Mécanismes de démouillage à l'état solide : Etude par microscopie à électrons lents des systèmes SOI et GOI

Mechanisms of solid-state dewetting

• Auteur / Autrice : Thibault Passanante
• Direction : Pierre Müller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 24/06/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean charles Barbe, Frederic Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Genevieve Grenet, Anne Ponchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation

Rayons X

Microscopie électronique en transmission

Technologie silicium sur isolant

Mots clés libres

Démouillage

Films solides

Silicium sur isolant (SOI)

Germanium sur isolant (GOI)

Leem

Gisaxs

Dewetting

Solid films

Silicon On Insulator (SOI)

Germanium On Insulator (GOI)

Leem

Gisaxs

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l’étude expérimentale des mécanismes de démouillage de films solides d’épaisseur nanométrique conduisant à la transformation d’un film mince en une assemblée d’îlots tridimensionnels. L’utilisation de la microscopie à électrons lents (LEEM) nous a permis d’étudier la morphologie et la cinétique in situ et en temps réel du démouillage de films de Si/SiO2 (SOI) et de Ge/SiO2 (GOI) obtenus par collage moléculaire (procédé Smart Cut™). Ces mesures expérimentales ont été complétées par des analyses par diffusion centrale des rayons X en incidence rasante (GISAXS) et des observations ex situ par microscopie à force atomique (AFM). Les mécanismes de démouillage de SOI et GOI sont thermodynamiquement pilotés par la capillarité et cinétiquement contrôlés par la diffusion de surface. L’étude complémentaire du démouillage à partir de fronts cristallographiquement orientés obtenus par lithographie nous a permis d’analyser le rôle central du facettage, de l’anisotropie cristalline et des processus de formation du bourrelet de démouillage. En particulier, le rôle de la nucléation 2D sur la cinétique d’épaississement (couche par couche) du bourrelet a pu être mis en évidence. Les résultats expérimentaux ont pu être confrontés à des modèles analytiques et des simulations de type Monte Carlo cinétique. Nous en avons déduit les valeurs des paramètres physiques pertinents et avons attribué les différences de morphologies entre SOI et GOI à la présence de facettes spécifiques.

This work is devoted to the experimental study of the dewetting mechanisms of ultrathin solid films by which a metastable film transforms into an assembly of tridimensional crystallites. Using low energy Electron Microscopy (LEEM) we analyse, in situ and in real time, the morphology and the kinetics of the dewetting of Si/SiO2 (SOI) and Ge/SiO2 (GOI) systems obtained by molecular bonding (Smart Cut™ process). Further information has been obtained by Grazing Incidence Small Angle X–ray Scattering (GISAXS) and Atomic Force Microscopy (AFM) measurements. We show that the dewetting is driven by surface free energy minimization and mediated by surface diffusion. A complementary study of artificial well-oriented dewetting fronts obtained by lithography enables us to analyze the important role played by facets, the crystal anisotropy and the rim thickening mechanism. We show that the rim thickening proceeds in a layer-by-layer mode and is limited by 2D nucleation. Thanks to analytical models and Kinetics Monte Carlo simulations, numerical values of the pertinent physical parameters involved in the dewetting process are obtained and the morphological differences between SOI and GOI are attributed to the presence of specific facets.