système d'équations liant les variations de valeurs résistives à des paramètres de sensibilité de résistances pour déterminer le champ de contrainte est possible, alors que cette résolution était impossible en utilisant des résistances ayant des géométries identiques et disposées sur un même plan. Il est plus simple d'utiliser des résistances ayant des géométries différences plutôt que des résistances en silicium ayant des niveaux de dopage différents. Avantageusement, toutes les résistances contiennent un même matériau. On peut ainsi les fabriquer simultanément, alors que pour fabriquer des résistances ayant des niveaux de dopage différents, on doit mettre en oeuvre plusieurs étapes de photolithographie et d'implantation de dopants. Il est particulièrement intéressant de mettre en oeuvre ce procédé pour un objet tel qu'une structure intégrée, au sein de laquelle on peut facilement déposer de manière simultanée les résistances, par exemple en déposant des bandes de métal (Cuivre ou Aluminium) passives et pas nécessairement piezorésistives. Il est également intéressant de connaître le champ de contraintes au sein d'une telle structure pour au cours du procédé de fabrication de la structure pour déterminer si une fracture ou un délaminage peut apparaître. On obtient également une indication relative à l'impact des contraintes mécaniques sur les performances électriques de la structure intégrée. Ainsi, le procédé peut comprendre au moins une première étape de fabrication de la structure permettant d'obtenir ladite surface plane, une disposition des résistances sur la surface plane, une première mesure de valeurs résistives des résistances, au moins une étape de fabrication de la structure, une deuxième mesure de valeurs résistives des résistances postérieure à ladite au moins une étape de fabrication, les variations de valeurs résistives étant obtenues par comparaison des valeurs résistives obtenues par la première mesure des valeurs résistives et la deuxième mesure des valeurs résistives. On peut également obtenir les variations de valeurs résistives en mettant en oeuvre le procédé à plusieurs emplacements dans une même structure avec des groupes de résistances identiques. La valeur résistive d'une résistance est alors comparée à la valeur résistive d'une résistance identique d'un autre groupe de résistances dans la structure. Par étape de fabrication, on entend notamment toute étape de dépôt, gravure, collage ou encore de recuit qui peut provoquer l'apparition d'un champ de contrainte. On obtient ainsi des informations relatives aux contraintes mécaniques induites par ladite au moins une étape de fabrication. Le procédé peut comprendre une détermination des paramètres de sensibilité à partir d'une simulation ou à partir d'un test sur une structure de test. Ainsi, pour chaque résistance, on peut mettre en oeuvre une simulation Selon un autre aspect, il est proposé un système comprenant : - un objet comprenant au moins quatre résistances planes disposées sur une même surface plane de l'objet, l'une au moins des résistances ayant une géométrie différente des autres, - des moyens configurés pour mesurer une variation de valeur résistives desdites résistances, - des moyens configurés pour déterminer un champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ledit champ de contraintes, des valeurs de variations de valeurs résistives mesurées et des paramètres de sensibilité des résistances. Les moyens configurés pour mesurer une variation de résistance et les moyens configurés pour déterminer un champ de contraintes peuvent être incorporés dans l'objet ou également être disposés à l'extérieur de l'objet. L'objet peut être une structure intégrée. Lesdites résistances peuvent comprendre un matériau conducteur choisi dans le groupe comprenant l'aluminium et le cuivre. Chaque résistance peut comprendre un serpentin résistif et ladite au moins une résistance ayant une géométrie différente des autres peut comprendre un serpentin résistif avec un espacement différent entre les lignes formant le serpentin et/ou une largeur de ligne différente formant le serpentin. L'objet peut comprendre quatre résistances formant une portion de rosette parmi lesquelles deux premières résistances ont une première géométrie et deux deuxièmes résistances ont une deuxième géométrie, les deuxièmes résistances pouvant par exemple être disposées aux deux extrémités de la rosette. Par rosette, on entend notamment une disposition pouvant être régulière et circulaire de résistances dans laquelle toutes les résistances sont alignées selon des droites concentriques. Par portion de rosette, on entend notamment une disposition pouvant être régulière de résistances dans une portion de cercle, par exemple un cadran de cercle, toutes les résistances étant alignées selon des droites concentriques.

