Simulation du contraste d'images de MET à N ondes : application aux ruptures de périodicité d'un sous-joint de torsion [001] du silicium

N– beam TEM image simulation : application to periodic breaks of a (001) low angle twist boundary in silicon

• Auteur / Autrice : Ahlem Boussaid
• Direction : Mustapha Fnaiech, Roland Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG en cotutelle avec Faculté des Sciences de Monastir, Université du Centre (Tunisie)

Résumé

Depuis quelques années, de nouveaux substrats monocristallins de silicium ont été élaborés par adhésion moléculaire de films ultraminces de silicium sur des substrats de silicium (001) Si. Cette technique ouvre ainsi une voie nouvelle pour la croissance auto-organisée de nanostructures ou pour le gravage chimique à l'échelle nanoscopique. Cette nanostructuration est favorisée par la déformation élastique de la surface libre causée par la présence d'un réseau plan enterré de dislocations intrinsèques formant un sous-joint de torsion. Une étude associant la microscopie électronique à transmission (MET) en '' mode deux ondes '', en '' faisceau faible '' ou en '' mode multi-ondes '' a été entreprise dans le but d'analyser en détail les défauts structuraux du réseau de dislocations intrinsèques. En effet, les observations en MET indiquent que ce réseau est imparfait à cause d'une petite composante de flexion non désirée, inévitablement introduite lors du collage moléculaire de la couche ultramince sur le substrat (001)Si. Le sous-joint apparaît formé de régions I et II très différentes d'aspect : la région I renferme un motif carré régulier, périodique, de dislocations intrinsèques vis, et la région II inclut des ruptures de périodicité du réseau carré qui se manifestent par des successions de nœuds triples de dislocations. Chaque nœud est séparé de son voisin par une longueur de quelques dizaines de nanomètres. Ces distances très courtes expliquent que ces nœuds triples ne soient pas encore été étudiés quantitativement en MET. Dans ce travail, il s'agit de calculer les contrastes des zones I et II, et donc de déterminer les modules et les sens des vecteurs de Burgers de chaque brin de dislocations. Le contraste de la région I, bipériodique, a été calculé en bâtissant un code de calcul basé sur la théorie dynamique à N ondes (N < 7 faisceaux) et un champ élastique des déplacements u développé en série double de Fourier. La région II, plus complexe, est modélisée en calculant le champ u de deux façons différentes : l'une utilise, de façon répétée, la notion de dislocation angulaire et l'autre le concept de dislocation de Somigliana étendue sur une surface hexagonale.

In recent years, new single crystalline silicon substrates have been built from molecular adhesion of ultrathin silicon films onto a (001) silicon wafer. This technique opens therefore a new way to grow self-organized nanostructures or to engrave chemically a silicon substrate at a nanoscale. This nanostructuration is favored by the elastic deformation of the free surface due to the presence of a buried planar network of intrinsic dislocations forming a low angle twist grain boundary. A transmission electron microscopy (TEM) study including “two beam”, “weak beam” and “multi-beam” conditions, has been undertaken in the aim to analyse in details the structural defects of the intrinsic dislocation network. Indeed, TEM observation shows that this network is imperfect because of an undesired small tilt component arising inevitably from the process of molecular adhesion of the ultrathin film onto the (001) silicon substrate. The dislocation network exhibits two regions I and II, the aspects of which are very different : region I exhibits a square, periodic, pattern of intrinsic screw dislocations, while region II includes periodic breaks of the regular square pattern, appearing as successions of triple nodes of dislocations. Each node is separated from its neighbours by distances of a few nanometers. These small distances explain why these triple nodes were never studied quantitatively in TEM. In the present work, the TEM contrasts of the I and II regions have been calculated in order to determine the lengths and the senses of the Burgers vectors of each dislocation segment. The biperiodic contrast of region I was calculated from the construction of a calculation code based on the N-beam dynamical theory (N <7 beams) and a displacement elastic field u developed in double Fourier series. The more complex region II is modelled from two different formulations of the u field : one uses, in a repeated way, the notion of angular dislocation and the other the concept of a Somigliana dislocation extended over a hexagonal surface.