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Laurent Michaud

Élaboration et transfert de films ultra-contraints

Publié le 23 juin 2021
Thèse soutenue le 23 juin 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique des matériaux

Résumé :
Cette thèse est consacrée à l’étude d’une méthode alternative et originale pour élaborer un film mince de silicium monocristallin ultra-contraint dans le but de développer une plateforme d’ingénierie de la déformation ("strain engineering") pour les semi-conducteurs monocristallins. Les contraintes sont largement utilisées pour améliorer les performances des transistors à base de silicium et offrent des possibilités exceptionnelles, notamment pour l’utilisation de semi-conducteurs compatibles Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) dans des applications optoélectroniques. Les méthodes habituelles utilisées pour fabriquer des semi-conducteurs contraints sont limitées en termes de valeur de déformation, d’orientation de la contrainte, de surface déformée et de qualité cristalline. Notre objectif est de proposer un procédé permettant de contrôler précisément l’état de déformation (c’est-à-dire le tenseur de déformation) dans un monocristal. Ce procédé est applicable à différents semi-conducteurs et matériaux et est compatible avec un environnement industriel. Le procédé étudié ici repose sur le collage polymère temporaire, l’abrasion mécanique, la gravure humide et le collage direct pour transférer un film mince de silicium monocristallin d’un substrat de type silicium sur isolant à un polymère flexible. Puis le cristal est déformé en appliquant une contrainte externe et est enfin recollé sur un substrat rigide. Les structures silicium sur polymère (SOP) ont été obtenues avec des films minces de silicium monocristallin d’une épaisseur allant de 20 à 205 nm. Des films d’un diamètre total de 200 mm ont été transférés ainsi que des motifs. Une étude approfondie du comportement mécanique des structures SOP est fournie en utilisant des platines d’essai de traction biaxiale et uniaxiale combinées à la spectroscopie Raman, de la corrélation d’images numériques, la diffraction des rayons X et à la micro diffraction de Laue (μLaue). Ces résultats ont été utilisés pour valider un banc d’essai mécanique adapté aux structures silicium sur polymère flexibles. Des stratégies d’acquisition et d’analyse de données ont également été développées. L’utilisation d’une membrane sous pression (bulge test) a permis le collage direct entre un film de silicium déformé et un substrat de silicium oxydé. La diffraction des rayons X offre une analyse détaillée du cristal transféré. Le processus de transfert a également été adapté à des dispositifs fonctionnels et à des films minces de nitrure d’aluminium poly-cristallin. Notre banc d’essai mécanique a permis d’extraire le coefficient de déformation ou de contrainte Raman de l’AlN dans différentes configurations. Ces résultats prometteurs ont montré que le collage direct est une méthode appropriée pour maintenir un film mince de silicium monocristallin dans un état de contrainte après le transfert d’un substrat de polymère flexible étiré. Cela peut conduire à un développement sans précédent dans l’ingénierie de la déformation. Des travaux ultérieurs peuvent permettre la production de films minces déformés de différentes natures, orientations et niveaux de déformation.

Jury :
Rapportrice : Madame Anne Talneau
Rapportrice : Madame Stéphanie Escoubas
Examinateur : Monsieur Philippe Goudeau
Examinateur : Monsieur Guillaume Parry
Examinateur : Monsieur Samuel Tardif
Directeur de thèse : Monsieur François Rieutord
Co-directeurs de thèse : Monsieur Pierre Montmeat et Monsieur Samuel Tardif

Mots clés :
semi-conducteur, contraint, films