4.3 Pr´esentation des diff´erents cristaux ´etudi´es
4.3.4 Les empilements de wafers
Dans la recherche du cristal id´eal, une nouvelle voie a ´et´e explor´ee : r´ealiser un cristal composite fait d’un empilement de wafers4 dont l’´epaisseur est optimis´ee en fonction de
3Comme cela a d´ej`a ´et´e mentionn´e, par abus de langage, on nommera la FWHM de la distribution
angulaire des plans diffractants ’mosa¨ıcit´e’, mˆeme si il est clair que les cristaux `a plans courbes n’ont pas la structure mosa¨ıque.
4Le terme wafer d´esigne une tranche de cristal semi-conducteur tr`es fine utilis´e dans le domaine de la
Fig. 4.7: Gauche : Sch´ema d’une boule de Si1−xGex `a gradient de concentration, x aug- mentant vers le bas. Dˆu `a l’augmentation de la concentration en germanium, les plans parall`eles `a l’axe de croissance divergent, ce qui implique que ceux qui sont perpendicu- laires (les plans (111) sur cet exemple) pr´esentent une courbure sph´erique. Droite : un four de croissance Czochralski `a l’IKZ.
Fig. 4.8: Boule de SiGe `a gradient de concentration constant produite `a l’IKZ. Le trait bleu repr´esente le profil id´eal pour obtenir un gradient de concentration constant. Source : N. Abrosimov, IKZ.
l’´energie que l’on cherche `a diffracter. Le but est d’obtenir le mˆeme effet que dans les cristaux `a plans courbes : chaque wafer diffracte une portion (angulaire ou spectrale) du faisceau, qui ne pourra plus ˆetre rediffract´ee par la suite. Pour cela il faut que chaque wafer soit l´eg`erement d´esorient´e par rapport aux autres, l’id´eal ´etant que la d´esorientation entre chaque wafer soit ´egale `a la largeur de Darwin (la largeur de Darwin, not´ee 2δw, est ´egale `
a la FWHM du domaine de r´eflexion d’un cristal parfait).
L’id´ee provient du fait que les cristaux parfait de silicium et de germanium sont cou- ramment produits alors que les cristaux mosa¨ıques, qui ont par ailleurs le gros inconv´enient d’avoir une efficacit´e de diffraction limit´ee `a 50 %, sont difficiles `a obtenir de fa¸con re- productible. On fabrique donc une sorte de super-cristal mosa¨ıque, dont on choisi la taille des ”cristallites”, `a base de cristaux parfaits. Le sch´ema 4.9 montre le cas id´eal, les wafers sont parfaitement ordonn´es et ont un ´ecart angulaire constant entre eux. Ainsi la bande passante cr´e´ee est carr´ee, et l’efficacit´e de diffraction ´egale `a celle d’un cristal parfait.
Fig. 4.9: Empilement de wafers id´eal. L’´ecart angulaire entre chaque wafer est r´egulier et ´egal `a la largeur de Darwin. Dans ce cas, la mosaicit´e est d´efinie par le nombre de wafers.
Plusieurs essais ont ´et´e r´ealis´es, d’abord en utilisant des wafers de silicium produits et d´ecoup´es par l’entreprise Siltronix, puis avec du germanium produit `a l’IKZ et d´ecoup´e en wafers par Siltronix. Les wafers ont ´et´e livr´es par s´erie : une s´erie provient d’un unique cristal, ses wafers ont ´et´e num´erot´es pour ˆetre conserv´es dans l’ordre initial dans le but que les d´efauts de d´ecoupes se compensent d’un wafer au suivant (voir figure 4.10. Les wafers sont bruts de d´ecoupe.
Les empilements ont ´et´e r´ealis´es en salle blanche du CESR (classe 100). Les wafers sont manipul´es avec des gants sans talc, ou avec une pince en plastique. Avant d’ˆetre empil´es, les wafers sont d´epoussi´er´es `a l’air sec.
Le tableau 4.3 pr´esente les diff´erents wafers que nous nous sommes procur´es. La figure 4.10 montre les sp´ecifications pour la d´ecoupe de wafers. Ces wafers ont ´et´e utilis´es pour cr´eer diff´erents assemblages dans des supports en aluminium que l’on peut voir sur la figure 4.11. Puis dans un deuxi`eme temps, ils ont ´et´e modifi´es : tous les wafers en germanium ont ´et´e partiellement attaqu´es `a l’acide pour enlever les couches superficielles qui auraient pu ˆetre perturb´ees par la d´ecoupe. La partie attaqu´ee `a l’acide ne repr´esente qu’une hauteur de 7 mm en partant du cot´e oppos´e au plus grand m´eplat, de fa¸con `a ce que l’on puisse toujours reconstituer l’ordre du cristal original, avec les d´efauts de d´ecoupes compl´ementaires entres deux wafers successifs. Les empilements ont `a nouveau ´et´e faits dans les supports en aluminium.
Mat´eriau Nombre Epaisseur Diam`etre (mm) (mm) Ge 27 0,3 25,4 Ge 17 0,5 25,4 Si 30 0,25 50,8 Si 15 0,5 50,8
Tab. 4.3: Inventaire des wafers `a disposition
Les wafers de Silicium de 0,5 mm d’´epaisseur ont ´et´e d´ecoup´es pour extraire de cha- cun quatre morceaux de 1 cm de cot´e. Plusieurs empilements de quatre plaquettes ont ´et´e r´ealis´es suivant des techniques diff´erentes dans un but prospectif. Les r´esultats sont pr´esent´es dans le chapitre suivant.
Fig. 4.10: Sp´ecifications pour la d´ecoupe des wafers de silicium. Le principe est le mˆeme pour la d´ecoupe des wafers de germanium, sauf que toutes les dimensions sont divis´ees par deux (en raison du coˆut).
Fig. 4.11: Wafers de silicium en cours d’empilement dans leur support en aluminium. Le support a ´et´e dessin´e `a l’ILL par Bernard Hamelin. Il comprend trois vis de serrage avec ressorts, et les deux cot´es sont ´evid´es au niveau des wafers pour limiter l’absorption lors des mesures aux rayons X.