Les autres méthodes de transfert

Bien qu'à ce jour, aucune démonstration complète de transfert de couche de diamant par le pro- cédé Smart CutT M _{n'ait été réalisée, des solutions pour détacher d'un substrat diamant des lms ns}

auto-portés - non collés à un autre substrat - existent déjà.

La méthode de détachement de lm la plus répandue, souvent simplement appelée "lift-o", dont les premiers procédés publiés à notre connaissance sont schématisés en gure1.25, repose sur les diérences de propriétés entre diamant et matériau graphitisé [148].

Figure 1.25  Procédé de fabrication de lm n de diamant par gravure de couche graphitisée [148]. Une première implantation C+ _{ou O}+ _{vient endommager une couche de diamant en profondeur.}

Dans le cas des diamants implantés C+_{, un recuit sous vide permet de graphitiser la couche endommagée}

qui est ensuite gravée dans l'acide sulfuro-chromique ou lors d'un recuit sous air. Dans le cas des diamants implantés O+_{, un recuit sous air permet de graphitiser la couche endommagée qui est gravée}

simultanément grâce à l'oxygène implanté. Les résultats obtenus alors restaient mitigés : cinétiques de gravures très lentes, transferts parfois seulement partiels et endommagement résiduel des lms.

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Marchywka et al. implantent du carbone à plus faible énergie que Parikh et al. avant d'épitaxier 15 µm de diamant. Ils gravent ensuite électrochimiquement la couche graphitisée. La mauvaise qualité de la couche épitaxiée empêche un détachement correct, amélioré par un recuit post-implantation [149]. La même année, Tzeng et al. détachent complètement un lm homoépitaxié sur substrat implanté et démontrent sa bonne qualité par spectroscopie Raman [150]. Les diamants sont implantés O+ _{à des}

énergies similaires à celles employées par Parikh et al. et la gravure est eectuée grâce à un recuit sous air. Yang et al. épitaxient également des lms sur substrats implantés avec diverses espèces (notam- ment C+_{, B}+_{) avant de les détacher par gravure électrochimique [151].}

Cette méthode sera employée plus tard pour fabriquer plusieurs substrats à partir d'une seule et même plaquette avec une reprise d'épitaxie post-implantation [152]. Un substrat de 40 × 60 mm2

a pu être fabriqué en assemblant plusieurs plaquettes détachées d'un même substrat et en faisant une croissance tri-dimensionnelle [153]. Un enchaînement de lift-o, de croissances CVD verticales et latérales du lm détaché et d'un nouveau lift-o du substrat élargi formé à partir du lm a également été étudié. Le procédé et son résultat sont schématisés en gure 1.26 [154]. Cette méthode de lift-o par implantation ionique et gravure électrochimique est utilisée par la société EDP (Excellent Diamond Products) pour fabriquer des substrats de diamant monocristallins [155].

Figure 1.26  En haut : Schéma des combinaisons de lift-os et de croissances CVD pour l'obtention de substrats diamant monocristallins élargis. En bas à gauche : photographie d'une plaquette (0,5 pouce) obtenue par le procédé décrit et en bas à droite : image en lumière polarisée de la plaquette obtenue [154]. Ces travaux pionniers seront également repris pour la fabrication de formes plus complexes [156]. Ces dernières sont créées en dessinant des motifs par sonde ionique focalisée (FIB) à la surface d'un diamant préalablement implanté à haute énergie (MeV) avec de l'hélium. Les tranchées ainsi creusées par le faisceau d'ion mettent à nu la zone endommagée. Après un recuit sous air, une gravure chimique libère les lms, nalement recuits sous vide à haute température pour guérir les dégâts résiduels du FIB et de l'implantation.

L'inconvénient majeur de la technique de lift-o est son manque de souplesse dans le choix de l'épaisseur du lm, supérieure au micromètre en raison des paramètres d'implantation à haute énergie ou à l'épitaxie. Fairchild et al. proposent de créer une couche de diamant prise entre deux couches implantées He+_{(toujours avec des énergies supérieures au MeV). Ils libèrent ainsi après gravure galva-}

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE d'obtenir des lms plus ns avec des implantations inférieures au MeV, sans pour autant trop altérer la qualité cristalline de ces derniers. Les dégâts résiduels de l'implantation à la surface du lm sub- sistent mais peuvent être gravés par plasma hydrogène [158]. Le lift-o par implantation d'hélium a notamment été utilisé pour l'élaboration de diodes Schottky, dont les performances sont comparables avec leurs homologues élaborées sur substrat épais [24], des jonctions p-n ainsi que des jonctions p-i-n qui présentent de bonnes propriétés d'électroluminescence et de photoluminescence [159].

En implantant de l'hydrogène à des énergies inférieures à 100 keV, des lms ns (moins de 100 nm d'épaisseur) de bonne qualité cristalline peuvent être obtenus [160]. A noter que les auteurs évitent le bullage par un recuit sous haute pression et se heurtent à l'imprécision de SRIM dans ces conditions précises.

