S’INTÉGRER DANS LES PROCÉDÉS DE MICRO-FABRICATION ET DISPOSITIFS
6.3 Comportement à haute température du carbure de silicium poreux sous atmosphère oxydante etde silicium poreux sous atmosphère oxydante et
6.3.1 Méthode expérimentale
Nous souhaitons déterminer jusqu’à quelle température le carbure de silicium poreux peut être utilisé sans subir de réorganisation structurale. Pour cela nous avons fait des recuits à des températures différentes, entre 1000 et 1400◦C sous O2 ou N2, sur des échantillons de carbure de silicium poreux. Ces recuits ont très probablement aussi modifié la chimie de surface des échantillons, mais nous n’avons pas caractérisé ces changements puisque ce n’est pas le but de cette étude.
Les recuits ont été effectués dans un four à tube Carbolite pouvant monter jusqu’à 1600◦C. Les recuits ont été faits soit sous oxygène à un débit de 300 mL/min, ou sous azote à un débit de 400 mL/min. La montée en température était faite à une vitesse de 20◦C/minute. Une fois la température de consigne atteinte, celle-ci a été maintenue pendant deux heures.
Les échantillons ont été caractérisés au MEB avant et après les recuits afin de détecter d’éventuels changements de structure. Chaque échantillon a été clivé en deux suite à sa fabrication, et les deux demi-échantillons ont subi des recuits à des températures différentes. Ces échantillons ont été de nouveau clivés en deux après le recuit, et les observations au MEB ont été faites sur le plan de ce deuxième clivage, qui n’a pas été directement exposé pendant le recuit.
Trois types différents d’échantillons de carbure de silicium poreux ont été testés : des échantillons avec la morphologie à faible porosité, et des échantillons ayant la morphologie à plus forte porosité, à deux niveaux de porosité différentes, une moyenne et une élevée. Le tableau 6.5 donne les conditions de fabrication des échantillons.
Tableau 6.5 Paramètres de fabrication des échantillons de carbure de silicium poreux utilisés pour les tests de tenue en température
Paramètres généraux
SSE Substrat Électrolyte Éclairage H345E-F-K SiCrystal, 4H type-n,
face Si, ρ = 0,0157 Ω.cm
HF 49% eau DI -éthanol (1:4:5)vol
Lampe UV 365 nm
I227ZB, H341L Tankeblue, 6H type-n, face Si, ρ =0.047
Ω.cm
HF 49% eau DI -éthanol (1:4:5)vol
Lampe UV 395 nm
I226A Tankeblue, 4H type-n,
face Si, ρ < 0.1 Ω.cm HF 49% - eau DI -éthanol (1:4:5)vol
Lampe UV 395 nm1
I226B Tankeblue, 4H type-n,
face Si, ρ < 0.1 Ω.cm HF 49% - eau DI -éthanol (1:4:5)vol
Lampe UV 365 nm
Densité de courant et temps de gravure Morphologie SSE Densité de
courant (mA/cm2) Temps de gravure total (s) Temps gra-vure/repos Épaisseur(µm) Faible
porosité H345E-F 47 51 min 1s/3s
≈ 19
Faible
porosité H345K 47 30 min 1s/3s
≈ 10
Porosité
moyenne I227ZB,H341L 220 11 min 40 s 1s/3s
≈ 10
Porosité
élevée I226A-B 360 18 min 20 s 1s/3s
≈ 20
6.3.2 Résultats et discussion
Recuits sous N2
La figure 6.2 montre des images MEB en coupe des échantillons de carbure de silicium poreux avant et après recuit à différentes températures, sous atmosphère de N2. On peut faire les observations suivantes :
1La lampe à 395 nm a été utilisée ici par erreur, au lieu de celle à 365 nm. Cependant, d’après les résultats
Faible porosité : aucun changement après recuit, pour toutes les températures testées, jusqu’à 1400◦C.
Porosité moyenne : aucun changement visible après le recuit à 1200◦C, mais une réorganisa-tion de la structure est survenue après le recuit à 1400◦C, avec un grossissement et un arrondissement des structures formant le carbure de silicium poreux.
Porosité élevée : aucun changement visible après le recuit à 1000◦C, mais suite au recuit à 1200◦C il y a un début de réorganisation de structure.
On voit donc que la température maximale à laquelle le SiC poreux peut être utilisé sans subir de changement de structure dépend de la porosité. Dans tous les cas le carbure de silicium poreux peut être utilisé sous N2 jusqu’à au moins 1000◦C, et selon la porosité, jusqu’à 1200 voire 1400◦C.
