Etude des premiers stades de la croissance du diamant sur des surfaces concaves et des plages minces de Si (111) par MET à haute résolution

par Stéphane Pecoraro

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Jean-Charles Arnault et de François Le Normand.

Soutenue en 2002

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008) .

mots clés

• Diamants artificiels
• Silicium -- Substrats
• Cristallisation
• Épitaxie
• Microscopie électronique en transmission

Résumé

Dans le domaine de l'électronique de puissance, les films minces de diamant synthétique sont de sérieux candidats pour envisager des dispositifs actifs ou passifs opérant à haute température et en atmosphère corrosive et radiative. La qualité cristalline des films et l'adhésion sont des obstacles pour les applications électroniques. Pour des substrats de silicium, un traitement précédant la synthèse CVD tel que la nucléation assistée par polarisation favorise l'augmentation de la densité de nucléation et l'orientation des cristaux. Il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes induisant la nucléation orientée qui jouent un rôle critique sur la qualité structurale du film afin de mieux les contrôler. Notre objectif est d'apporter des informations sur la nature du précurseur du diamant, l'identification des sites de nucléation, les relations cristallographiques entre les cristaux de diamant et le silicium et de préciser le rôle des défauts structuraux de surface. Dans ce but, nous avons réalisé des synthèses CVD précédées ou non d'une étape de nucléation assistée par polarisation sur des échantillons de Si (111) originaux présentant deux zones d'intérêt. Une étude séquentielle et structurale a été menée par microscopie électronique en transmission à haute résolution (METHR) sur les zones minces de l'échantillon. Deux chemins possibles pour la nucléation du diamant ont été mis en évidence, via une phase de carbure de silicium en relation de pseudo-épitaxie avec le substrat ou directement sur le silicium. En générant des surfaces à géométrie contrôlée sur les parties concaves de l'échantillon, nous avons mis en évidence une augmentation de la densité de nucléation et une croissance préférentielle des cristaux de diamant à proximité des défauts structuraux de surface.

Résumé

Heteroepitaxy of diamond CVD films is a great challenge for future applications in high temperature and high power electronic devices. However, the crystalline quality and the adhesion remain obstacles to use diamond films in electronic devices. For silicon substrate, the bias enhanced nucleation (BEN) which precedes the synthesis CVD, is a powerful way to induce a strong increase of the diamond nucleation density as well as an orientation of the crystals. A better understanding of the nucleation mechanisms is required in order to better control the growth. Our aim is to identify the crystallographic and chemical nature of diamond precursor, the epitaxial relationship between the diamond crystals and the silicon substrate and to study the structural defects part on the nucleation. In this way, original Si (111) samples which present two areas of interest underwent CVD growth preceded or not by a BEN step. A sequential study is performed by high resolution transmission electronic microscopy (HRTEM) on the thinned monocrystalline areas. Two ways for diamond nucleation were evidenced, via a mosaic of silicon carbide crystals which present a pseudo-epitaxial relationship with the silicon substrate, or directly on the silicon. On the concave part of the sample, it is possible to generate surface defects with a controlled geometry. On these surfaces, a strong increase of the diamond nucleation density and a preferential growth of the diamond crystals in the vicinity of the structural defects were shown.