% ) D o s e d 'ir r a d ia t io n ( c m- 2) P o r o s it é 5 6 % + o x y d a t io n P o r o s it é 5 6 % 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 2 3 ( b ) P o r o s it é 5 6 % + o x y d a t io n C on du ct iv ité th er m iq ue , κ (W .m -1 .K -1 ) F r a c t io n a m o r p h e a ( % ) P o r o s it é 5 6 %
Figure 3.8 a) Fraction amorphe en fonction de la dose d’irradiation du silicium poreux, avec et sans pré-oxydation et b) conductivité thermique en fonction de la fraction amorphe du silicium poreux, avec et sans pré-oxydation.
3.7 Possibilité d’obtenir un effet similaire à plus faible
énergie ou avec des espèces plus légères
Dans les implanteurs ioniques utilisés dans l’industrie des semiconducteurs, la gamme des « hautes énergies » se situe entre quelques centaines de keV et quelques MeV [190, 224].
L’énergie maximale disponible chez les deux plus grands fabricants d’implanteurs ioniques pour l’industrie des semiconducteurs, Axcelis et Varian, atteint respectivement 4.5 MeV [13] et 3.75 MeV [9]. Nos résultats présentés ci-dessus ont été obtenus à 100 MeV, ce qui est bien supérieur aux capacités des implanteurs industriels, et constitue donc un obstacle à l’utilisation de cette technique dans des applications à grande échelle. Nous allons voir, à l’aide de simulations, s’il est possible d’amorphiser le silicium poreux à des énergies plus faibles.
Le pouvoir d’arrêt électronique Se doit dépasser un certain seuil pour amorphiser le matériau irradié. Dans le silicium cristallin, celui-ci a été estimé à 30 keV/nm [40]. Pour le silicium poreux à 56%, Canut et al. ont trouvé un seuil d’environ 3 keV/nm [41], soit dix fois moins que le silicium cristallin. À l’aide du logiciel SRIM nous avons fait des simulations pour calculer Se et Rp pour une sélection d’éléments à travers le tableau périodique.
La figure 3.9a montre le pouvoir d’arrêt électronique en fonction de l’énergie pour divers éléments. La figure illustre également les deux contraintes à respecter. La première est l’énergie
maximale, qui a été fixée à 4 MeV, d’après les spécifications des appareils industriels mentionnés ci-dessus. La deuxième est le seuil d’amorphisation de 3 keV/nm pour le Si poreux à 56% de porosité. Ces deux contraintes délimitent la zone « favorable » dans laquelle il faudrait se situer (cadran nord-ouest). On constate qu’aucune des espèces testées ne permet d’amorphiser le silicium poreux à des énergies inférieures à 4 MeV. Toutefois avec un seuil légèrement plus bas, à 1 keV/nm, toutes les espèces testées sauf le bore permettraient d’amorphiser le silicium poreux à 4 MeV.
Nous avons également regardé le parcours de l’ion Rp. Pour être intéressante comme isolant thermique, la couche poreuse devrait être épaisse d’au moins une dizaine de microns, idéalement plus. Il est souhaitable que l’irradiation amorphise toute la couche, d’abord pour réduire sa conductivité thermique, mais aussi parce que les ions devraient arriver en fin de parcours dans le substrat non-poreux pour ne pas endommager le silicium poreux au régime nucléaire. La figure 3.9b montre Rp en fonction de l’énergie, pour les mêmes espèces qu’à la figure 3.9a. Cette figure est délimitée seulement par l’énergie maximale à 4 MeV. On voit qu’à 4 MeV seul le bore permet d’atteindre Rp = 10 µm. B A s X e P b S e t r o p f a ib l e Z o n e f a v o r a b l e É n e r g ie t r o pé l e v é e U P 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 P ou vo ir d' ar rê t é le ct ro ni qu e Se (k eV /n m ) É n e r g ie d e l 'io n ( M e V ) É n e r g ie t r o p é l e v é e U P B A s X e P b 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 P ar co ur s de l' io n Rp (µ m ) É n e r g ie d e l 'io n ( M e V )
Figure 3.9 a) Pouvoir d’arrêt électronique Se en fonction de l’énergie, calculé par SRIM, pour différentes espèces (bore, phosphore, arsenic, xenon, plomb, et uranium) dans du silicium non-cristallin. b) Parcours de l’ion Rpen fonction de l’énergie, calculé par SRIM, pour différentes espèces dans du silicium poreux à 56% de porosité.
Les valeurs de Rp ont été calculées pour le silicium poreux, en prenant la densité effective du silicium poreux. Ceci est normal, puisque le parcours de l’ion dépend de tout ce que l’ion a traversé, soit des cristallites de silicium, mais aussi des pores. Par contre les valeurs de Se ont été calculées pour le silicium non-cristallin. En effet, Se reflète la quantité d’énergie transmise localement et donc c’est la densité réelle du silicium qui compte ici.
