Quand la rupture fait des vagues

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 lors de la fabrication de substrats SOI.​


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. Pour contrôler avec précision ce plan de fracture, une fine couche de minuscules cavités est créée à la profondeur désirée par implantation d'ions hydrogène à l'intérieur de la plaquette (SmartCutTM). La surface ainsi mise à jour 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 des Matériaux 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 (Figure) ont mis les chercheurs sur la piste des ondes sonores. Ils ont donc mesuré la vitesse de propagation de la fissure ainsi générée par le clivage (quelques km/s) grâce à un dispositif optique infra-rouge et analysé avec des capteurs 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 ou un résonateur. Le système ne sélectionne ainsi que certaines ondes sonores de flexion dont les vitesses sont en phase 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 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 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 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.

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 with self-emitted acoustic waves. Physical Review Letters, 2018