Pour faciliter la manipulation des membranes nes, plusieurs études ont combiné collage et lift-o. Diérentes méthodes post-détachement ont été employées, dont du collage polymère (PMMA [160,161], PDMS [162]), du collage par l'intermédiaire d'une goutte d'eau [159,163] ou diamant/diamant par fu- sion dans un bâti de CVD assisté par plasma microonde (MPCVD) [164].

Des simulations dédiées à l'optimisation de la qualité des membranes, i.e. la diminution des dégâts résiduels d'implantation, montrent que la combinaison d'implantation à froid et recuit rapide à haute température (procédé CIRA - Cold Implantation and Rapid Annealing) permet d'obtenir les interfaces diamant/graphite les plus lisses possibles [165,166]. Dans la pratique, même si ce procédé n'est pas répandu, les rugosités des lms mesurées après lift-o restent similaires à la plaquette mère [152,156] voire réduites [167].

Une seconde méthode de fabrication de lm autoporté a été publiée plus récemment [168]. Il s'agit de la méthode qui se rapproche le plus du procédé Smart CutTM _{et qui s'aranchit de l'étape de}

gravure sélective des matériaux graphitisés. Les diérentes étapes de la fabrication sont exposées en gure1.27.

Figure 1.27  Procédé d'obtention de lms ns de diamant par implantation à chaud et "ion-cut" en utilisant (a) une implantation ionique C+ _{à 400 °C, (b) un recuit à 850 °C, (c) une implantation}

H+ _{à température ambiante, (d) un dépôt de titane (RF magnetron sputtering) et (e) un recuit nal à}

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Une première implantation C+ _{à 4 MeV et un recuit à 850 °C viennent créent une couche endom-}

magée à 2,3 µm de profondeur. L'implantation se fait à chaud (400 °C) pour réduire l'épaisseur de la zone endommagée, visible en TEM. Notons que ces observations semblent en contradiction avec les simulations, où l'implantation à chaud semble plutôt élargir la zone endommagée [166], même si les ordres de grandeur des températures d'implantation et de recuit simulées sont bien supérieures à l'ex- périmentation.

Une deuxième implantation H+_{dans la zone préalablement endommagée vient provoquer la fracture}

lors d'un second recuit, à la façon du Smart CutT M_{. 2 µm de Ti sont déposés pour garantir la tenue}

mécanique du lm auto-porté, comme illustré sur la gure 1.28. La qualité cristalline, vériée par spectroscopie Raman, révèle un pic diamant altéré en comparaison avec celui du substrat donneur (gure 1.29).

Figure 1.28  Films obtenus (a) sans dépôt de titane (le lm - nommé "exfoliated diamond" - est toujours attaché au substrat - nommé "donor diamond") et (b) avec dépôt de titane (Le lm est cette fois auto-porté) par la méthode de Suk et al. [168].

Figure 1.29  Etude Raman des lms auto-portés obtenus par la méthode de Suk et al. [168]. Le spectre associé au substrat donneur est indiqué en vert, celui du dessous du lm transféré (soit dans la zone implantée fracturée) est indiqué en rouge et celui de la surface du lm transféré est indiqué en rouge. NV0 _{est la signature du centre NV.}

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Enn, il existe également des méthodes de préparation de lm n autoporté qui ne se basent par sur l'implantation ionique mais sur l'amincissement des substrats diamant par gravure plasma (Ar/O2[169], Ar/O2/SF6, Ar/O2/Cl2 [170] ou encore Ar/Cl2 [171]). Les lms ainsi amincis ont parfois

été collés sur un autre substrat par l'intermédiaire d'une goutte d'isopropanol [171] ou d'une couche de HSQ (hydrogen silsesquioxane) [172] pour la conception de résonateurs. Des lms de diamant hé- téroépitaxiés, sur silicium notamment, peuvent aussi être libérés par la gravure complète et sélective du substrat [173,174]. Cependant, la consommation intégrale du substrat ne présente pas d'avantage économique.

L'obtention de lms ns de diamant est donc un sujet actif, motivé par de nombreuses applications déjà énumérées ailleurs [159,164]. Les techniques disponibles permettent d'obtenir des lms auto-portés d'épaisseurs allant de quelques centaines de nanomètres à plusieurs microns, même si la qualité cris- talline n'est pas toujours parfaite.

En conclusion de l'état de l'art de l'implantation ionique, du collage et des méthodes de transfert de couche de diamant, il n'existe encore aucune étude du procédé de transfert Smart CutTM _complet.

Des conditions de bullage ont été identiées mais impliquent pour la grande majorité des recuits à des températures très élevées qui peuvent limiter les choix de collage et/ou de substrat receveur. Le collage direct du diamant a déjà été réussi mais la bibliographie à ce sujet reste incomplète et perfectible. Des méthodes existent pour obtenir des lms auto-portés. Ces derniers peuvent ensuite être collés sur d'autres substrats, mais à notre connaissance, aucune méthode de transfert intégrant le collage d'un raidisseur n'a été démontrée.

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

1.3 Positionnement de l'étude