lmpact du mécanisme de fracture sur la morphologie de surface des substrats SOI réalisés par la technologie Smart Cut

Impact of the fracture mechanism on the surface morphology of SOI substrates made by Smart Cut technology

• Auteur / Autrice : Lucas Colonel
• Direction : François Rieutord
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Buttard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikolay Cherkashin, Anne Tanguy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Laure David, Esidor Ntsoenzok

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Ions -- Implantation

Mots clés libres

Implantation ionique

Smart Cut

Matériaux

Mécanique

Surface

Défectivité

Ionic implantation

Smart Cut

Materials

Mecanics

Surface

Defectivity

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes en jeu lors de la fracture du silicium dans la technologie Smart Cut TM. Les études se sont principalement centrées sur deux points : la croissance des fissures lors du recuit de fracture, ainsi que l’impression de la rugosité de surface après fracture.Tout d’abord, la mise en évidence d’un nouveau phénomène générique d’échange de gaz entre fissures voisines via la formation potentielle d’un réseau de canaux nous a permis de comprendre l’origine de la prime à la croissance des plus grosses fissures. A l’aide d’analyses locales, autour d’événements de coalescence entre fissures, nous avons mis en évidence que la croissance est largement régie par la mécanique des champs de contrainte. En effet, deux fissures voisines tendront à croître l’une vers l’autre à plus courte distance, précipitant ainsi leur coalescence. Suite à cela, la fissure se retrouve dans une géométrie quelconque comportant localement des formes concaves et convexes. Nous avons pu observer la croissance préférentielle des zones concaves et y associer un mécanisme. L’évolution de la population de fissures a alors été observée d’un point de vue global et statistique, nous conduisant à améliorer les modèles de chemin de croissance utilisés auparavant. Ensuite, l’analyse statistique de populations de fissures issues d’implantations à doses variées nous a permis de mieux comprendre l’impact de l’hydrogène et de l’hélium sur les différents mécanismes de croissance des fissures. Enfin, nous avons proposé et étudié un procédé novateur pour contrôler la géométrie de la population de fissures. En effet, à l’aide d’implantation à motifs par des procédés de lithographie, nous avons pu restreindre localement la croissance des fissures grâce à des sous-doses locales d’implantation.Enfin, nos travaux se sont concentrés sur l’étude de la rugosité de surface post-fracture. Après une brève description de l’organisation de la surface, nous avons pu démontrer qu’elle témoigne à la fois de l’état de la population de fissures à l’instant de l’initiation de la fracture mais aussi de l’historique de leur croissance. A l’aide d’un algorithme permettant la détection des motifs de marbrures, nous avons montré que les grosses fissures, se retrouvent généralement au fond du profil d’implantation. De plus, les plus grandes distances à fracturer se voient former de plus grands pics de rugosité. Enfin, cette méthode a permis la comparaison précise des surfaces ouvertes lors de la croissance des fissures avec celles ouvertes par la fracture catastrophique finale apparaissant toujours plus rugueuses. Des variations de dose implantée, globales ou locales, ont permis d’étudier l’influence des paramètres d’implantation sur l’état de surface post-fracture. De ce fait, la dose d’hydrogène implanté semble contrôler l’intensité des déviations formant les marbrures, phénomène probablement causé par un endommagement différent. En revanche, nous avons observé, pour la première fois, une inversion du motif de marbrure à partir d’une certaine dose d’hélium. Il semblerait alors que le contrôle des propriétés mécaniques de la zone endommagée par l’implantation nous permettrait de contrôler la rugosité post-fracture. Par la suite, nous avons démontré que la présence d’une couche d’oxyde enterré, exerçant un effet raidisseur plus faible que le silicium, est nécessaire à la formation des marbrures. Nous soutenons alors l’hypothèse que la déformation asymétrique des parois de la fissure entraine la naissance de contraintes de cisaillement déviant la fracture. Finalement, à l’aide d’un procédé de collage spécifique, nous avons volontairement contraint les structures avant fracture, permettant ainsi d’induire un cisaillement au passage de la fracture catastrophique. Cette contrainte permet, non seulement d’exacerber, mais aussi de réduire voire inverser le sens des déviations à l’origine de la formation des marbrures en surface des substrats SOI.

This PhD has for objectives to investigate the mechanisms involved in the fracture of silicon in the Smart Cut TM technology. The studies focused mainly on two points: the cracks growth during the fracture annealing, and the of surface roughness formation after fracture.Firstly, the identification of a new generic phenomenon of gas exchange between neighbouring cracks via the potential formation of a channels network allowed us to understand the origin of the favoured growth of the largest cracks. Using local analyses, around coalescence events between cracks, we have shown that growth is largely governed by stress field mechanics. Indeed, two neighbouring cracks will tend to grow towards each other at a shorter distance, thus precipitating their coalescence. As a result, the crack will have a random geometry with local concave and convex shapes. We were able to observe the preferential growth of the concave zones and to associate it a mechanism. The evolution of the crack population was then observed from a global and statistical point of view, leading us to improve the growth path models used previously. Then, the statistical analysis of crack populations from various dose implantations allowed us to better understand the impact of hydrogen and helium on the growth mechanisms. Finally, we proposed and studied an innovative process to control the crack population geometry. Indeed, using patterned implantation by lithography processes, we were able to locally restrict the growth of cracks thanks to local sub-doses of implantation.Finally, our work focused on the study of post-fracture surface roughness. After a brief description of the surface organisation, we were able to demonstrate that it testifies both the state of the crack population at the time of fracture initiation and their growth history. Using a marbling pattern detection algorithm, we have shown that large cracks are generally found at the bottom of the implantation profile. In addition, larger fracture distances showed larger roughness peaks. Finally, this method allowed the precise comparison of the surfaces opened during the cracks growth with those opened by the catastrophic fracture, which always appear rougher. Global or local variations of the implanted dose were used to study the influence of the implantation parameters on the post-fracture surface. As a result, the implanted hydrogen dose seems to control the deviations intensity forming the marbling pattern, a phenomenon probably caused by a damage difference. On the other hand, we observed, for the first time, a reversal of the marbling pattern from a certain dose of helium. This suggests that controlling the mechanical properties of the damaged area by implantation would allow us to control the post-fracture roughness. Subsequently, we demonstrated that the presence of a buried oxide layer, exerting a weaker stiffening effect than silicon, is necessary for the formation of the marbling pattern. We then support the hypothesis that the asymmetric deformation of the crack faces leads to the generation of shear stresses deflecting the fracture. Finally, using a specific bonding process, we voluntarily constrained the structures before fracture, thus inducing shear during the propagation of the catastrophic fracture. This stress not only exacerbates, but also reduces or even reverses the direction of the deviations that cause marbling pattern on the surface of SOI substrates.