L'objet peut comprendre huit résistances formant une rosette complète parmi lesquelles quatre premières résistances ont une première géométrie et quatre deuxièmes résistances ont une deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances étant disposées alternativement dans la rosette ou de part et d'autre d'un axe passant par le milieu de la rosette. L'objet peut comprendre comprend huit résistances comprenant : - un premier groupe de quatre résistances parmi lesquelles deux résistances ont une première géométrie et deux résistances ont une deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances du premier groupe étant disposées respectivement de part et d'autre d'un premier chevron ayant un premier angle, - un deuxième groupe de quatre résistances parmi lesquelles deux résistances ont la première géométrie et deux résistances ont la deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances du deuxième groupe étant disposées respectivement de part et d'autre d'un deuxième chevron ayant un deuxième angle différent du premier angle, le premier et le deuxième chevron étant alignés.

Selon un autre aspect, il est proposé un objet appartenant au système défini ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre différentes étapes d'un procédé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un système selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un exemple de résistance en forme de serpentin, - les figures 4 à 6 représentent différent exemples de dispositions de résistances.

Sur la figure 1 on a représenté de manière schématique les différentes étapes d'un procédé PR selon l'invention. Ce procédé peut être mis en oeuvre pour déterminer des valeurs de composantes d'un champ de contraintes tridimensionnelles au sein d'un objet, une structure intégrée ou une structure intégrée tridimensionnelle dans cet exemple. Dans une première étape E01, on peut fabriquer une surface plane de la structure intégrée, par exemple par dépôt ou épitaxie de matière. On peut par exemple déposer du dioxyde de silicium. Dans une étape E02, on peut disposer des résistances sur la surface obtenue après l'étape E01. On peut notamment déposer ou former un matériau conducteur tel que du cuivre de l'aluminium sur cette surface, puis former simultanément, par exemple par gravure, au moins quatre résistances dont l'une au moins à une géométrie différente de celle des autres résistances.

