Thèse soutenue

lmpact du mécanisme de fracture sur la morphologie de surface des substrats SOI réalisés par la technologie Smart Cut
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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 ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
Jury : Président / Présidente : Denis Buttard
Examinateurs / Examinatrices : Nikolay Cherkashin, Anne Tanguy
Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laure David, Esidor Ntsoenzok

Mots clés

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Résumé

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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.