La méthode HPHT est apparue dans les années 50 et consiste à se placer dans des conditions thermodynamiques favorables à la cristallisation du carbone en diamant (à une pression supérieure à 5 GPa pour une température d'environ 1400 °C).
Une source de carbone (graphite ou poudre de diamant) et un germe de diamant sont placés dans une chambre. Un métal fondu (cobalt ou nickel par exemple) est utilisé comme catalyseur car il permet d'abaisser les conditions de croissance du diamant et ainsi simpli er le procédé [188]. Le principe est d'appliquer un gradient de température pour que la source, plus chaude, se dissolve dans le métal et diuse vers le germe plus froid et recristallise à sa surface. Il existe plusieurs géométries de presse (cubique ou en cloche par exemple) qui possèdent chacune leurs avantages et leurs inconvénients. Le contrôle de la pureté est di cile, bien que la synthèse de diamants IIa soit possible et atteindre des grandes tailles de cristal est un dé technologique car un contrôle parfait des conditions dans la chambre est requis pendant de très longues périodes (à titre d'exemple, il faut plus de 200 h pour obtenir des cristaux de 10 carats [188]).
Après découpe du diamant massif obtenu, des plaquettes telles que celles utilisées dans nos études sont disponibles. La dimension maximale des plaquettes disponibles dans le commerce est de l'ordre de la dizaine de millimètres carrés. Ces plaquettes sont souvent employées comme substrat pour la seconde méthode de synthèse.
B.2 La méthode CVD
La seconde méthode de synthèse se fait hors de la fenêtre de stabilité thermodynamique du dia- mant, à basse pression. La CVD (Chemical Vapor Deposition) consiste à dissocier un précurseur gazeux carboné (des hydrocarbures) et déposer le carbone sur un substrat solide. Ce substrat peut être un diamant ou un autre matériau. Schématiquement, dans le premier cas, on obtient un diamant mo- nocristallin et on parle d'homoépitaxie. Dans le second, on parle d'hétéroépitaxie et on obtient un diamant polycristallin.
À l'image de la méthode HPHT, il existe plusieurs déclinaisons de la méthode CVD. Une des plus répandue utilise une source micro-onde pour créer une décharge électrique qui permet de former un plasma à partir des gaz précurseurs (CH4/H2). Des radicaux carbonés sont ainsi générés et peuvent se
déposer sur le substrat chaué. De l'hydrogène atomique est aussi formé et sa capacité à graver plus rapidement le carbone sp2 que le carbone sp3 améliore grandement le procédé.
Les mécanismes de formation des précurseurs et de croissance sont des sujets complexes déjà pré- sentés ailleurs [189] et ne seront pas détaillés ici.
La méthode CVD permet également l'incorporation de dopants de façon maîtrisée et permet no- tamment l'élaboration de couches très nes et fortement dopées [189,190].
ANNEXES
C L'implantation ionique
L'implantation ionique est une technique standard de la microélectronique. Utilisée dans nos études en tant que brique du procédé Smart Cuttm, elle est principalement employée pour l'introduction de
dopants à une profondeur maîtrisée.
C.1 Principe
Le schéma d'un implanteur est présenté en gureC.1[191]. Cette technique a pour but d'incorporer des ions (tirés d'une source gazeuse) dans un matériau quelconque.
Figure C.1 Schéma d'un implanteur ionique [191].
Grâce à un bombardement d'électrons issus d'un lament chaué, le gaz est ionisé dans la source. Les ions sont ensuite extraits vers l'aimant d'analyse grâce à un champ électrique pour être sélectionnés par leur masse. Ils sont ensuite accélérés en leur appliquant une tension puis sont concentrés en un faisceau grâce à une lentille électromagnétique. Un système de balayage permet de projeter les ions sur toute la surface de l'échantillon. Le substrat cible est placé dans une enceinte sous vide, xé à un dispositif de refroidissement pour évacuer la chaleur créée par le bombardement.
À l'impact, en fonction de leur énergie cinétique, les ions vont :
Être ré échis ou absorbés par la surface si leur énergie est inférieure à la dizaine d'électronvolts. Entraîner la pulvérisation d'atomes de la surface si leur énergie est comprise entre une centaine
d'electronvolts et 1 keV.
S'implanter dans le substrat si son énergie dépasse le keV.
Avec une énergie su sante, les ions vont donc pénétrer dans la cible. En plus de la pulvérisation des atomes, des produits de collision tels que les électrons secondaires ou des rayonnements sont également émis (voir gureC.2). Les ions implantés peuvent être également rétrodiusés.
Lorsqu'ils s'enfoncent dans la cible, ils sont freinés de deux façons diérentes :
Par les nuages électroniques (freinage électronique), qui agissent à la manière d'une force de frottement et réduisent constamment l'énergie de l'ion incident. Ce freinage prédomine à haute énergie des particules incidentes. Ionisations et excitations des atomes de la cible se produisent alors dans ces conditions.
Par les noyaux des atomes de la cible (freinage nucléaire) qui entrent en collisions élastiques avec les ions incidents. De grandes quantités d'énergie cinétique sont échangées dans ce type de freinage qui prédomine à faible énergie, soit en n de parcours des ions. Ce freinage nucléaire est également plus important lorsque le numéro atomique des ions ou des atomes de la cible est grand.
