Réduction des défauts et contraintes dans les jonctions entre diamants monocristallins : vers un procédé de croissance de mosaïques de grande taille

Reduction of defects and stresses in junctions between single-crystal diamonds : towards a large-scale mosaic growth process.

• Auteur / Autrice : Basile Perrin
• Direction : Khaled Hassouni, Alix Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 28/05/2025
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (Villetaneuse ; 2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Glad, Swaminathan Prasanna, Olivier Duigou, Pere Roca i Cabarrocas, Jean-François Roch, Jocelyn Achard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Croissance cristalline

Diamant -- Couches minces

Mots clés libres

Wafer

Mosaique

Diamant

Wafer

Mosaic

Diamond

Résumé

L’objectif de cette thèse était d’obtenir des substrats (wafers) de diamant monocristallin de grande taille (>30x30 mm2) en vue de les proposer à l’industrie. La méthode dite des mosaïques a été choisie. Les points clefs pour réaliser ces wafers portent d’une part sur la création d’un plasma homogène à l’interface avec les substrats en croissance et d’autre part sur la capacité à générer des jonctions entre les germes, parfaites, c’est-à-dire composées uniquement d’une couche monocristalline sans défauts structuraux. Une particularité de cette thèse repose sur l’utilisation de germes de diamant commerciaux. L'étude met l'accent sur la compréhension de la dynamique de formation des jonctions, d'abord entre deux germes, puis entre plusieurs germes. Une classification de la qualité des jonctions a été établie en trois catégories : J1, J2 et J3, où J1 correspond à une jonction de haute qualité et J3 à une jonction défectueuse. Afin d'obtenir un wafer en diamant monocristallin pur (sans azote) présentant une faible densité de défauts et de contraintes sur l'ensemble de sa surface, un gradient de la teneur en azote entre les couches initiales fortement dopées et les couches supérieures pures a été appliqué. Cette méthode s'est révélée efficace pour réduire les contraintes, comme en témoigne la diminution du nombre de fractures observées dans les mosaïques. Par ailleurs, une étude a été menée pour réduire les contraintes mécaniques au sein des jonctions en utilisant un recuit à basse pression. Une température d'environ 1450 °C apparaît un bon compromis conduisant à une diminution des contraintes et une amélioration de la qualité cristalline. En revanche, un recuit à 1800 °C n’est pas adapté, une augmentation des contraintes ainsi que des modifications significatives des centres azotés ont en effet été observés. Enfin, un protocole de croissance de wafers en diamant pur à l'échelle industrielle est proposé.

The objective of this thesis was to obtain large-sized single-crystal diamond substrates (wafers) (>30x30 mm2) for industrial applications. The mosaic method was chosen.The key points for producing these wafers lie on one hand in creating a homogeneous plasma at the interface with the growing substrates, and on the other hand in the ability to generate perfect junctions between the seeds, i.e., composed solely of a single-crystal layer without structural defects. A particularity of this thesis is the use of commercial diamond seeds.The study emphasizes the understanding of the junction formation dynamics, first between two seeds, then between several seeds. A classification of junction quality was established into three categories: J1, J2, and J3, where J1 corresponds to a high-quality junction and J3 to a defective junction.In order to obtain a pure single-crystal diamond wafer (without nitrogen) with a low density of defects and stresses across its entire surface, a gradient of nitrogen content was applied between the heavily doped initial layers and the pure upper layers. This method proved effective in reducing stresses, as evidenced by the decrease in the number of fractures observed in the mosaics.Furthermore, a study was conducted to reduce mechanical stresses within the junctions using low-pressure annealing. A temperature of approximately 1450 °C appears to be a good compromise, leading to a reduction in stresses and an improvement in crystalline quality. In contrast, annealing at 1800 °C is not suitable, as an increase in stresses and significant changes in nitrogen centers were observed.Finally, a growth protocol for pure diamond wafers on an industrial scale is proposed.