Dynamic fracture of solar grade single crystalline silicon wafers

par Meng Wang

Thèse de doctorat en Mécanique – Génie Mécanique – Génie Civil

Sous la direction de Marion Fourmeau et de Daniel Nélias.

  • Titre traduit

    Rupture dynamique de wafers en silicium monocristallin


  • Résumé

    La résistance mécanique du silicium cristallin a fait l’objet de plusieurs études notamment à l’état mono-cristallin c’est-à-dire à l’état quasiment pur et pour une microstructure modèle, et aussi pour ses nombreuses applications dans les systèmes photovoltaïques et les semi-conducteurs. Étant donné que la défaillance de ce matériau semi-conducteur augmente le coût de fabrication et diminue l’efficacité et le rendement des dispositifs en silicium, la durabilité de ce matériau est l’un des éléments clé. La propagation de fissures dans le silicium mono-cristallin est l’un des modes de ruine de ces composants. Ce sujet a été étudié durant des nombreuses années, cependant il n’est pas encore complètement compris en raison de la complexité du comportement de la rupture dynamique liée aux phénomènes à petite échelle. Par conséquent, la compréhension des mécanismes de rupture du silicium cristallin comme matériau modèle reste un sujet d’actualité, avec pour objectif in fine d’améliorer la fiabilité et la durabilité des systèmes à base de silicium. Dans ce travail, le comportement à la rupture dynamique de plaques minces (ndlr wafers) de silicium monocristallin de qualité solaire soumis à des charges écaniques a été étudié. Nous avons effectué les essais de rupture sur des tranches minces de silicium (001) en utilisant un appareil de flexion quatre lignes sous chargement quasi-statique. Le processus de rupture de wafers de silicium a été capturé à l’aide d’une caméra rapide puis étudié par analyse d’images. Nous avons étudié la surface de rupture post-mortem via un microscope numérique, un profilomètre à balayage laser ainsi qu’un microscope à force atomique. La source de défaillance de la tranche de silicium a été identifiée par analyse fractographique. En couplant la mesure de vitesse de fissure et l’analyse fractographique, nous déterminons le front de fissure pendant la propagation dynamique de la fissure, ce qui donne une forme qui dépend de la vitesse de propagation de la fissure. Nous révélons ainsi la source des phénomènes de déflexion du plan de clivage (110) - (111) lors de la propagation de fissures à grande vitesse sous l’effet d’un changement multiaxial lors du passage sous les rouleaux. En outre, conjointement avec les simulations par éléments finis, nous avons montré comment la dynamique du front de fissure est contrôlée par la ténacité dynamique qui dépend de l’orientation cristallographique. Enfin, par l’observation des lignes de Wallner sur la surface de fracture - marques qui sont générées par des perturbations linéaires des ondes élastiques au niveau du front de fissure, nous mettons en évidence la nucléation et les caractéristiques non linéaires de ces traces appelées ’front waves’ visibles sur les faciès de rupture des matériaux mono-cristallins lorsque la vitesse de propagation de la fissure se rapproche de la vitesse de Rayleigh.


  • Résumé

    Crystalline silicon has attracted substantial attention for decades because of its large applications in solar cells and microelectromechanical systems. The high brittleness of silicon raises wide concerns since the failure of this semiconductor material increases the manufacturing cost and decreases the efficiency of the utilization of Si-based devices. Crack propagation of crystalline silicon is the main cause of catastrophic failure of silicon components. It has been intensively studied but is not fully understood yet due to intricate dynamic fracture behavior linked to small-scale phenomena. Therefore, the development of feasible methods to study the dynamic fracture, as well as the deeper understanding of fracture mechanism of crystalline silicon, are of paramount importance to improve the reliability and durability of Si-based systems for both industrial and scientific practitioners. In this work, dynamic fracture behavior of solar-grade single crystalline silicon wafers under mechanical loads was studied. We carried out fracture experiments on (001) silicon wafers using three-line or four-line bending apparatus under quasi-static loading. The entire fracture process was captured using a high-speed camera and was analyzed by the high-speed imaging technique. We studied the post-mortem fracture surface using a digital microscope, a laser scanning profilometer, as well as an atomic force microscope. The failure source of the silicon wafer was identified using fractographic analysis. Coupling the crack velocity measurement and fractographic analysis, we determined the crack front during dynamic crack propagation, which exhibits a velocity-dependent shape. We revealed the source of (110)-(111) cleavage plane deflection phenomena during high-speeding crack propagation under line-contact effects. Besides, jointly with the finite element simulations, we demonstrated how dynamics of the crack front is governed by the crystallographic direction-dependent dynamic fracture toughness. Finally, in comparison with the Wallner lines on the fracture surface, generated by linear perturbations of elastic waves on the crack front, we highlight the nucleation and strong nonlinear characteristics of out-of-plane corrugation waves, leaving specific markings that alter the surface roughness of asperity-free material.