Ces calculs ont été faits pour du silicium poreux à 56%, et on peut voir qu’aucune des espèces testées permet d’attendre son seuil d’endommagement Se = 3 keV/nm à une énergie inférieure à 4 MeV. Dans ces conditions il apparaît difficile d’amorphiser le silicium poreux à 56 % avec des équipements industriels existants. Cela dit, il existe un autre levier : la porosité. La figure 3.4 montre que la sensibilité de silicium poreux augmente avec sa porosité. Logiquement en augmentant la porosité on devrait réduire le seuil d’endommagement, et réduire ainsi l’énergie nécessaire.
Aussi, ces résultats montrent que l’on devrait pouvoir obtenir des résultats similaires à des énergies bien plus faibles que 100 MeV et avec des espèces plus légères que l’uranium. Cela signifie que l’on peut utiliser des accélérateurs plus petits et plus accessibles que le GANIL, ce qui devrait faciliter grandement la suite des travaux.
3.8 Conclusion
Nous avons donc réussi à amorphiser le silicium poreux en l’irradiant avec des ions uranium à 110 MeV. Cela permet de réduire sa conductivité thermique jusqu’à 3 fois. Aussi, l’amorphisation et la réduction de conductivité thermique peuvent être contrôlées avec la dose d’irradiation. De plus, en pré-oxydant le silicium poreux on peut amplifier la réduction de conductivité thermique, sans affecter de façon significative la fraction amorphe, pour atteindre un facteur de réduction de 5. Aux fortes fractions amorphes on observe une réorganisation limitée de la structure, mais celle-ci reste poreuse, et l’irradiation ne cause pas de dommage (fissuration ou écrasement par exemple).
Ces résultats sont importants pour plusieurs raisons. D’abord cette technique est une façon intéressante de réduire la conductivité thermique du silicium poreux, puisque du silicium poreux à 56% de porosité et amorphisé à 83% a une conductivité thermique plus faible que le silicium poreux non-irradié à 75% de porosité. Cela permettrait de réduire la porosité tout en gardant le même niveau de performances d’isolation thermique, et donc d’atténuer les problèmes liés à la faible tenue mécanique du silicium poreux à forte porosité. De plus l’irradiation peut être combinée avec la préoxydation pour diminuer encore plus la conductivité thermique.
Ensuite, ces résultats sont intéressants d’un point de vue fondamental. En effet il s’agit de la première fois que le silicium a été endommagé au régime électronique par des espèces mono-ioniques. Le silicium poreux pourrait donc constituer un système intéressant pour l’étude des intéractions au régime électronique dans le silicium.
Finalement, grâce à cette technique, nous avons créé un matériau nouveau : le silicium poreux amorphe (ou le silicium amorphe poreux !). Les couches de silicium amorphe ont typiquement une épaisseur de quelques microns, or ici nous avons créé des couches de 10 µm. Bien que nous n’ayons pas identifié d’application actuellement, ce nouveau matériau pourrait en susciter.
3.8.1 Travaux futurs
Afin d’approfondir les connaissances de ce phénomène, les travaux suivants sont suggérés : - Tenter d’obtenir ces mêmes résultats à des niveaux d’énergie accessibles à des implanteurs
ionique industriels. Une des voies les plus prometteuses serait d’augmenter la porosité (par rapport à 56%) dans le but de diminuer le seuil d’amorphisation.
- Mesurer l’effet de l’amorphisation sur les propriétés mécaniques du silicium poreux. On peut s’attendre à ce que le silicium poreux amorphe soit moins dur et ait un module de Young plus faible. Cela dit, ce n’est pas forcément une mauvaise chose, puisque le silicium poreux deviendrait également moins fragile.
- Déterminer à partir de quelle température le silicium poreux amorphisé se recristallise et évaluer les conséquences de cela.
- Nous avons observé qualitativement au MEB que l’évolution de structure causée par l’irradiation parait uniforme. Il serait intéressant de faire des mesures Raman sur la tranche des échantillons pour évaluer quantitativement l’uniformité de l’amorphisation en fonction de la profondeur.
- Bien que la préparation des échantillons risque d’être difficile, des images TEM à haute résolution permettant de voir précisément la localisation des phases amorphes et cristallines seraient très intéressantes.
- Nous n’avons pas réussi à mesurer la conductivité thermique des échantillons très amorphes par spectroscopie Raman. Ces mesures devraient être complétées par une autre technique (SThM par exemple).
- Décrire l’amorphisation du silicium poreux quantitativement en utilisant le modèle de la pointe thermique.
- Irradier le carbure de silicium poreux afin de voir s’il est possible d’obtenir le même effet. - Faire les mesures FTIR directement après l’irradiation pour voir comment l’irradiation