Quand la rupture fait des vagues
Publié par Redbran le 31/07/2019 à 14:00
Source: CEA
Une équipe du laboratoire Modélisation et Exploration des Matériaux de l'Irig, en collaboration avec des chercheurs de la DRT et de la société Soitec ont décrypté le mécanisme à l'origine des défauts observés à la surface des plaques de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) lors de la fabrication de substrats SOI.​


Motifs d'ondes observés sur les images de plaquettes SOI après fracturation. ©CEA

Les substrats de silicium-sur-isolant SOI utilisés pour la fabrication de composants électroniques haute performance / basse consommation comprennent un film de silicium monocristallin obtenu par fissuration d'un silicium massif (Le mot massif peut être employé comme :). Pour contrôler avec précision ce plan de fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).), une fine couche de minuscules cavités est créée à la profondeur désirée par implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) d'ions hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à l'intérieur de la plaquette (SmartCutTM). La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) ainsi mise à jour (Une mise à jour, souvent abrégé en MAJ ou MàJ, est l'action qui consiste à mettre « à jour », ou bien...) par la fracture présente une alternance de textures rugueuses et lisses. Or, ces inhomogénéités peuvent impacter les performances du circuit qui sera gravé sur cette surface.

Une équipe du laboratoire Modélisation et Exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de l'Irig, en collaboration avec des chercheurs de la DRT et Soitec (un leader mondial de la production de matériaux semi-conducteurs innovants) ont décrypté le mécanisme à l'origine des défauts observés à la surface des plaques de silicium lors de la fabrication de substrats SOI.

Sur les images de plaquettes prises après fracturation, des motifs analogues aux ondes naissant dans le sillage d'un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial, et permet...) (Figure) ont mis les chercheurs sur la piste des ondes sonores. Ils ont donc mesuré la vitesse (On distingue :) de propagation de la fissure ainsi générée par le clivage (Le clivage est l'aptitude de certains minéraux à se fracturer selon des surfaces planes dans des directions privilégiées lorsqu'ils sont soumis à un effort mécanique (un choc ou une...) (quelques km/s) grâce à un dispositif optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) infra-rouge et analysé avec des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) piézo-électriques les ondes acoustiques émises. Ces ondes se propagent d'un côté à l'autre du front de fracture et se réfléchissent à l'extrémité de la plaquette de silicium, qui se comporte comme un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) ou un résonateur. Le système ne sélectionne ainsi que certaines ondes sonores de flexion dont les vitesses sont en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) avec celle de la fracture. Ces ondes de flexion produisent des déformations périodiques de la lame de silicium qui dévient la fracture de sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) nominale, d'où les variations de rugosité observées. Un modèle simple permet de vérifier que la périodicité des motifs est en accord ce qui est observé expérimentalement.

Cette découverte va permettre d'aller encore plus loin dans l'amélioration de ce procédé de fabrication de composants électroniques. Plus largement, elle va aider à la compréhension de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de la rupture fragile des matériaux.


Note:
Smart Cut™ est un procédé générique de transfert de couches minces utilisé pour la fabrication des substrats silicium sur isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le...) à l'échelle industrielle inventé par Michel Bruel au CEA-Leti. L'implantation d'ions légers dans un substrat de silicium oxydé mène à la formation d'une zone fragilisée enterrée au sein du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout...).


Références publication:
Massy D, Mazen F, Landru D, Ben Mohamed N, Tardif S, Reinhardt A, Madeira F, Kononchuk O and Rieutord F. Crack front interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) with self-emitted acoustic waves. Physical Review Letters, 2018
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