On peut ensuite mettre en oeuvre une première mesure (étape E03) des valeurs résistives des résistances formées au cours de l'étape E02. Ces valeurs résistives peuvent être mémorisées. On peut ensuite mettre en oeuvre une autre étape de fabrication (étape E04), notamment une étape de fabrication susceptible de provoquer l'apparition de contraintes mécaniques. À titre indicatif, étape E04 peut être une étape de dépôt, de gravure, de collage ou encore de recuit sans que ces exemples ne soient limitatifs. Afin d'obtenir des variations de valeurs résistives pour les résistances, on peut mettre en oeuvre une deuxième mesure des valeurs résistives pour en déduire lesdites variations (étape E05). Les variations résistives sont utilisées au cours de l'étape E06 dans laquelle on détermine le champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ce champ de contraintes, les variations de valeurs résistives et des paramètres de sensibilité des résistances. La détermination des paramètres de sensibilité peut être mise en oeuvre par une étape préalable de simulation. Dans une telle étape de simulation, pour un type de résistance (dont on connaît la géométrie), on applique des contraintes différentes (par exemple dans des directions différentes : longitudinale, transverse et verticale) successivement pour déterminer la variation de valeur résistive et on résout un système d'équations liant : - le champ de contraintes appliqué par simulation, - les variations de résistance obtenues par chaque simulation et enfin, - les valeurs de sensibilité à déterminer. Dans le cas tridimensionnel, on peut obtenir ainsi trois valeurs de sensibilité correspondant à la sensibilité longitudinale d'une résistance, à la sensibilité transverse d'une résistance, et à la sensibilité verticale d'une résistance. La simulation peut être mise en oeuvre au moyen d'un logiciel de simulation utilisant la méthode des éléments finis, par exemple mais non limitativement le logiciel « COMSOL Multiphysics » de la société COMSOL. Cette détermination des paramètres de sensibilité est mise en oeuvre pour chaque géométrie de résistance. Un repère unique pour toutes les résistances est utilisé pour déterminer le champ de contraintes dans la structure intégrée. Pour des résistances disposées en rosette, ou en portion de rosette, on pourra utiliser un repère tridimensionnel ayant trois axes x, y et z, les résistances étant disposées dans le plan défini par les axes x et y, z étant l'axe vertical, l'origine du repère étant situé au centre de la rosette. Chaque résistance dans la rosette est disposée selon une droite passant par l'origine du repère formant un angle noté O. Pour une résistance de la rosette, la variation de résistance AR I R s'écrit : 10AR/R=(TL -cos2e -EnT - sin 20 ) +(ILL - sin 20 -EnT - COS2e)-Gy +(ILL - sin 20 -nT - sin 20 ) -Gxy +n,G, Avec : 7C L la sensibilité longitudinale de la résistance, n, la sensibilité transverse de la résistance, 15 7C z la sensibilité verticale de la résistance, ax la composante selon l'axe x du champ de contraintes, a la composante selon l'axe y du champ de contraintes, Y az la composante selon l'axe z du champ de contraintes, et axy la composante de cisaillement dans le plan x-y du champ de 20 contraintes. Le système à résoudre pour un groupe de résistances comportant quatre résistances auxquelles sont associés des indices i = 1, 2, 3 et 4 et formant une portion de rosette s'écrit alors, sous la forme matricielle suivante, dans laquelle on a représenté que les 25 termes d'indice i=1 à des fins de simplifications : AR, I R =Sx Où: n cos2e1 + sin2e1 EL1.sin2e1 + nn-cos2e1 n sin2e1 - sin2e1 s= Les inventeurs ont observé qu'en utilisant au moins une résistance ayant une géométrie différente, et donc des valeurs de sensibilités 7C Ti et 7C zi différentes, la matrice notée S liant le vecteur des variations de résistances et le vecteur des composantes des contraintes est une matrice inversible alors qu'elle ne l'est pas en utilisant quatre résistances identiques, ce qui conduit alors à une impossibilité de résolution du système d'équations pour obtenir le champ de contraintes. Le champ de contraintes tridimensionnel peut donc être obtenu par le système d'équations : _ _ AR, I R (I) x x Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique un système SYS configuré pour déterminer un champ de contraintes tridimensionnel dans un objet OBJ, par exemple une structure intégrée ou une structure intégrée tridimensionnelle. L'objet OBJ comprend notamment quatre résistances R1, R2, R3 et R4, pouvant toutes être des résistances en forme de serpentins.

Ici, les résistances R1 à R3 sont hachurées de la même manière pour illustrer le fait qu'elles ont toutes la même géométrie, c'est-à-dire la même largeur de ligne et le même espacement entre les lignes. La résistance R4 est quadrillée et a une géométrie différente de celle des résistances R1 à R3.

Le système SYS comprend des moyens MRES configurés pour mesurer une variation de résistance, configurés par exemple pour mettre en oeuvre les étapes E03 et E05 décrites en se référant à la figure 1.

