Contribution à la compréhension de l'épitaxie du diamant élaboré par MPCVD assisté par polarisation sur silicium : étude de la réactivité du substrat et influence des étapes de prétraitement sur le dépôt

Contribution to the comprehension of BIAS assisted MPCVD diamond epitaxy on silicon : study of susbstrate reactivity and pretreatment stages influence on deposit

• Auteur / Autrice : Aurore Guise
• Direction : Silvère Barrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/11/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de science et génie des surfaces (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Belmahi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvère Barrat, Mohammed Belmahi, Etienne Gheeraert, Jean-Charles Arnault, Nathalie Bozzolo, Marc Portail, Samuel Saada, Elisabeth Bauer-Grosse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Gheeraert, Jean-Charles Arnault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Diamants artificiels

Science des matériaux

Mots clés libres

MPCVD

Hétéroépitaxie

Silicium

Diamant

MPCV

Diamond

Heteroepitaxy

Silicon

Résumé

Le but de cette étude est de mieux appréhender les phénomènes régissant l’épitaxie du diamant élaboré par MPCVD assisté pas polarisation sur silicium. Elle s’articule en deux grands axes : une première approche qualitative sur la réactivité du substrat et une seconde approche plus quantitative relative à l’influence des étapes de prétraitement sur le dépôt. L’importance de la mise en œuvre d’un protocole rigoureux est mise en exergue dans ce travail. Le rôle des différentes étapes de préparation des substrats de silicium allant du nettoyage ex situ jusqu’à la croissance du diamant en passant par le nettoyage in situ par plasma H2 et la polarisation a été étudiée grâce à des techniques d’investigations telles que la microscopie électronique à balayage et à transmission, la spectroscopie de photoélectrons X, la microscopie à force atomique et la diffraction en faisceau rasant d’électrons haute énergie. Ces analyses ont mis en évidence l’apparition de structures de type « voids » associées à la formation de carbure de silicium dès l’étape de décapage hydrogène. La formation de carbone amorphe dans les premiers instants de la germination du diamant semble être corrélée à la quantité de diamant constatée après croissance, l’importance du flux d’ions pendant l’étape de polarisation sur les densités a été démontrée en parallèle. Des taux d’épitaxie jusqu'à près de 30% ont été atteints grâce à l’optimisation du couple temps/tension de polarisation ou à une carburation du substrat précédant la polarisation. La technique d’analyse de diffraction d’électrons en faisceau convergent sur des films de diamant s’est révélée adaptée à l’étude statistique de l’orientation des cristaux

The goal of this study is to better apprehend the phenomena governing bias assisted MPCVD diamond epitaxy on silicon. It is organized into two main parts: a first qualitative approach on the reactivity of the substrate and a second approach more quantitative related to the pretreatment stages influence on the deposit. The importance of a rigorous protocol is put forward in this work. The role of the various stages of silicon substrates preparation going from ex situ cleaning, in situ cleaning (plasma H2), bias until diamond growth was studied thanks to investigations techniques such as transmission and scanning electron microscopies, X-ray photoelectrons spectroscopy, atomic force microscopy, reflexion high energy electrons diffraction. These analyses highlighted the appearance of structures of the type “voids” associated with the silicon carbide formation from the hydrogen etching stage. The amorphous carbon formation in the first moments of diamond nucleation seems to be correlated with the diamond quantity measured after growth, the importance of ions flow during nucleation stage on the densities was shown in parallel. Epitaxy ratio up to 30% were reached thanks to the optimization of the couple time/biasing or carburation of the substrate preceding bias. The convergent beam electron diffraction analysis of diamond films appeared well adapted to the statistical study of crystals orientation