ANNEXES
Figure C.2 Récapitulatif des mécanismes physiques produits pendant l'implantation ionique. Le pro l d'implantation des ions en fonction de la profondeur est également donné à droite [192].
Ces atomes peuvent être déplacés sous la force de l'impact et heurter d'autres atomes, amorçant une cascade de collisions. En n, les ions s'implantent une fois toute leur énergie cinétique perdue.
Le pro l de distribution des ions en fonction de la profondeur peut être assimilé à une gaussienne, représentée sur la partie droite de la gureC.2. On dé nit Rp, le sommet de la gaussienne et maximum
de concentration d'ions impantés et ∆Rp la demi-largeur à mi-hauteur.
Implanter un matériau l'endommage donc en créant des lacunes ou des interstitiels, fruits des cas- cades de collisions. Des phases amorphes ou métastables (hors équilibre thermodynamique) peuvent être également être créées.
La technique repose expérimentalement sur plusieurs paramètres ajustables :
L'énergie d'implantation (en eV, énergie avec laquelle les ions vont frapper la surface du substrat. Selon l'implanteur utilisé, cette énergie peut aller de quelques keV à plusieurs MeV. Plus l'énergie est grande, plus les ions s'implanteront profondément. Il existe en pratique une énergie minimale car au-dessous d'un certain seuil, la répulsion entre ions rend la focalisation du faisceau très di cile. En n, à énergie xe, plus un ion est lourd et moins il s'implante profondément. Le courant d'implantation (en A) est le ux d'ions qui frappe la surface. Il permet d'implanter
plus rapidement lorsqu'il est élevé mais échaue davantage la cible. Dans nos études, ce courant vaut entre 1 et 10 mA.
La dose (en cm=2), représente la quantité d'ions implantés. C'est un paramètre ajustable indi-
rectement car il dépend de la surface implantée, du courant d'implantation et du temps d'im- plantation. Plus la dose est élevée et plus les défauts produits dans la cible seront nombreux.
ANNEXES
C.2 La simulation SRIM
La méthode largement utilisée pour simuler l'implantation ionique est nommée SRIM (Stopping Range of Ions in Matter) [193]. Elle repose sur des simulations de type Monte-Carlo, qui utilisent des variables aléatoires et la répétition d'une expérience pour évaluer des quantités (une intégrale par exemple) [194].
Dans le cas de l'implantation ionique, il est nécessaire de modéliser les diérentes interactions ions/matière décrites précédemment (freinages nucléaires et électroniques). La perte d'énergie -dE/dx des ions possédant une énergie E au cours d'une distance x est dé nie par :
−dE
dx = N S(E) = N [Sn(E) + Se(E)] (1)
Où N est la concentration atomique de la cible (en cm=3) et S(E), S
n(E) et Se(E) sont respec-
tivement les sections e caces du freinage total, nucléaire et électronique du matériau implanté. Les équations qui sous-tendent ces interactions, basées sur la mécanique quantique, sont di ciles à ré- soudre analytiquement. De nombreuses informations peuvent être trouvées directement sur le site dédié à SRIM [195].
Concrètement, une maille d'atome est générée dans une boîte aux dimensions choisies. La densité de cette maille (la densité atomique du matériau simulé) et ses énergies de surface, de liaison et de déplacement sont précisées avant la simulation. La nature de l'ion, son énergie d'implantation et l'angle avec lequel il frappe la surface sont également indiqués à la main. Les trajectoires des ions sont ensuite simulées les unes après les autres. Ces derniers se heurtent aléatoirement aux atomes de la maille et sont déviés, occasionnant une cascade de déplacement tant que l'énergie transmise aux atomes est supérieure à l'énergie de déplacement. À la n du calcul des trajectoires et des dégâts, il est possible de dé nir Rp et ∆Rp.
Puisque la maille est immobile durant la simulation, on peut considérer que la simulation est eectuée à 0 K. De plus, dans le cas d'une cible cristalline, la structure n'est pas exactement représentée puisque le maillage se fait de façon aléatoire. On obtient donc un matériau amorphe de même densité atomique que le matériau cristallin à simuler. La bonne précision de la méthode dans de très nombreuses con gurations et la simplicité d'utilisation du logiciel en font cependant un très bon outil.
ANNEXES
D Méthodes de caractérisation
Les caractérisations employées vont maintenant être décrites. Elles se basent majoritairement sur les interactions électron/matière et rayonnement/matière, à l'exception de la spectrométrie de masse des ions secondaires (interaction ion/matière), de l'interférométrie (diraction de deux faisceaux lu- mineux) et de l'ellipsométrie (changement de polarisation d'un faisceau lumineux). Les deux types d'interaction évoqués sont représentés sur la gureD.1.
Figure D.1 (a) Interactions électron/matière et (b) interactions rayonnemment/matière. Les rayon- nements sont indiqués en rouge, les particules en noir. Les caractérisations utilisées (en bleu) sont associées à leur produit d'interaction. L'absorption optique est employée avec un rayonnement incident dont la longueur d'onde se situe dans la gamme ultraviolet-visible-infrarouge.
ANNEXES