Composition du jury
M. Daniel Alquier, Rapporteur
Mme. Marie France Beaufort, Rapporteur
M. Frédéric Mazen
M. Vincent Paillard
M. Marc Respaud
M. François Rieutord
M. Nikolay Cherkashin (Co-directeur de thèse)
M. Alain Claverie (Directeur de thèse)
Résumé
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™ 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.
Mots-clés
Précipitation, contrainte, silicium, implantation ionique, hydrogène, variants cristallographiques.