En outre, le système SYS comprend des moyens DCHP configurés pour déterminer un champ de contraintes à partir du système d'équations (I). Les moyens MRES peuvent être par exemple un banc de mesure sous pointes configuré pour appliquer la méthode de mesure dite « quatre pointes » bien connue de l'homme du métier et adaptée pour obtenir de faibles valeurs résistives de résistances. On peut également utiliser un module thermique pour étudier l'influence de la variation de température sur le champ de contraintes en mesurant les valeurs résistives de résistances. Il convient de noter qu'en utilisant un module thermique, on peut prendre en considération la variation de valeur résistive des résistances métalliques uniquement liée à l'élévation de température. Un étalonnage selon la technique connue de l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « TCR : Temperature Coefficient of Resistance » peut être mis en oeuvre pour des résistances métalliques. Enfin, une mesure électrique peut également être mise en oeuvre à travers un boitier d'encapsulation dans lequel on place la structure intégrée. Les moyens DHCP peuvent être quant à eux réalisés par exemple sous la forme d'un module logiciel au sein d'un microcontrôleur. Sur la figure 2, on a représenté une résistance en forme de serpentin RSER disposée sur un support SUP pouvant comprendre du dioxyde de silicium. La résistance RSER peut comprendre un matériau métallique tel que du cuivre ou de l'aluminium. Les paramètres de la géométrie de la résistance RSER qui sont modifiables pour obtenir deux géométries différentes de résistances sont notamment la largeur d'une ligne LU I et la largeur d'espacement entre deux lignes adjacentes du serpentin LES.

Ces paramètres permettent d'obtenir des valeurs de sensibilités particulières, et l'homme du métier saura adapter ces paramètres en fonction de la sensibilité recherchée. On pourra par exemple chercher à maximiser la sensibilité longitudinale. On pourra également chercher à maximiser une valeur de sensibilité non axiale (égale au rapport entre la sensibilité longitudinale avec la somme de la sensibilité transverse et de la sensibilité verticale). Sur la figure 4, on a représenté de manière schématique un exemple de disposition de résistances R1A, R2B, R3B et R4A, permettant d'obtenir un champ de contraintes tridimensionnel dans un objet en mettant en oeuvre le calcul décrit ci-avant. Les quatre résistances forment une portion de rosette. Les résistances R1A et R4A ont la même géométrie, et les résistances R2B et R3B ont une géométrie différente.

Chaque résistance est alignée selon une droite, et toutes les droites passent par l'origine du repère pour lequel les axes x et y ont été représentés. Les angles utilisés pour la mise en oeuvre du calcul sont les angles entre ces droites et l'axe x. Plus précisément, l'angle OA1 est l'angle entre la droite correspondant à la résistance RA1 et l'axe x, l'angle 0B2 est l'angle entre la droite correspondant à la résistance RB2 et l'axe x, l'angle 0B3 est l'angle entre la droite correspondant à la résistance RB3 et l'axe x et l'angle 0A4 est l'angle entre la droite correspondant à la résistance RA4 et l'axe x. D'autres dispositions sont possibles, comme illustré sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, on a représenté une disposition de huit résistances RA et RB disposées pour former une rosette complète. Les résistances portant la référence RA ont la même géométrie, et les résistances portant la référence RB ont une autre géométrie. Les résistances RA et RB sont disposées alternativement au sein de la rosette. En variante, les quatre résistances RA peuvent être disposées au dessus de l'axe x sur la figure et les quatre résistances RB peuvent être disposées en dessous de cet axe sur la figure. On peut noter que la disposition de résistances de la figure 5 permet d'améliorer les résultats obtenus par rapport à la disposition décrite en se référant à la figure 4. Sur la figure 6, on a représenté une autre disposition de huit résistance dans laquelle les résistances RA et RB forment deux chevrons CH1 et CH2 alignés.

