Des scientifiques de l'Institut Fraunhofer de techniques de fabrication et de recherche appliquée sur les matériaux (IFAM) de Brême, de l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM de Fribourg-en-Brisgau (Bade-Wurtemberg), de l'Université de Brême, de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT, Bade-Wurtemberg) et du King's College de Londres, réunis dans le projet de recherche européen ADGLASS, ont réussi pour la première fois, grâce à une nouvelle technique de simulation, à comprendre les principes de dynamique moléculaire du procédé de découpe "Smart Cut" : une corrosion sous contraintes (CSC) lente et progressive conduit à une séparation cristalline atomique de précision. Des couches cristallines avec une épaisseur d'environ 50 nm peuvent ainsi être séparées d'un wafer de silicium avec une précision atomique, après implantation de la surface du wafer avec un faisceau d'hydrogène puis chauffage.
L'industrie des semi-conducteurs applique ce procédé depuis quelques années, afin de constituer à l'aide de la technique du Smart Cut les structures de "silicium sur isolant" nécessaires pour le circuit électrique intégré. Les mécanismes mis en jeu dans le cristal de silicium lors de la "coupe fine" étaient jusqu'à présent inconnus. Ainsi les fabricants ne pouvaient optimiser la technique du Smart Cut que de façon empirique à l'aide de la méthode d'"essai et erreur".
Champ de contraintes mécaniques (rouge : tension, bleu : compression)
et détails de la réaction de corrosion sur un défaut induit par l’hydrogène dans le silicium cristallin
Après l'irradiation d'une surface de silicium par de l'hydrogène, des défauts se constituent sous la surface sous forme de régions nanométriques et discoïdes, constituées de liaisons dissociées de silicium. Lors du chauffage, ces défauts grandissent, se lient les uns aux autres et sectionnent finalement le silicium. Jusqu'à présent, les chercheurs supposaient que les atomes d'hydrogène s'infiltraient dans les défauts, formaient des molécules d'hydrogène et causaient une rupture du cristal sous la pression du gaz.
Le Dr. Gianpietro Moras du KIT dément cette hypothèse : "Si la pression du gaz était la cause de la rupture du cristal, cela conduirait à des surfaces dentelées et non pas aux surfaces extrêmement régulières se constituant lors du procédé technologique".
A présent, les chercheurs ont établi à l'aide de simulations en mécanique quantique, que la séparation cristalline se produit grâce à une CSC lente et progressive. Les molécules d'hydrogène formées à l'intérieur des défauts discoïdes réagissent avec les extrémités des liaisons silicium-silicium dilatées et entrainent la rupture des liaisons. Ainsi les défauts grandissent parallèlement à la surface du cristal et produisent des fêlures très lisses - en réalité lisses au niveau atomique - à l'intérieur du matériau. Ce n'est que lorsque le défaut devient assez grand (diamètre moyen d'environ 10 µm), que la pression de l'hydrogène affluant croît et conduit à la rupture du cristal cassant.
Alors que la CSC est habituellement considérée comme un phénomène catastrophique influençant fortement la sûreté et la durée de vie des infrastructures mécaniques, ces travaux montrent au contraire que ce procédé peut être mis en place pour la production de structures nanométriques. Ces constatations ouvrent de nouvelles perspectives dans l'optimisation de la technique du Smart-Cut, valable également pour d'autres matériaux covalents comme le germanium, le diamant et le carbure de silicium.
La CSC n'avait encore jamais été analysée avec une telle précision quantique dans des systèmes complexes de dimensions macroscopiques. Seul le développement d'une nouvelle technique de simulation hybride et quantique-classique - qui a eu lieu en partie dans le cadre du projet ADGLASS - a permis la percée.
Selon le coordinateur du consortium Colombi Ciacchi, "la compréhension détaillée de procédés de cette sorte n'a pas seulement des conséquences directes sur la technique du Smart-Cut, mais elle aidera aussi les ingénieurs et scientifiques à améliorer la résistance de nombreux matériaux et structures à haut risque de corrosion, comme par exemple le verre laminé, pour lequel les contraintes auxquelles sont soumises les différentes couches rendent le verre sensible à la corrosion par l'eau. En outre, des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) en profiteront également, car ces minuscules machines sont souvent en contact avec des substances corrosives, comme des fluides biologiques".
L'abrasion d'éléments de construction en frottement et les procédés de fabrication comme l'usinage par enlèvement de copeaux microscopiques reposent aussi sur une combinaison de réactions chimiques et de contraintes mécaniques. Ces simulations ouvrent ainsi de toutes nouvelles perspectives de recherche.
Pour plus de précisions sur Smart Cut voir: http://www.soitec.com/fr/technologie/
