Étude de la fracture impliquée dans le procédé Smart-Cut® : application au matériau SOI
Institution:
Grenoble INPGDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The Smart-Cut® process is based on hydrogen ability to form platelets, cavities and microsplittings that may induce material splitting, when introduced into silicon at high concentration. We have identified two growth mechanisms upon annealing relevant to hydrogen cavities. The first one appears as an Ostwald ripening to minimize the global interfacial energy of the system formed by hydrogen cavities in silicon. We underlined this mechanism in some experimental conditions and essentially at the first times of platelets growth. Another mechanism intervenes in the growth of cavities and microsplittings that will give rise to the final fracture of the material. It consists in a mechanical opening crack phenomenon between cavities and microsplittings of whom driving force is especially the internal molecular hydrogen pressure. The splitting kinetics study have revealed that the controlling phenomenon is hydrogen diffusion in the implanted zone. Activation energy in the high temperature range is related to free atomic hydrogen migration in silicon. In the low temperature range, hydrogen diffusion requires dissociation from trapping sites, which induces an increase of splitting mechanism activation energy. We have also underlined the equivalence between the mechanical work of the internal microsplitting pressure, upon annealing and an external mechanical work applied to the implanted structure to obtain the final splitting. Two mechanical tests implying different charge angles have been used for this purpose. The analysis of surface morphologies in every splitting case (upon thermal annealing and/or thanks to external applied forces) exhibited experimental conditions favourable to good splitting quality and roughness
Abstract FR:
Le procédé Smart-Cut® s’appuie sur la capacité de l’hydrogène introduit dans le silicium à forte concentration, à former des cavités et/ou microfissures, pouvant mener à la fracture. Nous avons identifié deux modes de croissance des cavités sous activation thermique. Le premier découle de la minimisation de l’énergie inter faciale globale du système formé par les défauts lenticulaires liés à l’hydrogène dans le silicium : C’est un mûrissement d’Ostwald. Il apparaît dans certaines conditions expérimentales et notamment dans les premiers instants de croissance des cavités. Un autre mécanisme intervient sous activation thermique dans la croissance des cavités et microfissures qui donneront lieu à la fracture finale du matériau. Il a été assimilé à un phénomène d’ouverture par propagation de fissures dont la force motrice est notamment la pression de gaz présente dans ces microfissures. L’étude cinétique de la fracture a révélé que le phénomène limitant le mécanisme est la diffusion de l’hydrogène au niveau de la zone implantée. L’énergie d’activation dans le domaine des hautes températures correspond à la migration de l’hydrogène libre dans le silicium ; dans le domaine des basses températures, la diffusion de l’hydrogène nécessite sa dissociation de sites de piégeage, ce qui se traduit par une augmentation de l’énergie d’activation du mécanisme de fracture. Nous avons souligné l’équivalence entre la contribution mécanique de la pression interne des microfissures sous activation thermique et une sollicitation mécanique externe appliquée à la structure implantée pour aboutir à la fracture. Nous avons souligné l’équivalence entre la contribution mécanique de la pression interne des microfissures sous activation thermique et une sollicitation mécanique externe appliquée à la structure implantée pour aboutir à la fracture. A cet effet, deux essais mécaniques relevant de modes de chargement différents (traction et mixte) ont été mis en œuvre. L’analyse des faciès de rupture dans tous les cas de propagation de fracture (thermique et/ou mécanique) a mis en évidence des conditions expérimentales favorisant la qualité du transfert et la rugosité des surfaces fracturées