Figure 6.2 Images MEB en coupe des échantillons de carbure de silicium poreux avant et après recuit sous N2, pour différentes porosités et températures. La barre d’échelle est en nm pour toutes les images.
La réorganisation la plus forte observée ici est pour l’échantillon à moyenne porosité recuit à 1400◦C, et ces changements ont été accompagnés d’une diminution de l’épaisseur de la couche poreuse. Au bord de la zone poreuse, on peut observer une dépression par rapport au substrat non-poreux d’environ 1 µm, pour une épaisseur initiale d’environ 10 µm. La figure 6.3 montre
des images MEB de cet échantillon avant et après ce recuit. Nous n’avons pas observé de variations de l’épaisseur des autres échantillons suite au recuit.
Figure 6.3 Images MEB en coupe de l’échantillon de carbure de silicium poreux à moyenne porosité, a) avant et b) après recuit à 1400◦C sous N2. L’échelle est la même pour les deux images.
Recuits sous O2
La figure 6.4 montre des images MEB en coupe des échantillons de carbure de silicium poreux avant et après recuit à différentes températures, sous atmosphère de O2. On peut faire les observations suivantes :
Faible porosité : La structure ne se réorganise pas suite aux recuits à 1000◦C et 1200◦C. Par contre on observe un gonflement des nanostructures formant le carbure de silicium poreux. Nous n’avons pas observé de variations de l’épaisseur de la couche poreuse.
Porosité moyenne : Il n’y a pas de changement visible suite au recuit à 1000◦C. Par contre à 1200 ◦C on observe un gonflement marqué des nanostructures. Comme on peut voir à la figure 6.5, il y a eu une légère réduction de l’épaisseur de la couche associée à ce changement.
Porosité élevée : Suite au recuit à 1000◦C, il y a eu un léger gonflement des nanostructures composant le carbure de silicium poreux. De plus, comme on peut le voir à la figure 6.6, localement il y a parfois eu une réorganisation plus marquée. Cependant, ce phénomène paraît isolé. Il n’y a pas eu de variation de l’épaisseur de la couche suite à ce recuit.
Après le recuit à 1200◦C, il y a eu une réorganisation importante de la couche poreuse, avec un grossissement des structures et une forte réduction de la porosité. L’épaisseur de la couche a été divisée par deux, comme le montre la figure 6.7.
Figure 6.4 Images MEB en coupe des échantillons de carbure de silicium poreux avant et après recuit sous O2, pour différentes porosités et températures. La barre d’échelle est en nm pour toutes les images.
Figure 6.5 Images MEB en coupe de l’échantillon de carbure de silicium poreux à moyenne porosité, a) avant, et b) après recuit à 1200◦C sous O2. L’échelle est la même pour les deux images. Lors de l’observation au MEB, l’échantillon recuit se chargeait fortement (probablement à cause de l’oxydation), ce qui affecte le contraste de l’image. La partie gauche de la figure b) montre l’image originale, et la partie de droite montre l’image après une correction du contraste.
Dans le cas de l’oxydation, il faut distinguer la réorganisation de la couche et le gonflement des nanostructures. On souhaite éviter la réorganisation des couches. Par contre le gonflement est
Figure 6.6 a) image MEB en coupe de la couche de SiC poreux après le recuit à 1000◦C sous O2, et b) agrandissement montrant une zone où localement une réorganisation plus marquée a eu lieu.
Figure 6.7 Images MEB en coupe de l’échantillon de carbure de silicium poreux à porosité élevée, a) avant, et b) après recuit à 1200◦C sous O2. Le trait horizontal visible au milieu de la figure a) correspond probablement à une fissure dans le SiC poreux qui s’est produit lors de son clivage. Lors de l’observation au MEB, l’échantillon recuit se chargeait fortement (probablement à cause de l’oxydation), ce qui affecte le contraste de l’image. La partie gauche de la figure b) montre l’image originale, et la partie de droite montre l’image après une correction du contraste.
inévitable à ces températures, puisque le SiC réagit nécessairement avec l’oxygène en s’oxydant. Comme sur silicium [64], l’intégration d’oxygène conduit au gonflement du SiC.
Donc sous O2, comme pour les recuits sous N2, tous les échantillons peuvent être utilisés jusqu’à au moins 1000◦C sans subir de réorganisation de leur structure. De plus, selon leur porosité, certains peuvent être utilisés à des températures plus élevées.