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Meyer, Raphaël. The advanced developments of the Smart Cut technology : fabrication of silicon thin wafers & silicon-on-something hetero-structures [en ligne]. Thèse. Villeurbanne : Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 2016. Disponible sur : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2016LYSEI033/these.pdf


Domaine(s) : D17 - Matériaux
Indice Dewey : 620.440 72
Langue : Anglais
Mots-clés : Couche mince, Tranche fine, Silicium, Silicium sur verre, Silicium sur saphir, Smart Cut, Implantation d'hydrogène, Epitaxie en phase liquide, Diffraction des électrons rétrodiffusés, Thin film, Wafer, Silicon, Silicon on glass, Silicom on saphir, Smart Cut, Hydrogen implantation, Liquid Phase Epitaxy, SIMS - Secondary Ion Mass Spectrometry



Directeur(s) de thèse : Lemiti, Mustapha
Etablissement de soutenance : INSA de Lyon
Etablissement de co-tutelle : Université de Lyon - 2015-...., Ecole Doctorale Matériaux de Lyon - Villeurbanne
Laboratoire : Université de Lyon - 2015-...., Ecole Doctorale Matériaux de Lyon - Villeurbanne, INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270, Institut national des sciences appliquées de Lyon - Lyon, Ecole(s) Doctorale(s) : Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne), Partenaire(s) de recherche : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Laboratoire), Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription), Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL (Laboratoire), Autre(s) contribution(s) : Georges Bremond (Président du jury) ; Mustapha Lemiti, Georges Bremond, Alain Claverie, Eric Tournié, Michel Bruel, Oleg Kononchuk, Hubert Moriceau, Kader Zaidat (Membre(s) du jury) ; Alain Claverie, Eric Tournié (Rapporteur(s))
Numéro national de thèse : 2016LYSEI033
Date de soutenance : 2016

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Résumé français : La thèse porte sur l étude de la cinétique de Smart Cut dans du silicium après implantation hydrogène, pour des températures de recuit comprises entre 500ÊC et 1300ÊC. Ainsi, la cinétique de séparation de couches (splitting) est caractérisée en considérant des recuits dans un four à moufle ainsi que des recuits laser. Sur la base de cette caractérisation, un modèle physique, basé sur le comportement de l hydrogène implanté durant le recuit, est proposé. Le modèle s appuie sur des caractérisations SIMS de l évolution de la concentration d hydrogène durant le recuit, ainsi que sur des simulations numériques. Le modèle propose une explication aux propriétés des films obtenus en fonction des conditions de recuit et mesurées par microscopie optique, AFM ainsi que par des mesures des énergies d interfaces. Sur la base du modèle de splitting obtenu, deux procédés de fabrication de films de silicium sont proposés pour l élaboration de matériaux de silicium sur saphir et verre par recuit laser ainsi que pour l élaboration de feuilles de silicium monocristallin par épitaxie en phase liquide sur substrat silicium implanté. L étude de premier procédé prouve pour la première fois la possibilité d appliquer le procédé Smart Cut sur des substrats de silicium implanté. Les films ainsi obtenus présentent des grandes surfaces de transfert (wafer de 200 mm), ce qui présente un grand intérêt industriel. L étude propose différentes caractérisations des films obtenus (AFM, profilométrie optique, mesure 4 pointe). Le deuxième procédé est démontré en utilisant des bancs d épitaxie en phase liquide de silicium (température supérieure à 1410ÊC) afin d effectuer des dépôts sur des substrats de silicium implantés. Les films obtenus montrent un grand degré de croissance épitaxiale (jusqu à 90% du film déposé mesuré par EBSD) et présentent une épaisseur aussi faible que 100 m. D autre part, le détachement par Smart Cut des films ainsi déposés est démontré.


English abstract : At first, the thesis studies the kinetics of Smart Cut in silicon implanted with hydrogen ions for annealing temperature in the range 500ÊC-1300ÊC. The kinetics is characterized by using a specially-dedicated furnace and by considering laser annealing. Based on the related characterization and observations, a physical model is established based on the behavior of implanted hydrogen during annealing. The model is strengthened by SIMS characterization focused on the evolution of hydrogen during annealing and on numerical calculations. Additionally, the model proposes an explanation for the properties of the obtained films as a function of the annealing conditions, based on optical microscope and AFM observations and bonding energy characterization. Based on this splitting model, two innovative processes for fabrication of silicon films are proposed. The first process allows to produce films of silicon on sapphire and films of silicon on glass by considering a laser annealing. The second produces foils of monocrystalline silicon by liquid phase epitaxial growth on implanted silicon substrate. The study of the first process proves for the first time the possibility to apply the Smart Cut for substrates of implanted silicon. The resulting films present large surface of transferred films (up to 200 mm wafers), which is very interesting in an industrial perspective. The study proposes different characterization of the films obtained by this process (AFM, optical profilometry and 4 probe measurement). The second process is demonstrated by using a chamber of liquid phase epitaxial growth of silicon (deposition temperature superior to 1410ÊC) in order to deposit liquid silicon on implanted silicon substrates. The obtained films show a high degree of epitaxial growth (up to 90% of the film as characterized by EBSD) and show a thickness as low as 100 m. Additionally the detachment by Smart Cut of the deposited films is demonstrated.