Etude des mécanismes de rupture du silicium induits par l'implantation ionique d'hydrogène dans le cadre de la technologie Smart Cut TM PDF Download
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Book Description
La technologie Smart Cut est un procédé d’élaboration de films minces et de substrats SOI basé sur l’implantation ionique d’ions légers dans le matériau (H+). Lors d’un traitement thermique, les défauts étendus hydrogénés nucléés durant l’implantation se développent, conduisant à la formation d’une ligne de fissuration dans le matériau et au transfert du film mince. Les travaux de thèse ont consisté à étudier l’étape de rupture du silicium liée au developpement de ces défauts structuraux sous activation thermique. Les mécanismes physico-chimiques clés impliqués dans la rupture du silicium ont pu être décrits ou quantifiés. Ils ont permis de mettre en évidence un mécanisme global de transfert de films minces et les différents modes de croissance des défauts étendus hydrogénés. Suite à l’analyse du silicium implanté et recuit, des modèles permettant de prévoir le développement des micro-fissures et d’optimiser la technologie Smart Cut ont été proposés.
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La technologie Smart Cut est un procédé d’élaboration de films minces et de substrats SOI basé sur l’implantation ionique d’ions légers dans le matériau (H+). Lors d’un traitement thermique, les défauts étendus hydrogénés nucléés durant l’implantation se développent, conduisant à la formation d’une ligne de fissuration dans le matériau et au transfert du film mince. Les travaux de thèse ont consisté à étudier l’étape de rupture du silicium liée au developpement de ces défauts structuraux sous activation thermique. Les mécanismes physico-chimiques clés impliqués dans la rupture du silicium ont pu être décrits ou quantifiés. Ils ont permis de mettre en évidence un mécanisme global de transfert de films minces et les différents modes de croissance des défauts étendus hydrogénés. Suite à l’analyse du silicium implanté et recuit, des modèles permettant de prévoir le développement des micro-fissures et d’optimiser la technologie Smart Cut ont été proposés.
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L'implantation d'hydrogène à forte dose est utilisée dans le procédé Smart Cut(tm) afin de transférer des couches de silicium assez épaisses (>200 nm) sur un autre substrat. En utilisant l'implantation à très basse énergie, la co-implantation d'H et d'He pour des doses totales bien plus faibles que celles requises lorsque l'hydrogène est implanté seul ouvre la voie à un transfert de couches beaucoup plus minces (
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Dans les instants qui suivent l'implantation d'ions hydrogène dans du silicium monocristallin à température ambiante, des défauts complexes se forment et une contrainte en compression apparaît dans les plans parallèles à la surface du wafer. L'évolution thermique de ce système au cours du recuit conduit à la co-précipitation d'atomes d'hydrogène et de lacunes de silicium sous la forme de cavités plates (platelets) localisées dans deux familles de plans. Ces platelets sont à l'origine d'un phénomène de fracture utilisé par l'industrie pour la fabrication de substrats SOI innovants et le mécanisme conduisant à leur formation doit être approfondi. Dans ce travail, nous avons tout d'abord décrit la formation, à température ambiante, des complexes résultants de la rencontre entre les défauts ponctuels initialement générés par l'implantation. Le modèle proposé dépend des concentrations et des diffusivités de ces défauts ponctuels ainsi que des énergies de formation des complexes considérés. Nous avons relié ces concentrations à la contrainte générée ainsi qu'à la déformation du cristal en résultant. Des mesures expérimentales de ces grandeurs nous ont permis de calibrer notre modèle et de proposer une explication quant à la réaction mécanique du silicium à l'implantation d'hydrogène. Nous avons ensuite calculé la variation de l'énergie libre de Gibbs du système consécutive à la nucléation d'un platelet. Dans un cristal non contraint, cette énergie ne dépend que de la famille de plans à laquelle appartient le platelet. Dans un système sous contrainte, nous montrons que cette énergie dépend également d'un terme décrivant le couplage entre cette contrainte et le champ de déformation généré par le platelet. Puisque ces énergies contrôlent les taux de nucléation respectifs des différents variants d'orientation des platelets, nous avons pu calibrer notre modèle à partir d'observations expérimentales par TEM des occurrences des différents variants, en fonction de l'amplitude et de la direction de la contrainte, c'est-à-dire en fonction de l'orientation des wafers et de la profondeur considérée. Les modèles proposés dans ce travail, bien qu'appliqués à l'implantation d'hydrogène dans le silicium, sont tout à fait génériques. Ils montrent comment contraintes et défauts interagissent en fin d'implantation et en tout début de recuit thermique. Ils devraient permettre d'optimiser le procédé industriel Smart Cut(tm) en imposant des conditions favorisant la formation de " platelets utiles " à la fracture, mais au-delà, de manipuler l'orientation de nano-précipités dans des matrices cristallines, ouvrant ainsi la voie à la fabrication contrôlée de nanostructures fonctionnelles.
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La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L'utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l'implantation d'hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d'environ 710nm d'épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d'utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l'art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l'implantation d'hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes.
Author: Jean Daillant Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 3540486968 Category : Science Languages : en Pages : 347
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The reflection of and neutrons from surfaces has existed as an x-rays exp- imental for almost it is in the last technique fifty Nevertheless, only years. decade that these methods have become as of enormously popular probes This the surfaces and interfaces. to be due to of several appears convergence of intense different circumstances. These include the more n- availability be measured orders tron and sources that can over (so reflectivity x-ray many of and the much weaker surface diffuse can now also be magnitude scattering of thin films and studied in some the detail); growing importance multil- basic the realization of the ers in both and technology research; important which in the of surfaces and and role roughness plays properties interfaces; the of statistical models to characterize the of finally development topology its and its characterization from on roughness, dependence growth processes The of and to surface scattering experiments. ability x-rays neutro4s study four five orders of in scale of surfaces over to magnitude length regardless their and also their to ability probe environment, temperature, pressure, etc. , makes these the choice for buried interfaces often probes preferred obtaining information about the microstructure of often in statistical a global surfaces, the local This is manner to complementary imaging microscopy techniques, of such studies in the literature witnessed the veritable by explosion published the last few Thus these lectures will useful for over a resource years.
Author: Sébastien Personnic
Author: Sébastien Personnic
Author: Nabil Daghbouj
Author: François-Xavier Darras
Author: Timothée Pingault
Author: Jean Daillant