Pour le premier chevron CH1 situé au dessus de l'autre sur la figure, les résistances RA sont disposées en dessous des résistances RB, et le chevron CH1 présente un angle 71 pouvant être aigu. Pour le deuxième chevron CH2, les résistances RA sont disposées en dessous des résistances RB, et le chevron CH1 présente un angle 72 pouvant être obtus. Cette disposition permet d'utiliser une surface plus faible pour disposer les résistances. D'autres dispositions de résistances sont possibles, et certaines, comprenant au moins six résistances, permettent d'obtenir une composante de cisaillement verticale d'un champ de contrainte. Selon un aspect, on obtient une mesure du champ de contrainte dans un objet, en particulier dans une structure intégrée, de manière plus simple qu'avec les techniques selon l'art antérieur. On obtient notamment une solution pouvant être facilement intégrée, qui utilise des composants passifs tels que des résistances faciles à fabriquer dans le même matériau.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'un champ de contraintes tridimensionnelles d'un objet comprenant des déterminations (E05) de variations de valeurs résistives d'un groupe de résistances disposées sur l'objet, et une détermination (E06) du champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ledit champ de contraintes, lesdites variations de valeurs résistives et des paramètres de sensibilité des résistances, caractérisé en ce que le groupe de résistances comprend au moins quatre résistances planes, l'une au moins des résistances ayant une géométrie différente des autres, et on forme le groupe de résistances sur une même surface plane de l'objet.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel toutes les résistances contiennent un même matériau.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'objet est une structure intégrée.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, comprenant au moins une première étape de fabrication (E01) de la structure permettant d'obtenir ladite surface plane, une disposition des résistances sur la surface plane (E02), une première mesure de valeurs résistives des résistances (E03), au moins une étape de fabrication de la structure postérieure à la première mesure (E04), une deuxième mesure des valeurs résistives des résistances postérieure à ladite au moins une étape de fabrication (E05), les variations de valeurs résistives étant obtenues par comparaison des valeurs résistives obtenues par la première mesure des valeurs résistives et la deuxième mesure des valeurs résistives.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une détermination des paramètres de sensibilité à partir d'une simulation ou à partir d'un test sur une structure de test.
6. 6. Système comprenant : - un objet (OBJ) comprenant au moins quatre résistances planes (R1, R2, R3, R4) disposées sur une même surface plane de l'objet,l'une au moins des résistances (R4) ayant une géométrie différente des autres, - des moyens configurés pour mesurer une variation de valeur résistive desdites résistances (MRES), - des moyens configurés pour déterminer un champ de contraintes à partir d'un système d'équations faisant intervenir ledit champ de contraintes, des valeurs de variations de valeurs résistives mesurées et des paramètres de sensibilité des résistances (DCHP).
7. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel toutes les résistances contiennent un même matériau.
8. 8. Système selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l'objet est une structure intégrée.
9. 9. Système selon la revendication 8, dans lequel lesdites résistances comprennent un matériau conducteur choisi dans le groupe comprenant l'aluminium et le cuivre.
10. 10. Système selon la revendication 8 ou 9, dans lequel chaque résistance comprend un serpentin résistif (RESR) et ladite au moins une résistance ayant une géométrie différente des autres comprend un serpentin résistif avec un espacement (LES) différent entre les lignes formant le serpentin et/ou une largeur de ligne (LU) différente formant le serpentin.
11. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel l'objet comprend quatre résistances formant une portion de rosette parmi lesquelles deux premières résistances ont une première géométrie et deux deuxièmes résistances ont une deuxième géométrie.
12. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel l'objet comprend huit résistances formant une rosette complète parmi lesquelles quatre premières résistances ont une première géométrie et quatre deuxièmes résistances ont une deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances étant disposées alternativement dans la rosette ou de part et d'autre d'un axe passant par le milieu de la rosette.
13. 13. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel l'objet comprend huit résistances comprenant :- un premier groupe de quatre résistances parmi lesquelles deux résistances ont une première géométrie et deux résistances ont une deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances du premier groupe étant disposées respectivement de part et d'autre d'un premier chevron (CH1) ayant un premier angle, - un deuxième groupe de quatre résistances parmi lesquelles deux résistances ont la première géométrie et deux résistances ont la deuxième géométrie, les premières et les deuxièmes résistances du deuxième groupe étant disposées respectivement de part et d'autre d'un deuxième chevron (CH2) ayant un deuxième angle différent du premier angle, le premier et le deuxième chevron étant alignés.
14. 14. Objet appartenant au système selon l'une des revendications 6 à 13.15